Successfully reported this slideshow.
We use your LinkedIn profile and activity data to personalize ads and to show you more relevant ads. You can change your ad preferences anytime.
Eric Calvo Lorente   1   FQ 1º Bachillerato
DaltonEric Calvo Lorente   2   FQ 1º Bachillerato
Eric Calvo Lorente   3   FQ 1º Bachillerato
· -19 C. La carga eléctrica está, por tanto,                 10cuantizada. Dicha cantidad se denomina cantidadfundamental ...
Los modelos constituyen una herramienta muy útil en la ciencia. Desde luego,debe quedar muy claro que los modelos han de c...
bautizó a estas partículas con el nombre de protones.     Resumiendo, las características de esta nueva partícula eran:   ...
parecía a un pequeño sistema solar con el núcleo cargado positivamente siempreen el centro y con los electrones girando al...
Se conoce como                          al número de             protones que posee un elemento. Este número es caracterís...
número de nucleones se añade como superíndice a la izquierda                     del símbolo químico: 3H, 12C, 14C, 238U. ...
Si las ondaselectromagnéticas se organizan enun continuo de acuerdo a suslongitudes obtenemos el espectroelectromagnético ...
Be     B     C     N     O     F    Ne        Cuando un elemento químico en forma gaseosa o de vapor recibe energía,bien p...
2                                         2                                                 4       ,siendo B una constant...
oscuras distribuidas a lo largo del espectro visible. Del análisis de este espectropudo identificarse un grupo de líneas q...
El resultado de esto es que existe una mínima frecuencia de luz bajo la cualningún e- abandona la superficie iluminada. Só...
A pesar de constituir un gran avance y de predecir hechos                     reales, el modelo nuclear de           prese...
girar alrededor del núcleo, no iba perdiendo la energía, sino que se situaba       en unos estados estacionarios de movimi...
En el año 1924,                      se encontraba completando su tesis       de doctorado en física en la Sorbona. En ell...
El trabajo de estos científicos, (y de otros que no se han nombrado)       nos lleva a un concepto novedoso, el de        ...
Hasta ahora hemos considerado los cuatro números cuánticos que       caracterizan al electrón en un átomo. Hay una regla m...
Esta regla implica que no puede haber más de dos electrones en       cada orbital; y si dos electrones están en el mismo o...
REGLA DE HUND      En un mismo subnivel, los átomos no se aparean hasta que no haya unelectrón en cada orbital.      Sigui...
Así, en 1830 se conocían ya 55 elementos diferentes, cuyas propiedades físicasy químicas variaban extensamente. Fue entonc...
elementos cuyas similitudes ya había señalado               . El fallo principal quetuvo            fue el considerar que ...
debían tener estos elementos de acuerdo con la posición que debían ocupar en latabla. Años más tarde, con el descubrimient...
principales, los grupos del 3 al 12 están formados por los llamados elementos detransición y los elementos que aparecen ap...
Son propiedades periódicas de los elementos químicos las debidas al númerode electrones de valencia de un elemento. Las va...
para igual distancia, a los electrones periféricos, lo que produce la correspondientedisminución. En los períodos largos l...
( ) electrón-voltio (eV)                                   1 Julio= 6´242.1018 eV                                   1 eV= ...
La afinidad electrónica se define como la energía que liberará un átomo, enestado gaseoso, cuando captura un electrón y se...
Eric Calvo Lorente   30   FQ 1º Bachillerato
Consta de los siguientes elementos:                                                                = fuente emisora de ion...
Upcoming SlideShare
Loading in …5
×

T4.estructura de los átomos. 1º bachillerato

3,319 views

Published on

Published in: Education, Travel, Business
  • Be the first to comment

  • Be the first to like this

T4.estructura de los átomos. 1º bachillerato

  1. 1. Eric Calvo Lorente 1 FQ 1º Bachillerato
  2. 2. DaltonEric Calvo Lorente 2 FQ 1º Bachillerato
  3. 3. Eric Calvo Lorente 3 FQ 1º Bachillerato
  4. 4. · -19 C. La carga eléctrica está, por tanto, 10cuantizada. Dicha cantidad se denomina cantidadfundamental de carga o carga del electrón. A partir del valor obtenido para la relación q/m, sedeterminó que la masa del portador de carga, denominadoelectrón, es de 9´109 × 10-31 kilogramosEric Calvo Lorente 4 FQ 1º Bachillerato
  5. 5. Los modelos constituyen una herramienta muy útil en la ciencia. Desde luego,debe quedar muy claro que los modelos han de considerarse únicamente comointerpretaciones de una realidad, más precisa cuanto más se adecuen a la realidadque pretenden interpretar. Así, jamás garantizan que las construcciones seancorrectas, aunque sí las más adecuadas (hasta que otro modelo se imponga). Vamos a ver los distintos modelos atómicos aparecidos (por ordencronológico), en función de los sucesivos descubrimientos en el campo del átomo: Thomson sugiere un modelo atómico que tomaba en cuenta la existencia del electrón, descubierto por él en 1897. Su modelo era estático, pues suponía que los electrones estaban en reposo dentro del átomo y que el conjunto era eléctricamente neutro. Con este modelo se podían explicar una gran cantidad de fenómenos atómicos conocidos hasta la fecha. En 1886, observó en un tubo de rayos canales (o rayospositivos, tal y como muestra la figura) un nuevo tipo de radiación que viajaban ensentido contrario al de los rayos catódicos, que viajaban desde el polo positivo de lapila al negativo. Su propagación seguía una trayectoria recta y también eran desviados ante lapresencia de campos eléctricos y/o magnéticos. Sin embargo, a diferencia de los rayos catódicos, la relación carga/masa erafunción del tipo de gas encerrado en el tubo. De este modo, se pensó en este (el gas)como origen de este tipo de radiación; en concreto, resultantes de la interacciónentre la radiación y los átomos del gas, a través de la que se lograba arrancarleselectrones para convertirlos en cationes: 1 La relación q/m más pequeña se mostraba cuando el gas contenido erahidrógeno. En este caso el anión poseía una masa 1836 veces superior a la delelectrón, con una carga del mismo valor (pero positiva).Eric Calvo Lorente 5 FQ 1º Bachillerato
