Desarrollos de Los Modelos Atomicos

7/26/2019 Desarrollos de Los Modelos Atomicos

http://slidepdf.com/reader/full/desarrollos-de-los-modelos-atomicos 1/34

El desarrollo histórico de los modelos de

átomo y enlace químico y sus

implicaciones didácticasJordi Solbes

Verónica Silvestre

Carles Furió

Departament de Didàctica de les Ciències Experimentals i Socials.Universitat de València.

Resumen:

En este trabajo se realiza una breve introducción histórica de los modelos sobre la estructura atómica ! enlace "u#mico. Se muestra$ as# mismo$ como esta historia puede contribuir a mejorar la ense%anza de estos temas ! a superar al&unas di'icultades de los estudiantes.

Palabras clave: historia de la ciencia( ense%anza ! aprendizaje( estructura atómica !

enla ce "u#mico.

Abstract:

)n this essa!$ a brie' historical introduction on the models o' atomic structure andchemical bondin& is carried out. *his revision o' ho+ the teachin& o' these issues hasevolved over the !ears sho+s$ li,e+ise$ ho+ to improve their learnin& in order toovercome some o' the students- di''iculties.

Key Words: istor! o' science( teachin& and learnin&( atomic structure and chemical bondin&.

/0echa de recepción1 ma!o$ 2343$ ! de aceptación1 septiembre$ 23435

D)D6C*)C7 DE 87S C)E9C)7S E:;E<)=E9*78ES > S?C)78ES. 9.@ 2A. 2343$ B43 /)SS9 324AAF5 B



2 D)D6C*)C7 DE 87S C)E9C)7S E:;E<)=E9*78ES > S?C)78ES. 9.@ 2A. 2343$ B43

Introducción

El conocimiento sobre la estructuraatómica ! enlace "u#mico tiene un papel importante en la educación

cient#'ica$ no sólo por su carGcter 'undamental$ sino por"ue permiteexplicar las pro piedades de la

materia. ;or ello$ los curr#culos ennuestro pa#s incorporan la ense%anza

de estos modelos$ desde @ de ES?/educación secundaria obli &atoria5

hasta 2@ de Hachillerato$ supo niendo"ue pueden ser comprendidos !

asimilados por el alumnado de la ES?.7s#$ en @ de ES?$ en el Hlo"ue .

Estructura interna de las

sustancias, encontramos Estructura

del átomo$ con =odelos atómicos de*homson ! de <uther'ord. En A@ de

ES? en el Hlo"ueA. Estructura y propiedades de las sus-

tancias. Iniciación al estudio de la

quí-

mica orgánica, encontramos la Estruc- tura del átomo y enlaces

químicos, con 8a estructura delGtomo. El sistema periódico de loselementos "u#micos( Clasi'icación delas sustancias se&In sus propiedades.Estudio experimental( El enlace"u#mico1 enlaces iónico$ cova lente !metGlico( )nterpretación de las

propiedades de las sustancias.En 4@ de Hachillerato$ en el blo"ue

E. El átomo y sus enlaces$ aparece1;ri meros modelos atómicos1*homson ! <uther'ord.Distribución electrónica enniveles ener&Jticos. 8osespectros ! el modelo atómicode Hohr. Sus lo&ros !

limitaciones. )ntroduccióncualita tiva al modelo

cuGntico( 7bundancia eimportancia de los elementos enla naturaleza. Sistema periódico$

justi'i cación ! aportaciones aldesarrollo de la "u#mica( Enlaces

iónico$ covalente$



D)D6C*)C7 DE 87S C)E9C)7S E:;E<)=E9*78ES > S?C)78ES. 9.@ 2A. 2343$ B43 3

metGlico e intermoleculares. ;ropiedades de las sustancias.

;or Iltimo$ en 2@ deHachillerato$ aparece el blo"ue 2.

Estructura atómica y clasificación

periódica de los elementos$ con1Del Gtomo de Hohr al modelocuGntico. )mportancia de lamecGnica cuGntica en el desarrollode la "u#mi ca( Evolución históricade la ordenación periódica de loselementos( Estructura electrónica !

periodicidad. *endencias periódicasen las propiedades de los

elementos. > el blo"ue . Enlacequí- mico y propiedades de las

sustancias$ con1 Enlaces covalentes.Keometr#a ! polaridad de molJculassencillas( Enla ces entre molJculas.;ropiedades de las sustanciasmoleculares( El enlace iónico.Estructura ! propiedades de lassustancias iónicas( Estudio

cualitativo del enlace metGlico.

;ropiedades de los metales(;ropiedades de al&unas sus tanciasde interJs bioló&ico o industrial en'unción de la estructura o enlacescaracter#sticos de la misma.

;ese a la reiteración en la ense%anza del tema$ ha! diversas investi&aciones /Hlanco ! 9#az$ 4FFB( 0ischler !8icht'eld$ 4FF2( arrison ! *rea&ust$2333( Lusti ! Kilbert$ 2333( Mal,aniset al.$ 233( Solbes$ 4FFN5 "uemuestran "ue el aprendizaje sobrelos modelos de estructura atómica !enlace "u# mico presenta &randes

di'icultades$ ! una proporción alta deestudiantes no consi&ue unacomprensión adecuada de aspectos

bGsicos de los mismos. En esteart#culo se intenta iluminar estacuestión recurriendo al anGlisis histórico. ;ara ello se analizan las teor#as !modelos mGs utilizados a lo lar&o de lahistoria para explicar los Gtomos ! sus

enlaces !$ a continuación$ se plantean al&unas implicacionesdidGcticas.

emos dividido este desarrollo histórico en cuatro partes1

O 8a primera trata laescuela de Hohr$ laexplicación de los espec

tros ! a pesar de "ue no seense%e$ los re&las decuanti'icación parasistemas con muchos&rados de libertad$ "uellevan al modelo deSommer'eld.

O 8a se&unda trata eldesarrollo de la mecGnica

ondulatoria "ue resol vió las

di'icultades del modelo deHohr Sommer'eld.

O 8a tercera trata sobre losdesa rrollos 'undamentales"ue com pletarGn lamecGnica cuGntica$ el esp#ndel electrón ! el postulado desimetrización$ ! "ue

permiten la comprensión delos Gtomos multielectrónicos.

O 8a cuarta sobre las primerasapli caciones de la mecGnicacuGntica a las di'erentes ramasde la "u#mica /espectroscopiamolecular$ enlace "u#mico$sólidos5.

En cuanto a la biblio&ra'#a utilizadaencontramos$ por una parte$ recopila




ciones de art#culos ori&inales /Cavendish$ 4N( Hutler et al$ 4F2$ dondese pueden encontrar art#culos de Dalton$ Hro+n$ L. L. *homson$ 9a&ao,a$=illi,an$ <uther'ord$ Kei&er !

=ardsen$ Hohr$ =osele!$ de Hro&lie$Uhlenbec, ! Koudsmit ! Chad+ic,5$libros de histo ria de la ciencia/7simov$ 4F( Mra&h$ 233( =ason$4FB( Sanchez <on$ 233( *aton$4F( HensaudeVincent. ! Sten &ers$4FFB( de la Selva$ 4FF( Del&ado$233A( Kribbin$ 233( La''e$4FNA5$libros de texto$ clGsicos como el de

;aulin&

/4F45 ! mas modernos$ conre'erencias históricas /7t,ins$ 4FB(Centellas et al$ 4FF25( libros deimplicaciones de la cuGntica en latecnolo&#a /;imentel$ 4FFA5 !$

incluso$ libros de divul&ación/9avarro$ 233F5.

4. La escuela de

Bohr.

1.1. Antecedentes al modelode Bohr.

1.1.1. Espectroscopia y rayas

espectrales.

