1Teorías atómicas



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IES “Julián Marías”- Valladolid Dpto. Física y Química

Tema 1: Modelos atómicos. Tabla periódica. Enlace Químico.

1Teorías atómicas.


¿Qué es una teoría física o un modelo? Es un conjunto de ideas alrededor de un fenómeno físico que debe ser capaz de explicar los hechos experimentales conocidos sobre ese fenómeno físico. Son las explicaciones que damos a los hechos experimentales. Los hechos son irrefutables, mientras que las explicaciones, los modelos, han ido cambiando según se conocían nuevos hechos que los modelos vigentes no podrían explicar. Por eso en este tema veremos tantos modelos atómicos, siguiendo la estructura

HECHOS CONOCIDOS->MODELO->EXPLICACION DE LOS HECHOS CONOCIDOS. Cuando se descubren nuevos hechos que el modelo vigente no es capaz de explicar, se construye otro (normalmente no de modo rupturista, sino como un refinamiento del anterior).

Hechos experimentales

Modelo que los explica

Explicación

Leyes Ponderales:

-Lavoisier

-Proust

-Dalton


MODELO ATÓMICO DE DALTÓN

Explica todas las leyes ponderales

Tubo de rayos catódicos, descubrimiento del electrón

MODELO ATÓMICO DE THOMSON

Explica los rayos catódicos

Experimento de Rutherford. Nucleo atómico

MODELO ATÓMICO DE RUTHERFORD

Explica el experimento de Rutherford

Teoría cuántica

Espectros atómicos



MODELO DE BOHR

Explica los espectros

Teoría cuántica

Principio incertidumbre



MODELO DE LA MECÁNICA CUÁNTICA

El actual.No hay hechos que lo contradigan ni que no explique

Vamos a estudiar cada modelo insistiendo en esas 3 partes:

2Teoría atómica de Dalton

2.1Hechos experimentales. Leyes ponderales.


Ley de Conservación de la masa: (Lavoisier, 1774) “En toda reacción o cambio químico la suma de las masas de los reactivos es igual a la suma de las masas de los productos de la reacción”.

Ley de las proporciones definidas o de la composición constante: (Proust1, 1799) Igual que tiene 2 nombres suele tener 2 enunciados equivalentes: “Cuando 2 o más elementos se unen para formar el mismo compuesto lo hacen siempre en una proporción de masa fija” o bien “En un compuesto químico las proporciones entre las masas de los elementos que lo constituyen son siempre constantes, independiente del origen del compuesto o de su modo de preparación”.

Por ejemplo, si combinamos hidrógeno con oxígeno para dar agua, siempre lo hacen en la misma proporción . Si usamos 1 g de hidrógeno con 8 g de oxígeno se consumirán íntegramente y se formaran 9 g de agua (en atención a la ley de la conservación de la masa). Si usamos 2 g de hidrógeno y 16 de oxígeno estarán en la misma proporción y por tanto se consumirán íntegramente y se formarán 18 g de agua, pero si usamos 3 g de hidrógeno y los mismos 16 g de oxígeno, el hidrógeno extra sobrará y se formará la misma cantidad que en el caso anterior de agua. Lo mismo ocurre si combinamos 2 g de hidrógeno con 17 de oxígeno, que sobra uno de oxígeno y se forman 18 de agua.



Ley de las proporciones múltiples: (Dalton ,1808) “Cuando dos elementos se combinan para formar más de un compuesto, las diferentes masas de uno de ellos que se combina con una masa fija del otro se encuentran siempre en la relación de números enteros sencillos”.

Por ejemplo, Dalton sabía que el carbono forma dos óxidos mediante la combinación con oxígeno en diferentes proporciones. Una masa fija de carbono, por ejemplo 100 gramos, puede reaccionar con 133 gramos de oxígeno para producir el primero de los óxidos, o con 266 gramos de oxígeno para producir el otro. La proporción de las masas de oxígeno que puede reaccionar con 100 gramos de carbono es 266:133 ≈ 2:1, una relación de números enteros pequeños. Dalton interpretó este resultado en su teoría atómica proponiendo que los dos óxidos tienen uno o dos átomos de oxígeno respectivamente para cada átomo de carbono. En notación moderna, la primera es CO (monóxido de carbono) y el segundo es el CO2 (dióxido de carbono).


2.2Teoría atómica de Dalton (1808):


Para explicar dichas leyes Dalton debe suponer que la materia está formada por átomos que se combinan para dar lugar a los compuestos.

Afirmaciones de la teoría atómica de Dalton:



  • La materia está formada por partículas individuales, indestructibles y de tamaño fijo denominadas átomos.

  • Los átomos de un mismo elemento son iguales entre si en tamaño y en masa, pero distintos de los átomos de otro elemento diferente.