  6. 6. bautizó a estas partículas con el nombre de protones. Resumiendo, las características de esta nueva partícula eran: 27 1 673 10 19 1 602 10 (junto a sus colaboradores y ) ejecutó una seriede experimentos con partículas alpha radioactivas. A pesar de que en esemomento no se sabía que era una partícula alpha, se sabía que era muy pequeña. lanzó pequeñas partículas alpha hacia objetos sólidos como láminasdoradas. Descubrió que la mayoría de las partículas alpha atravesaban la láminadorada, que un reducido número de las partículas alpha atravesaban en unángulo (como si se hubiesen chocado contra algo), y que algunas rebotaban comouna pelota de tenis que golpea una pared. ¡Los experimentos desugirieron que las láminas doradas, y la materia en general, tenía huecos! Estoshuecos permitían a la mayoría de las partículas alpha atravesar directamente,mientras que un reducido número rebotaba de vuelta porque golpeaba un objetosólido. En 1911, propuso una visión revolucionaria del átomo. Sugirióque el átomo consistía de un pequeño y denso núcleo de partículas cargadaspositivamente en el centro (o núcleo) del átomo, rodeado de un remolino deelectrones. El núcleo era tan denso que las partículas alpha rebotaban en el, peroel electrón era tan pequeño, y se extendía a tan grande distancia que las partículasalpha atravesaban directamente esta área del átomo. El átomo de seEric Calvo Lorente 6 FQ 1º Bachillerato
  7. 7. parecía a un pequeño sistema solar con el núcleo cargado positivamente siempreen el centro y con los electrones girando alrededor del núcleo. Este modelo tuvo que ser abandonado, pues el movimiento de loselectrones suponía una pérdida continua de energía, por lo tanto, el electrónterminaría describiendo órbitas en espiral, precipitándose finalmente hacia elnúcleo. La aparición del como instrumento útil para la medición precisa de las masas atómicas quedó patente que la masa atómica de un elemento (a excepción del hidrógeno), era aproximadamente el doble de la carga nuclear (Recuerda que entonces el núcleo estaba formado por protones). Se planteó la posibilidad de que el núcleo contuviera el doble de protones que la indicada por la carga nuclear. Sin embargo elloimplicaría demasiada carga para tan pequeño volumen, lo que llevaría a unainestabilidad del núcleo, por repulsión de los protones de ese hipotético núcleo. sugirió otra posibilidad: la existencia de un nuevo tipo departículas, con masa aproximadamente igual a la del protón, pero sin cargaeléctrica. Sugirió para esta partícula (teórica) el nombre de . En 1932, realizó un experimento en el que bombardeó unamuestra de berilio con partículas alpha. La reacción puede condensarse en: 9 4 12 1 4 2 6 0 Ahí estaba el , como la teoría había predicho. Se trata de unapartícula sin carga con una masa de 1´675 × 10-27 kg, aproximadamente un0,125% mayor que la del A diferencia del protón con una vida media quepodemos considerar infinita (es decir de altísima estabilidad), el neutrón tiene unaestabilidad muy inferior (su vida media es de 889 segundos, casi 15 minutos), y sedesintegra para dar un , más un , más un . Resumiendo: Electrón -1´602.10-19 -1 9´108.10-28 Protón 1´602.10-19 1 1´673.10--24 Neutrón 0 0 1´675.10-24 En base al distinto número de partículas que contienen, los átomos puedendiferenciarse unos de otros. A este respecto, los químicos han establecido dosconceptos muy interesantes y útiles, el y el .Eric Calvo Lorente 7 FQ 1º Bachillerato
  8. 8. Se conoce como al número de protones que posee un elemento. Este número es característico del tipo de elemento químico En el caso en el que el átomo sea eléctricamente neutro, este númeroindicará igualmente el número de electrones existentes en la corteza. Sin embargo al tratarse de iones la cosa cambia: Aniones. Al tener más electrones que protones, el número de estos será ( Cationes. Al tener menos electrones que protones, el número de estos será ( Se conoce como al número de nucleones (protones + neutrones) que posee un elemento. De este modo, un elemento cualquiera podrá definirse del siguiente modo: , donde: es un elemento cualquiera es el número atómico es el número másico ± representa la carga del ión (si lo fuese) Se denominan a los núcleos atómicos con el mismo número de protones pero con distinto número de neutrones. Dos por tanto corresponden al mismo elemento químico, pero tienen un peso atómico distinto. El nombre viene del griego , mismo, y , lugar, debido a que ocupan el mismo lugar en la Tabla periódica de los elementos. Los están compuestos por átomos de un elemento químico cuyos núcleos tienen el mismo número atómico, , pero distinto número másico, . En la nomenclatura científica, los se denotan por el nombre del correspondiente elemento, seguido por el número másico, separados habitualmente por un guión, aunque algunos de ellos poseen nombres especiales. Así: hidrógeno-3 o tritio, carbono-12, carbono-14, uranio-238, etc. En forma simbólica, elEric Calvo Lorente 8 FQ 1º Bachillerato
  9. 9. número de nucleones se añade como superíndice a la izquierda del símbolo químico: 3H, 12C, 14C, 238U. En un elemento natural, la abundancia relativa de sus isótopos en la naturaleza recibe el nombre de abundancia isotópica natural. La denominada masa atómica de un elemento es una media de las masas de sus isótopos naturales ponderada de acuerdo a su abundancia relativa. Esta es la razón por la que las masas atómicas de los elementos naturales son generalmente decimales. 2 Son átomos de elementos distintos que tienen igual A pero distinto Z. Dos núcleos pueden tener la misma masa pero no ser del mismo elemento. Son átomos de elementos que tienen el mismo número de neutrones en su núcleo La estructura electrónica de un átomo consiste en la disposición de loselectrones alrededor del núcleo.Eric Calvo Lorente 9 FQ 1º Bachillerato
  10. 10. Si las ondaselectromagnéticas se organizan enun continuo de acuerdo a suslongitudes obtenemos el espectroelectromagnético en donde lasondas mas largas (longitudes desdemetros a kilómetros) se encuentranen un extremo (Radio) y las mascortas en el otro (longitudes deonda de una billonésima demetros) (Gamma). ESPECTROS DE ALGUNOS ELEMENTOS REGLA Å=10-10m H absorción H emisión He LiEric Calvo Lorente 10 FQ 1º Bachillerato