El papel 'undamental de la espectroscopia con respecto a la estructuradel Gtomo se debe al hecho de "ue estano puede ser revelada mGs "ue por los'enómenos observables a nuestra escala "ue son su consecuencia. ;or ejem

plo$ los ra!as espectrales.8os comienzos de laespectroscopia atómica se sitIan en4.BF con Hunsen ! Mirchho''$ "ueestudian los primeros espectros deemisión1 Empezaron a cla si'icarselas ra!as obtenidas en series cu!aestructura presentaba &randesanalo&#as en los di'erentes elementos$

encontrGndose "ue los 'recuencias presentan entre s# relaciones re&ulares. 8amas 'amosa de estas relaciones emp#ricas es la 8e! de Halmer /4.BB5 paralos l#neas visibles del hidró&eno1

donde < es la constante de

<!dber&.




El estudio de las ra!asespectrales llevó en 4.F3B al

principio de combina ción de <itz1

P;ara cada especie de Gto mos es posible encontrar una sucesión denImeros llamados tJrminos espec

trales tales "ue la 'recuencia de cadara!a sea i&ual a la di'erencia de dos de

esos terminosQ.

Este mismo a%o ;aschen encontrótres ra!as de la serie "ue lleva sunom bre.

*ambiJn se estudiaran las variaciones de 'recuencia de las l#neas espec

trales bajo la acción de camposexterio res. Reeman /4.BFN5descubrió desdo blamientos encampos ma&nJticos "ue 'ueroninterpretados por 8orentz. ;ero ele'ecto Reeman anómalo ! el e'ec to;aschenHac, /4.F425$ as# como ele'ecto Star, /4.F45 /desdoblamientos

producidos por campos elJctricos5 no

pudieran ser correctamente explicados.;ara eso era necesaria la introduccióndel esp#n /como veremos al apartado5.

1.1.2. Modelos de estructura

atómica.

7 principios de si&lo aparecen los

primeros modelos atómicos1a5 ;errin /4.F345 ima&ina en elGtomo 'ormado por una

part#cula positi va alrededor dela "ue &iran como pe"ue%os

planetas electrones "uecompensan la car&a total.

b5 9a&ao,a /4.F3A5 propone unmode lo mas concreto en "ue los

electro nes e"uidistan del

nIcleo$ moviJn dose convelocidad an&ular comIn.

c5 L. L. *homson /;hil. =a&. N/4.F35 N5 describe en el Gtomocomo una es'era car&ada

positivamente con electronesoscilante con respecto a su centro.Este modelo era el Inico capaz deconducir a ra!as espec




alen en el tránsito de un estado

estacionario a otro.

. *a radiación emitida en el

curso de la transición de un

sistema de un estado

estacionario a otro esmonocromática) la relación

entre su frecuencia y la energía

total emitida está dada por E/h

0. *os diferentes estados estacio-

narios de un sistema constituido

por un electrno girando

alrededor de un

n1cleo cargado positiamente son

determinados por la siguiente con-

dición) la aportación de energía

total necesaria para reali"ar una

configu- ración dada del sistema a

la frecuencia mecánica ω el moimiento de rotación del

electrón es un m1ltiplo entero de

!h3.

Si se admite "ue la órbita del sistemaes circular$ esta condición es e"uivalen

te a la si&uiente1 el momento cinJticodel electrón es un mIltiple entero de.

El estado permanente /o 'undamental5 de todo sistema$ es decir$ el "uecorresponde al mGximo de ener&#a emitida$ estG determinado por la condición"ue el momento cinJtico de cada electroalrededor de su órbita sea .Q

En sus cGlculos HThr utilizó elmodelo de los órbitas circulares /con un solo&rado de libertad5 por"ue en 4.F4 aInno se hab#a desarrollado el mJtodo

para cuanti'icar sistemas de n &radosde libertad.

<eprodujo as# la 8e! de

<itz$

Donde vemos "ue la constante < seexpresa por medio de los constantes'undamentales1 e$ me ! h.

4.C. Evidencias

e!"erimentales del modelo de Bohr.




1..1. Eidencias

espectroscópicas.

Hohr advirtió la per'ecta concordancia entre su le! de 'recuencias con la

serie emp#ricamente obtenida por Halmer en 4.BB a n22.

8a serie correspondiente a n24$cu!as ra!as pertenecen alultravioleta$'ue observada por 8!man en 4.F4A.

8a serie correspondiente a n2 'ueobservada por Hrac,ett$ as# como laserie correspondiente a n2A. 8osotras series /;'und5 se sitIan en elin'rarrojo lejano.

7demGs$ Hohr extendió su teor#a alos Gtomos hidro&enoides /helio ionizado5 encontrando "ue en la le! de 'recuencias aparec#a la constante de <!d

ber& multiplicada por cuatro. 7l&unasra!as de la serie n22 han sido observadas por 8!man.

8a serie n2 'ue observada por 0o+ler$ ;aschen ! Evans entre 4.F42

! 4.F4N.8a serie n2A se desplie&a i&ual

mente$ dando por una parte la serie deHalmer !$ de otra$ una serie "ue;ic,e rin& hab#a descubierto en4.BFN en el espectro de una estrella !"ue e"uivoca damente atribu!ó alhidró&eno.

;or otro lado$ se encontró "ue la <

del hidró&eno no coincid#a con la delhelio. ;ara tener en cuenta la di'erencia bastó considerar "ue el nIcleo noes ri&urosamente inmóvil$ lo "uecondu ce$ como Hohr mismo hab#amostrado a multiplicar la < por lamasa reducida =m=Wm$ siendo mla masa del elec trón ! = la del

protón.Se puede as#$ como hicieron 0o+ler

! ;aschen$ comparar los espectros del

! de la e ! determinar la relaciónm= en el . El resultado es i&ual a

44.BA3$ en per'ecto acuerdo con ladetermina ción directa "ue hab#a dado=illi,an.




1..2. El e(perimento de

4ranc& y 5ert".

8a interpretación de losespectros atómicos estableció sinnin&una duda$ pero de 'ormaindirecta$ la existencia en los Gtomosde una serie de niveles de ener&#aestacionarios de acuerdo con lahipótesis de Hohr.

0ueron 0ranc, ! ertz /Verh.Deut. ;h!s. Kes. 4N /4.F4A5 A !425$ los "ue en una serie deexperimentos dieran unacon'irmación directa de su existencia.

Cuando el potencial V$ es i&ual acero$ los electrones provenientes del'ilamen to caliente no tienen ener&#asu'iciente para lle&ar a la placacolectora al no poder vencer ladi'erencia de potencial entre la rejilla !la placa. 7 medida "ue V aumenta$lle&aran mas electrones a la placa$ !muchos de ellos habrGn cho cado ensu camino con Gtomos de &$ sinhaber trans'erido prGcticamenteener&#a /colisión elGstica5.

Si se admite la existencia real delos estados estacionarios$ es de esperar "ue cuando V V$ los electronesempiezan a su'rir colisionesinelGsticas$ dejan do al&In Gtomoen su primer estado excitado !

perdiendo$ por lo tanto$ casi toda suener&#a$ !a "ue el primer esta

do excitado dista del 'undamental unosA$BN eV$ se observe una ca#da bruscade la corriente. Si es continua$aumentan do V los electrones despuJsdel cho"ue inelGstico$ tienen aInener&#a su'icien te para lle&ar a la

placa ! la corriente aumentarG de

nuevo hasta "ue V sea i&ual a 43 V$momento en "ue los elec trones

podrGn chocar dos veces inelGsticamente ! se observarG una nuevaca#da de la intensidad de la corriente.

lo "ue permite descomponer la inte&ralde acción en varias inte&rales dependientes de una variable.

