ESTRUCTURA ATÓMICA

2014
ESTRUCTURA ATÓMICA
Teoría atómica de Dalton
I) Naturaleza eléctrica de la materia
Determinación de la carga del electrón
Modelo de átomo de Thompson (1897)
II) Radiactividad
III) Dispersión de partículas α
Modelo nuclear del átomo de Rutherford (1911)
Modelo nuclear del átomo de Rutherford
IV) Isótopos
V) Espectroscopía
Modelo atómico de Bohr
Modelo atómico moderno
1
2014
I) Naturaleza eléctrica de la materia
Conducción electrolítica de la corriente eléctrica
i
Observaciones de Faraday y
Se producen cambios químicos en soluciones acuosas cuando circula a través de ellas una corriente eléctrica i • Thompson
(1897)
Tubos de descarga altos voltajes y bajas presiones
( 10‐4 Torr)
S
+
N
Placa de ZnS
El gas conduce la corriente eléctrica mediante los • viajan en línea recta
• tienen masa
• son Θ ELECTRONES
“rayos catódicos”
2
2014
Determinada estudiando la magnitud de la desviación en el campo magnético.
q/ m = 1,76 108 coul/g
De otras experiencias con tubos de descarga conteniendo H
De
otras experiencias con tubos de descarga conteniendo H2 a a
bajas presiones Se descubrieron partículas ⊕ con masa igual a la del átomo de
H y carga igual a la del e‐ con signo opuesto
e- distribuidos
PROTONES
Modelo de átomo Thompson al azar,
compensando
las cargas.
Una esfera con
carga ⊕
distribuida
uniformemente
Determinación de la carga del electrón
Experimento de la “ gota de aceite” de Millikan
Pudo calcular q = 1,6 .10‐19 C
⇒ m= 9,1 10‐28 g
3
2014
II) RADIACTIVIDAD Becquerel Existen elementos (U, Th, Ra, etc) que emiten radiación espontáneamente
Radiación α : Radiación α
: núcleos de He : partículas de masa 4 veces la del H y ú l
d H
tí l d
4
l d lH
con 2 cargas ⊕
Radiación β : partículas con carga y masa igual al electrón
Radiación γ: Radiación electromagnética de baja λ y alta energía
( > que Rx)
III) Dispersión de partículas α
Modelo nuclear del átomo de Rutherford
ranura
hoja de oro Pantalla detectora
Emisor de partículas α
4
2014
Observó : la mayoría de las partículas no se desviaba
unas pocas partículas α rebotaban en la lámina
Partículas α
incidentes
como si hubieran interactuado con una gran masa y carga +
núcleos
sólo una fracción muy pequeña de todo
el volumen concentra toda la masa.
Rutherford propone
Átomos de
oro
Modelo nuclear del átomo
Átomo constituido por 1 núcleo donde se concentra toda la masa +, del orden de 10 –12 cm
⊕
e-
Los e‐ giran alrededor (“como un sistema solar”)
100 m ( 25 pisos)
φ = 1 cm
•
φNúcleo = 10-12 cm
φÁtomo = 10-8 cm
Los átomos son neutros n° e‐ = n° protones
φNúcleo ≅ 10000 veces menor que φÁtomo
5
2014
número atómico
Z = n° protones
determina su identidad
= n° total de cargas en el núcleo
n p = n e-
A= Z + N
número de masa = n° protones + n° neutrones
NEUTRONES
descubiertos por Chadwich (1932)
Partícula sin carga y masa ligeramente superior al protón.
Simbolismo de las partículas subatómicas
carga
masa
-1,6.10-19C
electrón
-19
protón +1,6.10 C
neutrón
-
Simbolismo del núcleo
1
N = 7+1 p + 710 n
14
7
9,1.10-28 g
m
q
0
-1
1
+1
1
0
-24
1,87.10 g
-24
~1,87.10 g
A
Z
0
-1 e
1p
+1
1n
0
X
23
Na
11
= 11 1p+ 12 10 n
+1
6
2014
IV) ISÓTOPOS
Todos los átomos de un elemento no son estrictamente iguales ⇒ los elementos ∃ en la naturaleza, como una mezcla de 2 o más isótopos
mezcla de 2 o más isótopos
átomos de 1 elemento que contienen el mismo número de protones (Z) y ≠ número de neutrones ⇒varía su masa
La masa atómica de 1 elemento es un promedio en masa de los isótopos.
10 B
11 B, la
Ej.: El elemento Boro tiene 2 isótopos:
y
5
5
abundancia del 105B es 20 %. ¿Cuál es la masa atómica del boro?
Si sus masas en la escala del 12C son 10,01
10 01 y 11,01
11 01
respectivamente.
MA (Boro) = 10,01 x 0,20 + 11,01 x 0,80 = 10,81
7
2014
V) ESPECTROSCOPÍA estudia la luz emitida por sistemas materiales en distintas condiciones experimentales.
