Universidad Nacional Mayor de San MarcosFacultad de Qumica e Ingeniera QumicaQumica General EAP 07.2Captulo II: Estructura Atmica"

En fsica y qumica, tomo (del latn atomus, y ste del griego , indivisible) es la unidad ms pequea de un elemento qumico que mantiene su identidad o sus propiedades y que no es posible dividir mediante procesos qumicos.El concepto de tomo como bloque bsico e indivisible que compone la materia del universo ya fue postulado por la escuela atomista en la antigua Grecia (filsofos griegos Leucipo, Epicuro y Demcrito 400 - 500 A.C.). Sin embargo, su existencia no qued demostrada hasta el siglo XIX. Con el desarrollo de la Fsica Nuclear en el siglo XX se comprob que el tomo puede subdividirse en partculas ms pequeas.Atomo

El estudio de la qumica moderna se inicia con el qumico ingls John Dalton (1803) quien propuso una teora atmica de la materia; en base a la experimentacin y a las leyes qumicas que se conocan en la poca (ley de conservacin de la masa y ley de las proporciones definidas)Evolucin del Modelo AtmicoLa concepcin del tomo que se ha tenido a lo largo de la historia ha variado de acuerdo a los descubrimientos realizados en el campo de la fsica y la qumica. A continuacin se har una exposicin de los modelos atmicos propuestos por los cientficos de diferentes pocas. Algunos de ellos son completamente obsoletos para explicar los fenmenos observados actualmente, pero se incluyen a manera de resea histrica.

Teora atmica de DaltonEsta teora postulaba:* La materia est formada por partculas muy pequeas llamadas tomos, que son indivisibles y no se pueden destruir. * Los tomos de un mismo elemento son iguales entre s, tienen su propio peso y cualidades propias. Los tomos de los diferentes elementos tienen pesos diferentes. * Los tomos permanecen sin divisin, an cuando se combinen en las reacciones qumicas. * Los tomos, al combinarse para formar compuestos guardan relaciones simples. * Los tomos de elementos diferentes se pueden combinar en proporciones distintas y formar ms de un compuesto. * Los compuestos qumicos se forman al unirse tomos de dos o ms elementos distintos. Sin embargo desapareci ante el modelo de Thomson ya que no explica los rayos catdicos, la radioactividad ni la presencia de los electrones (e-) o protones (p+).

La carga elctrica constituye una propiedad fundamental de la materia. Se manifiesta a travs de ciertas fuerzas, denominadas electrostticas, que son las responsables de los fenmenos elctricos. Su influencia en el espacio puede describirse con el auxilio de la nocin fsica de campo de fuerzasLa electrosttica es la parte de la fsica que estudia la medida de la carga elctrica o cantidad de electricidad presente en los cuerpos y, en general, de los fenmenos asociados a las cargas elctricas en reposo.FENMENOS ELECTROSTTICOSElectrizacinCuando a un cuerpo se le dota de propiedades elctricas se dice que ha sido electrizado. La electrizacin por frotamiento permiti, a travs de unas cuantas experiencias fundamentales y de una interpretacin de las mismas cada vez ms completa, sentar las bases de lo que se entiende por electrosttica.Cargas elctricas de distinto signo se atraen y cargas elctricas de igual signo

A mediados del siglo XIX los fsicos experimentaban con un nuevo fenmeno que cambiara drsticamente la visin de la fsica. En ese momento se estudiaban la naturaleza de la radiacin producida por un hilo metlico que transportaba corriente elctrica a travs de un tubo que se haba vaciado de aire. Estos rayos, procedentes del ctodo (polo negativo del circuito), fueron llamados rayos catdicos Rayos Catdicos

El primer experimento interesante que condujo a un modelo sobre la composicin de los tomos, fue hecho por el fsico ingls J. J. Thomson, entre los aos 1898 a 1903, quin estudi la descarga elctrica que se produce dentro de tubos al vaco parcial (algo de aire), llamados Tubos de rayos catdicos. El aire enrarecido sirve efectivamente para que, si alguna partcula pequea se desplaza y choca una molcula de Nitrgeno u Oxgeno, se produzca una iluminacin en la direccin del flujo de partculas de modo que pueda ser identificado. Thomson encontr que cuando un voltaje suficientemente alto (proveniente de una pila o bobina) era aplicado entre los electrodos como lo muestra la Figura, un rayo que el llam rayos catdicos (porque comenzaba en el electrodo negativo de la pila), se produca. Este rayo viajaba hacia el electrodo (+) por lo que dedujo que se trataba de un flujo de partculas repelidas por el electrodo (-) que necesariamente significaba que eran partculas cargadas (-) atradas por el electrodo (+) y que llam desde entonces electrones e- .

Tubo de Rayos Catdicos

Rayos CanalesLos rayos canales son una luminosidad que viaja en lnea de recta en direccin hacia el ctodo.Se desva hacia la placa negativa del campo elctrico, lo que demuestra que son de Naturaleza positiva. Tiene un tamao mayor que el haz de los rayos catdicos. Se originan cuando el tomo pierde electrones para dirigirse hacia el nodo. Las partculas producidas en el gas Hidrogeno, recibieron la denominacin de protones.

Para demostrar que efectivamente se trataba de partculas cargadas (-) Thomson ide colocar "otra pila" con electrodos (+) y (-) perpendiculares al haz que se origina en el polo (-), como lo muestra la figura en amarillo que sigue. As, l tambin descubri que el flujo se desviaba hacia el polo (+) de la pila.Si bien ms adelante plantearemos las ecuaciones fsicas que fueron usadas para obtener informacin sobre la carga y la masa del electrn, es conveniente en esta parte sealar que Thomson pudo encontrar la razn carga /masa para el electrn midiendo la desviacin del haz de electrones de la Figura aplicando campos magnticos ( Imn, simplemente) y elctricos, logrando como resultado que el valor de la relacin : e/m (carga/masa) Descubrimiento del electrn

Aparato de Thomson para determinar la razn carga/masa: e/m, para rayos catdicosTrayectoria 1: Solamente en presencia de un campo elctrico se desva hacia arriba la trayectoria de rayos catdicos, incidiendo en la pantalla en un punto A.Trayectoria 2: Solo en presencia de un campo magntico el haz de de rayos catdicos, se desva hacia una trayectoria circular en un punto C.Trayectoria 3: El haz de rayos catdicos puede hacerse incidir en la pantalla en un el punto B, sin desviacin si se anulan las fuerzas de los campos elctrico y magntico que actan sobre las partculas.Determinacin de e/m: Conociendo las intensidades de los campos elctricos y magnticos que generan la trayectoria B y el radio de curvatura de la trayectoria C, se puede obtener el valor para e/m.

