Estructura Atómica

Prof. Miguel Hesiquio Garduño.Est. Mirla Benavides RojasDepto. De Ingeniería Química PetroleraESIQIE-IPNhesiquiogm@yahoo.com.mx

MIGUEL HESIQUIO GARDUÑO/MIRLA BENAVIDES ROJAS

Recordando un poco…

Teoría atómica

› El primero en utilizar este término fue Demócrito (filósofogriego, del año 500 a. de C.), porque creía que todos loselementos estaban formados por pequeñas partículasINDIVISIBLES. Átomo, en griego, significa INDIVISIBLE. Esla porción más pequeña de la materia. Los átomos son launidad básica estructural de todos los materiales deingeniería.

El átomo

› Es la unidad básica que puede intervenir en una combinación química.Está formado por partículas subatómicas, de las cuales las másimportantes son los electrones, los protones y los neutrones.

› Los electrones son partículas con carga negativa que se encuentranen lugares energéticos conocidos como rempes u orbitales.

› Los protones son partículas con carga positiva que se encuentran enel núcleo atómico.

› Los neutrones son partículas eléctricamente neutras, que seencuentran en el núcleo.

Partícula Masa (g)

Carga

coulombs Carga unitaria

Electrón 9.1 x 10 -28 g -1.6022 x 10-19- 1

Protón 1.67 x 10 -24g +1.6022 x 10-19+ 1

Neutrón 1.675 x 10 -24g 0 0

Teoría atómica

Las limitaciones de la teoría cinético-corpuscular hicieronnecesaria una ampliación de la misma, llevando a los científicos ala elaboración una teoría paralela que la complementase.

La labor de muchos científicos, como Antoine Lavoisier, JohnDalton y Dimitri Mendeleiev condujo a la elaboración de la teoríaatómico-molecular de la materia, base de la moderna cienciaquímica.

Se estudió la teoría cinético-corpuscular, que supone que todoslos materiales están hechos de partículas inmensamentepequeñas, dotadas de un cierto estado de movimiento (caótico enlos gases, y más ordenado y restringido en sólidos y líquidos).

TEORÍA ATÓMICA. --ALGUNOS MODELOS ATÓMICOS.

TEORÍA ATÓMICA DE DALTON

John Dalton, utilizó dos leyes fundamentales delas combinaciones químicas,:

La "Ley de conservación de la masa"(La masatotal de las sustancias presentes después de unareacción química es la misma que la masa total delas sustancias antes de la reacción) y,

La "Ley de composición constante"(Todas lasmuestras de un compuesto tienen la mismacomposición, es decir las mismas proporciones enmasa de los elementos constituyentes.)como basede una teoría atómica.

La esencia de la teoría atómica de la materia deDalton se resume en tres postulados:

1. Cada elemento químico se compone de partículas diminutas e indestructibles denominadas átomos. Los átomos no pueden crearse ni destruirse durante una reacción química.

2. Todos los átomos de un elemento son semejantes en masa (peso) y otras propiedades, pero los átomos de un elemento son diferentes de los del resto de los elementos.

3. En cada uno de sus compuestos, los diferentes elementos se combinan en una proporción numérica sencilla: así por ejemplo, un átomo de A con un átomo de B (AB), o un átomo de A con dos átomos de B (AB2).

Partículas Sólidas Esféricas

› La teoría atómica de Dalton condujo a la:

› "Ley de las proporciones múltiples", que establece:

Si dos elementos forman más de un compuesto sencillo, las masas de un

elemento que se combinan con una masa fija del segundo elemento, están en

una relación de números enteros sencillos.

Modelo atómico de Thomson› Los experimentos de Thomson sobre los rayos catódicos en campos magnéticosy eléctricos dieron pie al descubrimiento del electrón he hizo posible medir larelación entre su carga y su masa

El modelo atómico de Thomsonrepresentaba al átomo como unaesfera formada por una masafluida de baja densidad con cargapositiva, en la que se hallabanincrustados los electrones(gelatina con pasas)

También explicaba la electrizaciónpositiva o negativa de la materia,mediante la pérdida o gananciade electrones

› Rutherford realizó su máximo descubrimiento sobre la estructura del átomogracias al experimento de la lámina de oro.