  11. 11. Be B C N O F Ne Cuando un elemento químico en forma gaseosa o de vapor recibe energía,bien por calentamiento a alta temperatura, bien por una descarga eléctrica de altatensión, emite luz que puede ser analizada mediante un .Multitud de observaciones de este tipo fueron realizadas durante el siglo XIX,obteniéndose una secuencia de líneas que resultó ser característica del elementoempleado como fuente de luz. Los espectros de emisión se convirtieron así enmétodos de identificación de los elementos y de los átomos que los constituyen, porlo cual se les denomina también Hacia 1860 yanalizando la luz proveniente del Sol mediante un espectroscopio consiguierondemostrar la existencia en su atmósfera de diferentes elementos químicos, entreellos el hidrógeno. La aplicación del estudio espectroscópico a la determinación de lacomposición de las sustancias (análisis espectroquímico) se desarrolló rápidamente.Así se consiguió determinar la composición de los meteoritos, y analizando por esteprocedimiento el vapor de agua mineral se llegó a descubrir la existencia de dosnuevos elementos, el rubidio y el cesio. El espectro del hidrógeno, por su sencillez, atrajo la atención de diferentesinvestigadores. Se trataba de una serie formada por quince líneas, que se vanjuntando cada vez más según se recorre la serie desde la región del rojo hacia la delvioleta, y cuyas longitudes de onda pudieron ser medidas con bastante precisión.Estudiando esta serie, en 1885 encontró una fórmula que permitíareproducir sus líneas componentes una a una. La sencilla fórmula de era:Eric Calvo Lorente 11 FQ 1º Bachillerato
  12. 12. 2 2 4 ,siendo B una constante igual a 3 646 Å y n un número entero que toma elvalor 3 para la primera línea ( ), 4 para la segunda ( ), 5 para la tercera( ) y así sucesivamente. Aun cuando no dio ninguna explicación a sufórmula, fue capaz de descubrir el orden y la regularidad existente detrás de losdatos experimentales. Algunos años después, propuso otra expresión equivalente para lafórmula de Balmer: 1 1 2 2 2 donde es la llamada cuyo valor es de 109 677,6 cm-1y toma los valores 3, 4, 5... La fueron más tarde generalizados, y permitierondescribir, además de la de ( 1 = 2; 2 = 3,4,5 ... ) otras series de líneas delespectro del hidrógeno que se conocen por los nombres de sus descubridores. Así,aparecieron la la la la 1 5y 2 = 6,7,8. De manera esquemática: n1 = 1: serie de Lyman n1 = 2: serie de Balmer n1 = 3: serie de Paschen n1 = 4: serie de Brackett n1 = 5: serie de Pfund n1 = 6: serie de Humphreys La serie de Lyman corresponde a radiación ultravioleta; la serie de Balmer, aradiación visible; y el resto, a radiación infrarroja. Los espectros de emisión se caracterizan por una serie de líneas brillantes;los de absorción, por el contrario, están formados por una secuencia de líneasoscuras que aparecen sobre el fondo luminoso del espectro visible. Se producencuando un haz de luz blanca se hace pasar por una muestra gaseosa. Si se analizamediante un espectroscopio el haz de luz que emerge de la muestra, se observaráese conjunto de líneas oscuras que constituyen el espectro de absorción de lasustancia considerada. La luz blanca contiene una gama continua de longitudes deonda, pero sólo unas componentes definidas son sustraídas o absorbidas por losátomos que constituyen la muestra gaseosa empleada. Todas las líneas del espectro de absorción de una muestra dada ocupanposiciones que se corresponden con algunas de las líneas del espectro de emisión deesa misma muestra. Como sucede con los espectros de emisión, los de absorciónson también característicos de cada elemento químico; su análisis permite, portanto, la identificación del elemento que en forma gaseosa se interpuso entre lafuente de luz blanca y el espectroscopio. El físico alemán fue el primero en detectar un espectro deabsorción. Analizando la luz solar observó la presencia de más de setecientas líneasEric Calvo Lorente 12 FQ 1º Bachillerato
  13. 13. oscuras distribuidas a lo largo del espectro visible. Del análisis de este espectropudo identificarse un grupo de líneas que no correspondía a ningún elementoconocido, deduciéndose así la existencia en la atmósfera solar de un nuevoelemento gaseoso, el helio, que en griego significa Sol. En el año 1900 formuló que la energía asociada a la radiaciónelectromagnética viene en pequeñas unidades indivisibles llamadas cuantos.Avanzando en el desarrollo de esta teoría, descubrió una constante de naturaleza universal que se conoce como la . La establece que la energía de cada cuanto es igual a la frecuencia de la radiación multiplicada por la constante universal. Se trata de una ley fundamental de la teoría quántica, ya que con ella se describe la cuantificación de la radiación electromagnética. De acuerdo a la , cada cuanto se asocia a un solo fotón. La magnitud E de los cuantos depende de la frecuencia f de la radiación según la fórmula: ,donde es la . La generalmente seexpresa en joule · seg. y la frecuencia en hertzios. Así, el resultado de la energía deun cuanto se estima en joule. El producto de la energía y del tiempo se refiere a veces como a una acción.Por lo tanto, se refiere a veces como el cuanto elemental de una acción . Una de las grandes aplicaciones logradas a partir del aporte de , seprodujo por el llamado . Este ocurre cuando una superficiemetálica limpia es iluminada con una radiación como lo señala la figura.Eric Calvo Lorente 13 FQ 1º Bachillerato