Determinacin de la carga electrnicaEn 1909 Robert Millikan de la Universidad de Chicago, dise un experimento muy inteligente para cargar gotas de aceite, a fin de probar que lo dicho por Thomson corresponda a la realidad: existen electrones, poseen masa, etc. La figura ms adelante muestra un esquema del aparato utilizado, en el que gotas de aceite son producidas con un simple atomizador y algunas de ellas caen a travs del hueco de la placa superior. A continuacin, rayos X se aplicaron en la parte inferior, para liberar cargas del aire interno que son atrapadas por las gotas de aceite inferiores, logrando que electrones provenientes de la accin de estos rayos X sobre el aire interior, fueran medibles. Entonces, al aumentar el Voltaje de la Pila entre los platos sealados, las gotas con carga (-) bajan lentamente por repulsin hacia la placa inferior y por atraccin hacia la placa (+) superior. A un voltaje de pila determinado, una gota negativa bajo observacin, como la marcada en la Figura, se detiene en su camino y queda estacionaria, quieta en el medio inferior, ya que las fuerzas de atraccin elctrica de la placa (+) sobre sta, se equilibra con la fuerza gravitacional y si se conoce el voltaje y la masa de la gota, se puede calcular su carga (-).

Experimento de Millikan de la gota de aceiteTodas las cargas que Millikan midi, fueron mtiplos enteros de un mismo nmero, deduciendo as que la carga mas pequea observada era la del electrn. Su valor es actualmente e- = 1,60219 x 10-19 coulombs y usando ahora la relacin e/m =1,75881 x 108 coulombs/gramo, medida por Thomson, le permiti determinar la masa me para el electrn Siendo est en valor de 9,10952 x 10-28g:

Rutherford en 1919 a travs de reacciones como: bombardeando nitrogeno con partculas alfa se produce oxigeno y protones

7N14 + partcula (2He4) 8O16 + 1H1 Siempre apareca el ncleo de Hidrgeno (H+).

Independiente de si era Nitrgeno (N) u otro ncleo, p.e. Boro, Fluor, Nen, Sodio etc...

Se concluy que el ncleo de Hidrgeno era uno de los componentes fundamentales de todos los ncleos:el protn.DESCUBRIMIENTO DEL PROTN

LAS PARTCULAS FUNDAMENTALES CONSTITUYENTES DEL TOMO DESCUBIERTAS HASTA ESE MOMENTO::

partculaCarga (C)Masa (g)Masa (u)electrn-1,6.10-199,1.10-280,00055protn1,6.10-191,673.10-241,0076neutrn 01,675.10-241,0090

RADIACTIVIDADLa radiactividad es una propiedad de ciertos elementos qumicos cuyos ncleos atmicos son inestables: con el tiempo, para cada ncleo llega un momento en que alcanza su estabilidad al producirse un cambio interno, llamado desintegracin radiactiva, que implica un desprendimiento de energa conocido de forma general como "radiacin". La energa que interviene es muy grande si se compara con la desprendida en las reacciones qumicas en que pueden intervenir las mismas cantidades de materiales, y el mecanismo por el cual se libera esta energa es totalmente diferente. Este proceso recibe el nombre de TRANSMUTACION.Ejemplo: U (uranio) Th (torio) + partculas alfa (He)La radiactividad fue descubierta en 1896 por el qumico francs Becquerel durante sus estudios sobre la fluorescencia. Observ que una placa fotogrfica no expuesta a la luz y envuelta en papel negro era impresionada como por la luz visible o ultravioleta (o por los rayos X recientemente descubiertos por Rntgen), cuando el paquete se pona en contacto con compuestos del elemento pesado uranio. Dedujo (correctamente) que este elemento deba producir algn tipo de radiacin la cual atravesaba el papel hasta alcanzar y afectar a la emulsin fotogrfica. Un cuidadoso estudio emprendido por Becquerel y otros cientficos, entre ellos los Curie, Joliot, Soddy, Rutherford, Chadvick y Geiger, revel que cierto nmero de elementos qumicos pesados (muchos de ellos no descubiertos antes a causa de su rareza) parecan ser interiormente inestables y daban a origen a radiaciones penetrantes. Con ello, esos mismos elementos se transformaban en otros diferentes, siguiendo caminos complicados, pero bien definidos, en busca de una estabilidad final. Este fenmeno totalmente distinto de cualquier otro estudiado hasta entonces, recibi el nombre de radiactividad, y el proceso de transformacin fue llamado desintegracin radiactiva.

