El Átomo

El tomo

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3.- EL TOMO.

3.1.- Introduccin. ........................................................................ 54

3.2.- Experiencias sobre la naturaleza elctrica de la materia ... 54 3.2.1.- El electrn .................................................................................... 54 3.2.2.- El modelo atmico de Thomson .................................................. 55

3.2.3.- El protn ................................................................................... 55

3.2.4.- El tomo de Rutherford ................................................................ 56

3.2.5.- El neutrn ..................................................................................... 57

3.3.- El ncleo atmico : Istopos ................................................. 58 3.3.1.- La radiactividad ......................................................................... 58

3.4.- Naturaleza dual de la luz .................................................... 60 3.5.- Espectros atmicos. El espectro del tomo de hidrgeno ... 60 3.6.- Modelo atmico de Bohr ...................................................... 64

3.7.- Mecnica cuntica ............................................................... 69 3.7.1.- Orgenes de la mecnica cuntica ................................................ 70

3.7.2.- Los nmeros cunticos ................................................................. 70 3.7.3.- Inconvenientes de la mecnica cuntica ...................................... 74

3.7.4.- Configuraciones electrnicas ....................................................... 75

3.8.- Evolucin histrica del Sistema Peridico ......................... 76 3.9.- Estructura electrnica y sistema peridico ......................... 78 3.10.- Tabla peridica y propiedades fsicas y qumicas ............. 79 3.10.1.- Propiedades elctricas ...................................................................79 3.10.2.- Energa de ionizacin ................................................................... 80

3.10.3.- Afinidad electrnica ......................................................................81

3.10.4.- Electronegatividad ........................................................................82

3.10.5.- Radio atmico e inico .............................................................. 82

3.10.6.- Estados de oxidacin .................................................................. 83

Tabla Peridica .......................................................................... 84

3.11.- Problemas y cuestiones ........................................................ 85

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3.1.- Introduccin. Desde la aparicin de la teora atmica de Dalton, han sido muchas las experiencias que

han dado la evidencia de que los tomos no eran indivisibles, sino que estaban formados por

partculas subatmicas; y estos descubrimientos dieron lugar a la elaboracin de modelos

tericos a cerca de la estructura del tomo.

En este tema vamos a conocer a fondo cmo es el tomo, describiendo las experiencias y

los modelos atmicos que surgieron a lo largo de la historia.

3.2.- Experiencias sobre la naturaleza elctrica de la materia.

3.2.1.- El electrn. Si en un tubo de rayos catdicos introducimos un gas a muy baja presin y le aplicamos un alto voltaje entre los electrodos, se observa la formacin de unos rayos que van del ctodo

al nodo (rayos catdicos).

Se trataba de partculas materiales ya que si colocbamos en su trayectoria un molinillo

de aspas muy finas, stas giraban al chocar sobre ellas los rayos catdicos y adems tenan que

ser de carga negativa puesto que se dirigan al polo positivo y podan ser desviadas por la

accin de campos magnticos.

Si en el tubo se aplicaba el vaco el fenmeno tambin ocurra. A estas partculas se las

llam electrones.

Sea cual fuese el material del ctodo o el gas del tubo, las partculas emitidas eran

siempre las mismas, lo que llev a la idea de que los electrones eran un constituyente

fundamental de todos los tomos.

Aos ms tarde, en 1909, Millikan, mediante un famoso experimento a travs de

campos elctricos y magnticos, pudo determinar que:

masa del electrn = 9'18.10-31 Kg.

carga del electrn = - 1'602.10-19 C.

El tomo

55

3.2.2.- El modelo atmico de Thomson. El descubrimiento de los electrones y de los rayos catdicos supuso toda una revolucin ya que pona en evidencia que la teora atmica de Dalton poda tener fallos: los

tomos no eran indivisibles sino que estaban formados por partculas ms pequeas. Pero, todo

sto plante nuevos interrogantes: cmo era el tomo en su interior?, cul era su estructura?

La primera hiptesis la emiti Joseph John Thomson en 1904 al suponer que:

"El tomo est constituido por una esfera material, pero de carga

elctrica positiva, dentro de la cual se encontraban embebidos los

electrones necesarios para neutralizar dicha carga y distribuidos en

una ordenacin que depende del elemento correspondiente".

Este modelo explicaba el fenmeno de los rayos catdicos

ya que el tomo as constituido desprenda electrones al provocar

una diferencia de potencial elevada entre los electrodos del tubo de

rayos catdicos.

3.2.3.- El protn. Si la materia es elctricamente neutra y est compuesta por partculas de carga negativa, (electrones), es de esperar que tambin existan partculas de carga positiva.

La primera evidencia experimental de la existencia de dichas partculas fue dada por

Goldstein en 1886 usando tambin un tubo de descarga de gases en el que se haban practicado

unos orificios en el ctodo (polo negativo).

Al mismo tiempo que se producen los rayos catdicos, se producan otros rayos (rayos

canales), algunos de los cuales atravesaban los orificios del ctodo para chocar con las paredes

del tubo.

Ms tarde se demostr que dichas partculas estaban cargadas positivamente y que su relacin c/m dependa del gas utilizado en las experiencias.


56

La explicacin de todos estos fenmenos, era la siguiente: al aplicar un alto voltaje al

tubo se desprenden electrones del material que forma el ctodo dirigindose hacia el nodo

(polo positivo). Algunos de los electrones chocaban por el camino con las partculas del gas,

de las que se desprenden a su vez electrones, quedando las partculas del gas cargadas

positivamente y dirigindose hacia el ctodo (rayos canales).

Se demostr que la ms pequea de estas partculas tena aproximadamente la misma

masa que 1 u.m.a. y una carga positiva de igual magnitud que la del electrn. A esta partcula

se la llam protn.

masa del protn = 1'672.10-27 Kg.

carga del protn = + 1'60210-19C.

3.2.4.- El tomo de Rutherford. A principios del siglo XX ya se saba que el tomo estaba constituido por dos partculas: el electrn (e-) y el protn (p+).

En 1906 Rutherford llev a cabo un experimento para comprobar la veracidad del

modelo de Thomson, para ello, bombarde con partculas alfa, "", (ncleos de tomos de He, es decir, partculas con dos cargas positivas), una lmina de oro de unos 500 A de espesor.

Segn el modelo de Thomson, al tener el tomo la carga positiva uniformemente

repartida por todo el volumen del tomo y ser de densidad muy baja, slo debera ejercer

dbiles fuerzas elctricas de repulsin sobre las partculas alfa y por lo tanto deberan pasar

todas sin sufrir modificaciones significativas de su trayectoria, sin embargo, Rutherford se

encontr con un hecho sorprendente:

a) La mayora de las partculas, efectivamente, atravesaban la lmina de oro sin

desviarse, pero lo sorprendente del experimento era que:

b) unas pocas se desviaban de su trayectoria y muy pocas incluso rebotaban (una de

cada 8000 se desviaba ms de 90 con respecto a su trayectoria inicial). El mismo Rutherford

describe su asombro ante tal resultado con estas palabras: "...Esto era lo ms increble que me

haba ocurrido en mi vida. Tan increble como si dispararas un proyectil de 15 pulgadas, contra

una hoja de papel de seda y rebotara de vuelta hacia ti

El tomo

57

Para explicar este fenmeno, Rutherford, en 1911, emiti una serie de hiptesis acerca

de la estructura interna del tomo:

a) La mayora del espacio de los tomos est libre de partculas.

b) Los tomos contienen en el centro un ncleo positivo

constituido por protones y donde est concentrada casi toda la masa del

tomo.

c) Los e- forman una corteza extranuclear y debern moverse

continuamente para no precipitarse sobre el ncleo debido a la atraccin

electrosttica.

d) El tamao del ncleo es de diez a cien mil veces menor que el tamao del tomo,

(existe un gran vaco).

3.2.5.- El neutrn. Ya en 1920, el mismo Rutherford, supuso que el ncleo de los tomos estaba constituido por protones y adems parejas protn - electrn, que denomin neutrones. Sin

embargo, fue en 1932 cuando, al poder determinar con mayor precisin la relacin carga /

masa de algunos iones, James Chadwick pudo demostrar la existencia de un tercer componente

del tomo, el neutrn, que no posea carga elctrica y tena una masa similar a la del protn.

