fasciculo4

Captulo II: De lo macro a lo microEl mundo de la qumica

Fascculo 4

Niels Bohr (1885-1962), fsico dans, trabaj con Rutherforden la investigacin de la estructura atmica. Aplic laTeora Cuntica de Max Planck a la estructura del tomo.Sus propuestas todava explican, en buena medida, laspropiedades fsicas y qumicas de los elementos.Algunos bigrafos comentan que Bohr nunca lleg a serel primero de su clase. Sin embargo, sus trabajos cientficosle merecieron varios premios de gran prestigio, incluidoel Premio Nobel de Fsica en 1922 por su aporte sobre laestructura de los tomos. Se dice que durante la ocupacinnazi a Dinamarca (1940), Bohr disolvi su medalla de orodel Premio Nobel en agua regia para que las autoridadesalemanas no se la confiscaran. Adems, en su bitcorade laboratorio hizo notar: el oro es muy poco reactivo ymuy difcil de disolver. Despus de la guerra recuper eloro y con l le fue rehecha la medalla. Algunos autoresmencionan que la medalla disuelta era la del qumicoalemn Von Laue, quien se la confi para protegerla delos nazis. Bohr ya haba donado la suya. Otros autoresconsideran que esta historia es un mito.

Los modelos atmicos de Rutherford y Bohr representabanal tomo como un diminuto sistema solar, con el ncleoen el lugar del Sol y los electrones en vez de los planetas.La diferencia estribaba en que en el modelo de Rutherfordlos electrones podan estar a cualquier distancia del ncleo(como el presentado), mientras que en el de Bohr cadaelectrn poda estar slo a ciertas distancias determinadasdel ncleo, girando a su alrededor con velocidad constanteen rbitas circulares.

Representacionesdel tomo

Fundacin Polar ltimasNoticias El mundo de la qumica Captulo II: De lo macro a lo micro fascculo 4

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En 1916, Arnold Sommerfeld (en la fotografa) aadi rbitaselpticas a las rbitas circulares. En stas, al acercarse elelectrn al ncleo, para no ser capturado deba moversems rpidamente. Al hacerlo, de acuerdo con los trabajosde Einstein, su masa aumentara modificando su trayectoria.Las modificaciones de Sommerfeld trataban de salvar elmodelo de Bohr de su incapacidad para explicar losespectros de los elementos.Hoy en da, el concepto de rbita desapareci, pero lagran contribucin de Sommerfeld consiste en haberincorporado la relatividad de Einstein a la concepcin delmodelo atmico, al igual que unos pocos aos antes Bohrhaba incorporado la teora cuntica de Planck.

Representaciones del tomo

En el sistema solar, el Sol y losplanetas se mantienen atradospor fuerzas gravitatorias, mientrasque en el tomo, el ncleo y loselectrones se mantienen unidospor fuerzas elctricas debido asus cargas de signo contrario.

En el tomo tambin existen las fuerzas gravitatorias, peroson muchsimo ms pequeas que las elctricas. Lasfuerzas gravitatorias siempre son atracciones. En laselctricas hay atracciones entre cargas de signo diferente(ncleo y electrones) y repulsiones entre cargas iguales(entre un electrn y otro electrn).La fuerza de atraccin gravitatoria entre dos protonesseparados por una distancia igual a 1 x 10-11 m (el tamaodel ncleo) es de 1,9 x 10-38 N (Newton), mientras que, ala misma distancia, la de repulsin electrosttica es de2,3 x 10-2 N. Como puedes ver, la fuerza electrostticaque se ejerce entre las mismas partculas es muchsimomayor que la gravitatoria, de tal forma que esta ltima sedesprecia al estudiar el micromundo.

El adis a las rbitas planas y la bienvenida a los orbitalesA partir de 1926, a la luz de los trabajos de Werner Heisenberg, Louis de Broglie, Erwin Schrdinger, Max Born yPaul Dirac, los electrones dejaron de concebirse como partculas girando en rbitas planas a una distancia fija delncleo. El concepto de rbita fue sustituido por el de orbital, que es una funcin matemtica que permite obtenerinformacin sobre la pequea regin del espacio alrededor del ncleo donde es ms probable encontrar al electrn.Estas regiones pueden diferir en tamao, forma, orientacin espacial y energa. El tomo es un ncleo rodeado porelectrones, pero no se puede precisar dnde est cada electrn, slo hay regiones donde es ms probable encontrarlos.