  • Los compuestos químicos se forman al unirse los átomos de diferentes elementos entre sí siempre en la misma relación (moléculas iguales). De aquí procede el uso de la fórmula de un compuesto, que nos indica el nº de átomos de cada clase que componen una cualquiera de sus moléculas (ej: H2O, NH3, NaCl...). A los átomos de un elemento los representamos por una o dos letras, la 1ª mayúscula (H, He, O, Cl, C, Ne, Ar, Na) que proceden del nombre del elemento en latín (generalmente)

  • En una reacción química, los átomos se reagrupan de forma distinta a como estaban inicialmente, pero ni se crean ni se destruyen. ej: H2+O2H2O. La reacción debe ajustarse para que se cumpla que TODOS los que están en el primer miembro (reactivos) vuelvan a APARECER en el segundo (aunque unidos de forma distinta) . Correctamente sería 2H2+O22H2O (o cualquier múltiplo de esta).

Actividades: Escribir en forma corpuscular y ajustar la anterior y:

N2+H2→NH3; C+O2→CO2; Cl2+H2→HCl CH4+O2→CO2+H2O


2.3Explicaciones a los hechos experimentales:


Esta teoría fue aceptada porque permitía explicar de una manera sencilla las leyes experimentales conocidas en esa época y ya expuestas anteriormente.

  • La afirmación de que los átomos eran indestructibles justificaba la conservación de la masa, ya que estos ni se creaban ni se destruían en una reacción química. Lo que ocurría en ella es la reordenación de los átomos.

  • La segunda y la tercera parecen muy razonables razonable. La masa era la única magnitud medible de la época y parece razonable suponer que todos los átomos de un elemento eran idénticos. Si suponemos eso podemos justificar fácilmente la ley de Proust. Cuando combinamos O e H para dar agua, sabemos que su fórmula es H2O y que por tanto para producir N moléculas de H2O haran falta N átomos de O, que tendrán de masa N·MO, siendo MO la masa de un átomo de oxígeno, y 2N átomos de H, que tendrán de masa My, siendo 2N·My la masa de un átomo de H. El cociente entre las masas de oxígeno e hidrogeno necesarias para producir N moléculas de agua (siendo N un nº cualquiera):

Esa proporción constante (lo será ya que la fórmula de todas las moléculas es idéntica y la masa de los átomos siempre es la misma) nos permitiría incluso, definiendo como unidad la masa de un átomo que se combine con muchos elementos y conociendo la fórmula de éstos compuestos conocer las masas relativas de los átomos. Así, si tomamos como referencia el H, MH=1 y sabemos que la fórmula del agua es H2O y que la proporción estequiométrica es 8 g O/1 g H=MO/2·1. De ahí, la MO será 16 veces la del H. Eso permitió la construcción de escalas de masa atómica.

También podemos justificar con facilidad la propia ley de Dalton. Si tenemos una masa fija de carbono, por ejemplo, las masas de oxigeno que se combinarán con ella para dar CO y CO2 deben estar en proporción 2 a 1, puesto que para dar CO2 hacen falta el doble de átomos de O que para dar CO (a igualdad de átomos de C, claro está).

Sin embargo, Dalton no dispuso de evidencias experimentales para establecer la relación entre los átomos en las moléculas de los compuestos. Para resolverlo utilizó la más sencilla que es la 1:1 con lo que la fórmula del agua sería, según Dalton, HO y la fórmula del amoniaco NH. Eso le llevo a calcular de manera errónea algunas masas atómicas.



CRÍTICA: Las ideas básicas de esta teoría son correctas, pero muchas de las iremos refinando más adelante. No es propiamente un modelo atómico, ya que no dice cómo son los átomos.

3Teoría atómica de Thomson.

3.1Hechos experimentales.

3.1.1Naturaleza eléctrica de la materia.


Hay que diferenciar los fenómenos eléctricos de los magnéticos.

Las primeras experiencias con electricidad fueron por frotamiento del vidrio con una piel o con lana (electricidad vítrea, hoy llamada negativa) y del frotamiento del ámbar (resina fósil de pino, de cuyo nombre griego, elektron, viene la palabra electricidad) con un paño de seda (electricidad resinosa, hoy llamada positiva).



  • Pronto se vio que objetos con cargas del mismo signo se repelen y con distinto signo se atraen.

  • la electricidad pasa de un cuerpo a otro, pudiendo dividirse (si el segundo no tiene carga) o neutralizarse (si el segundo tiene carga de signo distinto).

3.1.2Tubo de rayos catódicos. Descubrimiento del electrón.


Un tubo de rayos catódicos es un recipiente de vidrio contiene un gas a baja presión (por tanto con muy pocos átomos) que es sometido a una corriente eléctrica de alto voltaje. Del polo negativo, llamado cátodo (C), sale un rayo de luz verdosa que se dirige hacia el ánodo (A) (positivo). http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/068/imgs/f2p33.gif
Son los rayos catódicos. En 1897 los estudio el físico inglés J.J. Thomson observando lo siguiente.

  • Son capaces de mover un pequeño molinillo de mica colocado en su interior→ Son un chorro de partículas con masa. Stoney las bautizó como electrones.

  • Son repelidos por cargas negativas y atraídos por cargas positivas→ Tienen carga negativa.

  • Su masa y su carga es la misma, sea cual sea el gas interior→ Forman parte de los átomos de todas las sustancias.