Como aplicación de los re&las decuanti'icación se estudió el Gtomohidro&enoide. Se encontró "ue ademGs

de cuanti'icarse la ener&#a /obteniendo la 'órmula de Hohr5$ se cuanti'ica elmódulo del momento an&ular ! su tercera componente.

m1 n@ cuGntico ma&nJtico4.A. Re#las de cuanti$icación "ara n 1 n@ cuGntico acimutal

sistemas con muchos #rados

de libertad.

8a teor#a de Hohr no tardo en atraer la atención &eneral de los '#sicos$ con

virtiJndose su desarrollo en una obracolectiva. 7s# el modelo inicial de Hohr se extendió a sistemas mecGnicos mGs

complejos.




En su teor#a$ Hohr hab#a establecidoel si&uiente teorema1

!En todo sistema compuesto de elec-

ψ

Este resultado se conoce comocuan ti'icación espacial. Desde el

punto de vista clGsico$ estacuanti'icación es absurda mientras

no exista un a&ente externo "uedetermine una dirección privile&iadadel espacio /por ejemplo$ un campoma&nJtico uni'orme5.

7l nivel asociado al nImero cuGntico principal PnQ le corresponden ntipos de órbitas cuanti'icadas$caracteriza das por los valores delnImero cuGntico

trones y ncleos en que los ncleos sean acimutaln 4$...$ n. ;ara cada uno de fi'os y los electrones descri$an ór$itas ellos

la ψ

órbita tiene 2n

W 4 orientacio

circulares +con 678, la energía

cin#tica es igual a 9 de la energía

potencial3. )nspirGndose en esteresultado X. Xil son estableció lascondiciones de cuan ti'icación para unsistema conservativo de n &rados de

libertad$ estableciendo "ue1

El a%o si&uiente /4.F4N5 Epstein$Sch+arzschild ! Sommer'eld estudiaron las condiciones de cuanti'icación

para sistemas cuasi periódicos devaria bles separables /varias variablesvar#an periódicamente con per#odos

di'erentes$

ψ

nes espaciales.

4.D. Estructura $ina.

Uno de los Jxitos mGs espectacula

res ! "ue mas a!udaron a aceptar lasre&las de cuanti'icación 'ue el estudiorealizado por Sommer'eld /7nn. ;h!s./8eipzi&5 4 /4.F4N5 4 ! 425 de losGto mos hidro&enoideos en el marcode la teor#a de la relatividad ! "uele per mitió dar una explicaciónteórica de la estructura del Gtomo de /descubierta por =ichelson en 4.FF45.

7nteriormente !a Hohr se hab#aocupado del tratamiento relativista desu modelo atómico ! hab#a propuestoconsiderar los dobletes del espectro de como un e'ecto de orden v2c2. ;eroel desarrollo sistemGtico esta teor#a 'ueel de Sommer'eld1 encontró "ue laener&#a depend#a de PnQ ! PnψQ.

donde α es la constante de estructura 'ina

Esta 'órmula descompone la ener&#aen dos tJrminos1 uno correspondiente ala ener&#a de Hohr ! otro asociado a lacorrección relativista.




9o solo le permitió explicar laestructura 'ina del $ sino "ue tambiJnestaba de acuerdo con los medidas de;aschen en el Gtomo de e ionizado.

El acuerdo de esta ecuación con los

resultados experimentales 'racasó enGtomos no hidro&enoides /los resultados exactos solo se obtienen con laecua ción de Dirac5.

4.N. %r&tica a la teor&a de

B'hr.

El mismo Hohr era consciente de"ue su modelo era una alianza extra%a entre teor#as clGsicas ! mJtodoscuGnticos introducidos Pad hocQ pararestrin&ir el nImero de órbitas clGsicas

posibles.;or otro lado$ solo era capaz de

calcu lar la 'recuencia de las ra!asemitidas pero no su intensidad ni suestado de polarización.

7demGs$ Mramers$ al calcular el potencial de ionización del Gtomo dee

obtuvo resultados en desacuerdo conla experiencia.

*ambiJn ha! "ue consi&nar el'raca so de Sommer'eld en losGtomos com plejos.

2. La mecnica ondulatoria

de (chr'din#er.

Este apartado resume el trabajo deSolbes ! Sinarcas /233F5$ donde vemoscomo Einstein recalcó la importanciade los trabajos de 8ouis de Hro&lie !

como SchrTdin&er$ partiendo de la idea'undamental de Jste Iltimo +!la óptica

geom#trica es a la óptica ondulatoria

como la mecánica clásica de$e ser a la

mecánica ondulatoria35$ escribió sus'amosos art#culos base de la mecGnicaondulatoria /7nn. ;h!s. F /4F2N5 43F$N4$ A !ABF5.

En el primero de ellos SchrTdin&er obtuvo la ecuación

"ue se conoce con el nombre dePecua ción de SchrTdin&er paraestados esta cionariosQ.

;ara demostrar el poder de su

nuevo es"uema resolvió$ en otroart#culo$ el problema del Gtomo dehidró&eno$ el del oscilador armónico ! los e'ectos de Star, !Reeman. ;ara el Gtomo de hidró&enoencontró "ue no existen solu cionesmas "ue para ciertas ener&#as delelectrón$ "ue son los valores propiosde la ecuación ! coinciden con los

resul tados de Hohr( aun"ue lade&eneración correspondiente a un




nivel ener&Jtico no coincidió con ladel modelo de Som

mer'eld !a "ue los valores posibles para el momento an&ular no son

sino ! por lo

tanto la de&eneración es .

En cuanto al oscilador lineal obtuvo"ue la ener&#a es i&ual a

como parec#an indicar los 'enómenos

en "ue interven#a la cuanti'icación deloscilador /por ejemplo$ los espectrosde bandas de las molJculas

biatómicas5. 9o pudo explicar el e'ecto Reeman

anómalo por no introducir el esp#n delelectrón.

*ambiJn se ocupó del sentido'#sico de Y1 consideró "ue el electrón

estaba di'undido en el Gtomo ! "uesu car&a estaba repartida de 'ormacontinua$ de manera "ue

es la densidad de car&a. *odo pasacomo si esa distribución "ue var#a conel tiem po irradiara se&In las le!esclGsicas.

Sobre este punto tuvo una serie de

discusiones en Copenha&ue /donde 'ueinvitado por Hohr5 "ue se resolvieroncon el abandono de esta concepción$!a "ue el proceso de emisión por transicio nes cuGnticas es demasiadodisconti nuo para "ue puedarepresentarse por la emisión clGsicade una distribución. El problema sesoluciona cuando =ax Horn en 4F2N

introdujo la interpre tación probabil#stica de la 'unción de ondas

de SchrTdin&er$ de manera "ue YYYrepresenta la densidad de proba

bilidad de encontrar al electrón$ de "ue

se produzca una transición$ etc.$ se&Inel estado "ue represente Y.




C. )esarrollos

$undamentales: el es"&n y

las "art&culas id*nticas.

+.1. El es"&n: Antecedentes

históri, cos.

8a mecGnica cuGntica no estGcom pleta si no es tienen en cuentael espín ! el postulado desimetrización /ambos debieron ser introducidos Pad hocQ5.

Como !a hemos visto$ "uedabanuna serie de hechos de ordenespectroscó pico ! ma&nJtico "ue

no hab#an podido ser explicados1entre ellos las estruc turas 'inas delos Gtomos complejos$ el e'ectoReeman anómalo$ el e'ecto Stern !Kerlach ! las anomal#as &iroma&nJticas.

Estos hechos solo pudieron ser expli cados con la introduccióndel e spín. Estudiaremos

detenidamente los 'enó menos ! lashipótesis.