  14. 14. El resultado de esto es que existe una mínima frecuencia de luz bajo la cualningún e- abandona la superficie iluminada. Sólo cuando fotones de radiación desuficiente energía hν chocan la superficiemetálica, los electrones abandonan este lugaren la dirección de la placa (+) y, comoresultado, el amperímetro indica que circulacorriente por el circuito eléctrico. Si la energíadel fotón hν es muy pequeña, ningún electrónse libera por lo que el circuito eléctrico estáabierto y no hay señal de corriente en elinstrumento. Este diseño es muy utilizado hoydía en los mecanismos de apertura de puertasautomática en las grandes tiendas, cuando elpaso luz es interrumpido por la persona frente ala puerta, enviando entonces la señal de "faltade corriente" al motor que acciona las puertas. Cuando los fotones son absorbidos porel metal del tubo, si estos tienen energías másque las requeridas para "sacar" electrones de la superficie, este "exceso" setransforma en "energía cinética" para los electrones que les permite viajar hacia elotro terminal (+). En 1905 (1879-1955) usó la teoría cuántica enunciada porpara justificar este experimento. El supuso que la energía radiante que choca elmetal, es un "paquete" de fotones que transporta de energía hν. Parte, pues,de la cuantización de la energía. Esta energía, si alcanza un valor mínimo (trabajo o energía de extracción,W0 =hν0 ), conseguirá arrancar al electrón de su núcleo, venciendo la fuerza deatracción (). Además, el restante energético (en caso de existir) se empleará en darmovimiento al electrón. Matemáticamente: 1 2 0 0 2, donde: ν= energía de la radiación incidente ν = trabajo de extracción es la energía cinética del electrón La explicación de este fenómeno permitió a lograr elPremio Nobel, en 1921.Eric Calvo Lorente 14 FQ 1º Bachillerato
  15. 15. A pesar de constituir un gran avance y de predecir hechos reales, el modelo nuclear de presentaba dos graves inconvenientes: 1. Contradecía las leyes electromagnéticas de , según las cuales, una partícula cargada, cuando posee aceleración, emite energía electromagnética. 2. Según el enunciado anterior los espectros atómicos debería ser continuos, ocurriendo que éstos son discontinuos, formados por líneas de una frecuencia determinada. El físico danés (1.885-1.962), premio Nobel de Física en 1.922 presentó en 1.913 el primer modelo de un átomo basado en la cuantización de la energía. Superó las dificultades del modelo de suponiendo simplemente que la Física clásica no se podía aplicar al universo atómico. No hay ninguna razón, decidio , para esperar que los electrones en los átomos radien energía mientras no se les proporcione ninguna energía adicional. Igualmente los espectros atómicos de absorción y emisión de lineas eran indicativos de que los átomos, y más concretamente los electrones, eran capaces de absorber o emitir cuantos de energía en determinadas condiciones. La teoría de los cuantos de la aportó a dos ideas: a. Las oscilaciones eléctricas del átomo solo pueden poseer cantidades discretas de energía (están cuantizadas) b. Sólo se emite radiación cuando el oscilador pasa de un estado cuantizado a otro de menor energía. aplicó estas ideas al átomo de hidrógeno y enuncio los tres postulados siguientes: 1. En el átomo de hidrógeno el movimiento del electrón alrededor del núcleo está restringido a un número discreto de orbitas circulares. 2. El momento angular del electrón en una órbita está cuantizado; es un número entero de h/2π siendo h la 3. El electrón no radia energía mientras permanece en una de las órbitas permitidas, teniendo en cada órbita una energía característica constante. Cuando el electrón cae de un estado de energía superior a otro de energía inferior, se emite una cantidad de energía definida en forma de un fotón de radiación Aplicando estas hipótesis a la estructura electrónica de los átomos se resolvía la dificultad que presentaba el átomo de . El electrón, alEric Calvo Lorente 15 FQ 1º Bachillerato
  16. 16. girar alrededor del núcleo, no iba perdiendo la energía, sino que se situaba en unos estados estacionarios de movimiento que tenían una energía fija. Un electrón sólo perdía o ganaba energía cuando saltaba de un estado (nivel) a otro. Por otro lado, el suponía una explicación de los espectros discontinuos de los gases, en particular del más sencillo de todos, el hidrógeno. Una raya de un espectro correspondía a una radiación de una determinada frecuencia. ¿Por qué un elemento emite solamente cierta frecuencia? Veamos la respuesta: En condiciones normales los electrones de un átomo o ión se sitúan en los niveles de más baja energía. Cuando un átomo recibe suficiente energía, es posible que un electrón salte a un nivel superior a aquel en que se halla. Este proceso se llama excitación. Un electrón excitado se halla en un estado inestable y desciende a un nivel inferior, emitiendo una radiación cuya energía será igual a la diferencia de la que tienen los dos niveles. Al aplicar la formula de a otros átomos se obtuvieron resultados satisfactorios, al coincidir el pronóstico con el resultado experimental de los espectros de estos átomos. El explicaba a la perfección el comportamiento del átomo de hidrógeno, pero pronto se observaron discrepancias a la hora de analizar átomos polielectrónicos. La llegada, por un lado de nuevos espectroscopios de mayor poder resolutivo, y el descubrimiento, por otro del mostraron que ciertas líneas espectrales eran en realidad un conjunto de líneas muy próximas. Así pues, el debía ser perfeccionado. Esta labor la realizó , suponiendo la posibilidad de que las órbitas pudiesen ser también elípticas. Posteriormente, y (1925) comprobaron nuevos desdoblamientos de las líneas , confirmando la hipótesis de que el electrón debía poseer un movimiento de rotación alrededor de su eje; movimiento que debía producir un pequeñísimo campo magnético, en la dirección del giro. El átomo se mostraba, pues, como una realidad cada vez más compleja.Eric Calvo Lorente 16 FQ 1º Bachillerato
  17. 17. En el año 1924, se encontraba completando su tesis de doctorado en física en la Sorbona. En ella expuso una idea muy simple: en física clásica se considera a la luz como un fenómeno de naturaleza ondulatoria ( ). Por otro lado las investigaciones de sobre el efecto fotoeléctrico habían demostrado que bajo ciertas circunstancias la luz parece constituida por partículas (fotones). ¿No sería posible que aquellas entidades consideradas partículas (electrones, ladrillos, planetas, etc.) bajo ciertas condiciones mostraran características de ondas? Parece ser que la luz se comporta como onda al propagarse por el espacio mientras que lo hace como un conjunto de partículas al interactuar con la materia. Ambas naturalezas nunca se mezclan, se podría decir que la luz es una onda que al interactuar con la materia parece partícula, o bien, que está constituida por partículas cuyo movimiento está determinado por las propiedades de ciertas ondas asociadas. No hay ninguna razón para elegir una de las dos posibilidades. , sin