ESTRUCTURA ATÓMICA

1º-BACHILLERATO

EL ÁTOMO

• El modelo atómico ha cambiado a lo largo de la historia, mostrando una vez más que la ciencia, más que encontrar una verdad absoluta, pretende un conocimiento cada vez más profundo de la Naturaleza y para ello elabora modelos que van cambiando conforme se dispone de más conocimientos, y el modelo se enfrenta a la interpretación de nuevos hechos

El átomo en la antigüedad (I)• En el siglo V a. C., Leucipo

sostenía que había un sólo tipo de materia y pensaba que si dividíamos la materia en partes cada vez más pequeñas, obtendríamos un trozo que no se podría cortar más. Demócrito llamó a estos trozos átomos ("sin división").

• La filosofía atomista de Leucipo y Demócrito podía resumirse en:

• 1.- Los átomos son eternos, indivisibles, homogéneos e invisibles.

• 2.- Los átomos se diferencian en su forma y tamaño.

• 3.- Las propiedades de la materia varían según el

El átomo en la antigüedad (II)

• Aristóteles, posteriormente, postula que la materia estaba formada por esos 4 elementos y niega la idea de átomo, hecho que se mantuvo hasta 2000 años después en el pensamiento de la humanidad.

•

• JOHN DALTON EN 1803 SENTÓ LAS BASES DE LA TEORÍA ATÓMICA AL POSTULAR QUE LA MATERIA ESTABA COMPUESTA POR UNIDADES ELEMENTALES A LAS QUE LLAMÓ ÁTOMOS

ÁTOMO

• ES LA MENOR PARTÍCULA CONSTITUTIVA DEL ELEMENTO QUE CONSERVA LAS PROPIEDADES DE ÉSTE Y NO PUEDE DIVIDIRSE POR MÉTODOS QUIMICOS

• ES LA PARTÍCULA MÁS PEQUEÑA EN UN ELEMENTO QUE PUEDE PARTICIPAR EN UNA REACCIÓN QUÍMICA

MODELO ATÓMICO DE THOMSONANTECEDENTES

• PARA QUE THOMSON PROPUSIERA SU MODELO ATÓMICO FUE NECESARIO LLEGAR A LA CONCLUSIÓN DEL QUE EL ÁTOMO ERA DIVISIBLE Y EL DESCUBRIMIENTO DEL ELECTRÓN COMO PARTÍCULA ELEMENTAL DEL ÁTOMO

DIVISIBILIDAD DEL ÁTOMO• FUERON LOS EXPERIMENTOS DE FARADAY SOBRE

ELECTROLISIS (1830), LOS QUE SUGIRIERON QUE LOS ÁTOMOS NO ERAN TAN SIMPLES E INDIVISIBLES COMO DALTON SUPUSO

• EL HECHO DE QUE LA CORRIENTE ELÉCTRICA ORIGINE UN CAMBIO QUÍMICO INDICABA LA EXISTENCIA DE UNA RELACIÓN ENTRE LA MATERIA Y LA ELECTRICIDAD, ES DECIR LOS ÁTOMOS POSEEN UNA ESTRUCTURA DE NATURALEZA ELÉCTRICA

TUBO DE RAYOS CATÓDICOS

• UN TUBO DE VACIO ES UN TUBO DE VIDRIO EQUIPADO CON DOS PLACAS A MODO DE ELECTRODOS QUE PUEDEN CONEZTARSE A UN GENERADOR

• SI ENCERRAMOS UN GAS Y APLICAMOS UN POTENCIAL MUY ELEVADO, ESTE COMIENZA A CONDUCIR LA ELECTRICIDAD, FENÓMENO QUE VA ACOMPAÑADO DE EMISIÓN DE LUZ