Partcula Masa en Kg Masa en umas Carga en C Carga relativa Electrn 9,108.10-31 0,00055 - 1,602.10-19 -1 Protn 1,672.10-27 1,00759 + 1,602.10-19 +1

Neutrn 1,675.10-27 1,00898 0 0

Aunque nosotros trabajaremos con estas tres partculas, electrones, protones y

neutrones, debemos saber que la subdivisin contina. En 1964 Gell-Mann y Zweig

propusieron la teora de los Quarks. Esta considera que en el tomo existen dos docenas de partculas, en su mayora inestables de forma aislada y algunas de ellas incluso con carga

fraccionaria, que pueden agruparse en dos familias: los leptones y los guarks.

Son de un inters especial las llamadas antipartculas: el positrn, el antiprotn y el

antineutrn que son partculas de idntica masa que sus homnimas pero con carga de distinto

signo.

Las antipartculas son estables de forma aislada, pero cuando se encuentran con sus

equivalentes, se aniquilan mutuamente transformndose en energa por completo. Hay teoras

que suponen la existencia de galaxias enteras formadas por antimateria. Puedes encontrar ms

informacin en la siguiente pgina web:

http://www.edu.aytolacoruna.es/aula/fisica/teoria/quark/spa_home.html


58

3.3.- El ncleo atmico. Hoy se sabe que el ncleo de cualquier tomo est constituido por protones y neutrones. A partir de ellos, se define:

- Z: nmero atmico = n protones del ncleo = n electrones si el tomo est neutro. - A: nmero msico = n protones + n neutrones = partculas que hay en el ncleo.

Si dos tomos poseen el mismo nmero atmico Z, pertenecen al mismo elemento. Es

decir, que un elemento queda perfectamente definido dando su nmero atmico; sin embargo,

para dar ms informacin, tambin se suele dar el nmero msico, representndose de la

siguiente manera:

por ejemplo: 13C 6 protones, 6 electrones y 7 neutrones

14

C 6 protones, 6 electrones y 8 neutrones

14N 7 protones, 7 electrones y 7 neutrones

con frecuencia, como vemos, el nmero atmico se omite, ya que al dar el smbolo del

elemento queda perfectamente definido.

Los istopos son tomos de un mismo elemento, (por tanto, igual nmero atmico) con distinto nmero msico A, es decir, poseen diferente nmero de neutrones en su ncleo.

3.3.1.- La radiactividad.

Becquerel en 1896 descubri, de forma casual, que ciertas sales de Uranio emitan

espontneamente radiaciones.

Mediante campos magnticos, se vio que haba tres tipos de radiaciones:

- (alfa): Se trata de partculas positivas que hoy se sabe que son ncleos

de tomos de He. Poseen poca energa y no

pueden atravesar una simple hoja de papel.

Rutherford utiliz estas partculas en su

experimento, procedentes de la

desintegracin radiactiva del Polonio.

- (Beta): Son partculas, cargadas negativamente, de propiedades similares a

los rayos catdicos. Son, por tanto,

electrones. Poseen una energa media y se

detienen con una plancha de aluminio de un

milmetro.

- (Gamma): No tiene carga ni masa. Es energa pura similar a la luz pero de longitud de onda ms pequea. Para detenerla

necesitamos una capa de plomo de unos 22 cm de ancha.

El tomo

59

La radiactividad natural es debida a la ruptura espontnea de los ncleos. Una

indicacin de la estabilidad de estos ncleos, es la relacin neutrn/protn (N/P). Para los 20

primeros elementos, la relacin es aproximadamente 1 y a partir de masa atmica 40, los

ncleos se van enriqueciendo de neutrones para neutralizar la repulsin de los protones (por

ejemplo, el istopo 238 del Uranio tiene 92 protones y 146 neutrones).

A pesar de todo, los ncleos ms abundantes poseen una relacin N/P inferior a 1'2 y

no se hallan ncleos estables con N/P superior a 1'6. Sin embargo, a partir del nmero atmico

83, la repulsin de los protones es tan grande, que neutrones adicionales ya no pueden

estabilizar el ncleo, y estos ncleos muy pesados se descomponen espontneamente ya sea

con radiacin , y/o .

Soddy formul las siguientes leyes que rigen los procesos de desintegracin radiactiva:

1.- Cuando un ncleo emite una partcula , su nmero msico disminuye en 4 unidades y su nmero atmico en 2.

2.- Cuando un ncleo emite una partcula , su nmero msico no se modifica y su

nmero atmico aumenta en una unidad.

3.- Cuando un ncleo emite una partcula , no vara ni su nmero msico ni su nmero atmico, slo pierde cierta cantidad de energa (que debe ser mltiplo de un cunto de

energa).

La estructura de los ncleos puede perturbarse artificialmente bombardendolos con

neutrones u otras partculas y se producen entonces ncleos inestables que se descomponen

espontneamente emitiendo radiaciones , y , es la llamada radiacin artificial. As se han obtenido istopos radiactivos de casi todos los elementos. Algunos de ellos tienen aplicaciones

de inters cientfico, por ejemplo:


60

a) Seguir la marcha de una molcula "marcada" en una determinada reaccin qumica.

b) Calcular la edad de ciertos materiales orgnicos, (C14

)

c) Prevenir y curar determinados tipos de enfermedades.

d) Conservacin de alimentos.

e) Combatir determinadas plagas de insectos.

f) Obtencin de especies vegetales de mayor rendimiento.

3.4.- Naturaleza dual de la luz.

Si tiramos una piedra en una piscina donde est flotando un objeto, observamos la

superficie del agua subiendo y bajando, y como esta perturbacin se va propagando de forma

peridica, es decir, a intervalos regulares. Sin embargo, el flotador no se desplaza. Podemos

definir una onda como: La propagacin de una perturbacin vibracional en la cual se transmite energa pero no materia.

En los siglos XVIII y XIX, se apuntaba hacia la idea de que la luz posea una

naturaleza ondulatoria, es decir se poda representar mediante la ecuacin de una onda que se

caracteriza por tener una serie de parmetros como:

- Longitud de onda: Distancia entre dos mximos consecutivos, (se miden en A debido a que dichas distancias son muy pequeas).

T - Perodo: tiempo en el que la onda recorre un espacio igual a la longitud de onda. Se mide en segundos.

- Frecuencia: Es el nmero de longitudes de onda que pasan por un determinado punto en un segundo. Se mide en Hz (hertz o sg-1 ). Evidentemente es la inversa del perodo.

T

1

- Nmero de onda: Es el nmero de longitudes de onda que hay en un centmetro, (se mide en cm-1) y es la inversa de la longitud de onda.

Estos enunciados, para el caso de la luz, se pueden expresar matemticamente de la

siguiente manera: la luz por propagarse con M.R.U. cumple la ecuacin: v = e/t, y como v =

c=3.108 m/s, y e= para t=T, se puede poner que:

c = T

El tomo

61

es decir:

c

ondadelongitud

velocidadfrecuencia

A principios del siglo XX, Planck y Einstein encontraron que la teora ondulatoria de la luz no explicaba ciertos hechos experimentales. Por ejemplo, cuando se irradia luz sobre la

superficie de ciertos metales, estos emiten electrones. Este hecho no sera extrao si se pensase

que la luz como fuente de energa interacta con la materia arrancando electrones. Por lo

tanto, sera de esperar que si se aumentase la intensidad de la luz, los electrones saliesen con

ms velocidad, sin embargo, lo que ocurre, es que ha medida que aumenta la intensidad de la

luz, el nmero de electrones que salen aumenta, pero todos ellos salen con la misma velocidad

y para conseguir que aumente la velocidad de salida de los electrones hay que aumentar la

frecuencia de la luz suministrada.