› El experimento constaba de un tubo con un material radioactivo (en ese casoPolonio) del que salían partículas en una sola dirección, una lámina de oro deunos 200 átomos de espesor y una placa fluorescente. El experimento serealizaba con la luz apagada, enfocando las partículas que emitía el materialradioactivo hacia la lámina de oro.

› Se observaba la trayectoria al ver como la pantalla fluorescente se iluminabatenuemente cuando esas partículas chocaban con ella.

Modelo atómico de Rutherford

Modelo atómico de Rutherford

› El modelo atómico de Rutherford puede resumirse de la siguiente manera:

El átomo posee un núcleo central pequeño, con carga eléctricapositiva, que contiene casi toda la masa del átomo.

Los electrones giran a grandes distancias alrededor del núcleo enórbitas circulares.

La suma de las cargas eléctricas negativas de los electrones debe serigual a la carga positiva del núcleo, ya que el átomo es eléctricamenteneutro.

› Rutherford fue capaz de establecer por primera vez una estructura atómicademostrable (inspirado en el sistema solar): un núcleo central y electrones enórbita (como planetas) alrededor de ese núcleo.

MODELO ATÓMICO DE BOHR

El modelo atómico de Bohr supone que los electrones pueden giran alrededor del núcleo únicamente en ciertas órbitas concretas de radios determinados, denominadas “órbitas permitidas”.

En tales órbitas estacionarias el electrón no emite energía y se encuentra estable (ya que la energía cinética del electrón compensa exactamente la atracción electrostática entre las cargas opuestas de núcleo y electrón).

› Los electrones solo pueden tomar los valores de energía correspondientes a dichasórbitas, llamados niveles de energía.

› Los saltos de los electrones desde niveles de mayor energía a otros de menor energía,suponen una emisión o una absorción de energía electromagnética (fotones de luz),respectivamente.

Esto explica que los espectros discontinuos de emisióny absorción de luz de los átomos, donde cada línea delespectro es un posible salto de un nivel energético aotro.

› La distribución de los electrones en las diferentes órbitas permitidas se denominaconfiguración electrónica.

› Los electrones se organizan en órbitas concretas, tendiendo a ocuparpreferentemente las capas inferiores (de menor energía y más estables) y después lassuperiores (con más energía, y menos estables).

› Cada órbita sólo puede alojar un número máximo de electrones, de forma que lasórbitas se van ocupando una vez la órbita inmediatamente inferior se ha completado.

› A los electrones que están situados en la última capa se les denomina electrones devalencia, y al nivel que ocupan capa de valencia. Estos electrones son losresponsables de las propiedades químicas de las sustancias.

MODELO ATÓMICO ACTUAL.

› El físico E. Schrödinger estableció el modelo mecano-cuántico del átomo, ya que el modelo de Bohr suponía quelos electrones se encontraban en órbitas concretas adistancias definidas del núcleo; mientras que, el nuevomodelo establece que los electrones se encuentranalrededor del núcleo ocupando posiciones más o menosprobables, pero su posición no se puede predecir conexactitud.

› También es conocido como el modelo atómico de orbitales,expuesto por: E. Schrodinger y Heisenberg. Establece unaserie de postulados, de los que cabe recalcar lossiguientes:

El electrón se comporta como una onda en sumovimiento alrededor del núcleo.

No es posible predecir la trayectoria exacta delelectrón alrededor del núcleo.

Existen varias clases de orbitales que sediferencian por su forma y orientación en elespacio; así decimos que hay orbitales: s, p, d, f.En cada nivel energético hay un númerodeterminado de orbitales de cada clase.