Werner Heisenberg (derecha) y Erwin Schrdinger (izquierda) con el reyde Suecia en la ceremonia del Premio Nobel de 1933. (Fotografa cortesa:Max-Planck-Institut, Archivo visual de Emilio Segr).Fuente: physicsweb.org/box/ world/14/12/8/pw1412085


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Sucesivos descubrimientosde elementos.

Leyes de las reacciones qumicasy del comportamiento gaseoso

Trabajos deEinstein

Demcritos. IV a.C.

Dalton1808

Thomson1904

Rutherford1911

Bohr1913

Bohr-Sommerfeld1916

Modelo atmico actual(a partir de 1920)

Naturaleza atmica de la materiatomo indivisible e indestructible

Discontinuidad (vaco)

tomo indivisibletomo como esfera, masivoCorrelacin tomo-elemento

Descubrimiento del diminutoy masivo ncleo

tomo con ncleo y corona

rbita y niveles energticosCapas de electrones

Leyes para el micromundo

rbitas elpticasConsideraciones relativistas

Orbital y probabilidad

PeriodicidadEnlace qumico

Propiedades de los materiales

Experimento deRutheford

Mecnica cuntica

Teora cunticade Planck

Rayos catdicosDescubrimento del

electrn

Clasificacin delos elementos de

Mendeleiev

Electroqumica,electrlisis y pilas

Antecedentes Modelos atmicos Puntos resaltantes

tomo divisiblePrimera visin de la estructura

atmica

Interpretacin delos espectros de los

elementos

Heisenberg


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Apoyo didctico

Si el criterio para que algo exista es llegar a verlo, la respuesta sera que noexiste ni existir el electrn, pues dada su pequea masa y su pequeo tamaoes imposible verlo. Pero el concepto de electrn permite explicar los rayoscatdicos, la conduccin elctrica, la formacin de los iones que componen loscristales como el de la sal comn... Luego, existe el electrn aunque no podamosverlo. De la misma forma, no se podran ver ni las rbitas de Bohr, ni los orbitalescunticos. Las primeras dejaron de existir cuando fueron incapaces de explicarel comportamiento de los tomos; por lo contrario, los segundos existen peronadie los ver. Son construcciones matemticas para explicar el comportamientofsico-qumico de la materia. El orbital es una abstraccin matemtica que sepuede relacionar con la regin en la cual es ms probable encontrar el electrn,y esta regin puede tener forma.Por esta razn es frecuente que algunos autores abandonen la visin delelectrn como una pequea partcula que se mueve alrededor del ncleo y lopresenten esparcido alrededor del ncleo, de acuerdo con la forma del orbital,dando origen a una nube de carga negativa y a una masa.

Una oportunidad para que el docente aclare preguntas como: Existen loselectrones? Cmo son los electrones? Existen los orbitales? Cmo son losorbitales?

La figura representa la distribucin espacial de laprobabilidad de encontrar el electrn del hidrgenoalrededor del ncleo. La probabilidad es mayor donde elcolor es ms intenso. No se puede saber dnde est elelectrn en un momento dado, pero s cul sera laprobabilidad de encontrarlo en algn lugar. Puedes verque la probabilidad se va haciendo cada vez menor amedida que el electrn se aleja del ncleo.Pro

babi

lidad

(Dist

ribuc

in ra

dial)