Este fenmeno fue explicado por Planck en 1900 imaginando que la luz est compuesta

por paquetes de ondas llamados cuantos o fotones, es decir, que la luz posee una naturaleza

corpuscular. Cada fotn posee una determinada energa que slo depende de su frecuencia:

E = h.

donde es la frecuencia de la luz y h la llamada constante de Planck cuyo valor es de 6'67.10-34 J.s. A mayor frecuencia mayor energa de la luz incidente y como la frecuencia es

inversamente proporcional a la longitud de onda, a menor longitud de onda, mayor energa. En

el siguiente grfico se muestra desde las ondas menos energticas, que son las ondas de radio

hasta las ms energticas que son los rayos :

Para liberar un electrn hace falta una energa mnima h..o, donde es la frecuencia umbral y por debajo de ella no se arrancan electrones. A medida que la frecuencia aumenta, la

energa es mayor y por tanto la velocidad de salida de los e- aumenta. Sin embargo, si aumenta

la intensidad de la luz se aumenta el nmero de fotones, pero no la energa de stos, por lo

tanto saldrn ms e- pero todos con la misma velocidad.

Hay ciertos fenmenos de la luz que no se pueden explicar por la teora corpuscular de

la luz y slo son explicables atendiendo a la teora ondulatoria, por eso se habla de la

naturaleza dual de la luz (onda y corpsculo).

Se ha observado que cuando la luz interacta con los tomos, stos absorben radiacin

electromagntica incluso por debajo de la frecuencia umbral, sin embargo, cada tomo absorbe

nicamente luz de determinadas frecuencias. Hay aparatos que registran estas frecuencias o

longitudes de onda de la radiacin absorbida, denominados espectroscopios.


62

3.5.- Espectros atmicos. El espectro del tomo de Hidrgeno.

Un espectro puede definirse como el anlisis de las distintas longitudes de onda

emitidas por un foco luminoso. Todo rayo de luz de una determinada longitud de onda, tiene

como imagen en el espectro una y slo una raya de la misma longitud de onda y frecuencia.

El espectro visible, dentro del espectro electromagntico se extiende entre las

longitudes de onda de 3800 A a 7400 A, con los siete colores del arco iris; no obstante el

espectro se prolonga para longitudes de onda inferiores y superiores:

Hay dos tipos de espectros:

a) espectro de emisin: Cuando los tomos de un determinado elemento se calientan a

una cierta temperatura mediante la llama o el arco elctrico, stos se excitan y emiten luz de

unas determinadas longitudes de onda que pueden separarse por mtodos fsicos (prismas), e

impresionan una placa fotogrfica llamada espectro de emisin.

El tomo

63

La siguiente representacin corresponde al espectro de emisin del tomo de

hidrgeno:

este es un esquema de la imagen del espectro de emisin del tomo de hidrgeno:

b) espectro de absorcin: Se consigue al hacer pasar una luz blanca (que contiene todos los colores o frecuencias) a travs de la muestra gaseosa, la cual absorbe parte de dicha

energa. La luz que sale de la muestra (no absorbida) se descompone por medio de un prisma y

contendr todas las frecuencias menos las que haya absorbido la muestra, y se estudiarn las

ausencias, es decir, lneas que le faltan a la luz blanca. En la representacin siguiente se

muestra cmo se realiza el espectro de absorcin del tomo de hidrgeno:


64

A continuacin tienes una representacin del espectro de absorcin del tomo de

hidrgeno:

Cada elemento o sustancia tiene unos espectros de emisin y absorcin caractersticos. Los de emisin se utilizan con mayor frecuencia ya que aparecen ms lneas que adems

pueden asociarse en unas series representativas, por ejemplo, para el tomo de hidrgeno se

denominan con el nombre del investigador que las descubri:

1 serie: Lyman (1916): est en el espectro ultravioleta.

2 serie: Balmer (1885): espectro visible y ultravioleta.

3 serie: Paschen (1908): espectro infrarrojo.

4 serie: Brackett (1922): espectro infrarrojo.

5 serie: Pfund (1927): espectro infrarrojo.

6 serie: Humphreys (1952): espectro infrarrojo.

Las lneas espectrales del tomo de hidrgeno obedecen a una expresin matemtica

experimental muy simple determinada por Rydberg:

22

__ 111

if

Hnn

R

con nf = 1 y ni = 2,3,4, ... serie Lyman con nf = 2 y ni = 3,4,5, ... serie Balmer

con nf = 3 y ni = 4,5,6, ... serie Paschen

...

con nf = 6 y ni = 7,8,9, ... serie Humphreys

3.6.- Modelo atmico de Bohr. No hubo ningn cientfico que propusiera una teora que explicara el fenmeno de los espectros hasta que Bohr, proponiendo su modelo atmico, en 1913, los explic. Dicho

modelo se puede resumir en los siguientes puntos:

El tomo

65

a) El electrn del tomo de Hidrgeno describe una rbita circular alrededor del ncleo.

b) En el tomo, el electrn slo puede estar en ciertos estados permitidos (determinadas

rbitas). Cada una de estas rbitas tiene una energa fija y definida.

c) El menor estado energtico en el que el e- puede encontrarse se llama estado

fundamental. Cuando el e- se encuentra en un estado energtico ms elevado (estado

excitado), puede "saltar" a otro menor emitiendo un cuanto de energa h., correspondiente a las diferencias de energas de los dos estados.

d) Slo pueden existir aquellos estados del movimiento electrnico cuyo momento angular

(m.v.r), sea mltiplo de h/2.

Esto indica que la energa slo puede tener ciertos valores, es decir, est cuantificada, y

en cualquiera de las rbitas permitidas se debe cumplir que la fuerza centrpeta que acta sobre

el e-,(me.v/r), sea igual a la fuerza de atraccin electrosttica (K.e/r). Bohr realiz una

demostracin matemtica muy compleja para comprobarlo pero que escapa de nuestro nivel;

nosotros vamos a realizar otra que, sin ser rigurosa, nos puede servir para comprenderlo

mejor:

12

2

2

22

r

eKvm

r

eK

r

vme

e

por otra parte segn el cuarto postulado:

22h

nrvme

si eliminamos la velocidad (v) de las dos expresiones:

de (2) elevndola al cuadrado: 34 2

22222

h

nrvme

dividiendo ordenadamente (3) y (1):

r

eK

hn

vm

rvm

e

e

2

2

22

2

2224

1

3

que simplificando y despejando el valor del radio de la rbita:

44

22

22

eKm

hnr

e

que es la expresin de los radios de las rbitas permitidas. A n se le llama nmero cuntico principal y puede tomar valores enteros positivos desde 1 hasta infinito.


66

Por otra parte la energa total del electrn (e-) ser la suma de su energa potencial elctrica ms su energa cintica:

22

2

1vm

r

eKEEE ecpT

que teniendo en cuenta la expresin (1): r

eKvme

22

52

1

2

1222

r

eK

r

eK

r

eKET

si sustituimos el valor del radio dado por la ecuacin (4):

61222

22

nh

meKE eT

adems uno de los postulados del modelo atmico de Bohr dice:

fi EEh

luego:

222

22112

if

e

nnh

meKh

222

22__ 1121

if

e

nnh

meK

c

711122

__

if nnA

ecuacin que coincide con la ecuacin experimental de Rydberg y el valor de la ctte K, se

aproxima bastante con el valor experimental (Rh). Es la primera vez, en la historia de la ciencia,

que una ecuacin terica permite deducir valores experimentales, lo que propici que este

modelo tuviese un gran auge.