  • Millikan (1911) midió su carga resultando ser 1,6·10 –19 C (1 C=1 Culombio; 1 amperio=1 Culombio/segundo). Su masa es de 9,1·10 –31 kg, unas 2000 veces menos que la masa del átomo más ligero, el de hidrógeno.

3.2Modelo atómico de Thomson (1904)http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/f/ff/plum_pudding_atom.svg/220px-plum_pudding_atom.svg.png


Thomson pensó que si los electrones eran arrancados por la corriente eléctrica en los rayos catódicos era porque formaban parte de todos los átomos. Como los átomos en su conjunto eran neutros debía existir otra parte con carga positiva y la mayoría de la masa del átomo. Thomson imagino el átomo como una esfera uniforme cargada positivamente en la que se encuentran incrustados los electrones en cantidad suficiente para que el conjunto sea eléctricamente neutro (modelo de pudding de pasas).

3.3Explicaciones de los hechos experimentales.


Al introducir un gas a baja presión habrá pocos átomos de gas dentro del tubo. Cuando aplicamos una gran diferencia de potencial entre las placas, los electrones se sienten atraídos hasta el ánodo (+) y el resto positivo al cátodo (–), de tal forma que si el voltaje es elevado se separan ambas partes, electrones y resto positivo, dirigiéndose ámbas en direcciones opuestas. Los electrones forman los rayos catódicos. Es importante que haya pocos átomos para que los electrones puedan llegar al cátodo sin chocarse con nada.

El modelo predice que los restos positivos se dirigirán hacia el cátodo. Esos restos positivos (cationes les llamamos ahora) fueron encontrados poco más tarde (Goldstein, 1886) y se denominaron rayos canales.


4Modelo atómico de Rutherford

4.1Hechos experimentales

4.1.1Radiactividad.


La radiactividad natural fue descubierta por Becquerel en 1896 al observar que unas sales de uranio velaban las placas fotográficas conservadas en su envoltorio. El nombre se lo dio Marie Curie unos años más tarde. Se observó que ciertas sustancias, denominadas radiactivas, emiten una radiación compuesta de 3 radiaciones distintas:

  • Emisión α: Formada por partículas cargadas positivamente y muy masivas, como 4 veces el átomo de hidrógeno. Es detenida por una lámina de papel.

  • Emisión β: Está formada por electrones muy veloces. Son detenidos por una lámina fina de aluminio, por ejemplo.http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/d/d6/alfa_beta_gamma_radiation.svg/300px-alfa_beta_gamma_radiation.svg.png

  • Emisión γ: No son partículas, sino ondas, como las de radio, pero de muy alta energía y peligrosas para los seres vivos. Para detenerla se necesita una capa de plomo de varios centímetros o un muro de hormigón.

La existencia de estas radiaciones, procedentes del interior del átomo, hizo pensar a los científicos en que el átomo era más complejo de lo que Thomson pensaba.

4.1.2Experimento de Rutherford


En 1911 Rutherford realizó su famoso experimento. Bombardeó con radiación α (partículas α) procedente de una fuente radiactiva una lámina finísima (de 3 o 4 átomos de espesor) de oro y observo en una pantalla fosforescente donde terminaban dichas partículas. Observo que: file:experimento-de-rutherford.png

  • La mayoría de las partículas atravesaban la lámina sin desviarse→ Eso significaba que el átomo estaba prácticamente vacío.

  • Algunas partículas α se desviaban mucho e incluso alguna rebotaba. Eso significaba que chocaba contra un cuerpo cargado positivamente, que las repele, y de gran masa, que las hace rebotar.

4.2Modelo atómico de Rutherfordhttp://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/9/92/rutherford_atom.svg/300px-rutherford_atom.svg.png


Para explicar estos hechos propuso un modelo similar al modelo planetario del sistema solar. En el centro del átomo habría un núcleo con casi toda la masa del átomo y toda su carga positiva. Girando a su alrededor, en una zona denominada corteza, estarían los electrones, atraídos por la fuerza eléctrica. La mayoría del átomo estaría, por tanto, vacío.

4.3Explicación del experimento.


Ya lo hemos visto.

5Características de los átomos.


  • En 1919 Rutherford descubrió el protón, una partícula con la misma carga que el electrón, pero positiva, y con una masa una 2000 veces mayor que la del electrón. Están formando parte de los núcleos atómicos, junto con otras partículas, llamadas neutrones (Chadwick, 1932), sin carga y de masa muy parecida a la de los protones.

  • El resumen de las partículas que forman el átomo (llamadas partículas subatómicas) quedaría (expresando la masas en u.m.a., unidad de masa atómica, que es aproximadamente la masa de un protón o neutrón):




Partícula

Masa (kg)

Masa (uma)

Carga (C)

Carga (e)

Núcleo

Protón

1´6725.10–27

1,0073

+1,6·10 –19

+1

Neutrón

1´6748.10–27

1,0087

0

0

Corteza

Electrón

9,1096.10–31

0,00055

–1,6·10 –19

–1

  • Considerado como una esfera, el átomo tiene un radio de 10–10 m y el núcleo tiene un radio de 10–14 m. Para hacernos una idea: si el átomo fuera del tamaño de un campo de futbol, el núcleo sería como una canica colocada en su centro, y los electrones, como cabezas de alfiler que girarían alrededor de la canica.