.1.1. Estructura fina y

anomalías

giromagn#ticas

Como !a vimos la teor#a deSommer 'eld preve#a los estructurashasta de los Gtomos hidro&enoides$

pero era incapaz de explicar la de losGtomos mes com plejos.

;or otro lado$ Einstein ! de ass pri mero$ ! Hurnett despuJs$estudiaron las anomal#as

&iroma&nJticas1 si se iman ta una barra de hierro cil#ndrica sus pendida por un punto de su eje$ debe ponerse a &irar( ! rec#procamente$ si sehace &irar$ es crea un momento ma&nJtico. 8a relación entre el momentoma&nJtico ! el an&ular era el doble dela prevista. Esto hac#a suponer "uetodo el ma&netismo no ten#a su ori&en

en el momento an&ular..1.2. Eidencias

espectroscópicas.

En 4BF Reeman descubrió "ue la presencia de campos ma&nJticos externos in'lu#an en el proceso de emisiónde luz por los Gtomos$ al observar "ueen un campo ma&nJtico$ B de 2

,&aus la l#nea azul del cadmio$ delon&itud de onda AB33 Z$ daba ori&ena un triplete de l#neas e"uidistantes$coincidiendo la l#nea central deltriplete con la posición de la l#neaori&inal.

)nmediatamente se observó elmismo e'ecto en al&unas otras l#neasdel cinc ! del cadmio "ue no

presentaban estruc tura 'ina$ ! seencontró "ue la separa ción entre los

l#neas del multiplete era proporcionala B e independiente del Gtomoconsiderado.

Este e'ecto$ conocido como e'ectoReeman normal$ 'ue explicado clGsicamente por 8orentz en 4BF.

Supuso "ue el momento ma&nJticodel Gtomo era proporcional al momento

an&ular de los electrones

Cuando se coloca el Gtomo en uncampo ma&nJtico interactIa su momento ma&nJtico con el B exterior$ por lotanto el campo a&re&a al electrón unaener&#a.

;ero a 'inales de 4BF$ ;reston dejó!a patente "ue hab#a casos en "ue el




desdoblamiento era di'erente del "uehab#a observado Reeman.

Experiencias posteriores permitieron a'irmar "ue cada una de los ra!asespectrales de la estructura 'ina$ en

presencia de B daban multipletes demu! variadas multiplicidades$ ! "ue si bien las l#neas "ue se ori&inaban eran

e"uidistantes$ las distancias entre losmismas no solo depend#an del campoma&nJtico$ sino tambiJn de la ra!aespectral considerada.

Este nuevo e'ecto se denominó

e'ecto Reeman anómalo$ el cual solo puede ser explicado cuando esconsidera el aco plamiento Espín-

ór$ita.

.1.. Efecto :tern-;erlach.

En 4F22 Stern ! Kerlach encontraron el e'ecto "ue lleva su nombre.

En primer lu&ar$ produjeran un hazde Gtomos de plata evaporando estemetal en un horno ! dejando "ue unhaz de ellos salieran colimados atravJs de una serie de aperturas. Estehaz diri &ido se&In el eje x$ se hac#aentrar en un recipiente con un vac#oelevado ! en el "ue se hab#aestablecido un campo ma&nJtico$ nohomo&Jneo$ se&In la dirección z.

Como los Gtomos de plata son parama&nJticos$ poseen un momento ma&nJtico permanente [ !$ por lo tanto$interaccionaran con el campo.

7l 'inal del imGn$ un Gtomo cual"uiera /"ue describirG una tra!ectoriaaproximadamente parabólica5 se desviarG li&eramente en la dirección x unGn&ulo

;or lo tanto$ la re'lexión del hazes proporcional a la componente delmomento ma&nJtico se&In ladirecciónz. Si [z pudiere tomar cual"uier valor

en el intervalo$ los impactos de los Gtomos sobre una pantalla$ 'ormaran una




mancha alar&ada en la dirección z.Sin

embar&o$ en cambio$ Stern ! Kerlachobservaran dos ta"uJs$ precisamentelos canto superiores e in'eriores de la"ue clGsicamente cabria esperar.

Esto demuestra claramente lacuan

→

C.2. La hi"ótesis del es"&n:

Pauli y -hlembec y

/oudsmith.

Uhlembec, ! Koudsmith$disc#pulos de Erhen'est$ introdujeronla idea del espín estudiando unart#culo de ;auli

ti'icación de S . >$ como$ de acuerdocon en el "ue 'ormulaba su principio de

la teor#a de la susceptibilidad parama&nJtica de 8an&evin$ el momento ma&nJtico debe considerarse proporcional

al momento an&ular$ el resultado delexperimento probaba directamente lacuanti'icación del momento an&ular.

;ensamos$ no obstante$ "ue si elmomento an&ular 'uera un mIltipleentero de n de PhQ$ como indican lasre&las de cuanti'icación de Sommer'eld$ entonces siempre aparecerGn un

nImero impar de manchas !nunca un nImero par como pasaba enel caso de la plata. Esta contradicciónsolo podrG ser superada con laintroduc ción del esp#n.

;ero dado "ue el Gtomo de plata nose conoc#a mu! bien$ en 4F2 ;hilips! *a!lor$ realizaron el mismo experi

mento con el Gtomo de hidró&eno "ueal ser conocido permit#a prediccionessin ambi&\edades.

Si el electrón del hidró&eno sencuen tra en su estado 'undamentalPsQ$ enton ces la tercera componentedel omento an&ular serG nula !$ por lotanto$ se&In la teor#a de 8a&evin$ elhaz no deber#a dividirse. 7l contrario$

;hilips ! *a!lor

encontraran "ue elhaz tambiJn es divid#a en dos

componentes simJtricas. Evidentementeesto implica la existen cia de al&Inmomento ma&nJtico en el Gtomo "uehasta entonces no se hab#aconsiderado.




exclusión ! en "ue$ por primera vezse le asi&naban cuatro nImeroscuGnticos al electrón.

Se&In sus propias palabras1

!Esto esta$a hecho de una

manera demasiado formal <=>

%ara nosotros esta$a clara la

proposición de que cada nmero

cuántico corresponde a un grado

de li$ertad y, por otro lado, la idea

de un electrón puntual, que

o$iamente solo tiene tres

grados de li$ertad, implica$a que

no ha$ía lugar para un cuarto

nmero cuán- tico. :olo

podíamos entender este

considerando al electrón como

una peque?a esfera que pudiere

girar=3

!@lgn tiempo despu#s Erhenfest

dirigió nuestra atención hacia un

artículo de @$raham en el que podía

entenderse clásicamente el necesario

factor 2 en el momento magn#tico +g

/ 2 para una esfera giratoriacon superficie cargada. Esto nos

animó pero nuestro entusiasmo es

redu'o nota$lemente cuando

imos que la elocidad de giro en

la superficie del electrón de$ería

ser arias eces la elocidad de la

lu".3

!Auestra idea nos pareció

tan especulatia que noteníamos la intención de

pu$licar nada, má(i- me cuando

Bohr, 5eisen$erg y otras

autoridades nunca ha$ían propues-

to nada seme'ante. %ero

Erhenfest complacido por el

carácter isual de

nuestra hipótesis nos animó a con-

tinuar llamando nuestra atención so$re arios puntos como, por

e'em- plo, so$re el hecho de que

en 1C21 Dompton ha$ía sugerido

ya la idea de un electrón giratorio

como posi$le e(plicación de la

unidad natural de magnetismo,

dici#ndonos finalmen- te, que ya

fuera algo importante o un sin

sentido de$íamos pu$licarlo.3

;osteriormente$ con la a!uda de8orentz encontraron "ue la ima&en delelectrón giratorio podr#a producir di'icultades mu! serias. En e'ecto$ laener &#a ma&nJtica seria tan &rande"ue a causa de la e"uivalencia masa ener &#a$ el electrón deber#a tener una

masa mGs &rande "ue la del protón.

