x
. m
om
Los modelos atómicos
e .c
t Bioquímicas
u Ortega
Maestro en Ciencias
. g
Genaro Matus
w
w
Autor: Maestro en Ciencias Bioquímicas Genaro Matus Ortega
w
genaromatus@excite.com, genaro_matus@hotmail.com

La edad oscura de la química
x
• Después de la caída de Grecia a
manos de los Romanos el . m
desarrollo vertiginoso de la
Ciencia desaceleró su camino.
om
• Durante la edad media el estudio
.c
de las ciencias estaba prohibido. El
entendimiento de las cosas solo
t e
u
puede venir de Dios”.
• El escolasticismo primitivo asumía
como cierto cualquier palabra
. g
w
relacionada con Aristóteles.
w
w

La Edad Media, una época oscura
x
La Alquimia entorpece los . m
avances reales:
“Tomad cobre, azufre y
om
plomo, Triturad la mezcla con
aceite de rábano silvestre.
.c
Asadla sobre carbón,
desulfurizadla y ponedla a un
t e
lado. Tomad una parte de
cobre asado y tres partes de
g u
.
oro. ponedlas en un crisol,
calentad y encontrareis el
todo cambiado en oro, con la
ayuda de Dios”
w
w Hasta el año de 1808 John Joseph
Dalton pone de nueva cuenta el
w concepto de átomo en el centro
de entendimiento de la materia.

John Joseph Dalton
x
. m
Postulados de Dalton:
m
•La materia está constituida por partículas mínimas
llamadas átomos.
o
•Los átomos de un elemento son diferentes en Peso y
. c
Propiedades a los de otro átomo.
•El átomo no se destruye en una reacción, por enérgica
e
que esta sea.
ut •Al combinarse entre sí los átomos forman moléculas.
Estos postulados pueden verse fácilmente en la
g
descomposición electrolítica de la molécula de agua,
.
donde no se destruye ningún átomo, pero se obtienen
dos gases (H2 y O2) en una proporción fija 2:1.
2 H2O 2H2 (gas) + O2(gas)
w
molécula (2:1) gases con pesos y
propiedades diferentes.
w
* Estos postulados fueron modificados y adaptados con
las aportaciones de Gay-Lussac y Avogadro.
w

Faraday y el tubo de análisis de gases
x
. m 1838
om
.c
t e
g u
.
w
w
w

William Crookes (1878)
x
•
. m
Los rayos catódicos:

om
Poseen masa.
c
 Viajan en línea recta.
e.
 Son independientes del
material
ut
. g
w
w
w

Joseph John Thomson (1897)
x
•
. m
Los rayos catódicos son partículas
con carga y masa pequeñísima (que
om
se encuentran en todos los átomos.
Las partículas de los rayos catódicos
c
•
e. no son indivisibles, pueden
arrancárseles partículas de carga
negativa.
ut • A estas partículas que llamó
Electrones (nombre propuesto
. g originalmente por J. Stoney en
1874), les asignó la misma masa.
w • Los átomos están constituidos por
w electrones que se mueven en una
esfera electrificada positivamente.
w

El modelo de Budín con pasas
x
. m
om
.c
t e
g u
.
w
w
w

Los rayos canales (positivos)
x
. m
om
.c
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.
w
w
w

Los rayos canales (positivos)
x
. m
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.c
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.
w
w
w

Los rayos canales (positivos)
x
. m
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w
w
w

Thomson recopila los datos de Goldstein
x
. m
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w

El modelo de Budín con pasas y nueces
x
. m
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.
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w
w

El modelo de Budín con pasas y nueces
x
. m
• Sin embargo, los neutrones no fueron descubiertos
m
experimentalmente hasta 1932 por James Chadwick.
o
.c
t e
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.
w
w
w

W. Roetgen y la chispa de suerte
x
. m
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.c
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.
w
w
w

W. Roetgen y los rayos X
x
. m
om
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.
w
w
w

Pierre y Marie Curie y los elementos radiactivos
x
. m
om
. c
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.
w
w
w
Pierre Curie: Físico Francés
Marie Curie: Física y química Polaca
La familia Nobel

Henry Becquerel
x
. m
om
.c
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.
w
w
w

Enrnest Rutherford (1911)
x
. m
om
.c
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.
w
w
w

El modelo nuclear planetario
x
. m
om
.c
t e
g u
.
w
w
Había varias cosas que no encajaban
¿Porqué los e- no caen al núcleo?
w
¿Porqué los elementos tienen espectros
de emisión característicos?