El tomo

67

Para comprender el modelo atmico de Bohr hay que tener presente dos cosas:

a) No todas las rbitas son posibles. Los radios de las permitidas vienen dados por la

ecuacin (4) que podemos expresar de la siguiente manera, donde K es una

constante y n el nmero cuntico principal:

...,4,3,2,12 nnKr

como vemos a medida que el nmero cuntico principal aumenta, el radio crece de

forma cuadrtica, es decir, que las rbitas estn cada vez ms alejadas unas de

otras conforme nos alejamos del ncleo.

b) No todas las energas son posibles. La energa est cuantizada. Cada rbita tiene

una energa fija y definida que viene dada por la ecuacin (6):

...,4,3,2,1

2 n

n

KE

la energa va creciendo a medida que aumenta el nmero cuntico principal pero

inversamente proporcional a su cuadrado, es decir, que a medida que nos alejamos

del ncleo, la energa va aumentando y cada vez en menor proporcin, por eso

rbitas muy alejadas del ncleo tienen energas muy parecidas, mientras que las

ms cercanas al ncleo tienen energas muy diferentes:


68

n = 2 E = 5,43 1019 J

n = 3 E = 2,42 1019 J

n = 4 E = 1,36 1019 Jn = 5 E = 0,87 1019 Jn = E = 0 J

n = 1 E = 21,76 1019 J

Niveles permitidos (para el tomo de hidrgeno)

Ene

rga

la primera rbita es la que menos energa posee.

c) Cuando un tomo es excitado, mediante una llama o un arco elctrico, sus

electrones ganan energa y pasan a rbitas ms energticas (ms alejadas del ncleo)

y posteriormente, al enfriarse, vuelven a niveles inferiores emitiendo la diferencia de

energa entre las dos rbitas, que viene dada por la ecuacin (7).

n = 2

n = 3

n = 4n = 5

n =

n = 1

Series espectrales

n = 6

Lyman

Paschen

Balmer

Bracket

Pfund

Espectro

UV Visible Infrarrojo

SERIES: Lyman Balmer Paschen Bracket Pfund

E = h

El tomo

69

3.7.- Mecnica cuntica. 3.7.1.- Orgenes de la mecnica cuntica. El modelo atmico de Bohr constituy la primera explicacin cuantitativa del tomo,

pero para ello hubo que abandonar los principios de la mecnica clsica (energa est

cuantizada). Por ello la teora de Bohr es la primera teora cuntica del tomo. Sin embargo, el

tomo de Bohr no es capaz de explicar los espectros de tomos plurielectrnicos, tan solo

explica el del tomo de hidrgeno.

Todas estas ideas se resumen diciendo que tanto la energa como la materia son

discontinuas. Algunas de las teoras que surgieron de la mecnica cuntica son:

a) Hiptesis de De Broglie (1924): Planck y Einstein dedujeron la naturaleza dual de la luz (onda-partcula) y De Broglie traslad esta teora a cualquier tipo de partcula material.

Al combinar las ecuaciones de Einstein y de Planck:

cm

hcm

ch

ccmh

hE

cmE

22

2

que para cualquier otra partcula, con una velocidad distinta a la de la luz:

8p

h

vm

h

es decir, que toda partcula en movimiento lleva asociada una onda cuya longitud () viene dada por la ecuacin (8). Esta hiptesis fue confirmada en 1927 pero slo adquiere relevancia

para cuerpos microscpicos, ya que para los macroscpicos se observan longitudes de onda

extremadamente pequeas.

b) Principio de incertidumbre de Heisemberg (1927): "Es imposible determinar simultneamente la posicin y la velocidad de una partcula con absoluta precisin y exactitud".

Tambin demostr que el error ms pequeo que se puede cometer es:

4h

px

A partir de todo sto el modelo atmico de Bohr debera considerarse incorrecto puesto que con l poda medirse con exactitud la posicin y la velocidad del electrn (radio y

energa de la rbita).


70

Actualmente no se habla de rbitas sino de zonas donde es probable encontrar al electrn. A

dichas zonas se las llama orbital atmico y se definen como la zona del espacio que encierra entre un 90 y un 99% de la probabilidad de encontrar el electrn en un estado energtico constante.

c) Ecuacin de Schrdinger: Como todas las partculas pueden comportarse como ondas se pens en describir al electrn mediante las ecuaciones matemticas de las ondas. El primero que

lo hizo fue Schordinger en 1927 (mecnica ondulatoria).

Cuando se soluciona un problema en mecnica clsica se obtiene la posicin y velocidad de

un objeto, sin embargo en mecnica ondulatoria la solucin viene dada por funciones de onda .

Dicha funcin de ondas no tiene significado fsico real, sin embargo, su cuadrado (2) es una

medida directa de la probabilidad de encontrar al e- en una determinada regin del espacio. En

consecuencia, las representaciones de los cuadrados de las funciones de onda, constituyen una

expresin matemtica del orbital atmico. En el punto siguiente tienes algunas de las citadas

representaciones.

3.7.2.- Los nmeros cunticos.

Cada funcin de onda viene determinada por una serie de nmeros cunticos y slo son

permitidas las funciones de onda de determinados conjuntos de nmeros cunticos que sirven

tambin para definir el orbital atmico. Estos nmeros cunticos son tres:

a) Nmero cuntico principal ("n") 1, 2, 3, ..., expresa la mayor o menor probabilidad de encontrar al e

- cerca del ncleo, (a mayor n, el e

- estara

ms tiempo alejado del ncleo). Indica el nmero de capa o nivel energtico de la misma.

b) Nmero cuntico secundario ("l") 0, ..., n-1, para cada "n; especifica el momento angular del electrn en su movimiento alrededor del ncleo y determina la forma espacial del orbital.

Indica el nmero de subniveles energticos que pueden existir en un nivel dado. Por razones

histricas, a cada valor de este nmero cuntico se le designa por una letra:

El nmero cuntico principal y el secundario determinan conjuntamente la energa del

orbital en un tomo.

c) Nmero cuntico magntico ("m") - l, ... ,0 , ..., + l, para cada " l; representa la orientacin de la forma espacial de cada orbital segn un eje arbitrario

de referencia que viene dado por un campo magntico externo.

Valor del n cuntico l 0 1 2 3 4 5 ... letra asignada s p d f g h ...

El tomo

71

A todos los orbitales atmicos con los mismos nmeros cunticos principal y secundario se

les llama orbitales degenerados ya que poseen la misma energa, aunque posean distinto nmero

cuntico magntico. Sin embargo, con la presencia de un campo magntico externo, esta igualdad

energtica se rompe, ya que la distinta orientacin espacial hace que sus interacciones con el campo

magntico y por lo tanto, sus contenidos energticos, sean ligeramente diferentes. Este

desdoblamiento no ocurre con los orbitales s ya que tienen simetra esfrica, pero s con todos los

dems, es decir, los p, d, f, ... Este fenmeno se pone de manifiesto al realizar el espectro de

un tomo en el interior de un campo magntico, ya que al haber ms niveles energticos diferentes,

aparecen ms lneas espectrales, ya que aumenta el nmero de trnsitos electrnicos posibles. A este

efecto se le denomina Efecto Zeeman.

Los tres nmeros cunticos, antes descritos, definen un orbital; su tamao, su forma y su

orientacin, as como su energa:

La forma de nombrarlos es, o bien a travs de sus nmeros cunticos, o bien colocando en

primer lugar el valor del nmero cuntico principal, despus la letra asignada para el valor del

nmero cuntico secundario y a continuacin la letra o letras de los ejes coordenados del espacio

como subndice; por ejemplo:

n = 1 , l = 0 , m = 0 (1 , 0 , 0) orbitales 1s

n = 3 , l = 2 , m = 1 (3 , 1 , 1) orbitales 3px

n = 5 , l = 2 , m = -2 (5 , 2 , -2) orbitales 5dxy


72

Es importante recordar que no todas las posibilidades de nmeros cunticos estn

permitidas, slo aquellas que cumplen los rangos de validez de cada uno de ellos, por ejemplo, estos

tros de nmeros cunticos no podran representar a un orbital de un tomo:

(0 , 0 , 0) n no puede tomar el valor de 0

(2 , 2 , 1) l no puede tomar el valor 2 si n toma el valor de 2

(3 , 1 , 2) m no puede tomar el valor 2 si l toma el valor de 1

Cuando n = 1 slo existe un orbital, el (1,0,0) 1s.

smln 1)0,0,1(001

Para n = 2 existen cuatro orbitales, de acuerdo con el rango de validez de los nmeros

cunticos:

x

y

y

pm

pm

pm

l

sml

n

21,1,21

20,1,20

21,1,21

1

20,0,200

2

y para n = 3 sern 9 orbitales posibles:

22

2

30,2,32

31,2,31

30,2,30

31,2,31

32,2,32

2

31,1,31

30,1,30

31,1,31

1

30,0,300

3

yx

xz

z

yz

xy

x

y

y

dm

dm

dm

dm

dm

l

pm

pm

pm

l

sml

n

El tomo

73

En cada capa "n" hay n orbitales. Comprubalo para n=4 y n=5.

