ESTRUCTURA ELECTRONICAESTRUCTURA ELECTRONICA

Hipótesis atómica de Demócrito (400 AC)Hipótesis atómica de Demócrito (400 AC) A-tomos (griego): “Sin división”A-tomos (griego): “Sin división” Los átomos son los componentes básicos Los átomos son los componentes básicos

que caracterizan un tipo de elemento que caracterizan un tipo de elemento químico, es la unidad estructural de la químico, es la unidad estructural de la materia.materia.

El átomo descrito por muchos científicos El átomo descrito por muchos científicos concluyen que tiene dos zonas definidas:concluyen que tiene dos zonas definidas:

A) Nube electrónica, donde se encuentran a A) Nube electrónica, donde se encuentran a los electroneslos electrones

B) El núcleo donde se encuentran los B) El núcleo donde se encuentran los protones con carga positiva y los, neutros.protones con carga positiva y los, neutros.

Los átomos se identifican por el numero Los átomos se identifican por el numero atómico.atómico.

El numero atómico, es el numero que El numero atómico, es el numero que indica la cantidad de protones que existen indica la cantidad de protones que existen en el núcleo de un determinado átomo.en el núcleo de un determinado átomo.

Átomos con el mismo numero atómico (Z) Átomos con el mismo numero atómico (Z) se indican como de la misma especie.se indican como de la misma especie.

Cuando el átomo esta en estado basal o Cuando el átomo esta en estado basal o fundamental, el numero de electrones es fundamental, el numero de electrones es igual al numero de protones.igual al numero de protones.

Un principio básico de la materia es que Un principio básico de la materia es que esta es neutraesta es neutra

Estructura de un núcleoEstructura de un núcleo El núcleo sólo contiene cargas El núcleo sólo contiene cargas

positivas y neutrones como positivas y neutrones como partículas fundamentales, pero partículas fundamentales, pero fuera de estas, en el núcleo se fuera de estas, en el núcleo se encuentran aproximadamente encuentran aproximadamente 250 partículas250 partículas n

n

n

np p n

p p

p

n

p

IsótoposIsótopos El núcleo de un isótopo contiene mas o El núcleo de un isótopo contiene mas o

menos neutrones que el núcleo del menos neutrones que el núcleo del isótopo mas comúnisótopo mas común

n nn n

ppn

pp p

np

Existen varios modelos nucleares: De capas, gota de líquido, etc.

0.0000000000001 cm = 10-13 cm

n n

Carbono 14: Z=6

A=14

N=8

Isótopos del Hidrógeno

Estructura de un núcleo: Estructura de un núcleo: Carbón Carbón

Hasta Z=20 N=Z; luego N >> Z : Hasta Z=20 N=Z; luego N >> Z : U(92,238) U(92,238)

El núcleo se estabiliza por la fuerza El núcleo se estabiliza por la fuerza “fuerte”“fuerte”

n nn n

dd u

ppn

pp p

np

du u

10-15 cm

Estructura de un hadrón Estructura de un hadrón Los hadrones están compuestos por 3 Los hadrones están compuestos por 3

“quarks” “quarks” Los quarks interactúan a través de Los quarks interactúan a través de

gluonesgluonesdd

u

du u

q=2/3 –1/3 –1/3 = 0 Neutrón

q=2/3 +2/3 –1/3 = 1 Protón

Los electrones son leptones, no tienen estructura (¡detectada a la fecha!)

Hay 3 familias de quarks y Hay 3 familias de quarks y leptones leptones

Los mesones están compuestos por 2 Los mesones están compuestos por 2 quarks quarks

Los quarks no existen solos (siempre Los quarks no existen solos (siempre confinados) confinados)

bu

d c t

s

electrón muón tau

Neutrino-e <10-8 Neutrino- <.0003 Neutrino- <0.03

189

5.2

1.9

1.6

0.16

0.11

0.0074

0.0047

0.00054

Materia normal

quarks

leptones

(Aprox un núcleo de oro)

¿¿Qué tan chiquitos son los Qué tan chiquitos son los átomos?átomos?

A escala núcleo= uva (en portería de estadio A escala núcleo= uva (en portería de estadio futbol),futbol),

el primer electrón del hidrógeno el primer electrón del hidrógeno ¡estaría en la otra portería!¡estaría en la otra portería! Casi todo el espacio que ocupa un átomo es Casi todo el espacio que ocupa un átomo es

“vacío”“vacío” El número de Avogadro y el concepto de mol:El número de Avogadro y el concepto de mol: Una mol de materia es el peso molecular Una mol de materia es el peso molecular

expresado en gramos y contiene 6.022 x expresado en gramos y contiene 6.022 x 101023 23

moléculas o átomos:Una cucharada sopera de moléculas o átomos:Una cucharada sopera de agua (10 g) tiene agua (10 g) tiene 300,000,000,000,000,000,000,000300,000,000,000,000,000,000,000 moléculas moléculas aprox. aprox.