La radiactividad o radioactividad es un fenmeno fsico natural, por el cual algunas sustancias o elementos qumicos llamados radiactivos, emiten radiaciones que tienen la propiedad de impresionar placas fotogrficas, ionizar gases, producir fluorescencia, atravesar cuerpos opacos a la luz ordinaria, etc. Debido a esa capacidad se las suele denominar radiaciones ionizantes (en contraste con las no ionizantes). Las radiaciones emitidas pueden ser electromagnticas en forma de rayos X o rayos gamma, o bien partculas, como pueden ser ncleos de Helio, electrones o positrones, protones u otras.La radiactividad es una propiedad de los istopos que son "inestables". Es decir que se mantienen en un estado excitado en sus capas electrnicas o nucleares, con lo que para alcanzar su estado fundamental deben perder energa. Lo hacen en emisiones electromagnticas o en emisiones de partculas con una determinada energa cintica. Esto se produce variando la energa de sus electrones (emitiendo Rayos X), sus nucleones (rayo gamma) o variando el istopo (al emitir neutrones, protones o partculas ms pesadas), y en varios pasos sucesivos, con lo que un istopo pesado puede terminar convirtindose en uno mucho ms ligero, como el Uranio que con el transcurrir de los siglos acaba convirtindose en plomo

Clases de radiacinSe comprob que la radiacin puede ser de tres clases diferentes:Radiacin alfa: Son flujos de partculas cargadas positivamente compuestas por dos neutrones y dos protones (ncleos de Helio). Son desviadas por campos elctricos y magnticos. Son poco penetrantes aunque muy ionizantes. Y son muy energticos. Radiacin beta: Son flujos de electrones (beta negativas) o positrones (beta positivas) resultantes de la desintegracin de los neutrones o protones del ncleo cuando este se encuentra en un estado excitado. Es desviada por campos magnticos. Es ms penetrante aunque su poder de ionizacin no es tan elevado como el de las partculas alfa. Por lo tanto cuando un tomo expulsa una partcula beta aumenta o disminuye su nmero atmico una unidad (debido al protn ganado o perdido). Radiacin gamma: Son ondas electromagnticas. Es el tipo ms penetrante de radiacin. Al ser ondas electromagnticas de longitud de onda corta, tienen mayor penetracin y se necesitan capas muy gruesas de plomo u hormign para detenerlos.

Principales Istopos RadioactivosPeriodos de desintegracin radiactiva

Naturaleza e la luzModelo corpuscular: Conocida como teora corpuscular o de la emisin, es el primer modelo exitoso en explicar el comportamiento de la luz. Naturaleza de la luz: teora electromagntica

La luz est constituida por la propagacin de una oscilacin armnica de un campo elctrico y uno magntico perpendiculares entre s. Se obtienen sinusoides. Esta oscilacin que se propaga en el vaco a una velocidad de 300 000km/seg (la velocidad de la luz) y constituye la luz.

Caractersticas de una onda electromagnticaCampo ElctricoOrientacin: PolarizacinCampo Magntico

Qu es la luz?La luz que nos llega del Sol y las estrellas se propaga por el vaco del medio interestelarEs una radiacin (emisin de energa desde la superficie de los cuerpos sin que intervenga medio natural de transporte)Es una onda electromagntica (propagacin de una perturbacin que transmite energa, pero no materia, y que se puede propagar en el vaco)

La luz es una radiacin electromagnticaCaractersticas de las ondas electromagnticasVelocidad de propagacin

Frecuencia

Velocidad de propagacin de las ondas electromagnticasTodas las ondas electromagnticas se propagan en el vaco a la velocidad de 300 000 km/s, que se conoce como velocidad de la luz en el vaco y se simboliza con la letra cLa velocidad de la luz en el vaco no puede ser superada por la de ningn otro movimiento existente en la naturaleza.Cuando la luz atraviesa medios materiales en los que puede propagarse, su velocidad siempre es menor.

Velocidad de la luz en diferentes medios materiales

SustanciaVelocidad de la luzAire299 912 km/sAgua224 900 km/sHielo229 182 km/sVidrio189 873 km/sDiamante124 018 km/s

La frecuencia de las ondas electromagnticasCuanto mayor es la longitud de onda menor es la frecuencia, y al revs.Cuanto mayor es la frecuencia de la onda mayor es su energa.Las ondas electromagnticas se clasifican segn su frecuencia, formando el espectro electromagntico.

As pues: qu es la luz?La luz es la radiacin del espectro electromagntico que podemos captar con nuestros ojos.

O dicho de otra manera:

La luz es la radiacin electromagntica que podemos ver.

Naturaleza de la LuzLa materia tiene la propiedad de absorber y emitir luz.La luz se transmite como: Radiacin Electromagntica.La energa asociada a un tipo particular de REM se denomina: Energa Radiante.Hay toda una variedad de tipos de REM, siendo la ms conocida la Luz Visible.La teora que describe el comportamiento de la REM es la: Teora Ondulatoria.Fuente Natural de Luzy Energa Radiante

Modelo OndulatorioTeora desarrollada matemticamente por J. Maxwell en 1864Campo ElctricoCampo Magntico

Propiedades de la Radiacin Electromagntica.Direccin depropagacinde la ondaLongitud de ondaAmplitudAmplitudAmplitud = 600 nm = 200 nm

FRECUENCIA: Su concepto y unidadesLnea de observacin (ciclos por segundo: 1/s o s-1)Longitud de ondaFrecuencia (): nmero de ondas completas que pasan por un punto en un tiempo dado.

Espectro Electromagntico/nm/HzTipoRayosgammaRayos XUltravioletaInfrarrojoMicroondasOndas de radioRayos XLampara solarLamparade calorHornos de micro ondas, radares de policia, estacio-nes de sateliteTV-UHF.TelefonoscelularesTV-VHF.Radio FMRadio AM

Relaciones y Unidades de la REMHay una relacin bien definida entre las variables de la REM: cen donde c es la constante de la velocidad de la luz, 3,00x 108 m/s.

Las unidades ms comunes para la longitud de onda son:UnidadSmboloLongitud (m) Tipo REMAngstrom 10-10 rayos XNanmetro nm 10-9 UV y VisMicrmetros m 10-6 InfrarrojoMilmetro mm 10-3 InfrarrojoCentmetro cm 10-2 MicroondasMetro m 1 TV y radio

Clculos de parmetros de REM Los arbotantes urbanos emiten luz amarilla, cuya longitud de onda es de 589 nm, cul es la frecuencia de esta radiacin?.Sabemos que c, siendo c = 3.00x108 m/s. despejando

La radiacin laser tiene hoy muchas aplicaciones, entre otras, permite la microciruga ocular. Si un haz laser emite con una frecuencia de 4.69x1014 s-1, qu longitud de onda presenta?