Cada elemento se caracteriza por su espectro de líneas
Es una propiedad específica de los elementos
♦
pelicula
fotografica
Bohr
Espectro de
emision
atomica
consigue explicar las
líneas de absorción del
hidrógeno, aplicando
La Teoría cuántica de la radiación
formulada por Planck (1900)
Postula la discontinuidad de la Energía
Toma en cuenta la Naturaleza dual de la luz
8
2014
Amplitud
La luz es la energía que se desplaza con
movimiento ondulatorio
λ
longitud de onda
LUZ
comportamiento ondulatorio
formada por partículas o fotones
(“cuanto”)
Planck
cada fotón tiene una energía g
Efotón = h ν
h = constante de Planck = 6,63.10-34 J.s
ν= frecuencia = c/λ
Un cuerpo no emite ni absorbe energía en forma continua sino que
lo hace en forma de “cuantos” (paquetes”) de energía luminosa
Modelo atómico de Bohr
Propone un modelo teórico que explica las experiencias de espectroscopía.
Postula:
e‐ se
mueven en órbitas de
energía fija (estable)
•Los
Los e
se mueven en órbitas
de energía fija (estable)
•Estas órbitas son niveles estacionarios de E Son los únicos permitidos para que el e‐ se ubique
La E del e‐ está “cuantizada” (restingida)
h2
núcleo
h1
n1
n2
El átomo posee niveles discretos de energía
Los ≠ niveles de E permitidos
los indicó con n
n = número cuántico principal
Los e- pasan a otro nivel
absorbiendo o emitiendo
energía en forma de fotón.
9
2014
MODELO ATÓMICO MODERNO
Modelo Mecánico‐cuántico Actualmente para explicar el comportamiento de los átomos
se utiliza la mecánica ondulatoria
Se origina en g
una hipótesis formulada por de Broglie (1924)
Así como la luz presenta comportamiento tanto
corpuscular como ondulatorio, cualquier partícula, λ = h/ m v
en circunstancias adecuadas puede mostrar
propiedades ondulatorias
longitud de onda asociada a la partícula en movimiento
Toda la materia tiene propiedades ondulatorias, pero éstas son notables sólo
en partículas pequeñas (de masa muy chica), sino la λ asociada es muy
pequeña (indetectable)
Modelo MECÁNICO‐CUÁNTICO
Principio fundamental de la Mecánica Cuántica:
Principio de Incertidumbre de Heisemberg
Es imposible determinar con exactitud el momento (velocidad)
y la posición de un electrón de manera simultánea
(1926) Erwin Schröedinger
propuso una Ecuación matemática (de la Mecánica Cuántica)
“Ecuación de ONDA” referida al sistema formado por
un núcleo y 1e- en movimiento.
∂2Ψ + ∂ 2Ψ + ∂ 2Ψ
∂ x2 ∂ y2 ∂ z2
+
8 p2m (E‐U) Ψ
h2
=
0
al resolverla obtuvo un conjunto de funciones matemáticas 10
2014
Ψ = funciones de onda orbital describen el movimiento y estado energético del electrón
Ψ2
probabilidad de encontrar 1 e‐ en una cierta región del espacio
Para tener una imagen física del movimiento electrónico suele representarse una región del espacio:
ORBITAL: función de onda de los
electrones en los átomos
D la
De
l resolución
l ió de
d la
l Ec
E de
d Schröedinger
S h ö di
surgen valores numéricos:
los números cuánticos
A cada uno de ellos se le puede atribuir un
sentido físico
NÚMEROS CUÁNTICOS
n
n° cuántico principal nivel energético del electrón
l
Toma valores enteros relacionado con la energía asociada al e‐ y con el positivos 1,2,3..
volumen o tamaño del orbital.
n° cuántico azimutal o secundario
l = 0 1 2 3
s p d f
(forma del orbital y subnivel de energia)
valores: desde 0 hasta (n‐1)
está caracterizado por letras para
n =1
n=2
l = 0 (1 s)
l =0 (2 s)
l = 1 (2p)
11
2014
m
n° cuántico magnético relacionado con la orientación espacial del orbital toma valores: ‐l….0…+l
l= 0 m = 0
l = 1 m
= 1 m = ‐1 m = 0 m = +1 = 1 m = 0 m = +1
(el orbital p puede orientarse de 3 formas distintas)
l = 2 m = ‐2 , ‐1, 0, 1, 2 px, py, pz están asociados a un mismo valor de energía
(5 orientaciones espaciales)
s
n° cuántico spin
orbitales degenerados
g
el e‐ se comporta como si
estuviera girando sobre sí mismo.
Valores : ‐½ o + ½ (indican el sentido de giro)
12
2014
CONFIGURACIÓN ELECTRÓNICA
Describe el ordenamiento electrónico para cada átomo
• Principio de Exclusión de Pauli
• Principio de Construcción ordenada
• Regla de Hund
Cada e- de un átomo está descripto por un conjunto de 4 números cuánticos
sujetos a una restricción expresada por el
Principio de Exclusión de Pauli:
“En un átomo no existen 2 e- cuyos 4 números
cuánticos sean iguales”
cada e- tiene “su nombre” que lo caracteriza y es único
En un orbital sólo hay 2 e- como máximo
13
2014
Principio de construcción ordenada
Regla nemotécnica
1s
2s 2p
3s 3p 3d
3s 3p 3d
4s 4p 4d 4f
5s 5p 5d 5f
6s 6p 6d
7s 7p
7s 7p
1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s ≅ 3d, 4p, 5s ≅ 4d, 5p, 6s, 4f, 5f..