RAYOS CATÓDICOS

• SI EL VACIO SE INTENTIFICA, LA LUZ DESAPARECE, APARECIENDO UNA DÉBIL FLUORESCENCIA EN LA PARED OPUESTA AL CATODO

• A ESTA RADIACIÓN INVISIBLE SE LLAMÓ RAYOS CATÓDICOS

RAYOS CATÓDICOS

• SE PROPAGAN EN LÍNEA RECTA• PROYECTAN SOMBRA DE CUERPOS OPACOS• MUEVEN HÉLICES LIGERA

• TIENEN MASA

• LOS CAMPOS ELÉCTRICOS Y MAGNÈTICOS DESVIÁN LOS RAYOS CATÓDICOS

• TIENEN CARGA NEGATIVA

• SUS PROPIEDADES SON INDEPENDIENTES DEL MATERIAL DEL CÁTODO Y DEL GAS PRESENTE

• PARTÍCULA SUBATÓMICA

ESTE MODELO EXPLICA

• La producción de iones por pérdida o ganancia de electrones

• La electricidad estática

• La corriente eléctrica

• Los fenómenos de los tubos de vacío

MODELO ATÓMICO DE RUTHERFORDANTECEDENTES

• Radiactividad Natural• En Febrero de 1896, el físico

francés Henri Becquerel investigando con cuerpos fluorescentes (entre ellos el Sulfato de Uranio y el Potasio), halló una nueva propiedad de la materia a la que posteriormente Marie Curie llamó "Radiactividad". Se descubre que ciertos elementos tenían la propiedad de emitir radiaciones semejantes a los rayos X en forma espontánea. Tal radiación era penetrante y provenía del cristal de Uranio sobre el cual se investigaba.

DESCUBRIMIENTO CASUAL• En 1896, Becquerel descubrió que ciertas sales de uranio emitían

espontáneamente radiaciones. Este descubrimiento fue en cierto sentido «casual», ya que guardaba en un cajón una caja de placas fotográficas sin utilizar, junto a la que colocó una colección de varios minerales. Cuando utilizó las placas fotográficas, observó que estaban veladas, sin haber sido expuestas a la luz. Esto ocurría poco después del descubrimiento de los rayos X y su espíritu científico le llevó a investigar cuál era la causa que explicaba lo que había sucedido. Pronto llegó a la conclusión de que fueron los minerales que guardaba los responsables del hecho y no tardó mucho en comprobar que el causante era una sal de uranio.

• Posteriormente comprobó que el uranio puro manifestaba con mayor intensidad la propiedad de velar las placas fotográficas.

• . • Había que admitir que determinados elementos químicos emiten

espontáneamente algún tipo de radiación.

APORTACIÓN DE LA REACTIVIDAD EN EL AVANCE DEL MODELO ATÓMICO

• El descubrimiento de la radiactividad contribuyó a avanzar en el establecimiento de un modelo atómico: el hecho de que las sustancias radiactivas pueden emitir distintos tipos de partículas en forma de rayos dejó en claro la existencia de otras partículas subatómicas, además del electrón. Esto permitió pensar que el átomo debía tener una estructura más compleja que la que suponía el modelo del “Pudín".

PARTÍCULAS ALFA

EXPERIMENTO DE RUTHERFORD

• En 1906, Ernst Rutherford demostró que la idea de que el espacio ocupado por un átomo está lleno de materia no responde a la realidad. Para ello, realizó el siguiente experimento: bombardeó con rayos alfa una lámina de oro muy delgada, colocando detectores que pudieran informar hacia dónde se dirigían dichas partículas después de impactar sobre el oro. Los rayos alfa son partículas con carga positiva, que se mueven a alta velocidad, cuyo tamaño es muy pequeño (alrededor de 100.000 veces menor que el de cualquier átomo).