Espectroscopía de los átomos
x
. m
om
.c
+
Ánodo
t e
- Cátodo
g u
.
w
w
w

El modelo cuántico de Bohr (1913)
x
. m
om
.c
t e
u
Los electrones se mueven a lo largo de órbitas
definidas por un determinado nivel energético.
. g Un átomo no emite ni absorbe energía mientras sus
electrones se mantienen en sus respectivas órbitas.
Si el átomo es excitado en alguna forma, un electrón
w puede saltar a un nivel mayor de energía, mientras que
al regresar a la órbita en que se encontraba emite
energía.
w El electrón no puede detenerse entre estos niveles
estacionarios energéticos.
w Lo cual explica el hecho de que los electrones no se
precipiten sobre el núcleo.

Aportaciones de Bohr
x
. m
om
.c
t e
g u
.
w
w
w

Energía cuantizada
x
• En el modelo de Bohr la frecuencia
de la radiación emitida es . m
determinada por:
f = DE/h
om
h = constante de Plank =6.63 x 10-34
.c
• El color (la amplitud y energía)
depende de la diferencia de energía
t e
basal del electrón.
g u
(DE) entre los estados excitado y
.
La transición electrónica en niveles
w
•
permitidos de energía condujo a
w
explicar la serie de Balmer y el
espectro atómico de los elementos.
w

Completando el espectro de emisión
x
. m
om
. c
t e
g u
.
w
w
w
A mayor distancia entre el Edo excitado y el basal…

Completando el espectro de emisión
x
. m
om
.c
t e
g u
.
w
w
w

Arnold Sommerfeld (1916)
x
. m
• “los electrones pueden moverse
alrededor del núcleo en órbitas
om
circulares o elípticas”;
“a partir del segundo nivel energético, .c
e
•
existen dos o más subniveles
energéticos”.
u t
•
eléctrica minúscula”.
. g
“el electrón es en sí mismo una corriente
•
(Azimutal).
w
Propuso el número cuántico secundario
w
w

Algunos aspectos centrales
x
• A medida que aumenta la carga nuclear y se
agregan más electrones en los orbitales . m
externos, los orbitales internos disminuyen su
tamaño por la mayor atracción nuclear.
om
. c
Las interacciones electrostáticas determinan el
e
•
t
tamaño (volumen y radio) de los átomos.
u
•
. g
Los e- no tienen rutas definidas o espacios
únicos, entran y salen de varias regiones de la
corteza electrónica, siendo su sitio más
probable el orbital.
w
w
w

Ejercicios prácticos y conceptuales
x
. m
om
.c
t e
g u
.
w
w
w

x
¡Sorpresa! . m
om
El razonamientoe .c
es mejor que u la
t
memoria . g
w
w
w

Utiliza la relación
x
. m
om
. c
t e
g u
.
w
w
La correcta comprensión de este tema es medular en el desarrollo de este
curso. Sus conceptos son clave para entender todos los campos de la
química.
w

La Mecánica Cuántica (1920-1940)
x
. m
om
. c
t e
En 1924 Louis de Broglie generó el concepto de “ondas
u
materiales”, donde proponía que:
g
.
“los electrones si son considerados como materia pueden tener
también propiedades de onda al igual que la luz”.
w
w
Planteó que los electrones tienen masa y carga eléctrica
determinadas, pero además pueden comportarse como la luz y
w
tener, por tanto, también un carácter ondulatorio.

Werner Heisenberg (1926 )
x
. m
om
. c
t e
g u
• Formuló el “Principio de Incertidumbre”:
.
w
• “sólo se puede determinar la probabilidad de que un electrón se
localice en una región del espacio o atmósfera electrónica”, pues…
w
• “entre más se conoce la velocidad de una partícula cualquiera,
menos se conoce su posición”.
w

Erwin Schrödinger (1927)
x
. m
om
.c
t e
g u Orbital = REEMPE
.
w Spin (P. A. M. Dirac)
w
w

Orbitales s y p
x
. m
om
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g u
.
w
w
w

Orbitales d
x
. m
om
.c
t e
g u
.
w
w
w

Orbitales f (7 orientaciones)
x
. m
om
. c
t e
g u
.
w
w
w
Orbital: Descripción probabilística, espacial, geométrico energética de los e-