  • Alrededor del 99,9% de la masa total del átomo se encuentra concentrada en el núcleo (protones y neutrones) y el resto corresponde a la corteza (electrones).

  • En los átomos el número de protones es igual al de electrones. Así resulta que el átomo no tiene carga eléctrica neta (es neutro), se compensan la carga negativa de los electrones con la carga positiva de los protones.

  • Los átomos pueden perder o ganar con cierta facilidad electrones, formándose los denominados iones:

    • Iones positivos o cationes: Se forman por la pérdida de electrones. Tienen tantas cargas positivas como electrones han perdido. Así, el Fe2+ es un átomo de hierro que ha perdido 2 electrones.

    • Iones negativos o aniones: Se forman por la ganancia de electrones. Tienen tantas cargas negativas como electrones han ganado. Así el Cl es un átomo de cloro que ha ganado un electrón.

6Números atómicos y másico


  • Para identificar las partículas que constituyen un átomo se utilizan dos números muy importantes:

    • Número atómico (Z): el número de protones que tiene el núcleo. En el átomo neutro coincide con el número de electrones en la corteza. Todos los átomos del mismo elemento químico tienen igual número atómico. Por ejemplo, todos los átomos de oxígeno tienen Z = 8.

    • Número másico (A): la suma de los neutrones y los protones. Se llama así porque la masa del átomo en uma es prácticamente igual a dicho número (porque neutrones y protones tienen masa 1 uma y los electrones masa casi despreciable)

7Representación de los átomos


  • El átomo se representa por un símbolo o abreviatura del nombre del elemento (X) formado por él, por su número atómico (Z) y su número másico (A): ZAX

  • Conociendo el símbolo del elemento y sus números atómico y másico, es fácil determinar las partículas del átomo. Por ejemplo, para el carbono (146 C), que tiene Z = 6 y A = 14, tenemos 6 protones (Z = 6), 6 electrones y 8 neutrones (A – Z).

  • Si el átomo no es neutro se indica su carga de esta manera: 146 C2+. Sería un átomo de carbono al que le faltan 2 electrones. Por tanto, tendría 6 protones, 14–6=8 neutrones y 6–2=4 electrones (se restan los 2 que le faltan, por eso tiene 2 cargas positivas). Si el átomo fuese el 818O2– tendría 8 protones, 10 neutrones y 10 electrones (los 8 del átomo neutro, tantos como protones, y los 2 de más que ha ganado).

8Isótopos


  • Todos los átomos del mismo elemento poseen el mismo número atómico, es decir, el mismo número de protones en el núcleo. Sin embargo, el análisis de muchos elementos ha llevado a la conclusión de que algunos tienen diferente número de neutrones y por ello diferente número másico.

  • Los átomos de un mismo elemento (tienen que tener el mismo número atómico) que tienen distinto número másico, es decir, distinta masa, se llaman isótopos.

  • Por ejemplo, existen en la naturaleza tres átomos diferentes del hidrógeno: 11H,21H y 31H. Los tres tienen un único protón (Z=1), el primero no tiene neutrones, el segundo tiene 1 neutrón y el tercero tiene dos neutrones.

  • A veces se representan los isótopos como el símbolo del elemento seguido del número másico (ej: Cl–35 y Cl–37, 3 isótopos del Cl). El número atómico de un elemento es fijo y a veces no se indica.

  • Ahora podemos dar la definición exacta de u.m.a.: Inicialmente se tomó como la masa del átomo de hidrógeno, el más ligero de todo, pero hoy día se ha cambiado y se toma como la doceava parte de la masa del isótopo 12 del carbono. Es decir, un átomo de C-12 pesa exactamente 12 u.m.a. Viene a ser prácticamente igual a la definición antigua, de ahí lo de la doceava parte.

  • En la tabla periódica se indica el número atómico de cada elemento y su masa atómica media, que es la suma de la masa de cada uno de los isótopos naturales que existen de ese elemento multiplicada por el porcentaje en que se encuentran en la naturaleza y todo ello dividido entre 100. Así, la masa atómica de los isótopos anteriores sería 35 u.m.a. y 37 u.m.a., aproximadamente y sabiendo que su riqueza natural es del 75% y del 25% respectivamente, podemos calcular la masa atómica media del cloro como:


9Modelo atómico de Bohr

9.1Hechos experimentales.


Fueron 2 básicamente. No entraremos en muchos detalles por evitar la parte matemática que llevan.

  • Hipótesis cuántica de Planck (1900), según la cual la energía está cuantizada, es decir, sólo puede tomar valores que sean múltiplos de una cantidad fundamental llamada cuanto de energía. Para entender que es la cuantización puedes compararlo con la carga: Como el electron no es divisible, sólo podemos obtener cargas múltiplos de la del electrón. La cuantización de la energía es difícil de observar en energía cotidianas porque el cuanto es muy pequeño, pero a nivel atómico la cuantización es imprescindible.