embargo, supuso cierta la segunda posibilidad. En 1927, y diseñaron un experimento de difracción bombardeando un cristal de níquel con electrones de baja energía. Obtuvieron un clásico patrón de difracción solo explicable por la interferencia de ondas dispersadas en la superficie del cristal. Y, por supuesto, no se trataba de la interferencia entre ondas de electrones distintos sino de la interferencia producida por las ondas asociadas a un solo electrón. Esto se probó al enviar los electrones de a uno y obtener el mismo patrón. Este experimento demostró que el postulado de era correcto. Uno de los grandes logros de la teoría de fue el explicar de un modo simple las extrañas reglas de cuantización del átomo de . Por otro lado, científicos excepcionales aparecen en escena: , que enuncia su , en 1927, diciendo es algo así como que si se conoce la velocidad de la partícula con bastante precisión se perderá información sobre la posición; si, en cambio, se conoce bastante bien la posición de la partícula, entonces ha de renunciarse a conocer la velocidad. , que en 1925 introduce el concepto para designar tanto a las ondas mismas como a la función matemática que las representa. Crea una ecuación ( que revolucionará la Ciencia: comienza a la desarrolló una teoría relativista de la mecánica cuántica. Simplemente conservó los postulados de exigiendo además que se cumplieran los requisitos de la relatividad de . De esta teoría el surgía como una consecuencia natural.Eric Calvo Lorente 17 FQ 1º Bachillerato
  18. 18. El trabajo de estos científicos, (y de otros que no se han nombrado) nos lleva a un concepto novedoso, el de que emana del (Recuerda!: es imposible definir con exactitud la posición y la velocidad de un electrón simultáneamente): Se llama a la región del espacio (alrededor de un núcleo) en la que la probabilidad de hallar a un electrón es máxima (99% o incluso más ) Los orbitales son las soluciones de la , y están definidos por medio de 4 números llamados : El número cuántico principal puede tomar valores enteros que van de uno a infinito (n = 1,2,3,4.....). l. Los electrones que ocupan los orbitales de número cuántico principal más alto tienen una energía mayor. El electrón que ocupa un orbital con n=2 tiene una energía mayor que el electrón que ocupa un orbital con n=1. El tamaño del orbital también está asociado al valor de n. A mayor valor de n, mayor será el orbital. El segundo número cuántico , es el número cuántico acimutal y puede asumir valores que van desde 0 hasta (n – 1). A los números se le asigna una letra: . El número cuántico acimutal se refiere al subnivel energético donde se encuentra el electrón. Describe además la geometría del orbital. Los orbitales de un subnivel se distinguen uno del otro, por un tercer número cuántico . Es el número cuántico magnético y puede asumir valores que van desde - L hasta + L. Por ejemplo, para un subnivel d donde L=2, los valores que puede asumir m son -2,-1, 0, +1, +2. El número cuántico magnético específica la orientación del orbital en el espacio. En un subnivel d hay cinco orbitales, estos son cinco posibles orientaciones al interactuar con un campo magnético. Los mismos interactúan de maneras diferentes con el campo magnético debido a que los orbitales de un subnivel apuntan hacia diferentes direcciones. Orbitales con igual número cuántico acimutal pero distinto número cuántico magnético se llaman . El cuarto número cuántico , es el número cuántico del espín o giro del electrón y éste sólo puede asumir dos valores: +1/2 y -1/2. La siguiente tabla resume los valores que pueden asumir los cuatro números cuánticos de un electrón de acuerdo al nivel energético donde se encuentra (para los primeros tres niveles de energía):Eric Calvo Lorente 18 FQ 1º Bachillerato
  19. 19. Hasta ahora hemos considerado los cuatro números cuánticos que caracterizan al electrón en un átomo. Hay una regla muy importante, conocida como , que relaciona estos números: : En un átomo no puede haber dos electrones que tengan iguales los cuatro números cuánticos.Eric Calvo Lorente 19 FQ 1º Bachillerato
  20. 20. Esta regla implica que no puede haber más de dos electrones en cada orbital; y si dos electrones están en el mismo orbital, deben tener al menos el número cuántico del spin distinto (es decir +1/2 y -1/2 ), o sea los spines de esos electrones son opuestos. Asimismo, esta regla implica que el número máximo de electrones que pueden ocupar un determinado nivel será 2n2 ( ,nº cuántico ppal). Nos indican la distribución de los electrones en los orbitales.Se basa en las siguientes reglas: DIAGRAMA DE MOELLER Indica el orden en que los electrones ocupan los orbitales. PRINCIPIO DE EXCLUSION DE PAULI Según el cual los electrones (que son pequeñas partículas cargadas eléctricamente que pululan alrededor del núcleo atómico) no pueden solaparse uno sobre otro, se excluyen mutuamente, y si se intenta presionar a dos electrones en la misma órbita para que se unan, se repelen. Esta fuerza de repulsión no se debe al hecho de que las cargas eléctricas correspondientes de los electrones se repelan, sino que se trata de una fuerza de repulsión completamente nueva, mucho más fuerte que la electromagnética. Esta nueva fuerza, llamada «fuerza de intercambio» sólo puede comprenderse basándose en la teoría cuántica y no existe nada análogo a ella en la física clásica. Su existencia al nivel atómico es lo que impide que se colapsen las nubes electrónicas que rodean los núcleos atómicos. En resumen, se trata de un principio que establece que dos partículas similares no pueden existir en el mismo estado, es decir, que no pueden tener ambas la misma posición y la misma velocidad, dentro de los límites fijados por el principio de incertidumbre. Por otra parte, a través del principio de exclusión se puede explicar por qué las partículas materiales no colapsan en un estado de casi extrema densidad, bajo la influencia de las fuerzas producidas por las partículas de espín 1, 1½ y 2: si las partículas materiales están casi en la misma posición, deben tener entonces velocidades diferentes, lo que significa que no estarán en la misma posición durante mucho tiempo.Eric Calvo Lorente 20 FQ 1º Bachillerato