Teora CunticaA comienzos del siglo XX, Max Planck dio el primer paso hacia una nueva fsica.Con la aparicin de la teora cuntica se haba iniciado un formidable viaje hacia los lmites de la materia.La teora cuntica se ocupa de lo muy pequeo, de los tomos y todas las partculas subatmicas.

Cuerpo Negro Max PlanckDesde 1859... y hasta fines de 1900, nadie habaencontrado una frmula que explicara el problemade la radiacin del cuerpo negro.Una tarde de Octubre de 1900, Planck se dio cuentade que nicamente poda deducirla si supona algoque hasta entonces era impensable:deba renunciara la fsica clsica y admitir que la materia no absorbeni emite energa en forma contnua, ni en cantidades sin lmite alguno. Existe una cantidad mnima de energa por debajo de la cual no se puede bajar: el cuanto.

Cuantizacin de la EnergaEs un hecho experimental que los cuerpos calientes emiten energa, cuya magnitud y color depende de su temperatura.

En 1900 Max Planck explica la relacin entre la energa emitida y la frecuencia asociada:E = h h = 6,63x10-34 J.s

Planck define el concepto de cuanto de energa, cuyo valor es E, como la unidad mnima absorbida o emitida por un cuerpo : h, 2 h, 3 h, etcNotas contnuasNotas cuantizadas

Radiacin de un cuerpo negro La radiacin emitida es continua y comprende una amplio rango de longitudes de onda:Esta se llama radiacin de un cuerpo negro El pico de longitudes de onda esta relacionado a la temperaturaEspectro de la radiacin de un cuerpo negroHay objetos calientes que emiten energa radiante:La radiacin infrarroja es la que sentimos como calor La radiacin visible puede estar tambin presenteEl metal a rojo vivo en algunos hornos.Los filamentos amarillos en un bulbo de luz (foco)

Explicacin de la radiacin de un cuerpo negroLas explicaciones de la radiacin de un cuerpo negro fallaron.La teora de Rayleigh-Jeans conduca a la catastrofe ultravioleta Max Planck fij el problema proponiendo la cuantizacin de la energa.La energa viene en paquetes discretos llamados fotones.

Energas discretas -- qu significa??Tomemos como ejemplo la energa potencial gravitacional:Recordar otros ejemplos:

La carga es cuantizada: La carga elctrica solo puede venir en cantidades discretasCarga = Mltiplos enteros de 1,61019 C

Efecto FotoelctricoEn 1905 Albert Einstein us la teora de Planck para explicar el fenmeno de la emisin de electrones (a) cuando luz de alta energa incide sobre una superficie metlica. (b) Este efecto fotoelctrico es la base de las fotoceldas (puertas de elevadores, escaleras elctricas, luminarias, etc.).Define el concepto de fotnSuperficiemetlicaFuentede poderIndicadorcorrienteLuzincidenteCamaraal vacioElectronesemitidosTerminalpositiva(a)(b)

Efecto fotoelctrico. Un haz muy luminoso de baja frecuencia puede no producir ionizacin, mientras que uno mucho menos luminoso pero de mayor frecuencia, si.

Espectros AtmicosEl estudio espectral de la luz permiti a Niels Bohr en 1913 explicar el espectro de lneas de hidrgeno, y de ah derivar un modelo atmico.prismaEspectroresultanteluz blancaAltovoltajeaberturaTubo dedescargaPrismaPlaca fotogrficaLneasespectralesLuz separada ensus componentesEspectro contnuoEspectro de lneas

Espectros atmicos.Cuando a los elementos en estado gaseoso se les suministra energa (descarga elctrica, calentamiento...) stos emiten radiaciones de determinadas longitudes de onda. Estas radiaciones dispersadas en un prisma de un espectroscopio se ven como una serie de rayas, y el conjunto de las mismas es lo que se conoce como espectro de emisin.Igualmente, si una luz continua atraviesa una sustancia, sta absorbe unas determinadas radiaciones que aparecen como rayas negras en el fondo continuo (espectro de absorcin).

Algunos espectros de emisin

Espectros atmicos:

Cada tomo es capaz de emitir o absorber radiacin electromagntica, aunque solamente en algunas frecuencias que son caractersticas propias de cada uno de los diferentes elementos qumicos.

Si, mediante suministro de energa calorfica, se estimula un determinado elemento en su fase gaseosa, sus tomos emiten radiacin en ciertas frecuencias del visible, que constituyen su espectro de emisin.

Si el mismo elemento, tambin en estado de gas, recibe radiacin electromagntica, absorbe en ciertas frecuencias del visible, precisamente las mismas en las que emite cuando se estimula mediante calor. Este ser su espectro de absorcin.

Se cumple, as, la llamada Ley de Kirchoff, que nos indica que todo elemento absorbe radiacin en las mismas longitudes de onda en las que la emite. Los espectros de absorcin y de emisin resultan ser, pues, el negativo uno del otro.

Espectro de Absorcin del Cloro

Espectro de Emisin del Cloro

Espectros de lneasL nea amarilla de sodio a 589 nmEspectros de lneas410.2434.1486.1656.3

TransicioneselectrnicasEspectros de emisin: lneas brillantesLneas de Balmer (1885)C = 3,29x1015 s-1n = 3, 4, 5, 6 ...

Modelos AtmicosEn 1900, Ernest Rurherford demostr que el tomo esta compuesto por un ncleo muy pequeo, que contena prcticamente la totalidad de las masa del tomo, con los electrones dando vueltas a su alrededor. Un modelo de tomo similar al sistema solar.En 1913, Niels Bohr propuso que los electrones no pueden dar vueltas alrededor del ncleo en la orbita que quieran, sino en unas ya prefijadas. Al combinar las ideal de Rutherford y Planck, Bohr verific que el tomo era estable y que, adems, poda emitir y absorber radiacin.

Modelo del tomo de Thomson

Cuando Thomson propuso su modelo atmico se saba que los tomos eran neutros.