  • Espectros atómicos: Si hacemos pasar un rayo de luz blanca a través de un prisma triangular, la luz se descompone según los distintos colores que la forma y obtendremos todos los colores del arco iris. Si hacemos lo mismo con la luz procedente de someter a una muestra de un elemento en estado gaseoso a una descarga eléctrica no se obtienen todos los colores, sino sólo unos pocos, que son característicos de cada elemento. Al patrón de colores desprendido se denomina espectro atómico y se usa hoy día para analizar un compuestos (espectrometría), ya que cada elemento tiene su espectro propio.

9.2Modelo de Bohr (1913)http://quimica.laguia2000.com/wp-content/uploads/2010/04/modelo_de_bohr.jpg


Bohr perfeccionó el modelo de Rutherford en 1913 estableciendo que en el átomo sólo podía haber ciertas órbitas circulares permitidas para los electrones. Cada órbita permitida viene caracterizada por un número entero empezando por el 1 que se denomina número cuántico principal n. n valdrá 1 para la órbita más cercana al núcleo, n=2 para la siguiente órbita y así sucesivamente.

9.3Explicación de los hechos experimentales. Refinamientos.


Como el electrón sólo puede estar en ciertas órbitas, sólo puede tener ciertas energías, con lo que se cumple la cuantización. Además, los espectros se explican como la luz liberada por el electrón al pasar de un nivel a otro. Como sólo hay unas cuantas órbitas (con sus correspondientes energías) sólo hay unas pocas posibilidades de salto posibles y por tanto unas posibles frecuencias (colores).

El fallo es que según se fueron conociendo mejor los espectros hubo que introducir refinamientos (Somerfield), del tipo órbitas elípticas y orbitas con diferentes orientaciones espaciales, aumentando el nº de números cuánticos necesarios para describir cada órbita.


10Modelo atómico de la mecánica cuántica. Modelo actual

10.1Hechos experimentales


Además de la hipótesis cuántica de Planck hubo otro principio que revolucionó de física clásica: El principio de incertidumbre (Heisemberg) afirma que es imposible conocer con total precisión y simultáneamente la velocidad con la que se mueve un electrón y su posición. Cuanto más precisamente conozcamos una de ellas a través de un experimento mayor será la incertidumbre en el valor de la otra. Esto destruye la aplicación de la mecánica clásica, la de Newton, al electrón en el átomo. La mecánica de Newton necesita (ya lo veremos más adelante cuando estudiemos la dinámica y la cinemática) una posición y una velocidad a un cierto tiempo para describir el movimiento de un cuerpo. Si yo digo que ahora estoy en un punto y me dirijo al norte a 2 m/s de velocidad constante, al cabo de 10 s estaré 20 m al norte de donde empecé. Si no se exactamente la posición de partida o la velocidad, no podré precisar el camino, la posición final.

10.2Modelo mecanocuántico


El modelo mecanocuántico actualmente aceptado admite que no pueden situarse con precisión las posiciones de los electrones, sino sólo la probabilidad de hallarlos en una posición determinada. Se habla de orbitales (por analogía a las orbitas de Bohr), regiones del espacio en las que la probabilidad de encontrar al electrón es muy alta. Luego los estudiaremos con más detalle. http://www.kalipedia.com/kalipediamedia/cienciasnaturales/media/200709/24/fisicayquimica/20070924klpcnafyq_17.ees.sco.png

11Configuraciones electrónicas (según la mecánica cuántica).


  • Para estudiar las propiedades químicas de los átomos, en especial su valencia (su capacidad de combinación) es necesario saber cómo se disponen los electrones en la corteza. Eso es la configuración electrónica de un átomo.

    1er nivel

    1s2










    2º nivel

    2s2

    2p6







    3er nivel

    3s2

    3p6

    3d10




    4º nivel

    4s2

    4p6

    4d10

    4f14

    5º nivel

    5s2

    5p6

    5d10

    5f14

    6º nivel

    6s2

    6p6

    6d10




    7º nivel

    7s2

    7p6







  • Para ello, primero aprenderemos a identificar los orbitales, identificados por un número n (que indica su tamaño) y una letra (que indica su forma). No todas las combinaciones de ambos son posibles. Las que existen son:

  • El nº de figura en superíndice es el nº máximo de electrones que caben en ese orbital. En un orbital de tipo s, sea del nivel que sea (1s, 2s, 3s) caben 2 electrones, en uno de tipo p caben 6, en uno de tipo d 10, en uno de tipo f , 14 (se van añadiendo 4).

  • El orden de energía de esos orbitales (de menor a mayor) se calcula mediante el diagrama de Moeller, realizando líneas inclinadas en diagonal, tal y como se hizo en la figura anterior.

  • Ahora iremos añadiendo los electrones a los orbitales, empezando por los de menor energía, con las limitaciones de la capacidad de cada orbital vistas antes. Cuando no quepan más electrones en un orbital, pasamos al siguiente. El número de electrones se indica al lado de cada orbital como superíndice.