RESULTADOS DEL EXPERIMENTO DE RUTHERFORD

• Sorprendentemente lo que observó fue que, además de la mancha central, había destellos laterales que indicaban que algunas partículas sufrían desviaciones considerables e incluso podían rebotar

• Las grandes desviaciones de algunas partículas alfa sólo podían explicar el choque con una partícula de gran masa y carga positiva

• Esto hizo suponer a Rutherford que toda la carga positiva se encontraba en un pequeño gránulo donde reside además la casi totalidad de la masa.Era el núcleo

Sobre la base de la experiencia anterior, Rutherford

propuso el siguiente modelo teórico:

• los átomos están constituidos por un núcleo y electrones que giran a su alrededor;

• el núcleo es mucho más pequeño que el átomo y tiene carga eléctrica positiva;

• los electrones se mueven continuamente a cierta distancia alrededor del núcleo, manteniéndose atraídos por aquel debido a que poseen carga opuesta (negativa);

• la carga de todos los electrones es igual a la carga del núcleo;

• entre el núcleo y los electrones solo hay un gran espacio vacío.

MODELO PLANETARIO

Z y A

ISÓTOPOS

Algunos isótopos de los elementos

Elemento Z N A = N+Z

H 1 0 1

H 1 1 2

H 1 2 3

He 2 1 3

He 2 2 4

Li 3 3 6

Li 3 4 7

Be 4 5 9

B 5 5 10

B 5 6 11

C 6 6 12

C 6 7 13

C 6 8 14

N 7 7 14

N 7 8 15

O 8 8 16

O 8 9 17

O 8 10 18

IÓNES

• ANIÓN • CUANDO UN ÁTOMO GANA ELECTRONES,

QUEDANDO CARGADO NEGATIVAMENTE

• CATIÓN• CUANDO UN ÁTOMO PIERDE ELECTRONES,

QUEDANDO CARGADO POSITIVAMENTE

IONES¿DE QUÉ ÁTOMO Y DE QUÉ ION SE TRATA?

La luz y la estructura atómica

• El estudio de la radiación electromagnética, cuya parte visible al ojo humano es lo que se denomina luz, contribuyó enormemente a la comprensión de la estructura atómica.

¿Por qué otros modelos?

• El modelo de Rutherford representó un gran avance en la comprensión de la estructura atómica, pero no pudo explicar cómo se distribuyen los electrones alrededor del núcleo; tampoco permitió explicar la interacción entre la luz y la materia.

ONDA ELECTROMAGNÉTICA

• Onda que transmite energía a la velocidad de la luz

Cargas aceleradas producen ondas electromagnéticas. Durante la propagación de la onda, el campo electrico (rayas rojas) oscila en un eje perpendicular a la dirección de propagación. El campo magnético (rayas azules) también oscila pero en dirección perpendicular al campo eléctrico

PARAMETROS DE UNA ONDA

• K = nº de ondas (m-1)• T = periodo (s)

c

: longitud de onda(m)

= frecuencia (s-1)

c : velocidad de la luzc = 2,99792458 10-8 m/s

Teoría cuántica de la luz

• En 1900 Max Plank estudio la radiación que emitían los cuerpos cuando se calentaban a una temperatura suficientemente alta y, a partir de sus resultados enunció la teoría cuántica de la luz

Teoría cuántica de la luz (II)

• Cuando un cuerpo se somete a una temperatura suficientemente alta emite energía en forma discontinua como radiación electromagnética

• La radiación electromagnética consiste en una serie de paquetes de energía denominados fotones o cuantos de radiación, por ello es discontinua

• L a energía de la radiación es la energía de cada uno de sus fotones E = h V– h = cte de Planck

• La intensidad de la radiación está determinada por el nº de fotones que la integran

La luz como partícula

• Efecto fotoeléctrico (Einstein 1905): la luz está formada por partículas, fotones.