Teniendo en cuenta lo que se saba del tomo, y luego de los experimentos mencionados, Thomson propuso el siguiente modelo:

El tomo se encuentra formado por una esfera de carga positiva en la cual se encuentran incrustadas las cargas negativas (electrones) de forma similar a como se encuentran las pasas de uva en un pastel. Adems, como el tomo es neutro la cantidad de cargas positivas es igual a la cantidad de cargas negativas.

Modelo de tomo de Rutherford

Para Ernest Rutherford, el tomo era un sistema planetario de electrones girando alrededor de un ncleo atmico pesado y con carga elctrica positiva.

El mdelo atmico de Rutherford puede resumirse de la siguiente manera:

Rutherford Tras el descubrimiento delprotn (descubrimiento en el que Rutherford contribuy); formul su modelo atmico mediante un experimento que emple las partculas alfa para determinar la estructura interna de la materia de la lmina de oro. A partir de ese experimento dedujo lo siguiente:

EXPERIMENTO DE RUTHERFORD.

Dedujo que: La mayora de las partculas atraviesan la lmina sin desviarse (99,9%).

Algunas partculas se desvan (0,1%).

Al ver que no se cumpla el modelo propuesto por Thomson, Rutherford formul el modelo nuclear del tomo.

Ncleo: aqu se concentra casi la totalidad de la masa del tomo, y tiene carga positiva.Corteza: est formada por los electrones, que giran alrededor del ncleo describiendo rbitas circulares (sistema solar en miniatura)

Segn Rutherford, el tomo est formado por :

Modelo del tomo de Bohr

Para realizar su modelo atmico utiliz el tomo de hidrgeno.

Describi el tomo de hidrgeno con un protn en el ncleo, y girando a su alrededor un electrn.

En ste modelo los electrones giran en rbitas circulares alrededor del ncleo; ocupando la rbita de menor energa posible, o sea la rbita ms cercana al ncleo posible.

Cada nivel energtico que identifica a cada una de las rbitas, toma valores desde 1 a 7 (con nmeros enteros), se representa con la letra "n", y recibe el nombre de Nmero Cuntico Principal.

Modelo Atmico de BohrBohr propone un modelo que supone electrones que se mueven en orbitas circulares alrededor del ncleo.Slo orbitas de un cierto radio, con una energa bien definida, son permitidas. La energa para cada orbita n estar dada por:

RH = Cte de Rydberg= 2,18x10-18 Jn = no cuntico principal = 1, 2,...123456n-RH0-1/4 RH-1/9 RH-1/16 RHEnEstado basal n = 11er estadoexcitado

Postulados del modelo de Bohr.Los electrones slo pueden girar alrededor del ncleo en ciertas rbitas permitidas en las que se cumple que: m x v x r = n x h / 2 en donde n = 1, 2, 3, 4... (nmero cuntico principal). Es decir que se cumplir que en todo momento la fuerza centrifuga es igual a la fuerza de atraccin.Los electrones al girar en estas rbitas no emiten energa.Cuando un tomo recibe energa los electrones pasan a un nivel superior (estado excitado). Posteriormente, cuando el electrn vuelve a su rbita, el tomo emite un fotn correspondiente a E entre ambos niveles, de frecuencia o longitud de onda determinadas (E = h x )

Niveles permitidos (para el tomo de hidrgeno)Energa

Explicacin de las seriesespectrales utilizando el modelo de Bohr

Series espectrales

n = 2

n = 3

n = 4

n = 5

n =

n = 1

n = 6

Lyman

Paschen

Balmer

Bracket

Pfund

Espectro

UV Visible Infrarrojo

SERIES: Lyman Balmer Paschen Bracket Pfund

E = h

Series espectralesSerie Balmer: aparece en la zona visible del espectro.Serie Lyman: aparece en la zona ultravioleta del espectro.Serie Paschen Serie BracketSerie Pfund

Ley de RydbergLa relacin entre las longitudes de onda de las distintas rayas del espectro del hidrgeno viene dada por la expresin:

donde n1 y n2 son nmeros enteros > 0 cumplindose que n2 > n1. (R = 1,0968 107 m1)Si n1 = 1; n2 = 2, 3, 4, 5 ... Serie LymanSi n1 = 2; n2 = 3, 4, 5, 6 ... Serie BalmerSi n1 = 3; n2 = 4, 5, 6, 7 ... Serie Paschen

Energa y FrecuenciaLas transiciones electrnicas slo pueden ocurrir entre estados de energas permitidas, ya sea absorbiendo (de estados de menor a estados de mayor energa) o emitiendo (de estados de mayor a estados de menor energa) fotones de una energa especfica.

La frecuencia de la energa radiante involucrada, corresponde exactamente a la diferencia de niveles de la transicin:E = Ef - Ei = h El modelo de Bohr establece que slo REM de la que satisface la ecuacin, puede ser absorbida o emitida por el tomo.

La relacin entre la frecuencia y el nmero cuntico principal es:

Si nf > ni la REM es absorbidaSi ni > nf la REM es emitida

Clculos de FrecuenciasCalcular la longitud de onda de la luz que corresponde a la transicin de un electron del tomo de hidrgeno desde el nivel n=4 al nivel n=2. Esta luz se absorbe o emite?.

Definimos n = 4 = ni y n = 2 = nf,adems RH = 2,18x10-18 J y h = 6,63x10-34 J-s.

La frecuencia es negativa, por tanto la luz se emite siendo su :

que corresponde a la lnea de emisin verde del espectro de H

Modelo Atmico Actual

En 1923 Louis De Broglie, fue quien sugiri que los electrones tenan tanto propiedades de ondas, como propiedades de partculas, esta propuesta constituy la base de la "MECNICA CUNTICA"

A consecuencia de este comportamiento dual de los electrones (como onda y como partcula), surgi el principio enunciado por WERNER HEISENBERG, conocido tambin como "PRINCIPIO DE INCERTIDUMBRE", que dice: "es imposible determinar simultneamente y con exactitud, la posicin y la velocidad del electrn"

Si queremos observar la posicin de un electrn deberamos usar una luz que posee mucha energa, con lo cual la velocidad del electrn cambiara mucho.