0,053 nmDistancia desde el ncleo

Sabas que...?Siempre se ha insistido en que Bohr, con su modelo,aspiraba a explicar los espectros discontinuos de emisinde radiacin producidos por los elementos en estadogaseoso. Estos espectros consistan en lneas separadas;cada lnea se asociaba con la transicin de un nivelenergtico ms externo a uno ms interno dentro deltomo. Sin embargo, para Bohr era de gran importanciaque su modelo sirviese para explicar las propiedades delos elementos y la clasificacin peridica, en lo cual habasobresalido el ruso Dimitri Mendeleiev. Bohr sugiri quelas propiedades qumicas y fsicas de los elementosdependan de cmo se distribuyesen los electronesalrededor del ncleo. Para ello propuso la existencia decapas de electrones (K, L, M, N...) en la corona. Conellas explic las propiedades de los elementos e, incluso,elabor una tabla peridica. En los prximos fascculosconocers mucho ms al respecto.Espectros de algunos elementos. El amarillo del sodiolo puedes ver en tu casa con slo agregar un cristal desal al fuego. El rojo del hidrgeno corresponde a latransicin desde el tercer nivel energtico (n=3) al segundonivel energtico (n=2). En cuanto al espectro del helio,permiti el descubrimiento de este elemento en la radiacinproveniente del Sol (helio en griego).

Recipiente congas incandescente(caliente)

Espectros delneas brillantes

La radiacin se hace pasar por una ranura y luego un prisma ladescompone. Finalmente, al llegar a una pantalla deja una imagen(espectro) formada por lneas brillantes.

Espectro del hidrgeno

Espectro del sodio

Espectro del helio

Simulacin de la nube de electronesinterpretando los electrones y protonescomo partculas.Fuente: http://www-vis.lbl.gov


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Partcula u onda? Partcula y onda!InteresanteUna de las grandes controversias de todos los tiemposes saber si algo es onda o partcula. La discusin empezen el siglo XVII con la luz. Para Newton la luz estabaformada por partculas mientras que para Huygens sloeran ondas. La polmica pareci estar decidida a favordel segundo, hasta que a comienzos del siglo XX la luzdebi ser considerada como partcula (fotn) para lograrexplicar que un fotn de luz poda mover a un electrn.El electrn no se salv de esta controversia que existicasi desde el descubrimiento de los rayos catdicos.Durante unos treinta aos triunf la concepcin de la luzcomo partcula, siendo J.J. Thomson determinante enesta consideracin (que lo llev a obtener el PremioNobel).A diferencia de Heisemberg, Schrdinger sostuvo laconcepcin ondulatoria. Louis de Broglie concili ambasposiciones al establecer la dualidad, proponiendo quetoda partcula en movimiento tiene una onda asociada.Finalmente, en 1937, Clinton Davisson y George Thomson(hijo nico de J.J Thomson ) obtuvieron el Premio Nobelcuando lograron la difraccin del electrn lo que probsu comportamiento como onda (el padre obtuvo el Nobelpor probar que el electrn era partcula y el hijo por probarque era onda). Hoy se acepta su dualidad y se hace usode ella. Por ejemplo, en los televisores los electrones secomportan como partculas, mientras que en unmicroscopio electrnico se comportan como ondas.

Clinton Joseph Davisson,norteamericano (1881-1958).

George Paget Thomson,ingls (1892-1975).

Si se hace llegar un haz de electrones sobre una rendija muy angosta (figura A), se observa en la pantalla unamancha ms intensa en la direccin de la rendija, como se esperara si se supone el comportamiento de partculapara el electrn.Si, en cambio, se hace llegar el mismo haz sobre una lmina con dos rendijas (figura B), en vez de obtener dosmanchas en la direccin de las rendijas, se observa la mancha ms intensa en el punto medio entre las rendijas.Este comportamiento es tpico de las ondas en el fenmeno denominado interferencia.

BA

Louis-Victor Broglie, prncipe de Broglie(1892-1987).

Pantalla Lmina con rendija Pantalla Lmina con dos rendijas

Se puede distinguir a un electrn de otro?La respuesta es no. Todos los electrones son iguales. Cadaelectrn tiene tres propiedades que lo diferencian de cualquierotra partcula. Esas propiedades son: su carga (q =-1unidad decarga), su masa (me = 0,0005u*) y su spin (s = 1/2). Pero laprimera pregunta sera, qu es el spin?El fsico austro-suizo Wolfgang Pauli sugiri, en 1925, la existenciade un giro del electrn alrededor de su propio eje. Como no hayms que dos posibilidades de giro: en el sentido de las agujasdel reloj o en sentido inverso, Pauli dio al spin el valor 1/2 ydiferenci los sentidos (ms) dndole los valores 1/2 y 1/2. El spinhoy es considerado una propiedad caracterstica de la materia,como la masa y la carga. Por su trabajo Pauli recibi el PremioNobel en 1945.Una confirmacin de la existencia de dosms son las dos rayas (doblete) queaparecen en el espectro del sodio de lapgina 28. El electrn ms externo delsodio (3s1) puede ser excitado a 3p1. Alregresar al 3s1 emitir luz que originaruna raya en el espectro; instrumentos dealta resolucin permiten observar que enrealidad son dos rayas muy prximas.*u representa la unidad de masa atmica.Su valor es nfimo: 1,7x10-24g.