Los orbitales designados por una misma letra son parecidos, as los 1s son parecidos a los

2s, pero como n es mayor los orbitales son ms grandes. A continuacin tienes una representacin

grfica de algunos de los orbitales atmicos antes descritos:

N cuntico principal n 1 2 3 4 5 ... n N de orbitales 1 4 9 16 25 n2


74

En 1928, Dirac, al combinar la teora cuntica con la teora relativista, introdujo un cuarto

nmero cuntico para designar al electrn:

iv) nmero cuntico de Spn "s" + ,- Clsicamente representa el movimiento de rotacin del electrn alrededor de s mismo. El electrn,

como carga elctrica en movimiento, crea un campo magntico que puede ser del mismo sentido o

de sentido opuesto a otro campo magntico externo. Al poder tener slo dos sentidos de giro sobre

s mismo, "s" slo podr tomar 2 valores + y -.

Los electrones de spines opuestos, como dos imanes colocados paralelamente y de

sentido opuesto, se atraen, compensando las fuerzas de repulsin electrosttica, quedando

stos apareados. Por otro lado, los electrones de spines paralelos, al igual que dos imanes

colocados paralelamente y en el mismo sentido, se repelen. Es imposible aparear dos electrones

del mismo spn por las repulsiones de las fuerzas elctrica y magntica.

Para determinar a un electrn, hay que indicar el orbital atmico en el que se encuentra y su

spn, es decir, hacen falta cuatro nmeros cunticos:

Como en cada capa hay n orbitales, en cada una de ellas cabrn un mximo de 2n

electrones:

3.7.3.- Inconvenientes de la mecnica cuntica. La mecnica cuntica se basa en asignar una funcin de onda a los electrones de los tomos para describir su movimiento y estado energtico. Dicha funcin de ondas, se puede escribir para

todos los tomos plurielectrnicos, pero slo se ha podido resolver para el tomo de hidrgeno

dada su sencillez (slo un protn en el ncleo y un electrn en la corteza).

Esta imposibilidad en la resolucin de la funcin de onda, surge de la gran complejidad

matemtica que resulta debido a la interaccin de varios electrones y protones entre s, por eso, se

han tenido que resolver mediante aproximaciones.

N cuntico principal n 1 2 3 4 5 ... n N de orbitales 1 4 9 16 25 n2

N de electrones 2 8 18 32 50 2n2

El tomo

75

3.7.4.- Configuraciones electrnicas. Una vez conocidos los orbitales atmicos de un tomo, slo nos hace falta saber cmo son

ocupados stos por los electrones en estado fundamental o de mnima energa. A este proceso se le

llama hallar la configuracin electrnica de un tomo. Para ello, hay que seguir una serie de reglas:

1.- Cada orbital puede tener, como mximo, dos electrones con spines antiparalelos. En un

tomo no pueden haber dos e- con los cuatro nmeros cunticos iguales (principio de

exclusin de Pauli).

2.- Los orbitales se llenan empezando por el de menor energa y siguiendo por los dems

en orden creciente (principio de aufbau). Dicho orden es el siguiente:

3.- Al ocupar los orbitales degenerados (de energas equivalentes), cada uno de ellos ha de

estar ocupado por un electrn antes de asignar un segundo electrn a cualquiera de

ellos. Los spines de estos electrones deben ser iguales (regla de la mxima

multiplicidad de Hund).

Por ejemplo, la configuracin electrnica del Azufre sera:

S (Z=16): 1s2 , 2s2 , 2p6 ,3s2 , 3p4

la del ion sodio Na+ (al tener carga +1, tendr un electrn menos):

Na+ (Z=11): 1s2 , 2s2 , 2p6


76

la del hierro:

Fe (Z=26): 1s2 , 2s2 , 2p6 ,3s2 ,3p6 , 4s2 , 3d6

y la del bromo:

Br (Z=35): 1s2, 2s2 , 2p6 ,3s2 ,3p6 ,4s2 , 3d10 , 4p5

La configuracin electrnica sirve para conocer los e

- que hay en la ltima capa, y sto es

muy importante ya que, tomos de configuracin electrnica de ltima capa similar tienen

propiedades qumicas parecidas. De hecho, la ordenacin de los elementos en el sistema peridico

actual se basa en las configuraciones electrnicas.

3.8.- Evolucin histrica del Sistema Peridico.

A medida que a principios del siglo XIX se fueron descubriendo ms sustancias que se

identificaron como elementos, los investigadores dispusieron de datos cada vez ms abundantes, y

observaron que las propiedades de algunos eran muy semejantes.

La primera clasificacin de los elementos que se propuso fue la de metales y no metales.

Ms adelante se observ que podan establecerse grupos de tres elementos con propiedades

muy similares de tal manera que el peso atmico del intermedio fuese aproximadamente igual a la

media de los otros dos. Esta fue la llamada clasificacin por "triadas", por ejemplo:

cloro-bromo-iodo, azufre-selenio-teluro, calcio-estroncio-bario, etc ...

Se sigui la bsqueda de un sistema de ordenacin mejor y en 1864 Newlans encontr,

agrupando las triadas en forma vertical de modo que cada elemento siguiese en sentido horizontal

un orden creciente de pesos atmicos correlativos, la denominada "ley de las octavas", es decir, que

tenan propiedades diferentes 8 elementos y el noveno coincida con las propiedades del primer

grupo.

No obstante a partir del K esta regla dejaba de cumplirse, motivo por el cual se desestim.

En 1869 Mendeleiev consider correcto el sistema de Newlans y argument que los

perodos no tenan porque ser de la misma longitud. Lo importante fue que Mendeleiev postul que

las propiedades fsicas y qumicas de los elementos son funcin peridica de sus pesos atmicos.

Mendeleiev orden los elementos en 7 filas horizontales y 8 verticales con subdivisiones

dentro de cada cuadro cuando era necesario. Con algunas modificaciones, ste es el sistema

peridico vigente en nuestros das.

La clasificacin peridica de los elementos tuvo gran importancia en aquella poca ya que

se pudo predecir la existencia de algunos elementos an no descubiertos as como sus propiedades,

gracias a que Mendeleiev dej vacantes algunos lugares para mantener la correlacin de las

propiedades. As se descubri el ekaboro, (escandio), el ekaluminio, (galio) y el ekasilicio,

(germanio) entre otros.

El tomo

77

Los principales inconvenientes de la tabla de Mendeleiev eran los siguientes:

a) La ordenacin por pesos atmicos

presentaba algunas discrepancias. As Ar-K,

Co-Ni, Te-I, quedan colocados en orden

inverso para mantener la correlacin de las

propiedades.

Hoy se ordenan los elementos no por pesos

atmicos, sino por los nmeros atmicos,

con lo que estos pares quedan

perfectamente ordenados y sto es lgico

porque el nmero atmico es un factor

determinante en la configuracin

electrnica de ltima capa del elemento y

por lo tanto de sus propiedades.

b) El Hidrgeno careca de ordenacin

adecuada aunque se le colocaba con los

metales alcalinos.

c) Los metales y no metales no estaban bien

diferenciados, por ejemplo el Pb y el C son

metal y no metal estando en la misma

columna.

d) Un gran nmero de elementos, (lantnidos

y actnidos), no tenan cabida en el sistema

peridico.

En la versin actual

estos inconvenientes se han

solucionado colocando los

lantnidos y actnidos en una

zona aparte y la clasificacin

entre metales y no metales

ha ido perdiendo inters.

En la tabla peridica

actual cada elemento se

caracteriza por su fila y su

columna. Las filas se

denominan periodos, (hay 7

periodos, 3 cortos y 4

largos), y las columnas son

grupos. Cada grupo tiene un

nombre caracterstico.


78

3.9.- Estructura electrnica y sistema peridico. Es interesante ver como varan las configuraciones electrnicas dentro del mismo grupo o de un mismo periodo en el Sistema Peridico.

Dentro de un mismo grupo todos poseen la misma estructura en el ltimo nivel de energa.

Como veremos en el tema siguiente, la semejanza de propiedades qumicas dentro de un mismo

grupo se debe a esta caracterstica.

En un periodo cada elemento se diferencia del anterior en que tiene un e- ms. Esta

diferencia es suficiente para un cambio radical en las propiedades.

Viendo la posicin que ocupa un elemento en la tabla peridica se puede hallar su

configuracin electrnica:

Hay algunas excepciones. Por ejemplo el Cr (Z=24) debera ser 4s2 3d

4 y, sin embargo, en

realidad es 4s1 3d5 debido a que los orbitales 4s y 3d son de energas muy parecidas y la energa

debida al desapareamiento de los e- compensa. Lo mismo les ocurre a los que poseen 9 e

- en los 5

orbitales d.

