ESTRUCTURA ATMICA

ESTRUCTURA ATMICA. MODELOS Y TEORIAS

A lo largo de la historia son varios los modelos que se han intentado explicar la estructura del tomo a medida que se producan nuevos descubrimientos.

Descubrimiento de las partculas elementales de un tomo:

1897- Electrn ( Thomson) 1913- Millikan dedujo carga y masa.

1914- Protn ( Rhuterford)

1932 Neutrn ( Chadwick)

(Mecnica Clsica)Mecnica Clsica

1903- Modelo atmico de Thomson (Modelo del pastel con pasas)

Un tomo sera como una esfera de dimetro 10-10 m , con electricidad positiva en la que estn incrustrados los electrones, donde la carga elctrica se neutraliza.

1911- Modelo atmico de Rutherford (Modelo planetario)

a) El tomo tiene un ncleo central con carga positiva y que contiene toda la masa.

b) Girando en rbitas circulares alrededor del ncleo estn los electrones( con pequea masa y carga negativa) La F centrpeta permite a los e- girar alrededor del ncleo

c) El tomo tiene el mismo n de cargas + que ya que es elctricamente neutro.

Tambin calculo el tamao de tomo (10 -10 m ) y del ncleo (10-14 m)

Inconvenientes:

a) No justifica la estabilidad de los tomos, el e- tendra que emitir continuamente energa en forma de ondas electromagnticas y acabara cayendo sobre el ncleo( ya que toda partcula cargada en movimiento emite energa)

b) Los espectros de emisin de los tomos estn formados por rayas de frecuencias determinadas y segn esto sera continuo ( el e- perdera E de forma gradual)

(Mecnica Cuntica)

1913- Modelo atmico de Bohr (aplica la teora cuntica de Planck al modelo de Rutherford y en el estudio del efecto fotoelctrico y los espectros atmicos)

1900- Hiptesis de Planck

Introduce el concepto de discontinuidad de la energa, sugiere que la energa de la radiacin electromagntica viene en paquetes o cuantos (los cuerpos emiten o absorben energa en forma de paquetes o cuantos) y no puede tener un valor cualquiera, debe ser mltiplo de la energa del cuanto, su valor E = h

h= cte de Planck= 6,626 10-34 J s y la frecuencia de la radiacin emitida.

1902- Efecto fotoelctrico

Consiste en que algunas radiaciones al incidir sobre la superficie de un metal produce el desprendimiento de electrones de la superficie del metal. Se comprob que el n de e que emite es proporcional a la intensidad de la radiacin, pero la velocidad de los e- emitidos depende de la frecuencia de la radiacin.

Einstein explico el efecto fotoelctrico, por lo que obtuvo el premio Nobel en 1921.

Para arrancar un e- de un tomo se necesita que un fotn choque contra l con una energa superior a la umbral y comunicarle cierta energa cintica con la que abandona la superficie del metal.

(h = h o + m v2 ) W= h o = Funcin de trabajo

E E = h Energa del fotn

Ec = Energa cintica

El modelo de Bohr se basa en tres postulados:

1) el e- gira alrededor del ncleo en unas rbitas estacionarias sin emitir energa.

2) Solo son posibles las rbitas en las que el momento cintico del e- es mltiplo entero de h/ 2

m v r = n h/ 2 n= n cuntico principal y toma valores enteros 1,2,3,4... A esta rbitas les llamo niveles de energa.

3) Cada rbita estacionaria tiene un valor constante de energa, cuando un e- salta de una rbita de mayor energa a otra de menor emite una radiacin electromagntica cuya energa es E = E2 - E1 = h

Este modelo permite conocer el radio del electrn en el tomo de hidrgeno. Como el electrn gira alrededor del ncleo en una orbita estacionaria :

a) Fuerza de Coulomb = Fuerza centrpeta

b) El momento cintico del electrn alrededor del ncleo es mltiplo entero de h/ 2

Se puede calcular la velocidad del electrn, su energa y la diferencia de energa asociada al cambio de rbita.

Cada orbita tiene un nivel de energa que es funcin de n= n cuntico principal. Representa el nivel de energa que ocupa el electrn y toma los valores n= 1,2,3,4,5..

El n mximo de electrones por nivel = 2n2

Inconvenientes de este modelo:

a) Solo explica tomos con un nico electrn ( H, He+, Li+2 )

b) En los espectros aparecen varias rayas prximas, significa que hay saltos electrnicos a estados de energa muy parecidos.

1916- Modificacin de Sommerfeld

Amplia el modelo de Bohr diciendo que las orbitas que describen los electrones pueden ser circulares o elpticas, indica la existencia de pequeas diferencias en los estados de E de los e- Indica la existencia de varios subniveles de energa por cada nivel. Aparece un segundo n cuntico l= n cuntico secundario, indica el subnivel de energa y toma valores l= 0,1,2 ..... (n-1)

De esta forma explican los espectros con varias rayas prximas.