  21. 21. REGLA DE HUND En un mismo subnivel, los átomos no se aparean hasta que no haya unelectrón en cada orbital. Siguiendo estas reglas se establece la configuración electrónica de cualquierelemento. Veamos algún ejemplo: Supongamos que deseamos conocer la configuración electrónica de la plata, que tiene 47 electrones. Por la regla de Auf-Bau, el orden de energía de los orbitales es el indicado en la tabla de la izquierda: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, etc. Como hay 1 orbital s, cabrán en cada capa dos electrones. Como hay 3 orbitales p, en cada capa cabrán 6 electrones, 10 electrones en los orbitales d de cada capa, y 14 en los orbitales f. Siguiendo esta regla debemos colocar los 47 electrones del átomo de plata: 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 4s2, 3d10, 4p6, 5s2, 4d9 Donde sólo se han puesto 9 electrones en los orbitales d de la capa cuarta paracompletar, sin pasarse, los 47 electrones de la plata. Las siguientes páginas pueden ser útiles a la hora de comprobar las configuraciones de los elementos de la tabla periódica: http://concurso.cnice.mec.es/cnice2005/93_iniciacion_interactiva_materia/curso/materiales/at omo/celectron.htm http://www.cnice.mecd.es/eos/MaterialesEducativos/mem2000/tablap/index.htm La evolución de la tabla periódica, desde la primera ordenación de loselementos, ha tenido lugar a lo largo de más de un siglo de historia y ha ido parejaal desarrollo de la ciencia. Aunque los primeros elementos conocidos, como el oro,el hierro se conocían desde antes de Cristo (recuérdese que el hierro, por suimportancia en la evolución de la humanidad ha dado nombre a una época),todavía hoy se investiga la posible existencia de elementos nuevos para añadir a latabla periódica. Como en la naturaleza la mayoría de los elementos se encuentran combinadosformando compuestos, hasta que no fue posible romper estos compuestos y aislarsus elementos constituyentes, su conocimiento estuvo muy restringido. Fue en elaño 1800 cuando se descubrió el fenómeno de la electrólisis (ruptura de uncompuesto mediante el uso de energía eléctrica ). Este descubrimiento impulsó unsalto hacia delante en el descubrimiento de nuevos elementos. Así, de poco más dediez que se conocían hasta el Siglo XVIII, en el que se habían descubierto loselementos gaseosos (hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y cloro) y algunos metales(platino, níquel, manganeso, wolframio, titanio vanadio y plomo), en las primerasdécadas del siglo XIX se descubrieron más de 14 elementos, y posteriormente, aritmo algo más lento se siguieron descubriendo otros nuevos.Eric Calvo Lorente 21 FQ 1º Bachillerato
  22. 22. Así, en 1830 se conocían ya 55 elementos diferentes, cuyas propiedades físicasy químicas variaban extensamente. Fue entonces cuando los químicos empezaron ainteresarse realmente por el número de elementos existentes. Preocupaba sabercuántos elementos diferentes existían y a qué se debía la variación en suspropiedades. Sería quien llevase a cabo la primera agrupación de los elementos, ordenándolos alfabéticamente e incluyendo el dato de su peso atómico. Sin embargo, esta agrupación no atrajo el interés de los científicos de la época. Hasta ese momento, nadie parecía haber advertido la posible periodicidad en las propiedades de los elementos químicos, entre otras razones, porque el número de elementos que quedaban pordescubrir dejaba demasiados huecos como para poder atisbar orden alguno en laspropiedades de los mismos. Además, todavía no existía un criterio claro para poderordenar sus propiedades, ya que el peso atómico de un elemento, que fue el primercriterio de ordenación de los elementos, no se distinguía con claridad del pesomolecular o del peso equivalente. Fue en 1829 cuando el químico alemán realizoel primer intento de establecer una ordenación en los elementosquímicos, haciendo notar en sus trabajos las similitudes entre loselementos cloro, bromo e iodo por un lado y la variación regularde sus propiedades por otro. Una de las propiedades que parecíavariar regularmente entre estos era el peso atómico. Pronto estassimilitudes fueron también observadas en otros casos, comoentre el calcio, estroncio y bario. Una de las propiedades quevariaba con regularidad era de nuevo el peso atómico. Ahorabien, como el concepto de peso atómico aún no tenía un significado preciso y no había conseguido tampoco aclararlo y como la había un gran númerode elementos por descubrir, que impedían establecer nuevas conexiones, sustrabajos fueron desestimados. Hacia 1862, el francés estableció su (o anillo telúrico, o hélice telúrica), por la cual los elementos se iban colocando sobre una línea que ascendía con un ángulo de 45 grados por la superficie curva de un cilindro. Los elementos que coincidían sobre una generatriz (la línea recta perpendicular a las bases) tenían propiedades físicas y químicas similares. Además, estas propiedades se repetían cada dieciséis unidades de peso atómico, lo que hizo que pensase que las propiedades de los elementos están ligadas con laspropiedades de los números. Lo malo es que, además de creer en esa paridad cifro-elemental, el francés introdujo iones de los elementos en su clasificación. En 1864 cuando estos intentos dieron su primer fruto importante, cuando estableció la . Habiendo ordenado loselementos conocidos por su peso atómico y después de disponerlosen columnas verticales de siete elementos cada una, observó que enmuchos casos coincidían en las filas horizontales elementos conpropiedades similares y que presentaban una variación regular.Esta ordenación, en columnas de siete da su nombre a la ley de lasoctavas, ya que el octavo elemento da comienzo a una nuevacolumna. En algunas de las filas horizontales coincidían losEric Calvo Lorente 22 FQ 1º Bachillerato