A la vista de todo ello, podemos clasificar los elementos en 4 categoras:

a) Elementos normales - ns1 ns2 np1 ........np5 cada uno de estos grupos o familias de

elementos tienen un nombre caracterstico:

ns1 alcalinos (excepto el Hidrgeno). ns

2 alcalinotrreos.

np1 trreos. np

2 carbonoideos.

np3 nitrogenoideos.

np4 anfgenos. np

5 halgenos.

El tomo

79

b) Elementos de transicin - ns2 (n-1)d1 ... ns (n-1)d10

c) Elementos de transicin interna - ns2 (n-1)d

1 (n-2)f

y el nivel f presenta un llenado

irregular.

d) Gases nobles - ns2 np

6 (excepto el He que es 1s).

En la direccin de la siguiente pgina web podrs encontrar ms informacin sobre las

configuraciones electrnicas y sus irregularidades a lo largo del Sistema peridico:

http://www.educaplus.org/sp2002/index_sp.php

3.10.- Tabla peridica y las propiedades fsicas y qumicas.

3.10.1.- Propiedades elctricas. Los elementos situados a la izquierda de una diagonal formada por B, Si, Ge, As y Te, son

conductores de la electricidad y se llaman metales.

Son elementos con pocos electrones en la ltima capa,

que tienen tendencia a perderlos para adquirir

configuracin electrnica de gas noble quedndose,

por tanto, cargados positivamente formando cationes.


80

Los elementos de la derecha no son conductores y se llaman no metales. Son elementos con

muchos electrones en la ltima capa y que tienen tendencia a ganar para completarla cargndose

negativamente formando aniones.

Los elementos de la diagonal se llaman semimetales. La clasificacin no es tan clara en las

proximidades de la diagonal.

3.10.2.- Energa de ionizacin. La energa de ionizacin, o tambin llamada potencial de ionizacin, es la mnima energa necesaria para arrancar a un tomo en estado gaseoso su electrn ms externo (el ms dbilmente

unido a l). Las ecuaciones que rigen este proceso son:

X (g) + EI1 X+ (g) 1 Energa de ionizacin

X+ (g) + EI2 X

+2 (g) 2 Energa de ionizacin

X+2 (g) + EI3 X+3 (g) 3 Energa de ionizacin

se puede comprobar que:

EI1 < EI2 < EI3

ya que costar menos arrancar un electrn a un tomo neutro que a un tomo cargado

positivamente, con defecto de electrones. Hay que tener en cuenta que en el momento en el que se

vaca una subcapa, y se separa el primer electrn de la subcapa inmediatamente inferior, se produce

un salto pronunciado de la energa de ionizacin, por ejemplo:

Elem Z Configuracin electrnica EI1 EI2 EI3 EI4 Na 11 1s2 2s2 2p6 3s1 5,1 47,3 71,7 98,9 Mg 12 1s2 2s2 2p6 3s2 7,6 15,0 80,1 109,3 Al 13 1s2 2s2 2p6 3s2 3p1 6,0 18,2 28,4 120,4

los valores estn dados en eV (electrn-voltios), que es la energa de un electrn acelerado a travs

de una diferencia de potencial de un voltio y que equivale a 1'602.10-19 J.

Influyen tres factores en la energa de ionizacin:

a) Nmero atmico: a mayor nmero atmico, (ms protones), mayor ser la energa

necesaria para ionizarlo.

b) Radio atmico: a mayor distancia la fuerza de atraccin entre el ncleo y el e- disminuye

y, por lo tanto, la energa de ionizacin disminuir, ya que ser ms fcil arrancarlo.

c) Orbitales atmicos completos o semicompletos, ya que dan estabilidad al tomo y por lo

tanto costar ms arrancarle un electrn.

El tomo

81

por estas tres razones, con algunas excepciones, la energa de ionizacin vara a lo largo del Sistema

Peridico de la siguiente manera:

a) En un grupo aumenta hacia arriba debido a que al pasar de un elemento al inferior, contiene una capa ms y por lo tanto, los electrones de la capa de valencia, al estar ms alejados del

ncleo, estarn menos atrados por l y costar menos energa arrancarlos.

b) En un mismo perodo, en general, aumenta a medida que nos desplazamos hacia la derecha, ya que los elementos all situados tienen tendencia a ganar electrones y por lo tanto

costar mucho ms arrancarlos que a los de la izquierda que, al tener pocos electrones en la

ltima capa les costar mucho menos perderlos.

3.10.3.- Afinidad electrnica. La afinidad electrnica o electroafinidad es la energa generalmente desprendida cuando un tomo en estado gaseoso capta un electrn transformndose en un in negativo. La ecuacin

qumica que la representa es:

X (g) + e- X- (g) + AE1 1 afinidad electrnica

X- (g) + e- X-2 (g) + AE2 2 afinidad electrnica

X-2 (g) + e- X-3 (g) + AE3 3 afinidad electrnica

mientras que la AE1 es generalmente una energa desprendida, es decir, negativa, la AE2 es siempre

energa absorbida, ya que el segundo electrn a captar es repelido por el anin formado al haber

captado ya el primero.

El hecho de que la primera energa de afinidad electrnica sea generalmente una energa

desprendida, significa que el anin formado es ms estable que el tomo neutro. Esta situacin es

bastante probable para los elementos situados a la derecha de la tabla peridica (a excepcin de los

gases nobles) ya que estos tienen tendencia a ganar electrones para adquirir configuracin

electrnica de gas noble. Por el contrario, los situados a la izquierda, tendrn una baja afinidad

electrnica ya que lo que tienen tendencia es a perder electrones y no a captarlos.

En un grupo suele aumentar a medida que disminuye el nmero atmico, ya que al ser

tomos ms pequeos, el electrn que se capta queda ms influenciado por la cercana del ncleo.


82

Resumiendo, la variacin de la afinidad

electrnica a lo largo del sistema peridico es similar a

la del potencial de ionizacin, sin embargo existen ms

irregularidades.

3.10.4.- Electronegatividad. Es un concepto que trata de sintetizar los dos anteriores. Mide la tendencia que posee un

tomo para atraer hacia s el par, o los pares, de

electrones que comparte con otro a travs de un

enlace covalente.

Vara igual que el P.I. a lo largo del Sistema

Peridico. Los gases nobles quedan excluidos de

esta tendencia, ya que su electronegatividad es prcticamente nula, debido a su dificultad para

formar enlaces covalentes, ya que al tener la ltima capa completa, no tienen tendencia ni a ganar ni

a perder electrones. El elemento ms electronegativo es el flor y el menos electronegativo el Cesio.

La electronegatividad est relacionada con el carcter metlico o no metlico de un

elemento; as, los elementos de alta electronegatividad sern No metales y los de baja

electronegatividad metales.

3.10.5.- Radio atmico e inico. El principio de incertidumbre de Heisemberg indica que es imposible saber con precisin y

simultneamente la posicin y velocidad de un electrn en el interior de un tomo. Como

consecuencia de ello, hemos definido los orbitales atmicos

como zonas del espacio donde es probable encontrar al

electrn con un determinado estado energtico, por lo que no

tienen un lmite definido, por lo que se hace difcil conocer con

precisin el radio de un tomo o un in.

El mtodo ms efectivo para medir el radio de un

tomo consiste en determinar, por difraccin de rayos X, la

distancia internuclear que existe dos elementos que forman un

enlace covalente simple en estado gaseoso y dividirla por la

mitad, tal y como muestra la figura de la derecha.

En el caso de los elementos metlicos, la distancia internuclear se determina por el mismo

procedimiento pero sobre la estructura cristalina de la sustancia metlica. El radio atmico crece de arriba a abajo dentro de un mismo grupo, ya que aumenta el nmero de

capas internas y por lo tanto ser de mayor tamao, y aumenta de derecha a izquierda en un mismo

perodo debido a que los e- se van colocando en el mismo nivel (a la misma distancia del ncleo

aproximadamente) y la fuerza de atraccin entre los e- y el ncleo es ms fuerte a medida que

aumenta el nmero de protones, por tanto, el volumen es menor.