Ejercicios

› Concepto de átomo, número atómico, de número de masa, de isótopo

› Características Fundamentales del electrón,protón y neutrón

› Diferencia entre nivel. Subnivel y orbital

› Dibujar las formas atribuidas a los orbitales s y p

A manera de Resumen

El modelo se fundamenta en los siguientes principios: Principio de onda-partícula de Broglie:

› Señala que la materia y la energía presentan caracteres de onda y partícula; que los electrones giran por la energía que llevan y describen ondas de una longitud determinada.

› Principio estacionario de Bohr: El mismo que señala que un electrón puede girar alrededor del núcleo en forma indefinida.

› Principio de incertidumbre de Heisenberg: Determina que es imposible conocer simultáneamente y con exactitud la posición y velocidad del electrón.

Naturaleza Dual: partícula y onda

Nacimiento de una nueva teoría; la mecánica cuántica› La mecánica cuántica se basa en la teoría de Planck, y toma como punto departida la dualidad onda-partícula de Louis De Broglie y el principio deincertidumbre de Heisenberg.

Teoría de De Broglie

› En el mundo macroscópico resulta muy evidente ladiferencia entre una partícula y una onda; dentro de losdominios de la mecánica cuántica, las cosas son untanto distintas.

› Un conjunto de partículas, como un haz de electronesmoviéndose a una determinada velocidad puedecomportarse según todas las propiedades y atributos deuna onda, es decir: puede reflejarse, refractarse ydifractarse.

› Por otro lado, un rayo de luz puede, en determinadascircunstancias, comportarse como un haz de partículas(fotones)con una cantidad de movimiento bien definida.

› Al incidir un rayo de luz sobre la superficie lisa de un metalse desprenden electrones de éste (efecto fotoeléctrico). Laenergía de los electrones arrancados al metal depende de lafrecuencia de la luz incidente y de la propia naturaleza delmetal.

› Según la hipótesis de De Broglie:

Cada partícula en movimiento lleva asociada una onda, de manera que la dualidad onda-partícula puede enunciarse de la siguiente forma:

una partícula de masa m que se mueva a una velocidad vpuede, en condiciones experimentales adecuadas,

presentarse y comportarse como una onda de longitud de onda, λ.

vm

h

p

h

.

El modelo atómico actual llamado "modelo orbital" o "cuántico - ondulatorio"se basa en:La dualidad onda-corpúsculo: Broglie postula que el electrón y toda partícula material en movimiento tienen un comportamiento ondulatorio. Las propiedades ondulatorias y corpusculares de la materia se relacionan mediante:

Siendo h la constante de Planck y p el momento lineal de la partícula

Carácter iónico de las sustancias

› Afinidad electrónica

› Energía de Ionización

› Electronegatividad

› Porciento de ionicidad vs. Diferencia deelectronegatividad

Afinidad electrónica

› Capacidad de un elemento en estado gaseoso para capturar un electrón X(g)+e- X- (g) kJ/mol

Energía de Ionización

› Energía necesaria para arrancar un electrón a un átomo en estado gaseoso. (en kJ/mol)

Energía de Ionización vs Número atómico

Electronegatividad

› Capacidad de atraer electrones que tiene un átomo en un enlace quimico

BIBLIOGRAFIA › 1.- Estructura Atómica de la materia pdf.

› 2.- Estructura Atómica pdf. http://assets.mheducation.es/bcv/guide/capitulo/8448180488.pdf

› 3.- Modelos atómicos Fisicoquímica I (Q. e I.Q.) http://asesorias.cuautitlan2.unam.mx/inorganica/profes/asp/apuntes/primeros_modelos.pdf

› 4.- General Chemistry, Linus Pauling, Dover Publications, INC,. New York

› 5.- Dualidad onda-partícula http://www.eis.uva.es/~qgintro/atom/tutorial-09.html

› 6.- R.H.Petrucci,W.S. Harwood, Química General, Prentice Hall, México, 1999