C.C. (istemas de "art&culas

id*nti, cas. Princi"io dee!clusión de Pauli.

>a hemos introducido el esp#n( ahora por completar la mecGnica cuGnticadebemos tener en cuenta "ue as# comoclGsicamente dos part#culas de la mismanaturaleza son idJnticas$ en mecGnicacuGntica ha! "ue renunciar completa

mente a la posibilidad de distin&uir dos part#culas de la misma naturaleza deun mismo sistema ! ver como identi'icar dos estados de un sistema "ue nodi'ieren el u del otro mes "ue por la permutación de estas dos part#culas.

Esta permutabilidad tiene consecuencias mu! importantes. 7s#$ si permutando las coordenadas de dos part#

culas de un sistema$ la 'unción de ondas




no cambia su valor$ decimos "ue essimJtrica en relación a estas part#culas.

;or otra parte$ si permutGndolascambia de si&no$ decimos "ue es antisimJtrica.

Eso nos lleva a "ue dado un sistema'#sico de part#culas idJnticas$ las

'uncio nes de onda "ue describen susestados deben ser todas simJtricas otodas anti simJtricas.

Emp#ricamente se hab#a encontrado"ue los niveles ener&Jticos se saturansucesivamente por la a&re&ación denuevos electrones1 la re&la de Stoner nos indicaba el nImero mGximo deelec trones "ue cada nivel ener&Jtico

pod#a recibir.Esta saturación es debida a la imposibilidad por dos electrones de poseer estados cuGnticos ri&urosamente idJnticos1 eso es conoce con el nombre de

principio de exclusión de ;auli/4F25. Es e"uivalente a decir "ue por los elec trones los Inicos estadosrealizados en la naturaleza son los

antisimJtricos.

C.A. A"licaciones.

8a consideración del esp#n ! el prin cipio de ;auli ha conducido anumerosos Jxitos$ entre los "ue ha!"ue destacar1

.0.1. Interpretación del

espectro de helio.

Experimentalmente se conoc#a "uelas ra!as del helio se divid#an en doscate&or#as separadas$ correspondientesa tJrminos "ue en primera aproximación no se combinaban. Estos dossiste mas de ra!as recibieron elnombre de espectros del ortohelio !

del parahelio.




Eso$ como explicó eisenber& ensu memoria de 4F2$ es debido a

"ue los electrones del Gtomo de heliosi&uen el

principio de exclusión !$ por lotanto$ sus 'unciones de onda debenser anti simJtricas con relación a las

coordena das ! al esp#n$ pero puedenserlo de dos modos1 simJtricas conrespecto a los coordenadas !antisimJtricas con res pecto al esp#no viceversa.

a! dos cate&or#as de 'unciones deonda$ ! por lo tanto de tJrminos espectrales1 identi'icó una con el ortohelio !otra con el parahelio.

*ambiJn explicó la estructura 'inade ambos1 las ra!as del parahelio sonsimples ! las del ortohelio dan ori&en atripletes.

.0.2. *a mol#cula de

hidrógeno.

8as teor#as clGsicas permitir#an

com prender el ori&en del v#nculo"ue une los Gtomos de una molJculaheteropolar /por atracción entre iones5

pero no as# el del homopolar. Es lamecGnica cuGn tica la "ue ha

permitido comprenderlo$ &racias a laintroducción de los ener&#as deintercambio$ "ue sotes termita "ueaparecen en el lado de las

interacciones coulombianas /nIcleoscon electrones ! electrones entre s#5unido a la posibili dad de permutar las part#culas idJnti cas$.

Es mas$ no ha! ener&#a de intercambio mGs "ue cuando dos part#culasidJnticas tienen probabilidad no nulade encontrarse en una misma re&ióndel espacio.

En 4F2 X. eitler O 0. 8ondonestu diaron el caso mes simple1 la

molJcula 2$ con solo dos electrones$

encontrando "ue si los espines de los electrones

tienen el mismo sentido$ la ener&#a deintercambio corresponde a una repul




sión entre Gtomos ! no puede'ormar se nin&una molJcula. ;or contra$ si los espines son de sentidocontrario$ la ener&#a de intercambiocorresponde a una atracción entre

Gtomos.Como el par de electrones conespi nes opuestos tiene &ranestabilidad sirve de v#nculo entre losdos Gtomos.

Eso permite dar una explicaciónde la noción de valencia ! puede ser &ene ralizado para la 'ormación detodas las molJculas biatómicas1 los

electrones desapareados de unGtomo tienen ten dencia a unirse alos electrones en idJn ticascondiciones de otro Gtomo para'ormar un par.

A. A"licaciones de la

mecnica cuntica a la

0u&mica.

Dada la amplitud del tema es prGcticamente imposible averi&uar todas lasaplicaciones "ue ha tenido la mecGnicacuGntica en las diversas ramas de la"u#mica.

;or ello$ solo vamos a estudiar los primeras ! mas importantes$ es decir$a"uellas "ue dieron inicio al punto devista cuGntico de cada disciplina.

A.4. Es"ectrosco"ia de

tomos con muchos

electrones y es"ectros,

co"ia molecular.

;ara sistemas con varias part#culas sabemos establecer la ecuación deSchrTdin&er$ pero no resolverla ri&urosamente. 9os vemos reducidos as# amJtodos de aproximación1 paraelectro nes en Gtomos unaaproximación satis 'actoria consisteen considerar a cada electrón comosometido a un campo

central$ creado por el nIcleo ! por ladistribución media de los otros electrones. Es lo "ue se denomina campoauto consistente de artree /4F2B5.

8os nImeros cuGnticos n$ l$ ml ! ms

sirven para de'inir los estados de losGtomos$ no obstante$ la ener&#a deesta

dos no depende mas "ue de los nImeros PnQ ! PlQ. En una se&undaaproxima ción debemos considerar ladi'erencia "ue existe entre el campocentral ! el real$ utilizando elmomento orbital ! el momento deesp#n del electrón como vectoresordinarios. Se obtiene as# un modelovectorial del Gtomo$ en "ue se

determina el momento an&ular total L

mediante los re&las de adición de vectores. a! dos mJtodos1

a5 7coplamiento de <ussel !Saunders$ para Gtomos li&eros"ue consiste en calcular

b5 7coplamiento jj por Gtomos pesados "ue consiste en

Una Iltima aproximación da cuentade las acciones mutuas entre S ! 81 aco

plamiento esp#n órbita responsable dela escisión en multipletes de los nivelesnl. ;ermite explicar los e'ectos Reeman

anómalos ! la 'órmula de 8andJ.




Si se tienen en cuenta "ue las pro piedades ma&nJticas de los nIcleosejercen in'luencia sobre los espectrosópticos$ podemos explicar la estructurahiper'ina.

7 'inales del s. :): se conoc#anespec tros de absorción ! emisiónde vapo res de molJculas. En elvisible ! en el

ultravioleta estos espectros ten#an unnImero ma!or de l#neas "ue los atómicos hasta el punto de poder a&ruparseen bandas. En 4BB Deslanhes estableció de una 'orma emp#rica una 'órmula

por explicar la distribución de losl#neas en los bandas.

;osteriormente se descubrieron losespectros de las molJculas en el in'rarrojo lejano /4F25 ! en microondas/4FA35$ "ue eran mGs sencillos "ue elultravioleta. Estos espectros 'ueronexplicados por Horn ! ?ppenheimer en 4F2 suponiendo "ue exist#an

bandas electrónicas$ bandas derotación ! ban das de vibración.

A.2. 1u&mica

cuntica.