Energía de un fotón:

hE

ESPECTRO

• AL HACER INCIDIR UN HAZ DE LUZ BLANCA SOBRE UN PRISMA DE VIDRIO, OBTENEMOS EL ESPECTRO CONTINUO DE COLORES, LA LUZ BLANCA ESTÁ. PUÉS, FORMADA POR MULTITUD DE RADIACIONES SIMPLES, CADA UNA DE UNA FRECUENCIA DETERMINADA

• EL APARATO UTILIZADO PARA EL ESTUDIO DE LAS RADIACIONES ES EL ESPECTRÓSCOPIO

DIFERENCIAS ENTRE LOS DISTINTOS TIPOS DE ESPECTROS

• EMISIÓN• Conjunto de radiaciones

emitidas por un cuerpo, previo calentamiento o descarga eléctrica, es continuo si posee todos los colores de la luz (emitidos por sólidos y líquidos incandescentes) y discontinuo si es gas, (emitidos por gases)

• ABSORCIÓN• Conjunto de radiaciones

obtenidas al Irradiar un cuerpo en estado gaseoso con luz. Es un espectro discontinuo en el que aparecen en negro las rayas que en el espectro de emisión aparecían coloreadas

ESPECTRO Y LA IDENTIFICACIÓN DEL ÁTOM0

• Los espectroscopistas, científicos dedicados al estudio de estos fenómenos, encontraron que los átomos, al ser excitados, pueden emitir luz por absorción de energía. Cada tipo de átomo emite un determinado conjunto de longitudes de onda características; esta propiedad funciona como una huella digital característica para cada elemento. De esta forma, analizando la luz que emiten los átomos, es posible identificarlos.

La línea violeta en el espectro atómico es causada por electrones saltando de la sexta a la segunda órbita.

 

ESPECTRO DE HIDRÓGENO

• ES EL MÁS SENCILLO DE TODOS LOS ELEMENTOS. EN 1885 RYDBERG DESCUBRIÓ TRAS LABORIOSOS CÁLCULOS QUE LAS FRECUENCIAS DEL ESPECTRO CORRESPONDIAN A LA SIGUIENTE FÓRMULA

2 21 2

1 1 1R

n n

• Los espectros atómicos obtenidos experimentalmente sugerían la existencia de ciertos estados energéticos de los átomos, de manera que los electrones tendrían diferentes energías según el nivel energético en el que se encontrasen

• La observación experimental de que los átomos al ser excitados emiten luz debe poder explicarse con un modelo atómico. Además, dicho modelo debe explicar por qué cada tipo de átomo emite longitudes de onda características.

Modelo atómico de Bohr

• Bohr se apunto un gran triunfo en 1913 al explicar el espectro del átomo de hidrógeno. La clave del éxito consistió en aplicar al modelo de Rutherford la teoría cuántica de Planck

Los espectros y el modelo atómico de Bohr (1913) (I)

• Bohr propuso que el átomo estaba cuantizado, es decir, sólo podrá tener ciertas cantidades de energía permitidas, por lo que el electrón no puede girar a cualquier distancia alrededor del núcleo, sino en ciertas órbitas– Los e- de los átomos sólo pueden encontrarse en

ciertos estados o niveles energéticos en los que mantienen una energía fija y determinada, es decir el e- ocupa un determinado escalón en la energía del átomo

Los espectros y el modelo atómico de Bohr (1913) (II)

• Cuando un átomo salta de una órbita de mayor a otra de menor energía, la diferencia de energía se emite en forma de fotón, cuya frecuencia viene dada por la ecuación de Plank. Así explica que en el espectro sólo aparezcan unas determinadas frecuencias

NIVELES ENERGÉTICOS EN LOS ÁTOMOS

• Los e- en el átomo se encuentran ocupando ciertos niveles energéticos, de manera que cuando todos ellos ocupan los niveles de menor energía posible se dice que se hallan en el estado fundamental

• Si se transmite energía al átomo, uno o varios e- toman la energía necesaria para pasar a otro nivel superior lo que se llama estado excitado

Distribuciones electrónicas de los átomos

• Con el avance de las técnicas espectroscópicas se descubre que los espectros atómicos son en realidad más complicados: surgen más líneas de las esperadas, que además aparecen desdobladas por la acción de un campo magnético