El tomo

83

Sin embargo, en los perodos largos, esta atraccin es compensada por el llamado efecto de

apantallamiento de los e- que consiste en que a medida que se van llenando los niveles perifricos,

las repulsiones entre los e- aumentan, con lo que los e- perifricos no experimentan tanta atraccin

por el ncleo. y quedan ms sueltos aumentando, por lo tanto, el radio del tomo.

Cuando un elemento gana o pierde electrones, se transforma en un in y el valor de su radio

ser diferente. La determinacin de dichos radios inicos se hace

de manera similar a los radios atmicos pero sobre estructuras

cristalinas de compuestos inicos, formados, como veremos, por

iones perfectamente ordenados para maximizar las atracciones

entre ellos y minimizar las repulsiones. La distancia que hay entre

dos ncleos de dos iones adyacentes en un cristal inico, es la

suma de sus radios inicos, tal y como muestra la figura de la

izquierda:

a) El radio de un catin, in positivo, es menor que el del tomo neutro del mismo

elemento, ya que al ser menor el nmero de electrones, aumenta la carga efectiva del

ncleo que atraer ms a los electrones restantes por lo que su tamao disminuir.

b) El radio de un anin, in negativo, es mayor que el del tomo neutro del mismo

elemento, ya que al tener un electrn ms, la carga efectiva del ncleo disminuir y

habr una mayor repulsin entre los electrones, por lo que el radio aumentar.

Un caso especial supone la comparacin del radio de especies que tienen el mismo nmero

de electrones, por ejemplo:

Na+ Z = 11 11 protones y 10 electrones

Ne Z = 10 10 protones y 10 electrones

F- Z = 9 9 protones y 10 electrones

Podramos pensar que al tener las tres especies el mismo nmero de electrones, deberan

tener el mismo volumen, sin embargo no es as, ya que el nmero de protones que hay en el ncleo

no es el mismo. La especie Na+, por el hecho de tener ms protones en el ncleo (11), atraer con

ms fuerza a los 10 electrones y por lo tanto ser el ms pequeo, mientras que el F- ser ms

grande, es decir:

Na+ < Ne < F

-


84

3.10.6.- Estados de oxidacin. Los estados de oxidacin (valencias), estn en relacin con la configuracin electrnica de los elementos, por lo tanto, tambin variaran de forma peridica.

Los estados de oxidacin ms importantes corresponden a la prdida o ganancia de e- para

conseguir una configuracin electrnica de gas noble, (ocupacin total de los orbitales s y/o p).

Ejemplo: Na 2s2 2p6 3s1

tender a perder 1 e- quedando como Na+ 2s2 2p6

Un caso interesante es el de los elementos del grupo IIIa, que tienen una configuracin

electrnica ns np1. En teora los cationes ms estables seran los formados por la prdida de 3 e

-,

Al+3, Ga+3, lo que es cierto, pero a medida que aumenta el nmero atmico, aumenta la tendencia a

eliminar slo el e- p, hasta el punto que en el Tl la valencia ms importante es +1.

En otros grupos ocurre lo mismo, Pb+2 es ms estable que Pb+4, mientras que el Si y el Ge actan

siempre como tetravalentes.

A partir del grupo Va se advierte la tendencia de los elementos a formar iones negativos

sobre todo en los elementos superiores; N y P captan 3 e- para adquirir configuracin electrnica de

gas noble, sin embargo, en el As este estado de oxidacin no tiene importancia y en el Bi ni siquiera

existe.

Para los elementos de transicin este estudio es mucho ms complejo debido a la gran

variedad de estados. El estado mximo de oxidacin corresponde al catin con carga positiva igual

al nmero del grupo al que pertenece, por ejemplo Cr+6

, (VIb).

Los estados de oxidacin inferiores son ms estables en el primer periodo largo, (Fe+2, Fe+3), y a

medida que bajamos en el grupo, el estado de oxidacin mayor se hace ms estable:

Grupo VIb: Cr Presenta principalmente +3

Mo Presenta +4; y +7 slo en raras ocasiones

W Principalmente +6

Una excepcin a todo sto son los grupos Ib y IIb.

A continuacin, (en la pgina siguiente) te presentamos una tabla peridica con algunas de

las propiedades que te hemos comentado.

El tomo

85


86

a) Modelos atmicos 125.- Qu experimentos y observaciones condujeron a la conclusin de que los tomos, al

contrario de lo que se admiti en la hiptesis de Dalton, no son indivisibles? 126.- Explica por qu el experimento de Rutherford oblig a desechar el modelo de Thomson.

127.- Cual es la principal limitacin del modelo atmico de Rutherford?

128.- Cmo subsan el modelo de Bohr las limitaciones del modelo de Rutherford?

129.- Qu diferencia hay entre la rbita de Bohr y el orbital del modelo cuntico del tomo?

130.- Haz un grfico de energas de los distintos niveles del tomo de hidrgeno y explica la

emisin de energa del tomo excitado.

131.- Cunta energa se necesita para ionizar un tomo de hidrgeno en el que el electrn se

encuentra en la rbita n=5 de Bohr? (Dato: Ctte de Rydberg Rh = 109.678 cm-1)

132.- A partir de la constante de Rydberg para el tomo de hidrgeno, calcular la longitud de onda

de las tres primeras lneas de la serie de Balmer y el lmite de esta serie.

133.- En el espectro del tomo de hidrgeno se conoce una lnea de longitud de onda 1216 A.

Sabiendo que pertenece a la serie de Lyman a que transicin pertenece?. Toma como dato la

constante de Rydberg.

134.- Calcular la longitud de onda asociada a la molcula de hidrgeno movindose a una velocidad

de 1840 m/s.

Datos: Ar(H) = 1 uma , h = 6'67.10-34

J.s

135.- Calcular la onda asociada a una pelota de tenis de 150 gr de masa que posee una velocidad de

15 m/s. Hgase lo mismo para un electrn de velocidad 2'18.107 m/s. Comparar los

resultados e indicar lo que nos sugieren.

136.- Que el tomo est cuantizado quiere decir: a) que es algo fantstico y poco real nuestro

conocimiento sobre el mismo. b) que est constituido por ncleo y corteza. c) que la

energa de los electrones slo puede tener determinados valores. d) que su tamao es

pequesimo. (Seala las respuestas correctas).

b) Nmeros cunticos

137.- Indica los nmeros cunticos representativos de los orbitales:

a) 3py b) 2s c) 1pz d) 4dxy e) 5px

El tomo

87

138.- Un electrn se encuentra en un orbital 3d. Cules son los posibles valores de sus nmeros

cunticos n, l y m?

139.- Explicar la informacin que suministra la expresin (3,2,0,-) para un electrn del tomo de

hidrgeno.

140.- Un alumno afirma que en un orbital 2s puede haber 3 electrones es esto cierto?

141.- Pueden existir orbitales del tipo 2d?. Justifica la respuesta.

142.- De qu manera se puede arrancar un electrn de un tomo, para convertirlo en el in

positivo correspondiente? Qu sucedera en el proceso inverso?

143.- Qu se debe hacer para que un electrn 2s pase a ser un electrn 3s? Qu sucede

cuando un electrn 3s pasa a ser un electrn 2s?

144.- Escribir los nmeros cunticos correspondientes a: 1) un orbital 4d, 2) un electrn en un

orbital 3s.

145.- Qu propiedad de un tomo impide que todos sus electrones se siten en el nivel n = 1

de ms baja energa?

146.- Por qu el nmero de elementos del quinto perodo es 18?

147.- Por qu se desvan tanto de ser nmeros enteros las masas atmicas de muchos

elementos? Pon un ejemplo que aclare la respuesta.

c) Configuraciones electrnicas

148.- Indicar cmo difieren entre s los electrones de mayor energa, en cada uno de los tomos de

los siguientes elementos: a) Na b) B c) N d) Mg

149.- Considerar las dos configuraciones electrnicas siguientes de dos tomos neutros A y B:

A - 1s2, 2s

2, 2p

6, 3s

1 B - 1s

2, 2s

2, 2p

6, 6s

1

Indicar si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas razonando la respuesta:

a) A y B representan dos elementos distintos.

b) Se necesita energa para pasar de A a B.

c) A representa al tomo de sodio

d) Se requiere menos energa para arrancar un electrn de A que de B.