7un"ue de naturaleza esencialmente '#sica$ las nuevas concepcionessobre la estructura del Gtomo$ 'ueron

aplica das rGpidamente a la "u#mica$'unda mentalmente al problema delenlace.

En 4F2 X. eitler ! 0. 8ondonabor daron el problema de lamolJcula de hidró&eno. Esta teor#a'ue extendida en molJculas mescomplejas por ;aulin&$ Slater$ Horn$Xe!l$ etc. Esta concep ción

denominada Pteor#a del enlace devalenciaQ se re'iere a la concentraciónde electrones apareados entre Gtomosenlazados$ a las propiedades direccionales de los enlaces ! a la estructuramolecular$ se%alando la importancia dela naturaleza atómica ori&inal del sistema.

El mJtodo del orbital molecular 'ue

introducido por Hurrau en 4F2 !desa rrollado por und$ =ulli,en !




8ennard Lones en 4F2. Se 'orman las molJculas mediante un sistema deorbitales "ue

van siendo ocupados por los electronessi&uiendo las mismas re&las de los Gtomos.

Hethe ! Mramers desarrollan la teor#a del Pcampo cristalinoQ. Consideranlas molJculas complejas comosistemas electrostGticos 'ormados

por car&as puntuales ! dipolos.Van Vlec, demostró en 4F "ue

estas tres interpretaciones eran e"uivalentes. 7 pesar de todo$ conocieronun Jxito desi&ual1 de 4F3 a 4FA3 la

teor#a del enlace de valencia tuvo &ranaco&i da por los "u#micos$ despuJsde 4FA &racias al estudio de loselectrones excitados de las molJculas$los orbitales moleculares ! el campocristalino con si&uieron mGs Jxito.8os orbitales mole culares explicabanel parama&netismo ! eldiama&netismo de las molJculas$ "ue

hab#an estado estudiados macroscópicamente por 8an&evin ! Curie. 8ainterpretación del 'erroma&netismo 'uedada por eisenber& en 4F2B$ "uienatribu!ó a la ener&#a de intercambio/de la "ue !a hemos hablado5 el ori&ende los campos moleculares de Xeiss.

El concepto de resonancia$introduci do por eisenber& en 4F2N

en su estu dio del Gtomo de helio$ 'ueaplicado por ;aulin&$ uc,el ! Slater a las molJcu las$ pues una sencilla'órmula estGtica no puede explicar sus

propiedades.Slater 'ue junto a ;aulin& "uien mGs

contribu!ó al establecimiento de la"u# mica cuGntica como disciplina$indepen dientemente de "ue 'uera

'#sico$ !a "ue nunca consideró laestructura molecu lar ! la '#sica del

estado sólido como dos camposseparados. Se 'ormó en Europa. )ntentóconciliar la teor#a de los cuantos de luz

con la electrodinGmica ! colaboró




con Hohr ! Mramers en el art#culode 4F2A donde se cuestionaba laconserva ción de la ener&#a en los

procesos indi vidualesmicroscópicos /desinte&ración β5$ de

lo "ue se exculpó repetidamente. Su principal contribución son los determinantes de Slater$ utilizados para"ue la 'unción de ondas total de unsistema de electrones seaantisimJtrica /se&In exi&en el

principio de exclusión ! el postulado de simetrización5.

;aulin& estuvo de 4F2N a 4F2B

a Europa$ primero a =Inich$donde conoció a eitler ! 8ondon$cu!a teo r#a empezó a aplicar enmolJculas mGs complejas$ publicandoun breve art#culo en 4F2B. DespuJsen RIrich con SchrT din&er. En4F4$ estimulado por Slater$ publicóuna descripción detallada de lamecGnica cuGntica del enlace cova

lente. Estos trabajos culminaran en

el tratado he nature of chemical

$ond de 4FF. *ambiJn publicó unaFuímica general $ el a%o 4FA$ mu!remarcable ! reeditada. Su&irió la

posibilidad de "ue las molJculas

proteicas tuvieran una estructurahelicoidal$ avanzGndose a losdescubrimientos "ue hicieron Xatson ! Cric, en el 7D9$ ! contribu!óal estudio de la hemo&lobina anómala"ue de'orma los &lóbulos rojos !

provoca la en'ermedad conocidacomo la anemia 'alci'orme. El a%o4FA 'ue &alardonado con el ;remio

9obel de ]u#mica.Sin embar&o$ ademGs de sus inestimables contribuciones alconocimiento de la estructuramolecular$ destaca su personalidada'able ! su comprometida oposición aldesplie&ue de armamento atómica$

por lo "ue or&anizó numero sascampa%as contra los experimentos

nucleares. El a%o 4F2 'ue v#ctima dela persecución iniciada por =cCarth!contra intelectuales acusados de anti

patriotas ! le 'ue retirado el pasaporte. En plena &uerra 'r#a$ el a%o 4FB$

publicó Ao More GarH Eso leconvirtió en una de las pocas personas"ue volvió a recibir un ;remio 9obel$ahora en un Gmbito di'erente$ el de la

;az de 4FN.

A.C. Estadosólido.

Vamos a rese%ar a continuación lasaplicaciones de la vieja teor#a cuGntica! de la mecGnica cuGntica a1

0..1.

Metales, aislantes y semiconductores.

8a anti&ua teor#a de los electronesde Drude ! 8orentz trataba de explicar las propiedades de los metales$especialmente su aptitud para conducir calor ! electricidad. Supuso "ue losGtomos estaban ionizados ! "ue estaionización daba ori&en a un &as de electrones libres. 7 pesar de eso$ esta teo

r#a ten#a di'icultades1 una de los mGsimportantes 'ue la del calor espec#'icode los metales.

En 4F2N Sommer'eld aplica a loselectrones libres del metal la ecuaciónde SchrTdin&er para un potencial periódico ! la estad#stica de 0ermi ! Diracobteniendo as# niveles ener&Jticos discretos ! la distribución de e"uilibrio de

los electrones /viendo como es a'ectada por campos elJctricos$ variaciones




de temperatura ! de concentración5.Su teor#a explica la le! de Xiedeman0ranz /la relación entre las conducciones tJrmica ! elJctrica es constantea una temperatura dada5 ! la le! de

<ichardson para la extracción de electrones en metales.

En 4F2B 0ren,el$ ouston ! Hlochestudian el problema de la conducciónreduciJndolo a la di'usión de ondas

elec trónicas por la red cristalina$ demane ra anGlo&a a la dispersión dera!os : descubrimiento realizado por Von 8aue en 4F42 e interpretado

posteriormente por Hra&&.Encontraron "ue a 3 M no ha!dispersión$ solo re'lexión selectiva deondas "ue satis'acen la le! de Hra&&

7 temperatura ambiente ha! a&itación tJrmica proporcional a latem peratura !$ por lo tanto$dispersión$ de manera "ue la lon&itudde onda es pro porcional a latemperatura ! la conduc tibilidad ala inversa de la temperatura.*ambiJn encontraron "ue los niveles

no estGn escalonados re&ularmentecomo hab#a obtenido Sommer'eld.8a P*eor#a de bandasQ 'ue

entrevista por Strout en 4F2 !desarrollada poco despuJs por Hrillouin$ ;eierls ! =orse. Elmovimiento de los electrones en uncristal como consecuencia de la

periodi cidad de la red cumple "ue suener&#a estG comprendida en ciertas

bandas$ cu!os l#mites corresponden alon&itu des de onda "ue satis'acenlas condi ciones de Hra&&. Entre

bandas permiti das existen bandas prohibidas$ lo cual permite ladistinción entre aislantes !semiconductores$ electrones li&ados !semilibres.

0..2. :ólidos iónicos.




