LICEO JOSÉ VICTORINO LASTARRIAMIGUEL CLARO N° 32. PROVIDENCIAwww.cdslastarria.cl

QUÍMICA – PRIMERO MEDIOGuía N° 1

MODELO MECANO-CUANTICO

Objetivos: Comprender los aspectos esenciales del modelo atómico de la materia y su desarrollo histórico. Describir investigaciones científicas clásicas o contemporáneas relacionadas con el modelo mecano-

cuántico.INTRODUCCIÓN

La teoría atómica se inicia en el siglo V a.C. con el planteamiento de los filósofos Demócrito y Leucipo que establecía que el universo estaba formado por partículas indestructibles llamados ÁTOMOS. Sin embargo, Aristóteles sostuvo que la materia era continua y estaba formada por cuatro elementos esenciales: AGUA, AIRE, FUEGO y TIERRA.

Los planteamientos de Aristóteles se mantuvieron por más 2.000 años, hasta que evidencias experimentales y el desarrollo natural de los conocimientos llevaron a proponer en 1808 al inglés John Dalton su Teoría Atómica de la Materia, la que se resume en los siguientes postulados:

• Toda la materia está formada por átomos • Los átomos de un mismo elemento son de la misma clase y tiene igual masa. • Los átomos son partículas indivisibles e invisibles • Los átomos que forman los compuestos son de dos o más clases diferentes • Los átomos que forman los compuestos están en una relación de números enteros y sencillos. • Los cambios químicos corresponden a una combinación, separación o reordenamiento de átomos.

MODELO DE THOMSON Y EL MODELO DEL BUDÍN DE PASAS

J.J. Thomson fue el primero en proponer un modelo estructural interno del átomo. “Si los átomos contienen partículas negativas, los electrones, y la materia se presenta con neutralidad de carga, entonces deberían existir partículas con carga positiva.

Robert Millikian en 1909 determinó la carga del electrón a través del experimento de gotitas de aceite en un campo magnético. Thomson utilizando los datos de Millikian determinó la masa del electrón.

Carga e-= -1,6* 10-19 C masa e-= 9,09*10-28 g

MODELO PLANETARIO DE RUTHERFORD

En 1911 Rutherford y colaboradores, utilizando una haz de radiación alfa, bombardearon una lámina muy delgada de oro, colocando una pantalla de sulfuro de zinc a su alrededor, sustancia que tenía la cualidad de producir destellos con el choque de las partículas alfa incidentes. La lámina fue atravesado por la mayoría de las partículas alfa, alguna de ellas

siguieron en línea recta, otras fueron desviadas de su camino y muy pocas rebotaron contra la lámina.

El modelo atómico de Rutherford representó un avance en el conocimiento de la estructura del átomo, no cumplía con las leyes del electromagnetismo y la mecánica clásica, que establecían que el movimiento circular de los electrones alrededor del núcleo, implicaba una emisión continua de radiación, es decir una pérdida de energía. Por lo tanto, el electrón debería describir orbitas cada vez más pequeñas entorno al núcleo hasta caer sobre él, colapsando el átomo.

REVOLUCIÓN CLÁSICA DE LA FÍSICA

LICEO JOSÉ VICTORINO LASTARRIAMIGUEL CLARO N° 32. PROVIDENCIAwww.cdslastarria.cl

La formulación del modelo mecano-cuántico significó un estudio más acabado de algunos fenómenos físicos que el modelo ondulatorio de la luz no lograba explicar en su totalidad, como lo son la RADIACIÓN DEL CUERPO NEGRO, el EFECTO FOTOELÉCTRICO y los ESPECTRO ATÓMICOS.

CUERPO NEGRO: Objeto que absorbe toda la radiación incidente, no refleja nada, se calienta, y emite todo la radiación.

La emisión de un Cuerpo Negro depende solamente de su Temperatura. El color de la radiación electromagnética determina su temperatura. A medida que el objeto se calienta, se hace más brillante ya que emite más radiación electromagnética. Ej: Un claro ejemplo de este fenómeno son los quemadores de las estufas eléctricas, pues al estar apagadas se conservan en color negro y una vez encendidas toman un color rojo intenso.

En 1900, el físico alemán Max Planck resuelve el problema del cuerpo negro con una hipótesis revolucionaria: “la energía sólo puede liberarse (o ser absorbida) por los átomos en paquetes discretos con un tamaño mínimo”, a los que denominó cuantos, definiéndolos como “la mínima cantidad de energía que puede ser emitida o absorbida en forma de radiación electromagnética”.

A partir de ello propuso que la energía (E) de un solo cuanto era igual a una constante (h) multiplicada por la frecuencia (ν):

E= h*ν h= Constante de Planck = 6,63 · 10 -34 J · s. ν= frecuencia

De acuerdo con la Teoría Cuántica de Planck, la energía se emite o absorbe siempre en múltiplos de la relación hν; por ejemplo, hν, 2hν, 3hν, etc., es decir, 1 cuanto, 2 cuantos, 3 cuantos, respectivamente. Por esto se indica que la energía está CUANTIZADA, o sea, que sus valores están restringidos a ciertas cantidades, hecho absolutamente contrario a lo conocido en la época y definido en la “física clásica”, que suponía un comportamiento continuo de la materia.

Otro fenómeno que no explicaba la física clásica era la emisión de electrones por superficies metálicas en las que incidía la luz, conocido como EFECTO FOTOELÉCTRICO.

Diversos experimentos demostraban que ciertos metales expuestos a una luz que presentaba una frecuencia mínima, denominada frecuencia umbral, emitían electrones desde la superficie en una cantidad proporcional a la intensidad de la luz, pero no su energía.