  23. 23. elementos cuyas similitudes ya había señalado . El fallo principal quetuvo fue el considerar que sus columnas verticales (que seríanequivalentes a períodos en la tabla actual) debían tener siempre la misma longitud.Esto provocaba la coincidencia en algunas filas horizontales de elementostotalmente dispares y tuvo como consecuencia el que sus trabajos fuerandesestimados. Más acertado estuvo otro químico, , cuando alestudiar los volúmenes atómicos de los elementos yrepresentarlos frente al peso atómico observó la apariciónen el gráfico de una serie de ondas. Cada bajada desde unmáximo (que se correspondía con un metal alcalino) ysubido hasta el siguiente, representaba para unperíodo. En los primeros períodos, se cumplía la , pero después se encontraban periodos mucho más largos. Aunque el trabajo de era notablemente meritorio, su publicación no llegó a tener nunca el reconocimiento que se merecía, debido a la publicación un año antes de otra ordenación de los elementos que tuvo una importancia definitiva, la aportada por En 1869, utilizando como criterio la valencia delos distintos elementos, además de su peso atómico, presentó su trabajo en forma de tabla en laque los periodos se rellenaban de acuerdo con lasvalencias (que aumentaban o disminuían de formaarmónica dentro de los distintos periodos) de loselementos. Esta ordenación daba de nuevo lugar a otrosgrupos de elementos en los que coincidían elementos de propiedades químicas similares y con una variación regular en sus propiedades físicas. La tabla explicaba las observaciones de , cumplía la ley de las octavas en sus primeros periodos y coincidía con lo predicho en el gráfico de . Además, observando la existencia de huecos en su tabla, dedujo que debían existir elementos que aun no se habían descubierto y además adelanto las propiedades queEric Calvo Lorente 23 FQ 1º Bachillerato
  24. 24. debían tener estos elementos de acuerdo con la posición que debían ocupar en latabla. Años más tarde, con el descubrimiento del espectrógrafo, el descubrimientode nuevos elementos se aceleró y aparecieron los que había predicho . Lossucesivos elementos encajaban en esta tabla. Incluso la aparición de los gasesnobles encontró un sitio en esta nueva ordenación. La tabla de fueaceptada universalmente y hoy, excepto por los nuevos descubrimientos relativos alas propiedades nucleares y cuánticas, se usa una tabla muy similar a la que élelaboró más de un siglo atrás. En 1913 Moseley ordenólos elementos de la tablaperiódica usando como criteriode clasificación el númeroatómico. Enunció la “leyperiódica”: "Si los elementos secolocan según aumenta sunúmero atómico, se observauna variación periódica de suspropiedades físicas y químicas". A partir de entonces laclasificación periódica de loselementos siguió ese criterio,pues en los átomos neutros elnúmero de protones es igual alde electrones y existe unarelación directa entre el últimoorbital ocupado por un e– de unátomo (configuración electrónica) y su posición en la tabla periódica y, por tanto,en su reactividad química, fórmula estequiométrica de compuestos que forma... Se organiza en filas horizontales, que se llaman , y columnasverticales que reciben el nombre de , además, por facilidad derepresentación, aparecen dos filas horizontales fuera de la tabla que correspondena elementos que deberían ir en el sexto y séptimo periodo, tras el tercer elementodel periodo. Los grupos con mayor número deelementos, los grupos 1, 2, 13, 14, 15, 16,17 y 18, se conocen como gruposEric Calvo Lorente 24 FQ 1º Bachillerato
  25. 25. principales, los grupos del 3 al 12 están formados por los llamados elementos detransición y los elementos que aparecen aparte se conocen como elementos detransición interna. Los elementos de la primera fila de elementos de transicióninterna se denominan lantánidos o tierras raras, mientras que los de la segundafila son actínidos. Salvo el tecnecio y el prometio, todos los elementos de la tabla periódicahasta el uranio, se encuentran en la naturaleza. Los elementos transuránidos, asícomo el tecnecio y el prometio, son elementos artificiales, que no se hallan en lanaturaleza, y han sido obtenidos por el hombre. El número de elementos de cada periodo no es fijo. Así, el primer periodoconsta de dos elementos (hidrógeno y helio), los periodos segundo y tercero tienencada uno ocho elementos, el cuarto y el quinto dieciocho, el sexto treinta y dos yel séptimo, aunque debería tener treinta y dos elementos aún no se han fabricadotodos, desconociéndose 3 de ellos y de otros muchos no se conocen suspropiedades. El orden de los elementos en la tabla periódica, y la forma de ésta, conperiodos de distintos tamaños, se debe a su configuración electrónica y a que unaconfiguración especialmente estable es aquella en la que el elemento tiene en suúltima capa, la capa de valencia, 8 electrones, 2 en el orbital s y seis en losorbitales p, de forma que los orbitales s y p están completos. En un grupo, loselementos tienen la misma configuración electrónica en su capa de valencia( ).Así, conocida la configuración electrónica de un elemento sabemos su situaciónen la tabla y, a la inversa, conociendo su situación en la tabla sabemos suconfiguración electrónica. El hidrógeno (H) de difícil ubicación en la tabla y el helio (He), claramente enel grupo 18 de los gases nobles, tienen configuración “s1” y “s2” respectivamente.Bloque Grupo Nombres Config. Electrón. 1 Alcalinos n s1 s 2 Alcalino-térreos n s2 13 Térreos n s2 p1 14 Carbonoideos n s2 p2 15 Nitrogenoideos n s2 p3 p 16 Anfígenos n s2 p4 17 Halógenos n s2 p5 18 Gases nobles n s2 p6 d 3-12 Elementos de transición n s2(n–1)d1-10 f El. de transición Interna (lantánidos y actínidos) n s2 (n–1)d1(n–2)f1-14 ( ) .- Son los electrones de la última capa de cada elemento, específicamente los menos atraídos de dicha capa y, por lo tanto, los más disponibles para interactuar con otras partículas. El número de electrones de valencia de un elemento se puede determinar fácilmente a partir del lugar que ocupa dicho elemento en la tabla periódica. El número de electrones de valencia de cada elemento coincide con el número de casillas. La de un elemento es la capacidad que tiene un átomo de un elemento para combinarse con los átomos de otros elementos y formar compuestos.Se define como el número de átomos de hidrógeno que pueden unirse o ser sustituidos por un átomo del correspondiente elementoEric Calvo Lorente 25 FQ 1º Bachillerato