• Por tanto las transiciones son más complejas y abundantes que lo propuesto por Bohr. Es preciso considerar la existencia de subniveles energéticos que se integran en cada uno de los niveles originalmente postulados

Subniveles energéticos

• Los nuevos estados energéticos para los electrones dependen de un nº cuántico n

• Hay tantos subniveles como marca el valor de este nº

• n = 1 , “s” no hay subniveles• n = 2, hay dos subniveles, “s”y

“p”• n = 3, hay tres subniveles “s”,

“p” y “d”• n =4, hay cuatro “s”, “p”, “d” y

“f”

• Los electrones se distribuyen en las capas ocupando los distintos niveles que en ellas existen

CAPA NIVELES

1 s

2 s, p

3 s, p, d

4 s, p, d, f

5 s, p, d, f

6 s, p, d, f

7 s, p, d, f

Cada nivel puede alojar un número màximo de electrones

NIVELES Nº Max

s 2

p 6

d 10

f 14

Los niveles se van llenando por orden creciente de energía y hasta que un nivel no está totalmente lleno no se pasa a llenar el siguienteEl orden de llenado de los niveles se obtiene a partir del diagrama de Möeller:

Configuración electrónica

Configuración electrónica

• La distribución de electrones en los niveles de energía del átomo se denomina configuración electrónica, y en ella se escriben los electrones que existen en cada uno de los subniveles energéticos del átomo considerado

Para obtener la configuración electrónica de un átomo:

Considera el número de electrones que debes distribuir.

Recuerda que el número de electrones en un átomo neutro viene dado por el número atómico Z.

Vete colocando los electrones por orden en los niveles de cada capa.

Cuando un nivel se complete, pasa al siguiente (ayúdate del diagrama de Möeller)

Cuando hayas colocado todos los electrones habrás terminado.

Ordena por capas la configuración obtenida.

Li Z = 3 1s2 2s 1

N Z = 7 1s2 2s 2p3

Mg Z = 12 1s2 2s2 p6 3s2

Si Z = 14 1s2 2s2 p6 3s2 p2

S Z = 16 1s2 2s2 p6 3s2 p4

Ar Z = 18 1s2 2s2 p6 3s2 p6

Ti Z = 22 1s2 2s2 p6 3s2 p6 4s2 3 d2 = 1s2 2s2 p6 3s2 p6 d24s2

Ga Z = 31 1s2 2s2 p6 3s2 p6 4s2 3 d10 4 p1 = 1s2 2s2 p6 3s2 p6 d10 4s2 4 p1

Br Z = 35 1s2 2s2 p6 3s2 p6 4s2 3 d10 4 p5 = 1s2 2s2 p6 3s2 p6 d10 4s2 4 p5

Ejemplo: Determinar la posición que ocupará un átomo cuya configuración

electrónica termine en 5d4 6 s2

• Se puede deducir que el número máximo de electrones en cada nivel energético es

2

2n Siendo n, el número cuántico del nivel

¿Todos los cuerpos emiten radiaciones electromagnéticas?

ORDENACIÓN PERIÓDICA DE LOS ELEMENTOS:

Su relación con los electrones externos

Tabla periódica actual

• En la tabla periódica actual los elementos se colocan en función de su nº atómico y de su configuración electrónica– Z fue determinado mediante el estudio de los

espectros de los elementos conocidos obtenidos con Rayos X

• Hay tantos periodos como niveles energéticos y cada uno se inicia cuando comienza a llenarse un nuevo nivel

Tipos de orbitales en la tabla periódica

Bloque “s”

Bloque “p”

Bloque “d”

Bloque “f”

p1 p2 p3 p4 p5 p6

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

s1 s2

d1 d2 d3 d4 d5 d6 d7 d8 d9 d10

f1 f2 f3 f4 f5 f6 f7 f8 f9 f10 f11 f12 f13 f14

H He

• El primer periodo (1s) sólo contiene 2 elementos

• El segundo con subniveles(2s y 2p) contiene 8 elementos

• El tercer periodo también contiene 8 (3s y 3p), ya que el cuarto nivel debe iniciarse antes de llenarse los subniveles 3d (configuración electrónica)

• El cuarto y quinto tienen 18

• El sexto y séptimo periodo tienen los elementos que contienen los subniveles f, 34 ¿?

