MODELO ATMICO ACTUALEn las primeras dcadas del siglo XX, continuaba siendo un interrogante la forma como se organizaban los electrones alrededor del ncleo atmico. La respuesta a este interrogante provino de un campo al parecer sin relacin con el tomo: la espectroscopia, rama de la ciencia que estudia la emisin y absorcin de energa, en forma de luz, por parte de la materia. Veamos.

AntecedentesLa naturaleza de la luz: dualidad onda-partculaEn 1865, Maxwell estableci que la luz era una onda electromagntica de alta energa y que poda propagarse en el vaco. La naturaleza ondulatoria de la luz fue comprobada luego por numerosas observaciones y sirvi para explicar gran variedad de fenmenos, en los que los haces de luz se reflejaban o se refractaban, como si fueran ondas. Por ejemplo, la descomposicin de un haz de luz blanca al pasar a travs de un prisma, poda explicarse como el resultado de la refraccin de la luz al cambiar de medio.A finales del siglo XIX un buen nmero de fenmenos no encajaban bien con este modelo. Uno de ellos era el efecto fotoelctrico, segn el cual una placa metlica al ser sometida a la incidencia de la luz, emita energa en forma de electrones, que de algn modo eran arrancados de los tomos del metal. De acuerdo con la naturaleza ondulatoria de la luz, estos electrones seran estimulados por la luz incidente y slo se desprenderan de sus tomos al recibir una cantidad de energa suficiente, es decir, con cierto retraso con relacin al momento de la incidencia del haz de luz. Sin embargo, lo que se observaba era que los electrones se desprendan inmediatamente despus de ser estimulados por la luz.

Por otro lado, dependiendo del color de la luz empleada, el fenmeno se produca o no, de manera que la expulsin de electrones deba estar relacionada con la longitud de onda de la luz incidente. Todo esto dejaba entrever que la luz poda comportarse tambin como una partcula. No obstante, hubo que esperar algunas dcadas para que esta idea fuera planteada formalmente y aceptada por la comunidad cientfica.

El espectro electromagnticoDonde c es la velocidad de propagacin de la luz en el vaco, 300.000 km/s, _ es la longitud de onda y es la frecuencia. As, a mayor frecuencia, menor ser la longitud de onda y viceversa. Las ondas de alta frecuencia son las ms energticas, como los rayos gamma o los rayos ultravioleta. Por el contrario, las ondas de radio o las microondas tienen relativamente poca energa. Dentro del espectro visible, que es solo una parte muy pequea de ste, la luz roja tiene menos energa que la azul.Teora cuntica de PlanckEl estudio de los espectros de emisin y absorcin de diferentes sustancias y cuerpos, llev al siguiente dilema: Qu pasara con un cuerpo capaz de absorber todas las longitudes de onda de la luz incidente sobre l? Sera un cuerpo negro, pues no reflejara luz de ningn color.Ahora bien, este cuerpo negro debera por lo tanto emitir luz de todas las longitudes de onda presentes en el espectro electromagntico. Dado que la regin ultravioleta del espectro es la ms extensa, la radiacin de un cuerpo negro debera ser principalmente violeta, produciendo lo que se llam una catstrofe ultravioleta. Los cuerpos negros no se conocen en la naturaleza, por lo que la nica manera de resolver el misterio era construir un aparato que se comportara como un cuerpo negro y observar cmo lo haca. Este aparato consista en una cmara de hierro cuyas paredes internas eran rugosas y estaba provista de un pequeo agujero, de manera que la luz que entraba en la cmara era completamente absorbida, y debera ser emitida nuevamente al exterior, produciendo una catstrofe ultravioleta. Esto no ocurri as. Por el contrario, la mayor cantidad de radiaciones pertenecan a regiones cercanas al infrarrojo.Para resolver el conflicto el fsico alemn Max Planck (1858-1947) propuso, en 1900, que la radiacin emitida o absorbida por los cuerpos calientes no se presentaba de manera continua, sino en forma de cantidades discretas de energa, a las que llam cuantos. El tamao de un cuanto sera directamente proporcional a la frecuencia de la radiacin emitida o absorbida y la magnitud de energa intercambiada debera ser un mltiplo de esta unidad.

Planck resumi estos postulados en la siguiente expresin: E = h v, donde E es la energa, v es la frecuencia y h es una constante, la constante de Planck, con un valor de

Albert Einstein, en 1905, utiliz la teora cuntica de Planck para explicar el efecto fotoelctrico. Einstein sugiri que la luz estaba formada por paquetes de energa, que denomin fotones, cada uno de los cuales posea una energa igual a hn, de donde se deduce que la luz de alta frecuencia, como el color azul o la radiacin ultravioleta, tiene fotones ms energticos que aquella de baja frecuencia, como las ondas de radio o el color rojo.