  • Así, por ejemplo:

Configuración electrónica del átomo neutro del elemento con Z=20 (Calcio, Ca). Tenemos que colocar 20 electrones. Empezamos con 2 en el 1s, otros 2 en el 2s, 6 en el 2p (ya llevamos 10, nos faltan otros 10), 2 en el 3s, 6 en el 3p y los 2 que nos faltan para 20 en el 3s. Su configuración sería:

1s22s22p63s23p64s2.



Si queremos hacer la configuración del átomo neutro del elemento con Z=21 (Escandio, Sc), sería igual que la anterior, añadiendo el electrón nº 21 en el siguiente orbital, el 3d. Su configuración sería 1s22s22p63s23p64s23d1.

  • Aquí tienes la configuración de los 11 primeros elementos. Inténtalos sin mirar el resultado.

    Elemento

    Nombre

    Z

    Configuración

    H

    Hidrógeno

    1

    1s1

    He

    Helio

    2

    1s2

    Li

    Litio

    3

    1s22s1

    Be

    Berilio

    4

    1s22s2

    B

    Boro

    5

    1s22s22p1

    C

    Carbono

    6

    1s22s22p2

    N

    Nitrogeno

    7

    1s22s22p3

    O

    Oxigeno

    8

    1s22s22p4

    F

    Fluor

    9

    1s22s22p5

    Ne

    Neon

    10

    1s22s22p6

    Na

    Sodio (Natrium)

    11

    1s22s22p63s1

  • Es fácil escribir las configuraciones de los iones atómicos. Si tenemos, por ejemplo, el Oxígeno, O, cuyo Z=8 (8 electrones el átomo neutro). Su configuración sería: 1s22s22p4. El ión monopositivo del oxígeno, representado por O+, tendría 7 electrones (por eso tiene una carga positiva, 8 protones en el núcleo y 7 electrones en la corteza). Su configuración sería: 1s22s22p3. El ión O2+ tendría de configuración 1s22s22p2.

  • En cambio, el ión O del oxígeno tendría 9 electrones, uno más que protones (recuerda que el todos los átomos de oxígeno, por tener Z=8, tienen 8 protones y pueden variar el nº de electrones según la carga del ion). Su configuración será 1s22s22p5 y la del O2– 1s22s22p6.

  • También podemos calcular la configuración electrónica de un átomo neutro si sabemos la de un ion, pero debemos pensar un poco. CUIDADO. Si nos dicen, por ejemplo, que el ión Na+ tiene una configuración 1s22s22p6 deducimos, contando los electrones, que tiene 10, pero como tiene una carga positiva sabemos que tiene 11 protones. El átomos neutro de Na tendrá también 11 electrones (neutro) y su configuración será 1s22s22p63s1. Si nos dicen que el F tiene una configuración electrónica de 1s22s22p6, sabemos que tiene un electrón de más, por lo que el F será 1s22s22p5.

Ejercicios:

Hacer más configuraciones electrónicas, escribir las de los iones monopositivos de los últimos y las de los mononegativos. Dados una serie de configuraciones de iones monopositivos hallar la configuración del átomo neutro. Igual para los dinegativos, por ejemplo.


12Tabla periódica:


Historia:

  • En 1869, el ruso Dmitri Ivánovich Mendeléyev publicó su primera Tabla Periódica en Alemania. Un año después lo hizo Julius Lothar Meyer, que basó su clasificación periódica en la periodicidad de los volúmenes atómicos en función de la masa atómica de los elementos. Por ésta fecha ya eran conocidos 63 elementos de los 90 que existen en la naturaleza. La clasificación la llevaron a cabo los dos químicos de acuerdo con los criterios siguientes:

    • Colocaron los elementos por orden creciente de sus masas atómicas.

    • Los agruparon en filas o periodos de distinta longitud.

    • Situaron en el mismo grupo elementos que tenían propiedades químicas similares, como la valencia

  • Fué Henry Moseley el que en 1913 propuso usar como identificador de cada elemento el número de protones de su núcleo, el número atómico (Z) o número de cargas positivas del núcleo. Desde entonces el orden de la tabla periódica es el del número atómico creciente.

Que és:

  • La tabla periódica es una representación ordenada de todos los elementos conocidos. Los elementos se disponen siguiendo el orden de su número atómico creciente, empezando por el Hidrógeno (Z=1) que se coloca a veces en la primera columna y a veces en el centro, como ejemplo de la información que contiene la tabla (ver figura lateral), le sigue el He (Z=2), que es el primero de un conjunto de gases denominados gases nobles (He, Ne, Ar, Xe, Rn, At). El elemento siguiente al gas noble se escribe en la siguiente fila, en orden de número atómico creciente, hasta llegar al siguiente gas noble y así hasta el final. Puedes consultar una muy buena en http://www.mcgraw-hill.es/bcv/tabla_periodica/. Podría pensarse que lo mejor sería colocarlos en una gran tira ordenados del 1 al 112, pero se observó que periódicamente (de ahí su nombre) los elementos tienen propiedades parecidas (por ejemplo, el S tiene propiedades parecidas al O, aunque uno sea un gas y otro un sólido, y por ello se ponen en la misma columna). Por eso se colocan en filas y columnas. Los situados en la misma columna tienen propiedades químicas semejantes.