8a &ran di'erencia decomporta miento de conductores !

aislantes se hab#a observado antesdel descubri

miento de la conducción elJctrica.Kil bert hab#a clasi'icado losmateriales se&In la 'acilidad para ser

electrizados. 7 los "ue pudo electrizar los denominó el#ctricos( a los "ue no/metales ! otros materiales5$ losdenominó no el#ctricos. Cuando Kra!descubrió la conducción$ Du 0a!demostró "ue todos los materia les

pod#an electrizarse pero "ue deb#atenerse cuidado de aislar del suelo /odel experimentador5 los no elJctricos

de Kilbert para "ue no se escapararGpida mente la car&a. EmpleandoInicamente la sensación 'isioló&ica

para la detección Cavendish Onocontaba con instrumen tos adecuados

para sus investi&aciones$ as# "ue med#ala 'uerza de una corrien te elJctricasometiJndose a la misma ! calculabasu intensidad por el da%o "ue le

provocaba comparó los posibilidadesconductoras de muchas sustancias.

!@ partir de unos

e(perimentos, de los que me

propongo presentar en $ree una

relación delante de esta :ociedad,

parece ser que el alam- $re de

hierro conduce 088 millones de

eces me'or que agua de lluia o

agua destilada Es decir, laelectri- cidad no encuentra mas

resistencia por atraesar un tro"o de

alam$re de hierro de 088888888

pulgada de longitud que por

atraesar una colum- na de agua de

tan solo una pulgada de longitud.

El agua de mar, o una solución de

una parte de sal en 8 de agua,

conduce 188 eces, o una solución

saturada de sal marina J28 eces,

me'or que la agua de lluia.3

Esta 'ue la primera vez "ue se se%alaba "ue la conductividad del a&uaaumentaba disolviendo una sal.




8a noción de ión sur&ió por vez pri mera en "u#mica. Como !ahemos intro ducido$ en el si&lo :):era bien conocido "ue el a&ua dondese disolv#an sales /o Gcidos$ o bases5

conduc#a la electrici dad ! "ue unacorriente elJctrica pod#a separar lassustancias disueltas en suscomponentes. 8a respuesta al por "uJ de este comportamiento la dio en4BBA Svante 7rrhenius$ cuando

publicó su tesis sobre conductividadelJctrica

En soluciones salinas propuso"ue$ cuando se disuelve en a&ua uncom puesto como la sal comIn 9aCl

/cloru ro sódico5$ se divide en susPionesQ /en &rie&o Pa"uellos "ue semuevenQ5 car&a dos elJctricamente

9aW ! Cl. 8as 'uer zas elJctricashacen "ue el ion 9aW se mueva en una

dirección ! el ion Cl

en la opuesta !"ue es as# como se trans porta lacorriente elJctrica. 7un"ue al

principio pareció una idea extra%a$desde "ue en 4BB publicó un trabajosobre disociación iónica donde introduce el concepto de ión$ ho! se entiende per'ectamente( ! la clasi'icación desólidos iónicos no resulta nada extra%a.

Es 'orman muchas molJculas cuandolos Gtomos comparten electrones$ peroel 9aCl es di'erente. 7ll#$ el Gtomo desodio /9a5 cede un electrón al cloro/Cl5$ creando iones 9aW ! Cl$ "ue enla sal sólida estGn unidos por suatracción elJctrica. El a&ua$ noobstante$ debilita &randemente estaatracción /a escala




microscópica5$ permitiendo a losiones moverse libremente en elmomento "ue la sal se disuelve en laa&ua ! permiten "ue el a&ua se ha&aconductora de la electricidad.

0... :ólidos coalentes.

El descubrimiento de la estructuraelectrónica de los Gtomos$ la descripción del modelo nuclear ! de los estados estacionarios de los electrones enla envoltura atómica$ ! la 'ormulaciónde una nueva le! periódica para las

propiedades de los elementos "u#micos basada en la car&a nuclear de los Gtomos constitu!en premisas para penetrar en la naturaleza del enlace"u#mico "ue esperaba una coherenteexplicación a mediados del si&lo

pasado.En 4F4N se publican los trabajos del

'#sico alemGn X. Mossel ! del

"u#mico '#sico de la Universidad deCali'ornia K. 9. 8e+is$ "ue presentaran una notableresonancia en el tratamiento posterior de este problema. Mossel$ de laUniver sidad de =Inich$ 'ue el

primero a pos tular la posibletrans'erencia electró nica de unGtomo electropositivo hacia otro

electrone&ativo como mecanismo de'ormación del renombrado enlaceiónico$ "ue supone su 'ortaleza por la'uerza electrostGtica desarrollada entrelas especies car&adas con si&noopuesto. 8a idea de la posibleexistencia de dos tipo de compuestoscon enlaces polares ! apolaresexpuesta inicialmente por 8e+is en

4F4N$ 'ue complementada en los a%ossi&uientes cuando 'ormula la tesis

"ue el enlace en los sustanciasmoleculares es el resultado del compartimiento de uno par de electrones por




parte de los Gtomos unidos$ "ueexpre san tendencia a lle&ar a lacon'i&uración electrónica del &asnoble "ue le sucede en la *abla;eriódica de los elementos. Estos

modelos sotes una primera visiónsobre enlace "u#mico. ;ero lanecesaria pro'undización lle&ó a

partir de 4F2 cuando se introducenen el pensamien to "u#mico lasideas de la mecGnica cuGntica. En4F2$ un a%o despuJs de la

publicación del art#culo deSchrTdin&er en el "ue 'ue propuesta

la ecuación de onda "ue lleva sunombre$ el '#sico ale mGn X. eitler ! el '#sico in&lJs 0. 8on don$ antesmencionados$ desarrollaran el cGlculomecGnico cuGntico de la molJ culade hidró&eno$ "ue dio una explicación cuantitativa del enlace"u#mico. En esencia el cGlculo vino ademostrar "ue durante el

acercamiento de dos Gto mos conelectrones de espines opuestos ocurre

un aumento de la densidad de lanube electrónica en el espacio entrelos nIcleos$ "ue se acompa%a con unadisminución considerable de la ener&#adel sistema. Sur&e el enlace con la 'or

mación as# de un sistema mes estable.Empezar#a a desarrollarse un

nuevo sistema de cate&or#as paraexplicar las caracter#sticas delenlace "u#mico. 7l&unos de losconceptos "ue emer&en con uncontenido cualitativamente dis tintoson los de orbital atómico ! orbitalmolecular "ue ahora desi&nan

re&iones "ue con determinada probabilidad es encuentra la nubede electrones( los nociones deener&#a de enlace para indicar su'ortaleza$ radio o distanciainternuclear media para se%alar las

posiciones relativas de los nIcleos$den sidad electrónica relativa paradenotar la existencia de los lu&ares

activos res

ponsables de la reactividad$ ! orden deenlace para advertir la multiplicidad"ue presentan los Gtomos al enlazarse.

D. Im"licaciones didcticas

de la $undamentación

histórica.

El desarrollo anterior muestra comola &ran complejidad de este tema vienemarcada por"ue en cada momento histórico pueden convivir diversosmode los "ue corresponden a diversosmarcos teóricos. 7s#$ para el Gtomo$tenemos el modelo clGsico de

<uther'ord$ los pre cuGnticos deHohr ! Sommer'eld ! el cuGntico de

SchrTdin&er. En el enlace "u#micotenemos los modelos clGsicos de iones

para sólidos iónicos ! metGlicos/modelo del &as de electrones de Drude8orentz5$ el precuGntico de 8e+is parael enlace covalente /"ue se apo!a en laestructura de capas de Hohr ! Sommer

'eld5 ! los cuGnticos del EV$ los ?= ola teor#a de bandas.