En cambio, si la luz utilizada no posee la energa citada en el caso anterior, la velocidad del electrn no cambara mucho, y podra medirse, pero no podramos observar la posicin del electrn.

Para solucionar este problema surge un nuevo concepto, "el ORBITAL ATMICO"

ORBITAL ATMICO: es la regin del espacio en la cual existe mayor probabilidad de encontrar al electrn. Representacin mediante orbitales. En ellos existe un 90-99% de probabilidad de encontrar al electrn. En la figura representacin de un ORBITAL "s"

Dualidad Onda-Partcula: conceptoA. Einstein us el efecto fotoelctrico para demostrar que la luz, cuyas propiedades ondulatorias eran claramente demostrables, se puede tratar en trminos de partculas o fotones sin masa.

Este hecho fue ponderado por Louis de Broglie: si la luz puede comportarse como onda o partcula, por qu no puede hacerlo la materia, por ejemplo un electrn?.

En 1925 de Broglie propuso que un electrn libre de masa m moviendose a la velocidad tendr asociada una dada por:

siendo (m) el momentum del objeto asociado a la onda de materia

Dualidad Onda-PartculaPuesto que la hiptesis de de Broglie es aplicable a toda la materia, cualquier objeto de masa m y velocidad dar orgen a una onda de materia.

Sin embargo, esto debe ser tomado con cuidado. Para un objeto ordinario, como una pelota de baseball, la ecuacin predice una asociada que estar fuera de una magnitud medible.

m = 114 g, = 110 mph, (m) = 5,6 kgm/s, = 1,2x10-34mas, la propiedad ondulatoria de un pelota de baseball no se puede observar experimentalmente.

Pero dicha propiedad si es observable para partculas muy pequeas, tales como electrones, protones y neutrones. Hecho que ha permitido desarrollar tcnicas tan importantes como la microscopa electrnica, imprescindible en la ciencias y tecnologa.

Dualidad Onda-Partcula: ejemploCalcular la longitud de onda asociada con un electrn de masa m = 9,109 x 10-28g viajando al 40 % de la velocidad de la luz.

Consideremos primero el aspecto de unidades: proviene de h/m, con h en J-s. J es equivalente a kg m2/s2. Por tanto la masa debe usarse en kg y la velocidad en m/s.masa del electron = 9.109x10-31kgvelocidad e (40% de c)=(0,400)(2,998x108m/s)=1,20x108m/sUsando la ecuacin de de Broglie, tenemos:

Esta longitud de onda es slo 1/20 del dimetro del tomo de H.

Dualidad Onda-PartculaDespus de la propuesta de de Broglie, se desat un gran debate sobre la naturaleza dual del electrn : los experimentos de J. J. Thomson demostraron la naturaleza corpuscular del electrn, mientras que Davisson y Germer observaron su naturaleza ondulatoria.

Se concluy que no hay un experimento simple que muestre que el electrn se comporta simultneamente como onda y partcula.

Cmo se conceptualiz este hecho para un electrn en un tomo?. Werner Heisenberg y Max Born resolvieron el problema.

En 1925, Werner Heisenberg, consider que la idea de los electrones orbitando alrededor del ncleo estaba fuera de lugar; nadie los haba visto. Lo nico que realmente se vea eran los fotones emitidos por los electrones al cambiar de orbita. Luego esto era lo nico que haba que tener en cuenta.

Principio de IncertidumbreEl mundo clsico desapareci cuando W. Heisenberg demostr una indeterminacin fundamental: o bien conocemos la trayectoria de un electrn, o bien conocemos su posicin; pero no ambas.Heisenberg propuso el principio de incertidumbre, expresado comox (m) > hesta simple expresin significa que el producto de la incertidumbre en la posicin del electrn x y la incertidumbre en su momentum (m) debe ser mayor que la constante de Planck.En este sentido, hay que dejar muy claro que no se trata de un problema de nuestros instrumentos de medida; es una indeterminacin fundamental de la naturaleza.

Principio de incertidumbre (Heisenberg).Es imposible conocer simultneamente la posicin y la cantidad de movimiento de una partculaAs:

siendo x la incertidumbre en la posicin y p la incertidumbre en la cantidad de movimiento.Se sustituye la idea de rbita por la de orbital, como zona en donde la probabilidad de encontrar al electrn es mxima.

Ecuacin de SchrdingerEn trminos prcticos, esto significa que slo debemos pensar en calcular la probabilidad de encontrar al electron dentro de un espacio dado.Erwin Schrdinger combin la ecuacin de de Brogliecon las ecuaciones clasicas del movimientoondulatorio, derivando una nueva ecuacin: Ecuacinde Schrdinger, que describe el comportamiento deun electrn en el tomo de hidrgeno.Aun cuando Heisenberg no aceptaba estaformulacin, pues hacia suponer que esas ondasexistan realmente, Max Born demostr que no eranms que artilugios matemticos empleados paracalcular la probabilidad de encontrar un electrn en una regin del espacio.Con todo, Paul A.M. Dirac seal que tanto Heisemberg como Schrdinger tenian razn, y que sus formulaciones eran maneras equivalentes de representar a la mecnica cuntica.

Funciones de OndaLa solucin a la Ecuacin de Schrdinger produce un conjunto de funciones llamadas Funciones de Onda, simbolizadas como: .

La funcin de onda no tiene significado fsico por si misma, pero su cuadrado, 2, en un punto dado del espacio representa la probabilidad de encontrar al electrn en ese punto, por eso se le denomina densidad de probabilidad.

Cada punto en la figura representa un valor de 2: regiones con alta densidad de puntos tiene valores grandes de 2, o bien, regiones de alta densidad electrnica.Distribucin de densidad electrnicaen el estado basal del tomo de H

Orbitales y Nmeros Cunticos: simbologaLas funciones de onda, , se denominan orbitales, y describen una distribucin de densidad electrnica especfica en el espacio.