¿Porqué la física clásica ¿Porqué la física clásica no no

puede explicar un puede explicar un átomo?átomo? La electrodinámica clásica predice un La electrodinámica clásica predice un

colpaso inevitable: el electrón colpaso inevitable: el electrón negativo debería ser continuamente negativo debería ser continuamente atraído al núcleo positivo.atraído al núcleo positivo.

¡caería al núcleo y el átomo se ¡caería al núcleo y el átomo se destruiría!destruiría!

¿Cómo salvar este ¿Cómo salvar este dilema?dilema? Desde principios del siglos XIX se sabía que los Desde principios del siglos XIX se sabía que los

átomos emiten luz y que ésta tiene sólo algunas átomos emiten luz y que ésta tiene sólo algunas bandas de emisión discretas: “espectros”bandas de emisión discretas: “espectros”

No había explicación del porqué estos No había explicación del porqué estos espectros eran discretos ni del porqué de la espectros eran discretos ni del porqué de la separación variable entre las líneas.separación variable entre las líneas.

A cada átomo le corresponde un espectro: su A cada átomo le corresponde un espectro: su firmafirma

(Liga Página NIST espectros átomicos)(Liga Página NIST espectros átomicos) Desde 1880 los espectrosocopistas encontraron Desde 1880 los espectrosocopistas encontraron

relaciones matemáticas “mágicas” que relaciones matemáticas “mágicas” que predecían las posiciones de las líneas con 1/predecían las posiciones de las líneas con 1/nn22

(n enteros) (n enteros)

El color de las cosasEl color de las cosas El color que percibimos de los objetos El color que percibimos de los objetos

sólidos, líquidos, gas o plasma (flama)sólidos, líquidos, gas o plasma (flama) proviene de las transiciones entre estados proviene de las transiciones entre estados

electrónicos de los átomos o moléculas que electrónicos de los átomos o moléculas que componen la materia.componen la materia.

Objetos con luz propia: por emisiónObjetos con luz propia: por emisiónObjetos sin luz propia: por reflexión de luz Objetos sin luz propia: por reflexión de luz

incidente sobre el objetoincidente sobre el objetoLa reflexión es un proceso de dos etapas a La reflexión es un proceso de dos etapas a

nivel atómico: absorción y emisión de nivel atómico: absorción y emisión de fotonesfotones

El color de las cosasEl color de las cosas A cada estado electrónico puede A cada estado electrónico puede

tener uno o muchos estados tener uno o muchos estados vibracionales cuantizadosvibracionales cuantizados

Cada estado vibracional puede tener Cada estado vibracional puede tener uno o muchos estados rotacionalesuno o muchos estados rotacionales

Ejemplo macroscópico: bolas ligadas Ejemplo macroscópico: bolas ligadas con resortes. En conjunto pueden con resortes. En conjunto pueden vibrar y rotar al mismo tiempovibrar y rotar al mismo tiempo

El color de las cosasEl color de las cosas Cada sustancia, compuesto o elemento Cada sustancia, compuesto o elemento

químico tiene un color característico, aunque químico tiene un color característico, aunque a veces no es visible por el ojo humano.a veces no es visible por el ojo humano.

El color que emite depende del tipo de El color que emite depende del tipo de transición:transición:

UV y visible: entre niveles ro-vibracionales deUV y visible: entre niveles ro-vibracionales de diferentes estados electrónicosdiferentes estados electrónicosInfrarojo: entre estados vibracionales del Infrarojo: entre estados vibracionales del

mismo mismo estado electrónicoestado electrónicoIR lejano: entre estados rotacionales del mismo IR lejano: entre estados rotacionales del mismo

estado rotacional.estado rotacional.