Considerando lo propuesto por Max Planck, en 1905 Albert Einstein sugiere que para explicar el fenómeno no se puede pensar en la luz como un “rayo de luz en términos de onda”, sino como un “rayo de partículas” a las que denominó FOTONES.

Una aplicación del efecto fotoeléctrico son las celdas solares. Cuando la luz solar incide sobre las placas de metales semiconductores, estos sueltan los electrones de su superficie y adquieren cierta energía cinética que les permite desarrollar una corriente eléctrica que es almacenada en baterías.

El tercer fenómeno que no podía explicar la física clásica era la emisión de luz de átomos en estado gaseoso, excitados electrónicamente, conocidos como espectros de emisión.

La luz blanca o solar al pasar por prisma se dispersa en sus diferentes colores, mostrando un espectro continuo desde el rojo

LICEO JOSÉ VICTORINO LASTARRIAMIGUEL CLARO N° 32. PROVIDENCIAwww.cdslastarria.cl

hasta el violeta. Cuando en la fuente de luz se quema hidrógeno gaseoso, el espectro resultante exhibe solo algunas líneas coloreadas, faltado gran parte del espectro visible.

El espectro de absorción atómica es una representación gráfica que indica cantidad de luz absorbida, que depende, fundamentalmente, de la estructura química de la sustancia. El espectro de emisión atómica de un elemento es un conjunto de frecuencias de las ondas electromagnéticas emitidas por átomos de ese elemento. Cada espectro de emisión atómico de un átomo es único y puede ser usado para determinar si ese elemento es parte de un compuesto desconocido.

MODELO DE BOHR

El átomo de hidrógeno llevó a Niels Bohr en 1913, a proponer un modelo de átomo diferente al de Rutherford, en el que considera que las líneas del espectro son resultantes de transiciones entre niveles energéticos. El modelo de Bohr tiene las siguientes características:

• Los electrones giran en orbitas circulares entorno al núcleo. • En el átomo de hidrógeno sólo están permitidas órbitas de radio. • Cuando el electrón gira en una órbita determinada no emite ni absorbe

energía. Está en estado estacionario. • Cuando el átomo absorbe energía, el electrón salta hacia un nivel

externo. Si el electrón regresa a un nivel interno emite energía.

La energía que adsorbe o emite un electrón lo hace en forma de cuantos (fotón), cuya magnitud está dada por la ecuación de Planck (E=hν).

El electrón en el nivel más bajo, n=1 se encuentra en el estado basal o fundamental. Si se encuentra en cualquier estado superior (n≥ 2) el electrón está en un estado excitado.

Para determinar la longitud de onda de cualquier radiación que emita o adsorba un átomo de hidrógeno, se utiliza la ecuación Rydberg:

1λ=RH ( 1ni2−

1n f2 ) RH= 1,0997*107 m-1

Aún cuando el modelo de Bohr se convirtió en otro paso más en la búsqueda del modelo actual del átomo, al igual que los de Thomson y Rutherford, impuso dos ideas primordiales que se conservan en el modelo vigente:

Los electrones existen en niveles discretos de energía, que se describen con números cuánticos. En el movimiento de un electrón de un nivel de energía a otro interviene energía.

Ten presente

Para comprender el mundo atómico es preciso entender el comportamiento de la luz, partiendo por definir la luz visible (aquella que perciben nuestros ojos) como un tipo de radiación electromagnética. Fue James Maxwell, en 1873, quien demostró teóricamente que la luz visible contaba con ondas electromagnéticas y que además era capaz de transportar energía, razón por la que se le conoce también como energía radiante. La radiaciones electromagnéticas se caracterizan por

LICEO JOSÉ VICTORINO LASTARRIAMIGUEL CLARO N° 32. PROVIDENCIAwww.cdslastarria.cl

moverse a través del vacío a una velocidad de 3 · 108 m/s (velocidad de la luz) y por poseer carácter ondulatorio (similar al de las olas). Comportamiento de las ondas relaciona la longitud (λ), la frecuencia (ν) y la velocidad de la luz (c).

c= λ*ν

Podrás observar que la luz visible corresponde a una pequeña porción del espectro, cuyas longitudes de onda (l) van desde los 400 a los 750 nm, aproximadamente.

Actividad: Responde las siguientes preguntas en tu cuaderno

1. ¿Por qué es importante conocer el comportamiento de las ondas para establecer las bases del modelo mecano-cuántico de la materia?

2. ¿Cómo influye el estudio y explicación de los fenómenos como la “radiación del cuerpo negro”, el “efecto fotoeléctrico” y los “espectros atómicos” en la formulación del modelo mecano-cuántico de la materia?

3. ¿Cuál es el aporte de Planck a la estructuración del modelo atómico actual de la materia?4. ¿Qué son los espectros atómicos? y ¿cuál es su utilidad en la configuración del modelo mecano-cuántico

de la materia?5. ¿Cuál es la diferencia entre el estado basal o fundamental y el estado excitado de un electrón?6. ¿Cómo puedes justificar que los átomos tengan distintos espectros atómicos?7. ¿Cuándo un átomo está excitado ¿gana o pierde energía? Justifica tu respuesta.8. ¿Qué relación tienen los postulados de Bohr con el espectro del átomo de hidrógeno?9. Para las siguientes transiciones del electrón de un átomo de hidrógeno n=1 a n=2 y n=3 a n=1.

Determina: a) la longitud de onda que se emite o se adsorbe. b) Tipo de radiación electromagnética c) si el electrón adsorbe o emite energía.

10. ¿Por qué crees que el modelo estacionario de Bohr fracasó al igual que los otros modelos atómicos?