Por tanto, cada orbital tiene una energa y una forma.

El modelo de Bohr introduce el concepto de orbita y un nmero cuntico, n, para describirla. La teora cuntica introduce el concepto de orbital, y requiere de tres nmeros cunticos para su descripcin: n, l y ml .

nmero cuntico principal: n, toma valores de 1, 2, 3, define el tamao del orbital

nmero cuntico azimutal: l, toma valores desde 0 n-1 para cada n, define la forma del orbital. Los valores de l se desigan por las letras, s, p, d y f :valor de l 0123letra asignadaspdf

nmero cuntico magntico: ml , valores enteros desde +l hasta -l incluyendo el 0. Describe la orientacin de un orbital en el espacio.

Orbitales y Nmeros Cunticos: estructuraLa coleccin de orbitales con el mismo valor de n se llama capa electrnica, y el conjunto de orbitales que tienen los mismos valores de n y l se llama subcapa.n valores de l nombre devalores de ml # orbitales# total de posibles subcapa posiblesen subcapa orbitales10 1s0 1 120 2s0 11 2p1, 0, -1 3 430 3s0 11 3p1, 0, -1 3 2 3d2, 1, 0, -1, -2 5 940 4s0 11 4p1, 0, -1 32 4d2, 1, 0, -1, -2 53 4f3, 2, 1, 0, -1, -2, -3 7 16

Niveles de Energa OrbitalLa figura anexa muestra las energas relativas de los orbitales del tomo de hidrgeno.

Cada cuadro representa un orbital; orbitales de la misma subcapa se agrupan juntos.

El nivel ms bajo de energa, 1s, es su estado basal o fundamental.

En electrn en cualquier otro orbital estar en un estado excitado.

En condiciones normales, todos los tomos de H estn en su estado basal.n = 0E1s2s2p3s3p3dn=1n=2n=3

Representacin OrbitalOrbitales sLa altura de la grficaindica la densidad depuntos conforme nosmovemos desde cerorrr21s22s23snodonodos1sn = 1, l = 02sn = 2, l = 03sn = 3, l = 0(a)(b)(c)Los orbitales spresentan una distri-bucin simtrica depuntos alrededor delncleo. Esto es, unadistribucin esfrica

Orbital s

Orbitales tipo pLa densidad electrnica ya no tiene una distribucin esfrica simtrica.La densidad electronica se concentra en dos lbulos separados por un nodo en el ncleo (a).Cada subcapa p comienza con n = 2 (l =1) y tiene tres orbitales: px , py y pz . Todos son del mismo tamao y forma, pero difieren en orientacin (b). Los orbitales p, al igual que los s, slo incrementan al incrementar el nivel n: 2p < 3p < 4p ...

Orbital p

Orbitales tipo dA partir de n = 3, aparecen los orbitales d (l = 2). Hay cinco de ellos con forma y orientacin diferente en el espacio.

Orbital d

Orbitales Tipo f

Los orbitales f tienen formas an ms exticas, que se pueden derivar de aadir un plano nodal a las formas de los orbitales d. Presentan n-4 nodos radiales.

Orbital f

Nmero cuntico magntico (m).- Est relacionado por los movimientos del electrn; el de revolucin alrededor del ncleo y el de rotacin sobre su propio eje, cada uno de estos movimientos conduce a estados magnticos del electrn que est en un determinado estado de energa orbital.Los valores de m especifican las orientaciones en el espacio peremitidas por una nube electrnica, es decir, depende del nmero cuntico azimutal l.m= f(l) = 2 l + 1 los valores permitidos son desde l hasta +ll = 0 ; m = 1 valor entonces m = 0l = 1 ; m = 3 valores entonces ( -1, 0, +1)

TOMOS MULTIELECTRNICOSEl tomo de H es el ms simple, pues slo contiene un electron.La descripcin atmica cambia en la medida que el no. de electrones en un tomo se incrementa.Resolver el problema requiere consi- derar a los tomos similares al H: tomos hidrogenoides, lo que hace posible usar los mismo orbitales.La forma de los orbitales se mantiene, pero debido a la presencia de ms electrones la energa de stos se modifica.En tomos multielectronicos, debido a las repulsiones electronicas e -e - el arreglo energtico de las subcapas cambia.E1s2s2p3s3p4s3d4p

Efecto PantallaEn los tomos multielectrnicos, cada electrn es atrado por el ncleo y simultneamente repelido por los otros electrones.

Se puede calcular la energa de cada electrn considerando su interaccin promedio con el entorno electrnico ncleo-electrones.

As, cada electrn se encuentra sometido a una atraccin nuclear neta denominada carga nuclear efectiva, Zefc :Zeff = Z - Donde:Z: carga nuclear real: constante de apantallamiento.

La presencia de electrones cercanos al ncleo se encuentran menos protegidos (apantallados) que los electrones ms alejados, por razones electrosttica esto se traduce en energa diferentes, ya que son menos penetrantes.

Slater tradujo este efecto en la formulacin: Z* = Z - Donde: Z* : Carga Nuclear Efectiva : Constante de apantallamiento Z : Carga Nuclear

Bajo otra forma:

CARGA NUCLEAR EFECTIVA DE SLATER j

REGLA DE SLATERSe agrupa en el orden: (1s)(2s,2p)(3s,3p)(3d)(4s,4p)(4d)(4f)(5s,5p) en forma de Gi {G1,G2,G3,G4...}Los e- de cualquier grupo que este a la derecha del grupo (ns, np) no contribuyen en la constante de apantallamiento.Cada uno de los e- del grupo (ns,np) ejerce un efecto de pantalla sobre el e- valencia con un valor de 0,35 con excepcin de los e- 1s , que contribuyen con 0,30 C/u de los e- de la capa (n-1), ejerce un valor de 0,85 C/u de los e- de la capa (n-2), o capas inferiores su valor es 1,0Para los e- valencia de los grupos nd y nf se sigue el siguiente procedimiento:

Para calcular de un electrn en un orbital nd o nf:1) Los electrones que se encuentran en cualquier grupo a la derecha del grupo (nd) o (nf) no contribuyen a la constante de apantallamiento2) Los electrones en el grupo (nd) o (nf) apantallan cada uno con 0,35 al electrn de valencia3) Todos los electrones en los grupos a la izquierda del grupo nd o nf,contribuyen con 1,00.

