Teoría atómica: definición, historia y cronología

¿Qué es la teoría atómica?

Una descripción simplista de la materia según Aristóteles: fuego, aire, agua y tierra

La teoría atómica es lo que los científicos han llegado a reconocer como la explicación de cómo la materia y la energía cooperan para producir los elementos y sus propiedades. Los primeros filósofos Aristóteles , Platón y Demócrito no estaban de acuerdo con el concepto de materia. Algunos, como Aristóteles, sostuvieron que las partículas invisibles no podían explicar la formación de la materia. Sin embargo, Demócrito (370 a. C.) mantuvo su creencia de que la materia era más que solo fuego, aire, tierra y agua.

El sabio oriental Acharya Kashyap Kanad, 600 a. C.

Demócrito propuso lo que el filósofo y sabio Acharya ‘Kashyap’ Kanad (600 aC) había descrito años antes en su trabajo científico titulado ‘Vaisheshik Darshan’. Las partículas indivisibles llamadas anu o átomos se conectan para formar las propiedades de la materia. Esto no se determinó empíricamente, sino por inferencia de interacciones físicas que se pueden observar, al igual que el tiempo y el espacio.

Isaac Newton y Robert Boyle , ambos físicos del siglo XVII, sentaron las bases de la teoría atómica moderna. Newton describió las fuerzas atractivas y repulsivas de los objetos que tienen algún impacto en la presión. Boyle realmente definió esta presión dentro de los gases como el producto de fuerzas atómicas. Utilizando el método científico , Boyle determinó las propiedades cuantitativas del aire y otros gases, en diversas condiciones: temperatura, presión y volumen. El aire fue un medio experimental significativo con el que trabajar, ya que era muy abundante.

El método científico implica una serie de pasos, incluida la observación y la hipótesis, que se prueban antes de desarrollar una teoría o ley. Los descubrimientos de Boyle llevaron a leyes que se aplican a la mayoría de los gases. También dedujo que los elementos eran claramente diferentes de los compuestos ; los compuestos constaban de más de un elemento. La separación y el aislamiento de componentes de compuestos solían producir materiales puros. Este proceso, particularmente como parte de la metalurgia, llevó al entendimiento de que los átomos de un solo elemento purificado son idénticos.

La presión total es la suma de las presiones parciales de los gases individuales.

Momentos históricos

Varios eventos llevaron a los científicos a definir los límites de la teoría atómica. Los más notables incluyen los descubrimientos hechos por John Dalton. La publicación de John Dalton de A New System of Chemical Philosophy (1808) enmarcó el trabajo continuo sobre la teoría atómica en cuatro principios que se citan a continuación:

1. Cada elemento está formado por pequeñas partículas llamadas átomos.
2. Los átomos de un elemento dado son idénticos; los átomos de diferentes elementos son diferentes de alguna manera (s) fundamental (es).
3. Los compuestos químicos se forman cuando los átomos de diferentes elementos se combinan entre sí. Un compuesto dado siempre tiene el mismo número relativo y tipos de átomos.
4. Las reacciones químicas implican la reorganización de los átomos: cambios en la forma en que se unen. Los átomos mismos no se modifican en una reacción química.

Dalton continúa su estudio de los elementos definiendo los pesos atómicos , la masa física total de protones y neutrones, y los números atómicos , el número total de protones que reflejan las propiedades químicas y físicas de los átomos neutros.

También fue significativa la comprensión de Dalton de la ley de proporciones definidas de Proust unos años antes. La ley de Proust explica cómo los átomos están dispuestos en proporciones específicas dentro de las moléculas y cómo esas moléculas pueden interactuar y participar en reacciones químicas específicas para formar nuevos compuestos. Por ejemplo, el agua se compone de oxígeno e hidrógeno. Fue el análisis de Dalton de la proporción de oxígeno a hidrógeno, 8: 1, lo que permitió identificar el hidrógeno que tiene un número atómico de 1 y el número atómico de oxígeno de 8.

La masa total es la suma de las masas individuales.