(1926- Mecnica cuntica moderna)

Este nuevo modelo surge basndose en la existencia doble naturaleza onda-corpsculo de la luz y aplicando al electrn. Hechos experimentales en los que se basa la mecnica cuntica moderna son .

1924- Principio de De Broglie ( dualidad onda- corpsculo)

Sugiri que al igual que la luz ( con su doble naturaleza) , la materia poda comportarse como una onda, una partcula en movimiento , como el e- puede llevar asociada un onda.

A toda partcula en movimiento le corresponde una onda asociada, cuya longitud de onda es inversamente proporcional a la cantidad de movimiento de dicha partcula.

h = longitud de onda

= ----------m= masa de la partcula

m v v= velocidad de la partcula

h= constante de Planck

1927- Principio de incertidumbre de Heisemberg

Es imposible conocer exactamente y con toda precisin la posicin y la cantidad de movimiento de un partcula como el e- , ambas medidas simultneamente.

Matemticamente : x p h / 2

x = Incertidumbre en la posicinp = Incertidumbre en la cantidad de movimiento

1923 Efecto Compton

Comprob que si un fotn choca con en e- en reposo , el e- gana energa mientras que el fotn la pierde, por tanto el fotn tendra cierta masa y cantidad de movimiento por tanto se puede considerar corpsculo material.

Modelo de Heisemberg

Describi los niveles energticos de los e- en trminos numricos representables por matrices ( Mecnica matricial)

(1926- Mecnica ondulatoria. Ecuacin de Schrondinger)

Sugiri que se describiese al electrn no como una partcula, sino como una onda que vibraba alrededor de dicho ncleo. Actualmente es el modelo preferido por los cientficos. Representa grficamente al tomo y es ms intuitivo que el matricial.

Propone una ecuacin diferencial de 2 grado de una funcin ( amplitud de la onda del electrn) para describir la onda asociada a un electrn, aparece el concepto de orbital como aquella zona del espacio donde la probabilidad de encontrar al electrn es muy alta, superior al 99 %.Al resolver esta ecuacin las soluciones son n enteros y corresponden con los n cunticos . En esta teora un orbital queda definido por 3 n cunticos y un electrn por 4. El significado de los n cunticos es diferente que en la teora cuntica pero sus valores coinciden:

El concepto de orbital no se puede materializar , pero el electrn no puede ocupar cualquier lugar del espacio en torno al ncleo, la regin de mayor probabilidad de encontrar al electrn, que llamamos orbital es una zona difusa y no tiene lmites definidos, aunque se representa por una superficie.

(Nmeros cunticos , formas y tamaos de los orbitales )

n= n cuntico principal , representa el volumen del orbital . n= 1,2,3..

l= n cuntico secundario, representa la forma del orbital l = 0, 1,2 .... n-1 .

Cuando l= 0 , el orbital se llama s y tiene forma esfrica.

Cuando l= 1 , el orbital se llama p y est formado por dos lbulos

Cuando l= 2 , el orbital se llama d.

Cuando l= 3 , el orbital se llama f.

m= n cuntico magntico , representa la orientacin del orbital en el espacio. Toma 2l+1 valores y va desde l ... 0 ... +l.

Orbitales s l= 0 m=0 , forma esfrica no admite orientacin

Orbitales p l= 1 m= +1,0,-1 , tres orientaciones en los tres ejes del espacio.

Orbitales d l= 2 m= +2,+1, 0 ,-1, -2

Orbitales f l= 3 m= +3 ,+2 ,+1 , 0 ,-1, -2, -3

s= n cuntico de spin, representa las dos posibles orientaciones de giro del electrn respecto a un eje . Toma valores +1/2 y 1/2 .

Tipos de orbitales

Orbital s (l=0) forma esfrica . N mximo en cada nivel 1

Orbital p (l=1) forma de 2 lbulos. N mximo en cada nivel 3

Orbital d (l=2) N mximo en cada nivel 5.

Orbital f (l=3) N mximo en cada nivel 7

El nmero de orbitales que hay en un nivel es n2.

El nmero mximo de electrones que hay en un nivel es 2n2.

Un orbital queda definido por tres nmeros cunticos ( n,l,m)

Un electrn queda definido por 4 nmeros cunticos ( n,l,m,s)

En estos orbitales es donde se colocarn los electrones que posee un tomo o in .. segn el principio de exclusin de Pauli,, el de mnima energa y el de mxima multiplicidad de Hund, que nos darn las configuraciones electrnicas.

Nivel de energa

Tipo de capa

Tipo de orbital

Nmero de orbitales (n2)

Nmero de electrones 2n2

n=1

K

1s

1

2

n=2

L

2s. 2p

1,3

2+6 =8

n=3

M

3s, 3p, 3d

1,3,5

2+6+10 = 18

n=4

N

4s, 4p,4d, 4f

1,3,5,7

2+6+10+14=32