Como la energa necesaria para remover los electrones en la superficie del metal es suministrada por la luz incidente, Einstein consider el efecto fotoelctrico como el choque de dos partculas: un fotn y un electrn, en el cual, un electrn slo sera expulsado por un fotn suficientemente grande.Esto explicaba por qu la expulsin de electrones ocurra instantneamente y slo con haces de luz de ciertos colores.Solo haba un problema: la luz debera comportarse al mismo tiempo como una onda y como una partcula. Actualmente, el carcter dual de la luz ha sido aceptado como una hiptesis de trabajo que sirve para dar explicaciones a un cierto nmero de observaciones, de otro modo inexplicables.

El modelo de BohrEn 1913, el fsico dans Niels Bohr (1885-1962), basndose en la teora cuntica de Planck y en el anlisis del espectro de emisin del hidrgeno, propuso un nuevo modelo atmico. En l, mantena la estructura planetaria propuesta por Rutherford, pero haca las siguientes precisiones acerca de la disposicin de los electrones alrededor del ncleo:

Los tomos presentan un cierto nmero de rbitas posibles, denominadas estados estacionarios, en las que un electrn puede girar sin que ocurra emisin o absorcin de energa. En este estado, el tomo es estable.

Cuando un tomo absorbe o emite energa en forma de radiacin, los electrones a su alrededor son promovidos de una rbita a otra. Si un electrn absorbe energa, pasa a una rbita mayor, alejndose del ncleo.

Al emitir luego esta energa, desciende a un estado menor, ms cerca del ncleoLa cantidad de energa necesaria para pasar de un nivel a otro est cuantizada, segn la ecuacin propuesta por Planck. De esta manera, el colapso atmico que se desprenda del modelo de Rutherford no era posible bajo estos nuevos supuestos, pues, un electrn no puede descender ms all de un nivel de energa mnimo.

Estos postulados fueron planteados por Bohr en relacin con el tomo de hidrgeno, el ms sencillo que se conoce. Sin embargo, el anlisis de los espectros de emisin de otros tomos mostraba estructuras internas ms complejas, que no eran explicadas satisfactoriamente por este modelo. Adems, tampoco era claro por qu eran posibles slo ciertas rbitas y por qu haba discrepancias tan grandes entre las rbitas de diferentes tomos.El modelo de SommerfeldAlgunos aos despus, espectroscopios ms sensibles, permitieron observar que algunas de las lneas que formaban los espectros de emisin estaban en realidad compuestas de varias lneas ms finas, lo cual hizo pensar que existan estados energticos intermedios, entre los orbitales propuestos por Bohr. Arnold Sommerfeld (1868-1951), fsico alemn, propuso en 1916, una ligera modificacin al modelo de Bohr, segn la cual, existan rbitas elpticas, adems de circulares, permitiendo la existencia de niveles y subniveles de energa.

Hacia un modelo mecnico-cuntico de la materia La materia es ondulatoria: en 1924, el fsico francs Louis de Broglie (1892-1977) plante que si la energa poda ser particulada, la materia tambin poda entenderse como energa en forma de ondas. De esta suerte, para una partcula cualquiera, en movimiento, habra una onda asociada. De Broglie sintetiz esta idea en la siguiente ecuacin:

donde describen la longitud y la frecuencia de la onda asociada, h es la constante de Planck y m es la masa de la partcula.La ecuacin de De Broglie implica que si m es grande, la longitud de onda es tan pequea que no es perceptible. Mientras que, si m es tan pequea como en un electrn, la onda asociada tiene una _ elevada y medible. Esto explica que en nuestra experiencia diaria, la materia no aparente una naturaleza ondulatoria, como s lo hace en el mundo subatmico.

El principio de incertidumbre de Heisenberg. De acuerdo con lo establecido por Bohr, el electrn del tomo de hidrgeno gira en torno al ncleo siguiendo una trayectoria bien definida, y por lo tanto es posible calcular su posicin y cantidad de movimiento en cada punto. Sin embargo, en 1926, Werner Heisenberg (1901-1976) sostuvo que tal descripcin no era posible, pues nuestra forma de observar y medir las cosas no nos permite hacerlo con completa objetividad. As, siempre que observamos o medimos algo, afectamos al objeto observado. El resultado de esta premisa es que no es posible conocer simultneamente la posicin y la cantidad de movimiento (momento lineal) de una partcula subatmica, pues cuanto ms exacta sea la estimacin de un parmetro, menos podremos saber sobre el otro. De esta manera ya no se emplean nmeros absolutos sino probabilidades para referirse a cualquier parmetro que caracterice una partcula subatmica.

