Estructura de l’àtom
L’estructura atòmica no és un sistema solar en miniatura. Un àtom conté un nucli minúscul de protons i neutrons envoltat d’electrons descrits per estats quàntics. El nucli determina la identitat i concentra gairebé tota la massa; la disposició dels electrons controla la major part de la química.
Tres partícules, tres funcions diferents
Protó
Càrrega +e. Es troba al nucli. El nombre de protons Z defineix l’element.
Neutró
Sense càrrega neta. Es troba al nucli. Un nombre diferent de neutrons dona lloc a isòtops.
Electró
Càrrega −e. Té aproximadament 1/1836 de la massa d’un protó. Ocupa estats quàntics al voltant del nucli i domina el comportament químic.
Un àtom neutre té el mateix nombre d’electrons que de protons. Canviar els electrons produeix un ió; canviar els neutrons produeix un isòtop; canviar els protons produeix un element diferent.
Nombre atòmic, nombre màssic i notació isotòpica
El nombre atòmic Z és el nombre de protons. El nombre màssic A compta protons més neutrons, de manera que el nombre de neutrons és N = A − Z.
²³₁₁Na: Z = 11, A = 23, N = 12.
²³₁₁Na⁺: continua tenint 11 protons i 12 neutrons, però ara té 10 electrons.
La massa atòmica de la taula periòdica normalment no és un nombre enter perquè és una mitjana ponderada dels isòtops presents a la natura, no el nombre màssic d’un àtom concret.
De Rutherford a l’àtom quàntic
La dispersió de Rutherford va demostrar l’existència del nucli, però un electró clàssic orbitant un nucli positiu radiaria energia i acabaria col·lapsant-hi. Bohr va introduir nivells d’energia discrets per a l’hidrogen; la mecànica quàntica va substituir les òrbites fixes per funcions d’ona i orbitals.
Un orbital no és una trajectòria. És un estat quàntic la funció d’ona del qual determina una distribució de probabilitat per trobar-hi un electró. Les capes i subcapes organitzen aquests estats segons els nombres quàntics i l’energia.
Aquesta distinció és important perquè les tendències químiques —enllaç, ionització, mida i espectres— provenen de les energies i distribucions espacials dels electrons, no de planetes que giren al voltant del nucli.
Construeix un àtom: balanç de càrrega i massa
L’eina separa expressament els tres recomptes. La identitat nuclear depèn del nombre de protons; la càrrega depèn del desequilibri entre protons i electrons.
Escales, forces i què manté unit l’àtom
Els electrons queden lligats al nucli per l’atracció electromagnètica. Dins del nucli els protons es repel·leixen elèctricament, però a distàncies nuclears la interacció forta pot mantenir units protons i neutrons.
No s’han de confondre les dues escales: la química reorganitza sobretot electrons i acostuma a implicar electronvolts per partícula; les reaccions nuclears modifiquen el nucli i poden alliberar energies milions de vegades més grans per esdeveniment.
Fins i tot l’expressió «mida d’un àtom» requereix precisió. La densitat electrònica no té una paret definida, de manera que els radis atòmics s’infereixen a partir de distàncies entre àtoms en molècules o sòlids.
Proves que van construir el model atòmic modern
| Prova | Què va establir | Què encara no explicava |
|---|---|---|
| Raigs catòdics | Els àtoms contenen electrons negatius; es pot mesurar la relació càrrega/massa de l’electró. | La localització de la càrrega positiva. |
| Gotes d’oli de Millikan | La càrrega de l’electró està quantitzada; combinada amb e/m permet obtenir la massa de l’electró. | L’estructura nuclear. |
| Dispersió de Rutherford | La càrrega positiva i gairebé tota la massa ocupen un nucli minúscul. | L’estructura electrònica estable i els espectres. |
| Espectres atòmics | Els àtoms tenen energies electròniques discretes. | Una teoria completa dels àtoms amb molts electrons. |
| Experiments de Chadwick amb neutrons | El nucli també conté partícules neutres amb una massa semblant a la del protó. | Les forces nuclears detallades i l’estructura de capes nuclears. |
El model va canviar perquè els experiments van descartar les imatges anteriors. Per tant, un diagrama atòmic científicament útil s’ha d’interpretar com un model vinculat a proves concretes, no com una fotografia literal.
Massa, isòtops i escala de massa atòmica
Les masses del protó i del neutró són properes a 1 unitat de massa atòmica unificada, mentre que un electró només aporta aproximadament 0,00055 u. Per això el nombre màssic A és un bon recompte enter de nucleons, però no és una massa atòmica exacta.
L’enllaç nuclear també modifica la massa. Un nucli lligat pesa lleugerament menys que els seus protons i neutrons separats; la massa que falta correspon a l’energia d’enllaç mitjançant E = mc². Les masses atòmiques químiques, a més, es refereixen a àtoms neutres i inclouen les masses dels electrons.
El valor imprès en una taula periòdica sol ser una mitjana ponderada segons l’abundància isotòpica. En el clor, els isòtops naturals abundants ³⁵Cl i ³⁷Cl donen una mitjana propera a 35,45 u. Cap àtom ordinari de clor no té «35,45 nucleons».
Posició, probabilitat i núvol electrònic
La mecànica quàntica no assigna a un electró una òrbita clàssica amb posició i velocitat conegudes en cada instant. Una funció d’ona descriu l’estat, i |ψ|² dona una densitat de probabilitat per a les mesures de posició.
Els dibuixos d’orbitals solen tancar una fracció escollida —sovint aproximadament el 90 %— de la probabilitat. Per tant, el límit és una convenció de visualització. La densitat electrònica s’estén més enllà de la superfície dibuixada.
El principi d’incertesa és més profund que una simple limitació de les mesures: els estats quàntics no poden tenir simultàniament una posició i un moment lineal arbitràriament precisos. Aquesta és una de les raons per les quals el model d’òrbites planetàries acaba fallant.
Exercicis
Ió de magnesi
²⁴Mg²⁺ té Z = 12. Compta els protons, neutrons i electrons.
Solució
12 protons, 24 − 12 = 12 neutrons, i 12 − 2 = 10 electrons.
Isòtop o ió?
Dos àtoms tenen 17 protons; un té 18 neutrons i l’altre 20. Quina relació hi ha entre ells?
Solució
Són isòtops del clor. Tenen el mateix nombre de protons i, per tant, la mateixa identitat elemental.
Prova de Rutherford
Quina observació descarta una càrrega positiva distribuïda uniformement?
Solució
Les poques desviacions a gran angle exigeixen que la càrrega positiva i gairebé tota la massa estiguin concentrades en una regió molt petita: el nucli.