  • Asi se construye la tabla periódica, que contiene a día de hoy 7 filas o períodos, numerados del 1 al 7. Por el motivo que veremos a continuación no todos son igual de largos, aunque todos empiezan por un metal alcalino y terminan en un gas noble.

    • 1 Período muy corto, el 1º, con 2 elementos.

    • 2 Períodos cortos, el 2º y 3º, con 8 elementos.

    • 2 Períodos largos, el 4º y 5º, con 18 elementos

    • 2 Períodos ultralargos, el 6º y el 7º (sin completar), que contienen ademas de los 18 que se ven los 14 situados debajo, denominados elementos de transición interna o tierras raras. De hecho, hay tablas largas, muy poco usadas por su extensión, como la inferior

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  • Se denomina periódica porque los elementos colocados en la misma columna tienen propiedades químicas muy similares (la más importante, la valencia), es decir, las propiedades químicas se repiten periódicamente. Así, los elementos con Z=3 (Li), Z=11 (Na), Z=19 (K), Z=37 (Rb), etc, son metálicos, tienen valencia 1 y forman cationes monopositivos con facilidad. Forman la familia de los metales alcalinos. Los elementos situados en la misma columna, y por tanto, con propiedades químicas semejantes, se llaman familias.

  • Para llamar a las familias se usan números (del 1 al 18), aunque las más importantes tienen nombre propio que hay que aprender:

    • Familia 1: Alcalinos: Li (litio), Na (sodio), K (potasio), Rb (Rubidio), Cs (Cesio) y Fr (Francio)

    • Familia 2: Alcalino-Terreos: Be (Berilio), Mg (Magnesio), Ca (Calcio), Sr (Estroncio), Ba (Bario) y Ra (Radio)

    • Familias 3 a 12: metales de transición. Forman todos una gran familia con propiedades muy similares, sin importar mucho su posición. De entre estos nos fijaremos en unos pocos que aparecen en multitud de compuestos químicos: Fe (Hierro), Co (Cobalto), Ni (Niquel), Cr (Cromo), Mn (Manganeso), Ag (Plata), Cu (Cobre), Zn (Zinc), Cd (Cadmio), Au (Oro), Hg (Mercurio) son los más importantes.

    • Familia 13: Terreos: B (Boro) y Al (Aluminio)

    • Familia 14: Carbonoideos: C (Carbono) y Si (Silicio)

    • Familia 15: Nitrogenoideos: N (nitrógeno), P (fósforo), As (Arsénico) y Sb (Antimonio)

    • Familia 16: Anfígenos: O (Oxígeno), S (Azufre), Se (Selenio) y Te (Teluro)

    • Familia 17: Halógenos: F (Flúor), Cl (Cloro), Br (Bromo) y I (Iodo)

    • Familia 18: Gases nobles: He (Helio), Ne (Neón), Ar (Argón), Kr (Kriptón), Xe (Xenón) y Rn (Radón)

  • Las familias más importantes son las 1, 2, 13, 14, 15, 16 y 17 (la 18, los gases nobles, se usa como referencia, pues no forman compuestos y químicamente carecen casi de interés). Esas familias más importantes están formadas por los llamados elementos representativos, llamados así por el gran cambio de propiedades que hay al pasar de una familia a otra, a diferencia de los metales de transición (familias 3 a 12), que tienen todos propiedades similares, siendo más acusado en los metales de transición interna (Tierras raras, Lantánidos y Actínidos)

  • La tabla periódica se puede dividir también en:

    • No metales: F, Cl, Br, I , At, O, S, Se, Te, N, P, C, B. Están situados a la derecha de la tabla. No tienen brillo, muchos son gases y no conducen la electricidad.

    • Semimetales: Te, As, Sb, Si, Ge Propiedades intermedias entre metales y no metales

    • Metales: todos sólidos, salvo el mercurio. Tienen brillo y conducen la electricidad.

Tabla periódica y configuración electrónica.

  • Si analizamos la configuración electrónica de un grupo cualquiera, por ejemplo, el de los metales alcalinos, nos encontramos con el

    • Li: 1s22s1

    • Na: 1s22s22p63s1,

    • K: 1s22s22p63s23p64s1

vemos que todos ellos tienen el electrón diferenciador, el último añadido, en el orbital ns1. Si todos tienen propiedades químicas semejantes y configuración electrónica externa semejante es que habrá una relación entre ambos hechos. Las propiedades químicas de los alcalinos radicarán en su configuración. Todos terminan en ns1, siendo la n el período del alcalino concreto (2 para el Li, 3 para el Na, 4 para el K...)

  • Igual ocurre con los anfígenos:

    • O: 1s22s22p4

    • S: 1s22s2sp63s23p4

    • Se: 1s22s22p63s23p64s23d104p4

Todos ellos tienen la mismas propiedades y la misma configuración electrónica externa, ns2np4.