Cronología

En el siglo XX, la teoría atómica se había probado a fondo. Las investigaciones comenzaron a enfocarse en aislar realmente las partículas para visualizar lo que solo se había inferido por el comportamiento de elementos y moléculas. En 1926, Werner Heisenberg y Erwin Schrödinger interpretaron los electrones en términos de funciones de onda matemáticas, como parte del modelo atómico formado por Niels Bohr . El principio de incertidumbre de Heisenberg y los experimentos de ondas de Schrödinger sirvieron para definir y unificar los modelos de ondas y partículas que causaron mucho debate en torno a la naturaleza de la teoría atómica y la estructura atómica.

Durante esta era de la mecánica cuántica, los principios de la teoría atómica de Dalton se estaban perfeccionando, lo que permitía visualizar los modelos teóricos mediante el mapeo de densidad de electrones . La densidad de electrones se puede determinar físicamente por difracción de rayos X y matemáticamente por probabilidad radial . La difracción de rayos X utiliza un haz de luz para iluminar un objeto; la ‘sombra’ proyectada por el objeto se puede ensamblar en la forma del objeto original. La probabilidad radial es la medida del radio atómico dados varios números cuánticos de acuerdo con la estructura de radios atómicos de Niels Bohr. La probabilidad de un radio dado se usa para estimar una forma o patrón para los electrones alrededor del núcleo atómico.

La densidad electrónica del campo azul ilustra el principio de incertidumbre de Heisenberg

Importancia para nuestras vidas

Es raro que surjan preocupaciones por el principio de incertidumbre de Heisenberg en nuestra vida diaria. Lo más importante para nosotros es que nuestros coches funcionen, nuestros televisores se enciendan, la comida y el agua estén siempre disponibles, y nuestros teléfonos móviles no exploten en nuestros bolsillos. Pero todas estas cosas dependen de la estabilidad de los elementos a nivel atómico en los materiales de los que están hechos estos elementos.

La mayoría de nuestros artículos de uso diario están hechos de polímeros de carbono, minerales de metales de transición de níquel, hierro y estaño y metaloides como el silicio y el aluminio. Estos elementos demuestran densidades de electrones a niveles de energía estables y no son reactivos en los entornos típicos de la vida cotidiana. Gracias a los principios de la teoría atómica, se comprenden las propiedades de estos elementos y se pueden utilizar de forma segura en nuestros hogares y oficinas. A medida que se descubren nuevos elementos que siguen los mismos principios, se pueden desarrollar nuevos productos de forma segura para mejorar nuestras vidas.

Medicamentos, equipos de seguridad, ropa aislante, envasado de alimentos: todo consta de elementos que de una forma u otra pueden ser tan mortales como útiles para nosotros. Pero los químicos han estudiado las propiedades básicas de los elementos que componen nuestra pasta de dientes para concluir que los dientes blancos y el aliento fresco es todo lo que quedará después de su uso.

Puede producirse intoxicación por radiación, irritación de la piel, quemaduras o algo peor si se utilizan los elementos incorrectos para envasar el agua o calentar la casa. La historia mostrará evidencia del uso de hidrógeno en dirigibles y plomo como componente de pintura en juguetes para niños. Estas lecciones de la experiencia son desafortunadas, pero con una mejor comprensión de las propiedades elementales, se pueden evitar errores trágicos como estos.

Química cotidiana

Resumen de la lección

Teoría atómicafue desarrollado durante muchos siglos. Comenzó con algunas disensiones entre filósofos como Demócrito, Aristóteles y Kanad (600 a. C. – 300 a. C.) sobre si la materia podría estar compuesta de partículas indivisibles. No fue hasta el siglo XVII y el trabajo de Robert Boyle que el concepto moderno de átomos y materia comenzó a tomar forma a través del análisis empírico del aire, el volumen, la presión y la temperatura. En los siglos XVIII y XIX, los patrones experimentales de los electrones se determinaron matemáticamente y los principios que rigen la estructura de los átomos se establecieron a través de los trabajos de John Dalton y Niels Bohr. Solo recientemente se pudo observar físicamente la estructura atómica que sustenta la teoría. El siglo XX tuvo muchos descubrimientos nuevos que involucraron al átomo con fines tanto constructivos como destructivos.