Para el Ar (Z=18) [1s]2[2s,2p]8[3s,3p]8 Para un electrn 3p:Z* = 18 [(0.35)(7)+(0.85)(8)+(1.00)(2)] = 6.75 Para un electrn 2p:Z* = 18 [(0.35)(7)+(0.85)(2)] = 13.85 Para el Sn (Z=50) [1s]2[2s,2p]8[3s,3p]8[3d]10[4s,4p]8[4d]10[5s,5p]4 Para un electrn 5p: Z* = 50 [(0.35)(3)+(0.85)(10)+(1.00)(36)] = 4.45 Para un electrn 4d: Z* = 50 [(0.35)(9)+(1.00)(36)] = 10.85

Valores de la constante deApantallamientoEjemplos:jGjGiGi=1GjGi

Para el As (Z = 33): 1s2,2s2p4;3s23p6,4s24p3,3d10 Hallar el Z* del electron 4s o 4p Sol:Es del grupo G5 (4s4p), Para un electrn 4s o 4p = (8 X 1.00) + (18 x 0.85) + (4 x 0.35) = 24.70=> Z* = 33.00 - 24.70 = 8.30

Para el electron 3d, el agrupamiento es el mismo, pero = (18 X 1.00) + (9 x 0.35) = 21.15

=>Z* = 33.00 - 21.15 = 11.85.

Orbitales DegeneradosTres observaciones importantes se deben sealar en relacin a la carga nuclear efectiva y la distribucin de orbitales atmicos:

En tomos multielectrnicos, para un valor dado de n, la Zefc decrece conforme el valor de l se incrementa; electrones en un orbital 3s experimentan una mayor Zefc que los electrones un orbitales 3p.

En tomos multielectrnicos, para un valor dado de n, la energa de un orbital se incrementa conforme el valor de l se incrementa; electrones en un orbital 3s tienen menor energa (resienten mayor Zefc) que los electrones en 3p.

Todos los orbitales en una misma subcapa (o subnivel), p.ej., los 3d, tienen la misma energa, por tanto, se les denomina orbitales degenerados.

Principio de ExclusinUn anlisis ms detallado de las lneas espectrales de los tomos multielectrni-cos, revel que cada lnea es en realidad un par de lneas muy cercanas una de otra

En 1925 Uhlenbeck y Goudsmit postula-ron que los electrones tienen un propiedad intrnseca denominada Espn Electrnico.

En 1925 Pauli estableci el principio de exclusin: en un tomo no puede haber dos electrones con los cuatro nmeros cunticos iguales, n, l, ml y ms .

Por lo que un orbital puede alojar como mximo dos electrones, debiendo tener ellos espines opuestos.ms = nmero cuntico de espn, slo toma los valores +1/2 y -1/2.

Configuracin ElectrnicaEl arreglo de tomos en la tabla periodica se hecho de acuerdo con el nmero atmico, el cual corresponde no slo al nmero de protones en el ncleo del tomo, sino tambin al nmero de electrones del mismo.

El arreglo de electrones en un tomo se llama configuracin electrnica.

La configuracin electrnica ms estable de un tomo, es aquella en la que sus electrones se encuentran en los estados de menor energa.

El arreglo se d en orden creciente de energa, siguiendo el principio de exclusin de Pauli.

Regla de Hund Electrones ConfiguracinElemento totales Diagrama de orbitales electrnica 1s 2s 2p 3s H11s1 He2 1s2 Li3 1s22s1 Be4 1s22s2 B5 1s22s22p1 C6 1s22s22p2 Regla de Hund: para los orbitales degenerados el estado de menor energa se logra cuando el nmero de electrones con el mismo espn es el mximo.

Configuracin Electrnica de Varios Elementos Ligeros Electrones ConfiguracinElemento totales Diagrama de orbitales electrnica 1s 2s 2p 3sN7 1s22s22p3 O8 1s22s22p4 F9 1s22s22p5 Ne10 1s22s22p6 Na11 1s22s22p63s1

El Na, inicia una nueva hilera de la tabla periodica, con un electron en el orbital 3s y una configuracin estable del nen.11Na: [Ne]3s1 . electron ms externo o de valencia

Configuracin Electrnica de Varios Elementos Ligeros Configuracin ConfiguracinElemento estable Diagrama de orbitales electrnica 18Ar[Ar] [Ne]3s23p6

19K[Ar] [Ar]4s1

20Ca[Ar] [Ar]4s2

21Sc[Ar] [Ar]4s23d130Zn[Ar] [Ar]4s23d10

31Ga[Ar] [Ar]4s23d104p1...4s3d4p

Orden de Llenado de Orbitales AtmicosinicioREGLA DE LAS DIAGONALES

Uso de la Tabla Peridica Las configuraciones electrnicas de los elementos estn relacionadas con su ubicacin en la tabla periodica, de tal modo que los elementos con el mismo tipo de configuracin electrnica de la capa de valencia estn acomodados en columnas, p. ej.:Grupo 2AGrupo 3ABe [He]2s2B [He]2s22p1Mg [Ne]3s2Al [Ne]3s23p1Ca [Ar]4s2Ga [Ar]4s23d104p1Sr [Kr]5s2In [Kr]5s24d105p1Ba [Xe]6s2Tl [Xe]6s24f145d106p1Ra [Rn]7s2

Diagrama de BloquesEl esquema siguiente, es un diagrama en bloques de la tabla periodica mostrando la forma en que se agrupan los elementos de acuerdo al tipo de orbital que est siendo llenado con electrones.