Los números cuánticos
x
Número Indica Valores . m
Cuántico
Principal
(n)
El Tamaño del orbital.
Entre más grande es n, más extenso
om
Puede tener valores numéricos 1, 2, 3...
Todos los orbitales con el mismo número cuántico principal forman una
c
es el orbital y mayor la distancia al capa electrónica o nivel principal que se denomina con una letra,
núcleo. principiando con la letra K.
Orbital
(l)
La forma del orbital.
Los “s” son esféricos.
e.
Cuando el número cuántico principal vale n, el número cuántico orbital
puede valer 0, 1, 2... n-1. Por razones históricas el número l se indica con
t
Los “p” son alargados y tienen dos letras, la equivalencia es la siguiente:
lóbulos. 0 = s ; 1 = p; 2 = d; y 3 = f
u
Los “d” y “f”, poseen formas más “El conjunto de orbitales con el mismo valor de l de un nivel principal se
complejas. *Los orbitales híbridos llama subnivel..”
poseen formas intermedias.
Magnético
(m)
. g
La orientación del orbital respecto a Puede tomar los valores – l ...-1, 0, 1 ... l. Ejemplo: en los orbitales s, solo
un posible campo magnético hay un valor posible para m, m = 0 pues una esfera solo tiene una
w
orientación.
De Giro Se interpreta visualizando al
w
(s) electrón como una esfera que gira Si el giro propio del electrón tiene la misma dirección que el giro alrededor
sobre sí, además de moverse del núcleo, entonces el giro vale ½, en caso contrario vale – ½.
alrededor del núcleo.
w Ejercicios con elementos de bloque s y p

El número cuántico de giro
x
. m
om
.c
t e
g u
.
w
w
w

El spin sólo se presenta en un campo magnético
x
. m
om
+
Ánodo
. c
- Cátodo
t e
g u
.
w
w
Este desplazamiento de las líneas espectrales observadas por
Zeeman son asociadas a cambios en los spin de los e-.
w

¿Qué explica este cambio en el espectro de emisión del H?
x
. m
om
. c
t e
g u
.
w
w
w

¿Qué es el spin?
x
. m
om
Es una propiedad intrínseca de todas
. c
las partículas subatómicas que se
presenta cuando existe un campo
t e
electromagnético:
g u
Suposiciones:
.
1.- Consideremos al e- como una
w
partícula con un campo magnético
propio.
w
2.- Evaluemos su orientación dentro de
w
un campo magnético

¿Qué es el spin?
x
. m
om
. c
t
Fotón
e
g u
.
w
w
El e- siempre tiene una carga negativa, pero se le asocia un momento
angular de spin. A la transición energética de una orientación a otra se
w
le denomina energía de spin.

Conceptos derivados de la M. C.
x
• 1926: Principio de exclusión de
Wolfgang Pauli: . m
“En un átomo no puede haber dos electrones con los
mismos números cuánticos”.
om
• Configuración Electrónica basada en
. c
el principio de Aufbau (edificación
progresiva) que se sustenta en:
t e
g u
a) Principio de Mínima Energía
b) Principio de Máxima Sencillez (primero se .
w
ocupan todos los electrones con s = + ½ (↑), que se van colocando en los
orbitales vacíos de menor energía, y luego se completan con electrones s =
- ½ (↓) para formar parejas).
w
c) Principio de Máxima Multiplicidad
(“ningún orbital se llena antes que todos los orbitales precedentes del
w
subnivel estén ocupados”.

Conceptos derivados de la M. C.
x
• Kernel: toma como referencia la . m
configuración del gas noble más
cercano al elemento en cuestión
om
que exhiba un número atómico
menor, y le añade los números
. c
cuánticos restantes para concluir
con el llenado de los orbitales. t e
• Ejemplo: S16 g
= (Ne u) 10
3s2,3p4 .
w
Ejercicios… w
•
w

A menos que sean disciplinados y revisen el disco
periódicamente conviene anotar esta tabla en la libreta.
Tabla integrativa
x
Leucipo y
Aportación Principal
Concepto de átomo
Conceptos derivados:
Parte indivisible
. m
Demócrito
Dalton Primera Teoría atómica
moderna.
om
Molécula binaria.
Peso específico.
Crookes Rayos catódicos
. c
Poseen masa y viajan en línea recta
Thomson Primer modelo atómico (budín
con pasas → pasas y nueces)
t e Electrón como primer partícula sub-atómica
Rutherford
u
Modelo nuclear planetario El átomo es casi vacío, posee núcleo pequeño
de protones y orbitas de electrones
Bohr
Sommerfeld
NCP)
. g
Número cuántico principal (n,
Número cuántico secundario (l,
Tamaño, energía y distancia definidas.
Existen subniveles de energía . Transición al
Scrödinger w
NCS) azimutal
Modelo de la Mecánica
concepto de orbital
orbital.
Orbital definido por n, l, s y m.
w Cuántica
Pauli
w
Principio de exclusión. Todo electrón tendrá números cuánticos
diferentes.