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La respuesta es no. Cada electrn se va ubicando dentro deltomo en orbitales. Primero sern escogidos aquellos orbitalesdonde el electrn se encuentra ms fuertemente atrado por elncleo. Cada orbital se denota de la siguiente manera:A. Un nmero (n) que se coloca a la izquierda: 1, 2, 3, 4, ...B. Una letra que se coloca a la derecha: s, p, d, f.C. Y un subndice de ser necesario.El nmero n aporta informacin sobre el tamao del orbital y suenerga. Mientras mayor sea el valor de n mayor ser el tamaodel orbital. Al aumentar el tamao aumenta la probabilidad deencontrar al electrn lejos del ncleo; estar retenido msdbilmente, pudiendo ser ms fcil separarlo del tomo.Cada valor de n determina el nmero de letras que le pertenecen.Para n=1 habr una sola letra (s), entonces para n=1 habrsolamente orbitales 1s. Para n=2 habr dos letras (s y p), luegopara n=2 habr orbitales 2s y 2p. Para n=3 habr orbitales 3s,3p y 3d.

Son iguales los orbitales de un tomo?S p d

1

2

3

Pauli y Albert Einstein.

ms = 1/2 se le asocia conel sentido contrario a lasagujas del reloj.Tambin lo llaman spin up(hacia arriba).

ms = -1/2 se le asocia conel sentido de las agujasdel reloj.Tambin lo llaman spindown (hacia abajo).

Las letras aportan informacin sobre la forma delorbital. Por ejemplo, los orbitales s asemejanesferas alrededor del ncleo. Las letras tambinaportan informacin sobre la energa del orbital.As, para un valor dado de n, los electrones sonms fuertemente retenidos para s que para p yas sucesivamente. Los subndices indican lasorientaciones espaciales de los orbitales. Para s,que tiene forma esfrica, la orientacin espaciales nica. Luego, no hacen falta subndices. Parap hay tres posibles orientaciones espaciales, unapara cada eje de coordenadas, por lo que habrorbitales px, py y pz. Para d hay 5 posiblesorientaciones espaciales. Como slo hay tres ejesde coordenadas sus orientaciones son un pocoms complejas.

z

x

y

Si existen dos valores de ms, entonces en cada orbital sepueden ubicar hasta dos electrones como mximo. Untercer electrn tendra que repetir alguno de los valoresde ms y eso no es aceptable. El Principio de Exclusin dePauli establece que de haber dos electrones en un mismoorbital, debern tener distintos valores de ms. De acuerdocon lo anterior, para el nmero 1 hay un solo orbitaly en l se pueden ubicar hasta dos electrones.Para 2 hay cuatro orbitales, por tanto se puedenubicar ocho electrones. Para 3 hay nueveorbitales, luego, se pueden ubicar hastadieciocho electrones. El orden deocupacin de los orbitales va desdelos orbitales ms internos, donde loselectrones son ms fuertementeatrados, hacia los ms externos.Observa la figura.


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2s 3s 4s 5s 6s 7s

3p 4p 5p 6p 7p2p

3d 4d 5d

4f 5f

6d

1s

Cmo se ubican los electrones dentro de un tomo?

Utilizando el diagrama se puede establecer el orden en quese distribuyen los 27 electrones presentes en un tomo neutrode cobalto (Co). El orden es: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d7. Elcomportamiento de los tomos depende de su configuracinelectrnica (forma como se distribuyen los electrones en lostomos), sobre todo de los electrones ms externos, que sonlos que interaccionan ms fcilmente con otros tomos igualeso diferentes.

