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La naturaleza atómica de la materia, Estudiante: Jorge Landacay,…
La naturaleza atómica
de la materia
La hipótesis atómica
La idea de átomos se originó en el siglo V a.C., pero Aristóteles no la aceptó, creyendo en la combinación de cuatro elementos.
En el siglo XIX, John Dalton propuso la teoría atómica, aunque faltaban pruebas.
En 1827, Robert Brown observó el movimiento browniano, evidencia indirecta de átomos.
Albert Einstein explicó este fenómeno en 1905, contribuyendo a la aceptación de los átomos.
Richard Feynman, en 1963, destacó la importancia de los átomos como la base central de toda la ciencia.
Características de los átomos
Los átomos, constituyentes fundamentales de la materia, son extremadamente pequeños y numerosos, con alrededor de 100 sextillones en un gramo de agua.
Su constante movimiento, evidenciado por el movimiento browniano, es esencial para la dinámica de la materia.
A pesar de su tamaño diminuto, la rápida dispersión de átomos en la atmósfera y su capacidad para mezclarse destaca su movilidad.
La idea de que los átomos son compartidos y reciclados a través del tiempo, viajando desde los primeros momentos del universo hasta formar parte de organismos vivos, resalta su conexión universal.
Los átomos en nuestro cuerpo tienen historias cósmicas, algunos tan antiguos como el universo mismo.
Imágenes atómicas
Los átomos son tan pequeños que no pueden ser visualizados con luz visible debido a que son más pequeños que las longitudes de onda de la luz.
Aunque los microscopios ópticos no pueden revelar detalles atómicos, se han utilizado técnicas como el microscopio electrónico de barrido (MEB) y el microscopio de barrido y tunelización (MBT) para obtener imágenes de átomos.
El MEB, desarrollado por Albert Crewe en 1970, fue el primero en proporcionar imágenes de alta resolución de átomos individuales.
En la década de 1980, el MBT permitió observar la topología de la superficie atómica midiendo la corriente de tunelización entre una punta afilada y la superficie.
Aunque no podemos ver el interior de un átomo, se han creado modelos, como el modelo planetario, para representar su estructura.
Estos modelos son abstracciones que ayudan a visualizar lo que no podemos observar directamente, y ninguna representación será un retrato físico del átomo real.
Estructura atómica
La estructura atómica se focaliza en el núcleo, que concentra casi toda la masa del átomo en una pequeña fracción de su volumen, siendo extraordinariamente denso.
Si los núcleos pudieran empaquetarse entre sí, una bola del tamaño de un haba pesaría 133,000,000 de toneladas, pero las fuerzas eléctricas de repulsión evitan su cercanía excesiva.
El núcleo está compuesto por nucleones, neutrones y protones, estos últimos con carga positiva.
Los electrones, de carga negativa, orbitan alrededor del núcleo y contribuyen mínimamente a la masa del átomo.
La interacción eléctrica entre electrones y protones permite la formación de átomos y moléculas.
A nivel macroscópico, las repulsiones eléctricas entre los electrones determinan la solidez de los objetos y nuestra capacidad de percibir el tacto.
Los elementos
Los elementos consisten en átomos del mismo tipo, y cuando una sustancia tiene átomos de un solo tipo, se considera un elemento.
Por ejemplo, el oro puro de 24 quilates está formado exclusivamente por átomos de oro.
Aunque se conocen más de 112 elementos, alrededor de 90 se encuentran en la naturaleza, y los demás se producen en laboratorios mediante aceleradores atómicos y reactores nucleares.
En el Universo, el hidrógeno es el elemento más ligero y abundante, seguido por el helio, y los átomos más pesados se forman a través de la fusión en el interior de las estrellas y las explosiones de supernovas.
En la Tierra, más del 99% de la materia está compuesto por alrededor de una docena de elementos, y los seres vivos están principalmente formados por cinco elementos: oxígeno, carbono, hidrógeno, nitrógeno y calcio.
La tabla periódica de los elementos
La tabla periódica organiza los elementos por su número atómico, que indica la cantidad de protones en el núcleo.
Su disposición sigue un patrón eléctrico similar a un calendario, donde cada elemento a la derecha tiene más protones y electrones que el anterior, y hacia abajo, se añade una capa de electrones.
Los gases nobles en la extrema derecha tienen capas externas llenas, y la disposición de electrones en las capas afecta propiedades como temperatura de fusión, conductividad eléctrica y características sensoriales.
La tabla es esencial en química y se considera un organigrama elegante.
Los modelos atómicos han evolucionado hacia el modelo cuántico mecánico, que describe al electrón como una onda estacionaria, rompiendo con el modelo clásico del átomo.
Este enfoque cuántico aborda el estudio a nivel subatómico, considerando propiedades ondulatorias de la materia y cantidades cuantizadas como energía y momento angular.
Isótopos
Los isótopos son átomos de un mismo elemento con diferentes cantidades de neutrones en el núcleo.
Aunque comparten el mismo número de protones y electrones, la variación en el número de neutrones crea isótopos.
Se identifican por su número de masa, la suma de protones y neutrones.
La masa atómica, la suma de las masas de los componentes en el átomo (electrones, protones y neutrones), se expresa en unidades de masa atómica (uma).
La tabla periódica lista las masas atómicas en uma, y estas se obtienen a partir de un promedio ponderado de los isótopos de un elemento, considerando su abundancia en la Tierra.
Por ejemplo, el carbono-12 es el isótopo más común, pero la presencia de un pequeño porcentaje de carbono-13 eleva la masa atómica promedio del carbono a 12.011 uma.
Compuestos y mezclas
Los compuestos son sustancias químicamente puras formadas por la combinación de átomos de diferentes elementos.
Ejemplos incluyen el agua (H2O) y la sal (NaCl). A diferencia de los elementos individuales, los compuestos solo pueden separarse mediante procesos químicos específicos.
En contraste, las mezclas son combinaciones de sustancias que se pueden separar físicamente y no experimentan reacciones químicas.
Por ejemplo, la arena mezclada con sal es una mezcla en la que los componentes conservan sus propiedades originales.
El aire que respiramos es una mezcla de gases como nitrógeno, oxígeno y argón.
La distinción entre compuestos y mezclas es fundamental en química, ya que los compuestos tienen propiedades únicas que difieren de los elementos individuales, mientras que las mezclas mantienen las características originales de sus componentes.
Moléculas
Las moléculas son conjuntos de átomos unidos mediante enlaces covalentes.
Pueden variar desde simples, como el oxígeno (O2) y el nitrógeno (N2), hasta complejas, como la molécula de agua (H2O).
Cambios en la composición molecular pueden tener impactos significativos en las propiedades de las sustancias, como en el caso de la clorofila y la hemoglobina.
La energía es requerida para separar moléculas, similar a la fuerza necesaria para separar imanes.
Durante la fotosíntesis, las plantas utilizan la energía solar para descomponer moléculas de agua y dióxido de carbono, produciendo carbohidratos.
Las reacciones químicas, donde los átomos se reorganizan para formar moléculas diferentes, son esenciales.
La difusión molecular en el aire se evidencia cuando se perciben olores rápidamente en distintas áreas.
Estudiante:
Jorge Landacay
Ingeniería Ambiental
Primer Ciclo
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