Esto pone de mani'iesto como$ a lolar&o de la historia$ la aceptación deal&unas teor#as ha si&ni'icado unaautJntica revolución en el pensamientocient#'ico "ue ha re"uerido mucho tiem po$ lo "ue puede explicar la &ran di'icultad del alumnado para la comprensión

de estos conceptos. De ah# la necesidadde "ue la 'ormación inicial ! permanen




te del pro'esorado inclu!a aspectos históricos ! epistemoló&icos de las ciencias/=os"uera ! 0urió$ 233B5.

7 esto tenemos "ue a%adir prerre"uisitos importantes "ue 'acilitan la

comprensión de los modelos atómicos! del enlace$ en concreto de nivelesener &Jticos$ estabilidad de Gtomos !molJ

culas. Estos son la comprensión de laener&#a ! de las car&as ! de la interacción elJctrica entre ellas. >$ para mGsdi'icultad de los estudiantes$ hemosencontrado en el anGlisis de textos

de ES? ! Hachillerato una mezcla demodelos en los Gtomos ! en el enlace"u#mico ! "ue muchos textos

presentan las aproximaciones de unmodelo como descripción real !correcta$ i&norando "ue todo modelotiene sus limitaciones ! "ue solo es Itilsi se es consciente de ellas /Silvestre etal. 23435.

Se olvida as# el interJs didGctico dela utilización de modelos. Se&In losestGndares de la U.S. 9ational ScienceEducation /9ational <esearch Council$ 4FFN5$ !*os modelos son

esquemas o estructuras proisionales

que se corresponden con o$'etos

reales, situaciones, o tipo de

situaciones, con un poder e(pli-

cador. *os modelos ayudan loscientífi- cos e ingenieros a entender

como funcio- nan las cosas3. 7s# "ueson utilizados como explicación de'orma es"uemGti ca ! sencilla de'enómenos "ue$ otros#$ re"uerir#anuna descripción compli cada.*ambiJn se impide 'amiliarizar losalumnos con los procedimientos de

trabajo de los cient#'icos$ "ue elaboranmodelos para explicar los problemashasta "ue sur&en di'icultades "ue obli&an a cambiarlos /Solbes$ 4FFN5. 8osexpertos reales son capaces de emplear di'erentes modelos simultGneamente$reconociendo las virtudes ! limitaciones de cada uno ! aplicGndolosadecua damente /)reson$ 2333(

Hroo,es ! Et,i na$ 233( Krossli&ht etal.$ 4FF45.




;ara evitar la ense%anza deideas erróneas al&unos se

mani'iestan con tra el uso delmodelo de Hohr u otras




descripciones del Gtomo "ue inclu!anórbitas /0ischler ! 8icht'eldt$ 4FF25.;or el contrario$ ;etri ! 9iedderer /4FFB5 piensan "ue el modelo deHohr cons titu!e un paso necesario

en el camino del aprendizaje delestudiante. ?tros lo ven como un pasohistórico importante por entender losGtomos /Hlanco ! 9#az$ 4FFB( Lusti !Kilbert$ 23335. 7demGs$ al&unosaprecian el modelo de Hohr /Mal,anis et al. 233( Solbes$ 4FFN(Sol bes ! Sinarcas$ 23435 como unaherra mienta Itil para de'inir la visión

cuGn tica de los Gtomos. Es decir$ permite introducir de 'orma sencilla elconcepto de estado$ caracterizado por los valo res de'inidos de unasma&nitudes$ la ener&#a ! el momentoan&ular. 7demGs$ permite ver "ueestas ma&nitudes no pueden tomar todos los valores posi bles$ sino "ueestGn cuanti'icadas por un nImero

cuGntico /Solbes$ 4FFN5. ;or otra parte$ los alumnos$ como resulta dode las in'ormaciones de los medios decomunicación$ de la educación primaria$ etc. poseen una representaciónatómica mediante órbitas$ "ue

propone mos explicitar paracambiarla se&uida mente. Enresumen$ evitar el modelo de Hohr

impedir#a salir al paso de la ima &endel Gtomo "ue tiene el alumnado ! privar#a a Jste de una herramienta "uelos cient#'icos consideran Itil.

En consecuencia$ si se considerade interJs didGctico la ense%anza demodelos de Gtomo ! enlace convendr#ahacerlo de una manera secuenciada$si&uiendo el desarrollo histórico ! no

presentGndolos todos en todos los cursos. 7s#$ el modelo clGsico /<uther'ord

e iones5 deber#a utilizarse en @ deES?$ el precuGntico /Hohr ! 8e+is5 enA@ de




ES? /"ue recordemos es optativo5 !4@ de Hachillerato ! el cuGntico en2@ de Hachillerato. ;ero en cadacurso con vendr#a mostrar losl#mites tanto teó ricos como

experimentales del modelo utilizado/Solbes$ 4FFN5 ! apuntar laexistencia de un nuevo modelo$ enel "ue se pro'undizarG el cursosi&uiente.

;or otra parte$ la presentación enlos textos de los modelos de enlaceimpide una visión unitaria del enlace"u#mico /Silvestre et al.$ 23435.

)ncluso$ en libros de ]u#mica de 2@ deHachillerato$ donde se introducen losorbitales atómicos ! se habla de lasuperposición de los mis mos paraexplicar el enlace$ se intenta$ a suvez$ mantener el modelo de 8e+is$ a

pesar de sus limitaciones con hipótesis ad hoc /resonancia$ teor#a derepul sión de pares electrónicos de la

capa de valencia$ *<;ECV5$ como se

hizo con el modelo &eocJntrico/epiciclos5. El trata miento cuGnticodel enlace 'avorecer#a una visiónunitaria del mismo$ aun"ue dichotratamiento$ "ue si se hac#a en C?U$

parece tras'erirse a la ]u#micauniversitaria actualmente. 7In as#$ se

podr#a mostrar una visión unitaria delenlace en la ]u#mica de Hachilleratoa partir del enlace covalente. Cuandoeste se produce entre Gtomos idJnticos$ la distribución de probabilidad delos electrones de valencia se encuentramu! localizada en la re&ión internu

clear. En los enlaces covalentes entreGtomos di'erentes$ dicha distribuciónse encuentra desplazada hacia el GtomomGs electrone&ativo /ori&inando molJculas polares5$ siendo en los sólidosióni cos tan &rande esedesplazamiento$ "ue es unaaproximación razonable considerarlos constituidos por iones. ;or

otra parte$ en molJculas como el benceno oel butadieno$ no se puede hablar deenla ces dobles$ sino de un enlacecovalente deslocalizado. En el casoextremo de los metales tenemosdistribuciones de pro babilidad "ue seextienden por todo el cristal$ es decir$existencia de electrones deslocalizados$

"ue explican su elevada conductividadelJctrica ! tJrmica. En la ES?$ lavisión unitaria se podr#a basar en elcarGcter elJctrico de las interacciones entre Gtomos.

;or Iltimo$ ! no menos importante$dado el desinterJs por los estudios de'#sica ! "u#mica "ue se detecta en elalumnado /Solbes et al.$ 2335 se uti

lizarG la historia de la ciencia en la propuesta para los estudiantes por"ue

la investi&ación didGctica ha puestode mani'iesto su carGcter motivador /)z"uierdo$ 4FFA( =atthe+s$ 4FFA5.En particular$ se ha comprobado "ueextraer de la historia los problemassi&ni'icativos$ evitar visiones do&mGticas$ mostrar la dimensión humana !la naturaleza colectiva ! controvertida

de la investi&ación cient#'ica ! de unahistoria contextualizada "ue muestrelas relaciones de la ciencia con la tecnolo&#a ! la sociedad produce actitudes

positivas en el alumnado /Solbes ! *raver$ 23345.

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