Y cmo es el ncleo?La visin del diminuto ncleo, que se tena en 1911, tambinha ido cambiando en el tiempo. Al comienzo se le considerformado por protones (descubiertos en 1919 por Rutherford):pequeas unidades de carga positiva y masa unas 1 800 vecesmayor que la de un electrn, que haba sido descubierto porJ.J.Thomson en 1897. El nmero de protones en el ncleo(denominado nmero atmico y representado mediante la letraZ) permite identificar a cada elemento. La suma de las cargasde los protones da la carga nuclear del tomo. En 1932, JamesChadwick descubri la existencia de los neutrones, partculassin carga y con masa parecida a la de los protones. La carenciade carga y su escasa existencia como partcula libre, hicieronque se descubriese mucho despus que el protn. El no tenercarga le da a los neutrones un gran poder de penetracin, puesno son desviados ni repelidos.La masa de un ncleo de helio es menor que la suma de lasmasas de los nucleones (neutrones y protones). Al formarse elncleo de helio se pierde masa. sta se transforma en energa,de acuerdo con la ecuacin de Einstein (E=mc2). Perder energasignifica que en el estado final el ncleo es ms estable quelos cuatro nucleones separados. Es decir, el tomo de helio nose desintegra por s solo.

n

n

p+

p+1,0073 u

1,0073 u

1,0087 u

1,0087 u

4,0320 u

2p+2n

-0,0305 u

4,0015 u

En 1995 le fue otorgado a Ramon Wyss un importante reconocimientopor sus contribuciones a la comprensin del comportamiento delncleo atmico bajo condiciones extremas.

Para pensarDetermina el ordende llenado de loselectrones de untomo de bromo.

Campo magntico variableIonizacin

Rendija de recoleccin de ionesenfocados por el campo magntico

Alto vaco

Detector/registrador

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El nmero de neutrones en ncleos de unmismo elemento puede variar, no as el deprotones.A los tomos de un mismo elemento queposeen diferente nmero de neutrones selos llama istopos (que significa "igual lugar",aludiendo a que, como pertenecen a unmismo elemento, debern ocupar el mismolugar en la Tabla Peridica). Las masas delos istopos son diferentes aunque sustomos pertenezcan al mismo elemento.sta es la ltima modificacin que se hizoal modelo de Dalton.


La cada del ltimo postulado de Dalton. Istopos

Como el nmero de protones, y no elnmero de neutrones, determina el nmerode electrones, y estos ltimos al distribuirsealrededor del ncleo, a su vez determinanlas propiedades qumicas, es imposiblediferenciar a un istopo de otro basndoseen las reacciones qumicas. Para separarlos istopos de un elemento, e inclusodeterminar la abundancia de cada uno, seutilizan los espectrgrafos y losespectrmetros de masas.Los istopos se separan dando distintasseales en una placa fotogrfica(espectrgrafos) o en un grfico(espectrmetros). Las seales ms intensaso ms prominentes corresponden al istopoms abundante de un elemento dado.Mientras mayor sea la masa del istopomenos se desva el tomo, es decir, menorcurvatura tiene su trayectoria.

El hidrgeno tiene tres istopos: hidrgeno, deuterio y tritio. De los tres,el primero es mucho ms abundante. Todos tienen un protn en el ncleo,que es lo que caracteriza al elemento hidrgeno. Al nmero de protonesse le denomina nmero atmico. Se lo representa por Z y se escribe a laderecha del smbolo, en la parte inferior. Al nmero de nucleones deltomo se le denomina nmero msico, se le representa por la letra A yse escribe a la izquierda del smbolo, pero en la parte superior. As losistopos del hidrgeno son: 1H, 2H y 3H.

Protn

Hidrgeno (1H)

Protn Neutrn

Protn NeutronesElectrn

Electrn Electrn

Cmara deintroduccinde la muestra

Los iones describen trayectoriasdefinidas en funcin de la relacinm/z adquirida para un valor delcampo magntico

Aceleracin deiones

Esquema sencillo de un espectrmetro de masas

11

1

1 1 1

Hidrgeno (3H)

Hidrgeno (2H)

fasciculo4

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