  26. 26. Son propiedades periódicas de los elementos químicos las debidas al númerode electrones de valencia de un elemento. Las variaciones de las propiedadesperiódicas dependen de las configuraciones electrónicas, en especial de laconfiguración de la capa externa ocupada y de su distancia con respecto al núcleo. Estas propiedades varían de forma gradual al movernos en un determinadosentido en el sistema periódico con patrones que se repiten periódicamente. La comprensión de esta periodicidad permite entender mejor el enlace de loscompuestos simples, y nos otorga una cierta capacidad de predicción sobre laspropiedades de un elemento conocida su situación en la tabla periódica. Analicémoslas. Así como el tamaño de un orbital no puede especificarse en forma exacta, eltamaño de un átomo tampoco puede ser precisamente definido. El radio atómicodebe obtenerse midiendo las distancias entre átomos en compuestos químicos(mediante técnicas de difracción de rayos X, neutrones o electrones). Por ejemplotomemos la molécula de Bromo (Br2). El radio del átomo Br es " la mitad de ladistancia" entre los núcleos, que se puede medir experimentalmente y cuyo valor esBr-Br = 2,28 Å. Esto da para el radio r(Br)=1,14 Å. Mediciones de este tipo hanpermitido conocer prácticamente todos los radios atómicos de los elementos ymediante simples fórmulas para el volumen V(Br)= (4/3)πr3 logramos el tamañoátomico. El radio atómico se define como la mitad de la distancia entre dos núcleos deun mismo elemento unidos entre sí. Dentro de un mismo grupo, el radio atómico aumenta con el valor de Z, esdecir, hacia abajo, ya que el número de niveles electrónicos aumenta en el mismosentido. En los períodos cortos, el radio atómico disminuye al aumentar el númeroatómico, pues el electrón diferenciador se sitúa en el mismo nivel energético y lacarga nuclear va aumentando. Debido a esto, la carga nuclear atrae con más fuerza,Eric Calvo Lorente 26 FQ 1º Bachillerato
  27. 27. para igual distancia, a los electrones periféricos, lo que produce la correspondientedisminución. En los períodos largos la variación es más irregular, existiendo dosmínimos: uno hacia el centro y otro en el halógeno correspondiente. Los elementosdel grupo primero son los de mayor radio atómico Por otro lado, sucede que todo catión es siempre menor que el átomo neutrodel que procede, y por el contrario, todo anión es siempre mayor que el átomoneutro del que procede Se trata de la energía que debe suministrarse a un átomo aislado de un elemento en estado gaseoso, para arrancarle su electrón más externo. ( ) Este valor suele expresarse en kJ/mol o bien en eV (electrón-voltio) La variación dentro de un grupo se puede establecer considerando que amedida que descendemos por él, el electrón se halla más débilmente unido alnúcleo (al tratarse de niveles electrónicos mayores). Por su parte, la variación en unmismo período se entiende observando que a pesar de encontrarnos en un mismonivel electrónico, la carga nuclear aumenta, con lo que la atracción por parte delnúcleo es mayor, y mayor será la energía necesaria para arrancar ese electrón. Puesto que también podríamos calcular la energía necesaria para arrancar un2º, un 3º (…) electrón (una vez extraído el primero), podremos hablar de 1 eraenergía de ionización, 2ª energía, etc. En cualquier caso, a medida que arrancamoselectrones, la extracción de sucesivas partículas requiere valores de energía muchomayores. Gráficamente:Eric Calvo Lorente 27 FQ 1º Bachillerato
  28. 28. ( ) electrón-voltio (eV) 1 Julio= 6´242.1018 eV 1 eV= 1´602.10-19 J Medida de la tendencia de un elemento a atraer hacia sí el par de electrones implicado en el enlace con otro átomo. La variación queda esquematizada en el siguiente gráfico: Vemos, pues que en un mismo grupo, la electronegatividad disminuye aldescender en él (ya que los electrones del enlace se hallan más lejos del núcleo); porsu parte, para un mismo período se produce un aumento la ir hacia mayoresvalores de (hacia la derecha), ya que la carga nuclear aumenta y se permanece enel mismo nivel electrónico. Desde luego, la electronegatividad de los gases nobles esprácticamente nula, puesto que no poseen esa tendencia, al tener completo su nivelelectrónico. Por otro lado, es importante mencionar que ese valor de laelectronegatividad será fundamental a la hora de establecer el tipo de enlace que seestablecerá. (Pero esto pertenece a otro tema)Eric Calvo Lorente 28 FQ 1º Bachillerato
  29. 29. La afinidad electrónica se define como la energía que liberará un átomo, enestado gaseoso, cuando captura un electrón y se convierte en un ión negativo oanión. Como el potencial de ionización, la afinidad electrónica dependerá de laatracción del núcleo por el electrón que debe capturar, de la repulsión de loselectrones existentes y del acercamiento o alejamiento a completar la capa devalencia con ocho electrones. Mientras que el potencial de ionización se puede medir directamente y conrelativa facilidad, la medición de la afinidad electrónica es complicada y sólo enmuy pocos casos puede realizarse de forma directa y los datos que se tienen no sonfiables. Los metales se caracterizan por tener bajas energías de ionización yelectronegatividades, con lo que la tendencia a formar cationes es elevada. Así, elcarácter metálico de los elementos puede resumirse en el siguiente gráfico: Como ya sabes, y aunque aquí no aparezca reflejado, en la tabla periódicaexiste una “frontera” que delimita los metales de los no metales:Eric Calvo Lorente 29 FQ 1º Bachillerato
  30. 30. Eric Calvo Lorente 30 FQ 1º Bachillerato
  31. 31. Consta de los siguientes elementos: = fuente emisora de iones (para electrones puede ser un simple filamento caliente). y = rendijas estrechas, a una diferencia de potencial , por las que pasan los iones. P = placa fotográfica donde se registra el impacto del ión. Por debajo de las rendijas existe un campo magnético uniforme, perpendicular al plano del papel, y dirigido hacia el observador.La variación de energía cinética del ión es igual a la energía potencial adquirida. (1)Al incidir el ión perpendicularmente al campo , describirá una órbita circular de radio r, definido por (2)Tratamos de determinar la relación ; combinando (1) y (2):Donde B, V y r son cantidades medibles. Conocida la carga q, podemos medir la masa del ión.Detección de isótopos: dos partículas de igual carga pero diferente masa, describen circunferencias de radiosdiferentes. Comprobación de los principios relativistas, es decir, de la variación de la masa con la velocidad:y, en consecuencia, determinar la invarianza de la carga.Eric Calvo Lorente 31 FQ 1º Bachillerato

×