  • Podemos sacar una conclusión: todos los elementos de un mismo grupo tienen el mismo número de electrones de valencia (1 los alcalinos y 6 los anfígenos), la misma configuración electrónica externa y, como consecuencia, propiedades químicas semejantes. Los electrones situados en la última capa de un átomo (la más externa) se conocen como electrones de valencia. Los electrones de valencia serán los responsables de las propiedades químicas de los elementos y, por lo tanto, los átomos que presentan el mismo número de electrones en su última capa tendrán propiedades semejantes.

  • En el sistema periódico se pueden distinguir cuatro bloques, denominados s, p, d y f, que corresponden al llenado de los orbitales correspondientes.

    • El bloque s está constituido por los grupos 1 y 2

    • El bloque p lo forman los grupos 13 al 18

    • El bloque d está compuesto por los elementos de los grupos 3 al 12

    • El bloque f está formado por los lantánidos y los actínidos

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/0a/bloques_tabla_peri%c3%b3dica.png

  • El número del periodo de un elemento coincide con el valor de n del orbital mayor ocupado.

  • Otra regla interesante que podemos deducir de la tabla periódica y que nos será muy útil para estudiar y comprender el enlace químico y la valencia (la capacidad de combinación de un átomo) es la regla del octeto. Los gases nobles tienen todos como configuración de la última capa ns2np6, es decir, 8 electrones, y no se combinan con nadie. Eso llevo a los químicos a pensar que tener 8 electrones en la última capa proporcionaba una gran estabilidad al átomo. Todos los átomos tratarán de intercambiar electrones, bien por transferencia completa (enlace iónico), bien por compartición (enlace covalente), de conseguir tener esos 8 electrones en su última capa. Esa es la regla del octeto, que si bien no se cumple en todos los casos es una muy buena aproximación al enlace químico.


13Propiedades periódicas



13.1Radio atómico y radio iónico


El radio atómico no es sencillo de definir, pues el átomo no es un objeto esférico de límites definidos. Se suele medir las distancia entre 2 núcleos de una molécula diatómica y se divide entre 2 (radio covalente)

El radio atómico aumenta al descender en un grupo, decrece de izquierda a derecha en un periodo.

  • En un grupo o familia, los radios atómicos crecen al aumentar el número atómico porque los electrones se colocan en nuevas capas electrónicas, en orbitales con número cuántico n mayor y por tanto más grandes, más alejados del núcleo.

  • En un mismo periodo, los radios atómicos disminuyen al aumentar el número atómico, puesto que el electrón diferenciador que cada elemento tiene añadido respecto al anterior se sitúa en el mismo nivel que el anterior electrón, con lo que los átomos deberían tener tamaño similar. Pero cada elemento también tiene, respecto al anterior, un protón más en su núcleo, con lo que aumenta cada vez más la atracción de este sobre los electrones, provocando que el volumen del átomo disminuya.

  • Los iones positivos se forman por la pérdida de la última capa, quedando la que era la penúltima capa con 8 electrones como la última ahora. Como hemos quitado una capa, el catión siempre es mas pequeño que el átomo del que procede.

  • Los iones negativos, son mayores que sus átomos neutros correspondientes, porque los electrones añadidos están se repelen con los que ya hay, por los que el ion es siempre mayor.

13.2Electronegatividad(E.N.)


Cuando dos átomos distintos se unen, los electrones que participan en el enlace no son igualmente atraídos por los núcleos respectivos, sino que uno de ellos tiene más tendencia a atraer al par o pares de electrones.

La electronegatividad es la tendencia que tiene un átomo a atraer hacia sí el par de electrones de un enlace químico.

Linus Pauling diseño una escala para asignar valores a las electronegatividades de los elementos químicos. Pauling le asignó el valor 4,0 al elemento más electronegativo, que es el flúor y calculó las electronegatividades de los demás respecto de este valor. Su escala va del 0 al 4, aunque ninguno tiene el valor de 0. El valor más bajo es el del Fr (0,7). El más alto es el del F (4,0) y el segundo más alto el del O (3,5).



  • Dentro de un grupo la electronegatividad disminuye a medida que aumenta el número atómico.

  • Dentro de un periodo aumenta de izquierda a derecha hasta ser máxima en los elementos finales (con excepción de los gases nobles, que no forman enlaces y por tanto carecen de E.N.).

13.3Carácter metálico


El carácter metálico está relacionado con la electronegatividad, pues un elemento tiene más carácter metálico cuanto menor sea su electronegatividad. Así los elementos metálicos tienen poca tendencia a captar electrones y, en cambio, los ceden fácilmente.

El carácter metálico disminuye dentro de un mismo período y aumenta al descender dentro de un grupo.

El carácter metálico domina el 80% de la tabla periódica, si bien es más intenso cuanto más bajo y más a la izquierda está situado un elemento.



Hay 22 elementos no metálicos situados en la zona superior derecha de la tabla, a excepción del hidrógeno, al que, por su notación, le correspondería figurar en el primer grupo, pero que, al no ser un metal, a menudo se le representa aparte.

1 Proust (1754-1826) fue un químico francés que desarrollo parte de su actividad en España, como profesor de química y metalurgia en el Real Colegio de Artillería de Segovia, situado en el Alcázar de la ciudad.

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