Recordatorio: Estructura dentro del Recordatorio: Estructura dentro del átomoátomo

Los átomos tienen cierto número de Los átomos tienen cierto número de electrones, que se arreglan “en capas” electrones, que se arreglan “en capas” s, p , d, f, s, p , d, f,

Cada capa n puede albergar hasta n Cada capa n puede albergar hasta n subcapassubcapas

N=1, sN=1, s N=2, s,pN=2, s,p N=3, s,p,dN=3, s,p,d N=4, s,p,d,fN=4, s,p,d,f cada subcapa s,p,d,f,g, etc puede tener cada subcapa s,p,d,f,g, etc puede tener 2,6,10,14,18, etc2,6,10,14,18, etc

El comportamiento de los elementosEl comportamiento de los elementos

Esto produce capas casi vacías, semi-llenas Esto produce capas casi vacías, semi-llenas o llenas y el número de electrones (o o llenas y el número de electrones (o agujeros) en la última capa corresponde a la agujeros) en la última capa corresponde a la valencia del átomovalencia del átomo

H:1 He:0, C:4, Si:4 , N:+/-3, O:-2, F:-1H:1 He:0, C:4, Si:4 , N:+/-3, O:-2, F:-1 La valencia determina cuántos enlaces La valencia determina cuántos enlaces

puede hacer un átomo con otros.puede hacer un átomo con otros. El comportamiento químico de cada El comportamiento químico de cada

elemento está determinado por la estructura elemento está determinado por la estructura electrónica que tenga el átomo en cuestión: electrónica que tenga el átomo en cuestión: metales, asilantes o semi-conductores. metales, asilantes o semi-conductores. Reactivos o no.Reactivos o no.

Las superficies de energía potencialLas superficies de energía potencial El problema es resolver la ecuación de El problema es resolver la ecuación de

SchrödingerSchrödingerCon n electrones moviéndose en el campo Con n electrones moviéndose en el campo

producido por N núcleos fijos:producido por N núcleos fijos: A cada configuración de los núcleos le A cada configuración de los núcleos le

corresponde un valor de la energía corresponde un valor de la energía electrónica y los núcleos se moverán en esta electrónica y los núcleos se moverán en esta superficie complejasuperficie compleja

Hay 3N-6 “grados de libertad” nucleares, Hay 3N-6 “grados de libertad” nucleares, entonces para el agua deuterada HDO hay 3 entonces para el agua deuterada HDO hay 3 coordenadas independientes: Los núcleos se coordenadas independientes: Los núcleos se mueven en una hipersuperficie en 4 mueven en una hipersuperficie en 4 dimensiones: (q1,q2,q3,V)dimensiones: (q1,q2,q3,V)

¿Qué se sabía a principios del S. XX ¿Qué se sabía a principios del S. XX sobre la estructura atómica?sobre la estructura atómica?

Los átomos están formados por cargas Los átomos están formados por cargas positivas y negativas (electrones) en positivas y negativas (electrones) en igual cantidadigual cantidad

El número de electrones es aproximadamente El número de electrones es aproximadamente la mitad del peso atómicola mitad del peso atómico

Se conocen los espectros de radiación Se conocen los espectros de radiación de diversas sustancias: los espectros se de diversas sustancias: los espectros se producen cuando los átomos son producen cuando los átomos son perturbados y los electrones vibran perturbados y los electrones vibran alrededor de sus posiciones de equilibrioalrededor de sus posiciones de equilibrio

Estructura del ÁtomoEstructura del Átomo

Niels Bohr (1885-1962)

Hacia 1900 se Hacia 1900 se sabía …sabía …

Que los electrones (descubiertos en 1897) eran los portadores de carga negativa.

Que los electrones eran muy ligeros, incluso comparándolos con el átomo.

Todavía no se habían descubierto los protones, pero en el átomo debe haber carga positiva para lograr la carga total neutra.

Fisica III - 05

Espectro Espectro del Soldel Sol

Espectro Espectro de de

Emisión Emisión de varios de varios elementoelemento

ssCada elemento tiene un espectro característico; por tanto, un modelo atómico de-bería ser capaz de justificar el espectro de cada elemento.

Fisica III - 05

En el modelo de Thomson se En el modelo de Thomson se emite radiación cuando los emite radiación cuando los electrones oscilan en torno a su electrones oscilan en torno a su posición de equilibrio.posición de equilibrio.

Modelo de Modelo de ThomsonThomson

Thomson supone los electrones incrustados en el interior de una distribución esférica uniforme de carga positiva de tamaño similar al del átomo.

Experimentos de Experimentos de Geiger y Geiger y MarsdenMarsdenRutherford, Rutherford,

Geiger y Marsden Geiger y Marsden investigaron la investigaron la estructura de la estructura de la materia materia estudiando la estudiando la dispersión de dispersión de partículas partículas por por átomos. átomos.

Experimentos de Experimentos de Geiger y Geiger y MarsdenMarsden Geiger encontró partículas Geiger encontró partículas (el (el

0.01%) dispersadas por finas 0.01%) dispersadas por finas láminas de oro ángulos mayores láminas de oro ángulos mayores de 90de 90°°..