Cd (48) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10
[Kr] 5s2 4d10
Configuración electrónica
Para el átomo de H:
1s1
n
Li (Z = 3) 1 s2 2 s1
o
B ( Z = 5))
1s2 2s2 2 p1
C (Z= 6)
1 s 2 2 s2 2 p 2
n° de e-
l=0
1s 2s
↑↓ ↑
14
2014
• Regla de máxima multiplicidad de Hund
“Los e- tenderán
“L
t d á a ocupar distintos
di ti t
orbitales
bit l
d l mismo
del
i
subnivel
b i l
dentro de un orden de llenado que permite la máxima cantidad de
orbitales semillenos”
↑↓
N (z = 7) 1 s2 2 s2 2 p3
↑↓
↑ ↑
↑
Ca ( z = 20) 1 s2 2 s2 2 p63s2 3p6 4s2
Configuración indicando los números cuánticos
N(z = 7)
Electrón
n
1y2
3y4
5,6 y 7
1
1
2
2
l
m
0
0
0
0
0
0
2
2
2
0
0
1
1
1
s
+1/2
1/2
-1/2
+1/2
-1/2
-1
0
+1
+1/2
+1/2
+1/2
configuración e1s2
1
2s2
2px1
2py1
2pz1
15
2014
Ca (Z=20)
Electrón
n
l
m
s
configuración e-
1,2
3,4
,
1
2
0
0
0
0
±1/2
±1/2
1s2
2s2
5-10
2
2
2
1
1
1
-1
0
+1
±1/2
±1/2
±1/2
2p6
3
3
3
3
4
0
1
1
1
0
0
-1
0
+1
0
±1/2
±1/2
±1/2
±1/2
±1/2
11,12
13-18
19,20
3s2
3p6
4s2
Tabla Periódica actual
7 filas PERÍODOS
18 columnas GRUPOS
1
IA
1
18
VIIIA
V
2
IIA
13
IIIA
14
IVA
15
VA
16
VIA
17
VIIA
2nd Período
2
3
3
IIIB
4
IVB
5
VB
6
VIB
7
VIIB
8
9
VIIIB
4
5
Metales
10
11
IB
12
IIB
No metales
6th Periodo
6
7
16
2014
Gases Nobles
Metales de transición
Halógenos
Metales Alcalinos Térreos
Número de Grupo
Metales Alcalinos
Número de Período
Nombres de algunos Grupos importantes de la Tabla Periódica
Lantánidos
Actínidos
17
2014
Relación entre configuración electrónica y tabla periódica
En el grupo 18 el último nivel está completo
Se considera el anillo externo con 8 electrones, la configuración
más estable de los átomos.
Todos los elementos del mismo grupo tienen el
mismo n° de e- en el último nivel energético y
coincide con el n° de grupo
GRUPO 1
H (Z =1)
Li (Z =3)
Na (Z =11)
K (Z =19)
He(2)
Ne (10)
Ar (18)
Kr (36)
1s1
1s2 2s1
1s22s22p63s1
1s22s22p63s23p64s1
GRUPO 18
1s2
1s22s22p6
1s22s22p63s23p6
[Ar] 4s23d104p6
Configuración electrónica externa (CEE)
Configuración correspondiente a aquellos e- involucrados en las
reacciones químicas electrones de valencia
Ca 1s22s22p63s23p64s2 o [Ar] 4s2
CEE
1
IA
1
H
1s1
2
IIA
13
IIIA
Li Be
2s1 2s2
Na Mg
3s1 3s2
3
IIIB
4
IVB
4
K
4s1
Sc
3d1
V
Ti
Cr Mn
3d2 3d3 4s13d5 3d5
5
Rb
5s1
Ca
4s2
Sr
5s2
6
Cs
6s1
Ba
6s2
7
Fr
7s1
Ra
7s2
2
3
18
VIIIA
B
2p1
5
VB
6
VIB
7
VIIB
8
9
VIIIB
Fe Co
3d6 3d7
10
Ni
3d8
11
IB
12
IIB
Cu
Zn
3d10
4s13d10
14
IVA
15
VA
C
N
2p2 2p3
Al Si
3p1 3p2
P
3p3
16
VIA
O
2p4
S
3p4
17
VIIA
He
1s2
F
2p5
Cl
3p5
18
2014
Los elementos pertenecientes a la misma
columna o grupo tienen en general la
misma CEE
B
L
O
Q
U
E
s
Propiedades químicas semejantes
BLOQUE
Q
p
G I = ns1
G(III) ns2np1
Metales de transición
BLOQUE d
Gases nobles ns2 np6
bloque
f
Metales de transición interna
19