Bloque Grupo Nombres Config. Electrón.

s12

AlcalinosAlcalino-térreos

n s1

n s2

p

131415161718

TérreosCarbonoideosNitrogenoideosAnfígenosHalógenosGases nobles

n s2 p1

n s2 p2

n s2 p3

n s2 p4

n s2 p5

n s2 p6

d 3-12 Elementos de transición n s2(n–1)d1-10

fEl. de transición Interna (lantánidos y actínidos)

n s2 (n–1)d1(n–2)f1-14

Grupos

La tabla periódica.

• Los elementos de cada columna de la tabla periódica pertenecen a la misma familia o grupo

• A las filas horizontales se les denomina período.

• Los elementos a lo largo de un período tienen propiedades que varían progresivamente a lo largo de la tabla

• Los elementos del mismo grupo o familia tienen propiedades físicas y químicas similares.

La tabla periódica.

• Los elementos de la misma familia tienen propiedades similares debido a que tienen la misma distribución de los electrones en la periferia de sus átomos.

• La tabla periódica la forman 113 elementos siendo la mayoría (90) metales (17) no metales y (8) metaloides.

• Las propiedades de metales y no metales son distintas. 

La tabla periódica.

• Varios grupos de elementos tienen nombres comunes de uso frecuente.

Grupo Nombre Elementos1 Alcalinos Li,Na,K,Rb,Cs,Fr2 Alcalinotérreos Be,Mg,Ca,Sr,Ba,Ra13 Térreos B,Al,Ga,In,Tl14 Carbonoidéos C,Si,Ge,Sn,Pb.15 Nitogenoidéos N,P,As,Sb,Bi16 Anfígenos O,S,Se,Te,Po17 Halógenos F,Cl,Br ,I ,At. 18 Gases nobles He,Ne,Ar,Kr,Xe,Rn

Diferencias entre compuestos iónicos y compuestos covalentes

• COMPUESTOS IÓNICOSSólidos de elevado punto de fusión.La mayoría son solubles en disolventes polares como el agua.La mayoría son insolubles en disolventes apolares como el benceno o el hexano.Los compuestos fundidos conducen la electricidad por estar formados por partículas cargadas (iones).Las disoluciones acuosas conducen la electricidad por estar formadas por partículas cargadas.

• COMPUESTOS COVALENTESGases, líquidos o sólidos de bajo punto de fusión.La mayoría son insolubles en disolventes polares.La mayoría son solubles en disolventes apolares.Los líquidos y sólidos fundidos no conducen la electricidad.Las disoluciones acuosas son malas conductoras de la electricidad porque no contienen partículas cargadas.

Lewis creo notaciones abreviadas para una descripción más fácil de las uniones atómicas, que fueron las estructuras de Lewis. Para dibujar las estructuras de Lewis se puede seguir el siguiente método: 1.-Se colocan los átomos de la molécula de la forma más simétrica posible. 2.-Se determina el nº de electrones disponibles en la capa externa de los átomos de la molécula.A 3.-Se calcula la capacidad total de electrones de las capas externas de todos los átomos de la molécula.N 4.-El nº total de electrones compartidos es S=N-A 5.-Se colocan los electrones S como pares compartidos entre los átomos que forman enlaces. 6.-El resto de los electrones A-S se colocan como pares no compartidos para completar el octeto de todos los átomos. Así lograríamos que todos los átomos unidos por enlaces covalentes cumplan la regla de Octeto