150.- Escribir las dems estructuras equivalentes al estado fundamental del tomo de carbono,

adems de la 1s2, 2s2, 2px1, 2py1

151.- Indicar a qu grupo y periodo pertenece el elemento cuya configuracin electrnica es:

6s2, 4f

14, 5d

10, 6p

3. Podras decir de qu elemento se trata y algunas de sus propiedades?.


88

152.- Para los 100 primeros elementos del sistema peridico, indicar para cuantos de ellos puede

escribirse en su estado fundamental: (Razona la respuesta)

a) una configuracin electrnica con uno o ms electrones 1s.

b) una configuracin electrnica con uno o ms electrones 2p.

c) una configuracin electrnica con uno o ms electrones 3d.

153.- Escribe la configuracin electrnica del nen e indica dos iones que tengan igual

configuracin que dicho gas.

154.- Escribe la configuracin electrnica de los iones siguientes: F-, O-2, Na+, Mg+2.

155.- Por qu se define el nmero atmico de un elemento en funcin del nmero de

protones del ncleo y no en funcin del nmero de electrones?

156.- A qu llamamos istopos? y especies atmicas isoelectrnicas? pon ejemplos.

157.- Qu significa estado fundamental del tomo? Qu sucede cuando un tomo que se

encuentra en estado excitado vuelve a su estado fundamental? Es posible que el

electrn ms externo del potasio se encuentre en un orbital 4p o 3d? En qu

condiciones si hay alguna podra lograrse esto?

158.- Un tomo determinado se representa por 19

X39

. Indica: a) nmero atmico; b) nmero

msico; c) nmero de electrones; d) nmero de protones; e) masa atmica aproximada;

f) configuracin electrnica; g) es metal o no metal? h) perodo y grupo a los que

pertenece; i) tipo de in que formar; j) alguna propiedad.

159.- Escribe la configuracin electrnica del As ( Z = 33 ) e indica en que principios o reglas

te apoyas.

160.- Escribe la configuracin electrnica del Cu ( Z = 29 ).

161.- Escribe la configuracin electrnica del Mo ( Z = 42 ).

162.- Es posible que la configuracin electrnica de un tomo sea 1s2 2s2 2p4 4s1?

163.- El nmero de protones de los ncleos de 5 elementos son:

ELEMENTO A B C D E PROTONES 2 11 9 12 13

Indica qu elemento: a) es un gas noble, b) es el ms electronegativo, c) es un metal

alcalino, d) es un gas, e) presenta estado de oxidacin negativo, f) forma un nitrato de

frmula X(NO3)2.

d) Propiedades peridicas

164.- Ordena menor a mayor los siguientes elementos segn su energa de ionizacin: Na, Be, Mg y

K. Utiliza como datos sus nmeros atmicos.

El tomo

89

165.- Ordena menor a mayor los siguientes elementos segn su radio atmico: Na, O, F, y Mg.

166.- Ordena menor a mayor los siguientes iones y elementos segn su volumen: O-2, Ne y Na+.

167.- Ordena de menor a mayor segn sus energas de ionizacin: Ca, Rb, Mg, Li.

168.- Cual de los siguientes tomos posee un mayor radio?y menor? Ar, Cs, P, Mg, Cs, Ra.

169.- Las tres especies H, He+ y Li+2, poseen un solo electrn. Sealar cual de ellos poseer

mayor radio y mayor energa de ionizacin.

170.- Explica como son (altas-bajas) las energas de ionizacin de los gases nobles.

171.- Razona cmo ha de ser la segunda energa de ionizacin del Na con respecto a la

segunda energa de ionizacin del Mg: a) mayor, b) menor, c) igual

172.- Qu es la energa de ionizacin? Qu elementos tienen energas de ionizacin altas y

cuales bajas, teniendo en cuenta su configuracin electrnica?

173.- Indica algn criterio desde el punto de vista electrnico que nos permita diferenciar un

elemento metlico de otro que no lo es.

174.- Cmo vara el radio atmico de los elementos en un grupo? y en un periodo?

175.- Los iones F- y Na+ poseen el mismo nmero de electrones, pero el radio del F- es mayor

que el de Na+. Explica a que es debida esta diferencia.

176.- Dados los siguientes elementos: Na, Mg y Rb, ordenarlos de mayor a menor energa de

ionizacin. Justificar la respuesta.

177.- Ordenar segn el orden creciente de sus tamaos: Ar, S-2

, K+, Cl, Li

+.

178.- Razona la veracidad o falsedad de las siguientes afirmaciones sobre el tomo de nen y al

in xido: a) ambos poseen el mismo nmero de electrones. b) tienen el mismo nmero

de protones. c) el radio del in xido ser superior al del tomo de Nen.

179.- Indica cul es en cada uno de los grupos siguientes el elemento que tiene mayor carcter

metlico: a) Cl, Ca, As; b) Al, Si, P; c) Ga, Tl, B.

180.- Usando los grupos que se han dado en la cuestin anterior contesta las siguientes

cuestiones:

a) Qu elemento del grupo a tiene ms probabilidad de presentar un nmero de

oxidacin negativo en sus compuestos?

b) En el grupo b qu elemento es el que es ms probable que posea el potencial de

ionizacin ms bajo?

c) Cul de los elementos del grupo b cabe esperar que posea la mxima

electronegatividad?


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181.- Qu elemento de cada uno de los siguientes pares debe esperarse que tenga la mayor

electronegatividad? a) C, Cl; b) S, O; c) Mg, Se; d) Sb, F;

182.- Las configuraciones electrnicas de varios elementos son las siguientes: a) 1s;

b) 1s22s1; c) 1s22s22p1; d) 1s22s2. Ordenarlos en el sentido de sus radios atmicos

crecientes, justificando la ordenacin propuesta.

183.- Los potenciales de ionizacin del carbono, nitrgeno y oxgeno son 11.3, 14.5 y 13.6 eV

respectivamente. Ntese que el del nitrgeno es anormalmente alto y que en el oxgeno

se produce una disminucin. Explica este resultado.

184.- a) En general, qu elementos tienen mayores valores de sus potenciales de ionizacin,

los metales o los no metales? b) Cul es el motivo de que estos elementos posean

potenciales de ionizacin altos?

185.- Escribe la configuracin electrnica de los elementos con nmero atmico: 38, 11, 14,

35 y 54 y contestar a las siguientes cuestiones: a) A qu grupo del sistema peridico

pertenece cada elemento? b) qu estados de oxidacin sern los ms frecuentes? c)

cules son metales y cules son no metales? d) qu elemento es el ms electropositivo

y cul el ms electronegativo?

186.- La configuracin electrnica de la capa externa de un elemento es: 5s25p5. Indica: si se

trata de un metal o un no metal, a qu grupo de la T.P pertenece y cul es su smbolo.

Indica dos elementos que tengan mayor energa de ionizacin y otros dos de menos

energa de ionizacin que el dado; formula un compuesto inico y otro covalente en que

intervenga este elemento.

187.- El nmero atmico de dos tomos A y B es 17 y 20 respectivamente. a) escribe su

configuracin electrnica fundamental y el smbolo de cada uno. b) escribe el smbolo del

in ms estable de cada uno. c) cul es el de mayor radio inico? qu tipo de sustancia

se puede formar al reaccionar ambos elementos?. Razona la respuesta.

188.- Dados los siguientes elementos: K (Z = 19), S (Z = 16) y Cl (Z = 17). Ordnalos en

orden creciente de: a) radio atmico y b) energa de ionizacin.

189.- Dados dos tomos de hidrgeno, en uno de ellos el electrn est en el nivel n = 1 y en el

otro en el nivel n = 4. Explica: Cul es la configuracin electrnica de cada uno de

ellos? Qu nivel posee mayor radio?; qu electrn posee menos energa?, qu tomo

tiene mayor potencial de ionizacin?

190.- Los nmeros atmicos del Na, K y Rb son respectivamente 11, 19 y 37. a) Ordena

dichos elementos en cuanto a su radio atmico y a su potencial de ionizacin

discutiendo las razones que determinan cada ordenacin. b) Dibuja un diagrama que

represente las energas relativas de los distintos orbitales del in potasio y su ocupacin

por electrones.

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