Arquitectura electrnicaLa ecuacin de SchrdingerEn 1926, Erwin Schrdinger (1887-1961) describi el comportamiento del electrn en un tomo de acuerdo con consideraciones estadsticas, es decir, en trminos probabilsticos. Schrdinger consider que la trayectoria definida del electrn, segn Bohr, debe sustituirse por la probabilidad de hallarlo en una zona del espacio perifrico al ncleo atmico. Esta probabilidad es tambin la densidad electrnica o nube de carga electrnica, de modo que las regiones donde existe una alta probabilidad de encontrar al electrn, son las zonas de alta densidad electrnica. Las ecuaciones de Schrdinger delimitan regiones en el espacio, que corresponden, ms o menos a los orbitales establecidos por Bohr, pero que designan las zonas en las cuales la probabilidad de hallar un electrn, en un momento dado, es muy alta. Es decir, no podemos decir dnde estar ese electrn en un momento t, sino cul es la probabilidad de que dicha partcula se encuentre en la zona observada en ese momento. Estos orbitales se describen por medio de cuatro parmetros, llamados nmeros cunticos.Los nmeros cunticosPara describir las caractersticas de un electrn situado en un determinado orbital, se necesitan cuatro nmeros cunticos, que se representan mediante las letras n, l, ml y ms. Nmero cuntico principal (n). Define una capa o nivel de energa en la periferia del ncleo del tomo. Los valores que puede tomar n son los nmeros 1, 2, 3, etc. Entre mayor sea el valor de n, la distancia entre un electrn presente all y el ncleo atmico, ser mayor. As mismo la energa que esta partcula posea tambin ser mayor.

Nmero cuntico secundario (l). Determina la forma del orbital, es decir, la regin donde el electrn se mueve. Los posibles valores del dependen de n, de modo que, para cada valor de n, l puede tomar todos los valores comprendidos entre 0 y (n - 1). Por ejemplo, si n = 4, el nmero l puede tomar los valores 0, 1, 2 y 3. Se acostumbra simbolizar con letras los valores numricos que puede tomar el nmero cuntico. Nmero cuntico magntico . Define la orientacin que pueden presentar los orbitales de un mismo subnivel en relacin con un campo magntico externo. Para cada valor de l, ml puede tomar todos los valores enteros comprendidos entre -1 y +1. As, si 1 = 2, los valores posibles de sern: -2, -1, 0, 1 y 2.

Nmero cuntico de espn . Un orbital puede albergar como mximo dos electrones. Dichos electrones se diferencian entre s por el sentido de giro sobre su eje. Cuando dos electrones ocupan el mismo orbital, sus sentidos de giro son opuestos. Como slo son posibles dos sentidos de giro, el nmero cuntico puede tomar solamente dos valores, que son +1/2 y -1/2, y que tambin se simbolizan con flechas contrarias Como el electrn es una partcula cargada se comporta como un pequeo imn, por lo cual se dice que tiene un espn o giro.

Configuraciones electrnicasUna gran parte de las propiedades fsicas y todas las propiedades qumicas de un elemento dependen de la corteza electrnica de los tomos que lo componen. Esta es la razn por la cual es importante conocer cmo estn distribuidos los electrones en la zona perifrica de un tomo. El ordenamiento que se presenta para cada tomo se conoce como configuracin electrnica del estado fundamental o basal de los tomos. Esta corresponde al tomo aislado en su estado de mnima energa.Hasta ahora hemos visto que los electrones se organizan alrededor del ncleo en rbitas u orbitales. Estas rbitas corresponden a regiones del espacio en las que la probabilidad de hallar un electrn es alta y se caracterizan por poseer un determinado nivel de energa.Tambin sabemos que dentro de un nivel de energa dado hay subdivisiones, que denominaremos subniveles. Por ltimo, hemos mencionado que el nmero de electrones permitido en un subnivel, as como la forma y orientacin espacial de este, estn determinados por los cuatro nmeros cunticos. A continuacin veremos en detalle cmo se distribuyen los electrones en estas regiones espaciales para diferentes tomos.

Algunas consideraciones preliminaresPara construir una especie de mapa, que describa cmo estn dispuestos los electrones en la periferia del ncleo atmico, deben tenerse en cuenta los siguientes principios: Principio de ordenamiento. Al ordenar los elementos de manera creciente de nmeros atmicos, cada tomo de un elemento tendr un electrn ms que el del elemento que le precede. Por ejemplo, cada tomo de carbono (Z = 6) tendr un electrn ms que cada tomo de boro (Z = 5). Principio de Aufbau. Es complemento del anterior y establece que el electrn que distingue a un elemento del elemento precedente se ubica en el orbital atmico de menor energa disponible (s o p). Principio de exclusin de Pauli. Un orbital no puede contener ms de dos electrones, y los espines de dichos electrones deben tener valores opuestos. Se representan. Principio de mxima multiplicidad de carga (regla de Hund). Los electrones que pertenecen a un mismo subnivel se disponen de manera que exista el mayor nmero posible de electrones desapareados con el mismo valor de espn. Cuando un orbital contiene nicamente un electrn, se dice que este electrn est desapareado.

Distribucin de los electrones en el tomoEn el esquema de la fi gura 17 se muestra grficamente la aplicacin de los nmeros cunticos y los principios mencionados. Los nmeros del 1 a 7 indican el nivel de energa y se pueden representar con las letras maysculas K, L, M, N, O, P, Q; las letras minsculas s, p, d y f representan los subniveles y los exponentes, el nmero mximo de electrones que puede albergar cada subnivel.As, 2 para s, 6 en p, 10 en d y 14 en f.Estos subniveles se van llenando de arriba hacia abajo, en la direccin y sentido que sealan las flechas, debido al orden de energa creciente para los orbitales atmicos, hasta completar tantos electrones como requiera el nmero atmico del elemento.