Evolución del concepto de átomo y elemento
x
. m
om
.c
t e
g u
.
w
w
w

El modelo atómico actual
x
. m
om
. c
t e
g u
.
w
w
w
¿Qué pasa con las otras partículas sub-atómicas?

El modelo atómico actual
x
. m
om
.c
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.
w
w
w

Los isotopos
x
. m
om
.c
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.
w
w
w

El isótopo más pesado tiene más neutrones
x
. m
om
.c
t e
g u
.
w
w
w

No confundir términos
x
. m
om
.c
t e
g u
.
w
w
w
Fusión nuclear vs Fisión nuclear

x
. m
om
. c
t e
g u
Hasta aquí lo de tu examen de ingreso a la unam, pero…
.
LOS MODELOS NO TERMINAN ALLÍ
w
w
w

Más allá de la Mecánica Cuántica
x
• El uso de cámaras de burbuja condujo al
. m
descubrimiento de un
impresionante de partículas sub-
atómicas.
zoo
om
. c
• Las partículas subatómicas con carga
t e
pueden estudiarse a través del análisis
g u
de su trayectoria a través de fluídos que
producen burbujas en presencia de un
Historia:
En 1934 los esposos Joliot-Curie
campo eléctrico.
. producen núcleos radiactivos.
En 1937 se descubre el muón (m), una
w especie de electrón inestable.
En 1947 se encuentran 2 piones
w
inestables cargados.
• Las partículas podían generarse a través En 1953 se descubre el Barion Ʌ y el
de colisiones entre núcleos, neutrones
w
Mesón K.
o protones. En 1956 se confirma la existencia del
electrón neutrino.

Más allá de la Mecánica Cuántica
x
• En la década de 1950, 60 y 70 se establecen
. m
gran cantidad de bariones, hadrones,
neutrinos y mesones.
om
los 6 Quarkz nucleares y se descubre además
. c
• Las nuevas partículas muestran propiedades
t
están hechas de algo más pequeño. e
periódicas, lo que conduce a plantear que
grandes W± y Z0.
g u
• En 1983 se encuentran los bosones más
.
• En 1995 se observa finalmente la existencia
w
del sexto Quark (top).
w
• En 1998 , se propone que los Rhizons
(primario en Jidihs) componen los Quarkz y
w
por tanto son las partículas fundamentales.

En 1962 Gell Mann propone el modelo
x
atómico basado en Quarkz
. m
om
.c
t e
g u
.
w
w
w

El modelo atómico de Gell Mann
x
. m
om
. c
t e
g u
.
w
w
A = masa o peso atómico = masa o peso nuclear = p+ + n
w
Z = número atómico = e- = p+

El modelo atómico actual
x
. m
om
.c
t e
g u
.
w
w
w

El modelo atómico actual
x
. m
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.c
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.
w
w
w
¿Notas que hay anti-quarks?

¿Antimateria? ¿Existe? ¡Si!
x
. m
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. c
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.
w
w
w
¿Te interesa saber más? R = Estudia Química o Física.

Materia oscura ¿Existe? ¡Si!
x
• Se denomina materia oscura a al 90
% de la materia que forma el . m
universo.
om
• Es toda aquella que tiene un
comportamiento atípico a la materia .c
conocida.
t e
•
g u
Sólo sabemos algo de ella en base a
su interacción
materiales.
con
. cuerpos
w
•
w
Hoyos negros, vacíos espectrales,
materia desconocida.
w

La Química es una ciencia viva
x
. m
Al igual que la biología, la física, la matemática… la Química es perfectible
om
. c
t e
g u
.
w
La pregunta con que comenzaron los griegos acerca de la existencia de
w
partículas fundamentales, mínimas o irrompibles sigue en el aire.
w
¿Existen los átomos como partículas realmente fundamentales o la ciencia nos
limita y las particiones de la materia no dejarán de terminar?