Incluso aunque la Incluso aunque la partículapartícula αα sea dispersada por los 79 sea dispersada por los 79 electrones de cada átomo electrones de cada átomo de oro.de oro.

Los resultados Los resultados experimentales no eran experimentales no eran consistentes con el modelo consistentes con el modelo atómico de Thomsonatómico de Thomson..

Rutherford propuso que el Rutherford propuso que el átomo tiene un núcleo de átomo tiene un núcleo de carga positiva alrededor del carga positiva alrededor del cual giran los electrones cual giran los electrones por atracción coulombiana.por atracción coulombiana.Geiger y Marsden Geiger y Marsden confirmaron la idea en confirmaron la idea en 1913.1913.

Modelo Atómico Modelo Atómico de Rutherfordde Rutherford

Ernest Rutherford (1871-1937)

Modelo de RutherfordModelo de Rutherford Las desviaciones grandes podrían Las desviaciones grandes podrían

justificarse si toda la carga positiva justificarse si toda la carga positiva estuviera concentrada en un volumen muy estuviera concentrada en un volumen muy pequeño.pequeño.

Se estudian las desviaciones producidas por átomos Se estudian las desviaciones producidas por átomos pesados. Para ellos:pesados. Para ellos:

Se obvian las pequeñas dispersiones producidas por los Se obvian las pequeñas dispersiones producidas por los electroneselectrones

Se supone el átomo fijo (MSe supone el átomo fijo (Matat>>m>>m)) La partícula La partícula no entra en la región nuclear, es decir, el no entra en la región nuclear, es decir, el

núcleo se comporta como una carga puntual para la núcleo se comporta como una carga puntual para la interacción coulombianainteracción coulombiana

Se usa mecánica no-relativista (v<c/20)Se usa mecánica no-relativista (v<c/20)

ATOMOATOMO En el átomo distinguimos dos partes: el En el átomo distinguimos dos partes: el

núcleonúcleo y la y la cortezacorteza..- El núcleo es la parte central del átomo - El núcleo es la parte central del átomo y contiene partículas con carga positiva, y contiene partículas con carga positiva, los los protonesprotones, y partículas que no poseen , y partículas que no poseen carga eléctrica, es decir son neutras, los carga eléctrica, es decir son neutras, los neutronesneutrones. La masa de un protón es . La masa de un protón es aproximadamente igual a la de un aproximadamente igual a la de un neutrón.neutrón.

Todos los átomos de un elemento químico Todos los átomos de un elemento químico tienen en el núcleo el mismo número de tienen en el núcleo el mismo número de protones. Este número, que caracteriza a protones. Este número, que caracteriza a cada elemento y lo distingue de los cada elemento y lo distingue de los demás, es el demás, es el número atómiconúmero atómico y se y se representa con la letra representa con la letra ZZ..- La corteza es la parte exterior del - La corteza es la parte exterior del átomo. En ella se encuentran los átomo. En ella se encuentran los electroneselectrones, con carga negativa. Éstos, , con carga negativa. Éstos, ordenados en distintos niveles, giran ordenados en distintos niveles, giran alrededor del núcleo. La masa de un alrededor del núcleo. La masa de un electrón es unas 2000 veces menor que la electrón es unas 2000 veces menor que la de un protón.de un protón.

Los átomos son eléctricamente neutros, debido a que Los átomos son eléctricamente neutros, debido a que tienen igual número de protones que de electrones. Así, tienen igual número de protones que de electrones. Así, el número atómico también coincide con el número de el número atómico también coincide con el número de electrones.electrones.

Modelo de átomo de He (isótopo 4-He)Modelo de átomo de He (isótopo 4-He)IsótoposIsótoposLa suma del número de protones y el número de La suma del número de protones y el número de neutrones de un átomo recibe el nombre de neutrones de un átomo recibe el nombre de número número másicomásico y se representa con la letra y se representa con la letra AA. Aunque todos . Aunque todos los átomos de un mismo elemento se caracterizan por los átomos de un mismo elemento se caracterizan por tener el mismo número atómico, pueden tener distinto tener el mismo número atómico, pueden tener distinto número de neutrones.número de neutrones.Llamamos Llamamos isótoposisótopos a las formas atómicas de un mismo a las formas atómicas de un mismo elemento que se diferencian en su número másico.elemento que se diferencian en su número másico.Para Para representar un isótoporepresentar un isótopo, hay que indicar el número , hay que indicar el número másico (A) propio del isótopo y el número atómico (Z), másico (A) propio del isótopo y el número atómico (Z), colocados como índice y subíndice, respectivamente, a colocados como índice y subíndice, respectivamente, a la izquierda del símbolo del elemento.la izquierda del símbolo del elemento.

Desde la Antigüedad, el ser humano se ha Desde la Antigüedad, el ser humano se ha cuestionado de qué estaba hecha la materia.cuestionado de qué estaba hecha la materia.Unos 400 años antes de Cristo, el filósofo Unos 400 años antes de Cristo, el filósofo griego griego DemócritoDemócrito consideró que la materia consideró que la materia estaba constituida por pequeñísimas estaba constituida por pequeñísimas partículas que no podían ser divididas en partículas que no podían ser divididas en otras más pequeñas. Por ello, llamó a estas otras más pequeñas. Por ello, llamó a estas partículas partículas átomosátomos, que en griego quiere decir , que en griego quiere decir "indivisible". Demócrito atribuyó a los átomos "indivisible". Demócrito atribuyó a los átomos las cualidades de ser eternos, inmutables e las cualidades de ser eternos, inmutables e indivisibles.indivisibles.Sin embargo las ideas de Demócrito sobre la Sin embargo las ideas de Demócrito sobre la materia no fueron aceptadas por los filósofos materia no fueron aceptadas por los filósofos de su época y hubieron de transcurrir cerca de su época y hubieron de transcurrir cerca de 2200 años para que la idea de los átomos de 2200 años para que la idea de los átomos fuera tomada de nuevo en consideración.fuera tomada de nuevo en consideración.

Números Cuánticos.- denotan el nivel de energía al cual corresponde cada electrón. Se han

definido cuatro números cuánticos, que son: 1) Número cuántico principal n.- se refiere a la

capa cuántica a la cual pertenece el electrón. Se le

asignan valores enteros 1, 2, 3, 4,…, pero tambien se le asignan letras: si n = 1 se le llama K, n =

2 es L y así sucesivamente. 2) Número cuántico acimutal l.- este número

cuántico denota el momento angular del electrón,

tomando los siguientes valores: si n = 1→ l = 0, si n = 2→ l = 0 y 1, mientras que si n = 4→ l =

0, 1, 2, 3.

3) Número cuántico magnético m.- este número cuántico determina las posibles orientaciones

cuantizadas espaciales del momento angular orbital y pueden considerarse como un

desdoblamiento de cada subcapa en niveles más finos, que difieren ligeramente entre sí en

energía. Los valores de este número están determinados por los valores de l, y oscilan desde -l

→0 →+l, es decir, un total de (2l+1) valores de m por cada uno de l.

4) Número cuántico de spin s.- se refiere a la rotación que puede tener un electrón alrededor de

su propio eje. Tal spin contribuirá al momento angular del electrón y modificará así las

relaciones de energía. Este número tiene solamente dos valores s = +1/2 o s = -1/2, dependiendo

de si el electrón gira sobre sí mismo en una u otra dirección.

Resumen de Números Cuánticos 1) Principal: n = 1, 2, 3, 4,…; si n =

1 —> K, n = 2 →L,… 2) Acimutal: l = 0, 1, 2, …(n-1) 3) Magnético: m = 0, ±1, ±2,... ±l 4) Spin: s = +1/2 o s = -1/2, para

cada valor de l.

2.3. DESVIACIONES DE LAS ESTRUCTURAS ELECTRÓNICAS

ESPERADAS Esto ocurre particularmente en elementos con un

número atómico grande en los que los niveles d y f se empiezan a llenar. Un ejemplo de esto es el

hierro, número atómico 26. Su estructura esperada sería: 1s2 2s22p6

3s23p63d8 Pero su estructura real es: 1s2 2s22p6 3s23p63d6

4s2 El nivel 3d sin llenar (con 6 electrones) es lo que

causa el comportamiento magnético del hierro. Valencia.- capacidad de un elemento para

combinarse químicamente con otros elementos, y se determina por el número de electrones en los

niveles combinados sp más externos.

Mg: 1s2 2s22p6 3s2 Valencia = 2 Al: 1s2 2s22p6 3s23p1 Valencia = 3 Cl: 1s2 2s22p6 3s23p5 Valencia = -1

La valencia también depende de la naturaleza de la reacción química, existiendo elementos con

más de una valencia. La estabilidad de los elementos depende de la interacción de los electrones

de los últimos orbitales con átomos circundantes, por ejemplo el aluminio cede los tres

electrones del nivel 3sp para quedar en una configuración estable, mientras que el cloro acepta

un electrón para completar su nivel 3sp. Por ejemplo, el azufre forma sulfatos y sulfitos.

En el primero la valencia es de 6+ y en el segundo de 4+. Esto debido a la combinación de

los orbitales s y p de la tercera capa.