Qumica 1 Medio. Unidad I. Profesora: Cristina Daz Manrquez. Profesora en prctica: Carla Tapia Contador.MODELO MECANO-CUNTICO:Historia de la fsica clsica a la fsica cuntica.Objetivo de aprendizaje: Conocer qu es una onda y sus constituyentes. Conocer parte de la historia cientfica que contribuy al descubrimiento de nuestro modelo atmico actual: El modelo mecano-cuntico.

Nombre: ................... Fecha: Antecedentes histricos: La revolucin de la fsica clsica.Durante el siglo XIX, diversos fsicos trataron de comprender el comportamiento de los tomos y molculas a partir de las leyes fsicas existentes en la poca, pero sus intentos fracasaban al explicar el comportamiento de la materia microscpica con leyes que se aplicaban a la perfeccin y con xito en la explicacin del comportamiento de objetos grandes o materia macroscpica.En 1900, Max Planck, el joven cientfico alemn, revolucion el mundo de la fsica. Cuando observaba y analizaba los datos de radiacin emitida por slidos calentados a varias temperaturas, dedujo que la energa era emitida nicamente en nmeros enteros mltiplos de cantidades bien definidas, a las que llam cuantos. Esta idea puso de cabeza al mundo fsico, que aceptaba, hasta ese momento, que la energa era continua, por ende, cualquier cantidad de energa se poda liberar en un proceso de radiacin

El comportamiento de ondas

Para comprender el mundo atmico es preciso entender el comportamiento de la luz, partiendo por definir la luz visible (aquella que perciben nuestros ojos) como un tipo de radiacin electromagntica.Fue James Maxwell, en 1873, quien demostr tericamente que la luz visible contaba con ondas electromagnticas y que adems era capaz de transportar energa, razn por la que a la luz visible se le conoce tambin como energa radiante.La radiaciones electromagnticas se caracterizan por moverse a travs del vaco a una velocidad de 3 108 m/s (velocidad de la luz) y por poseer carcter ondulatorio (similar al de las olas).

Observa la Figura 1. En ella se aprecia que las ondas presentan una longitud de onda, que corresponde a la distancia entre las crestas o entre los valles, expresadas comnmente en metros (m), centmetros (cm) o nanmetros (nm). Y la amplitud que es la distancia vertical desde la lnea media de la onda a la cresta o al valle de la misma. La frecuencia, por su parte, indica la cantidad de veces que la longitud de onda completa pasa por un punto dado en un segundo, expresada en ciclos por segundos (ciclo/s), unidad denominada Hertz (Hz).

Como todas las radiaciones electromagnticas se mueven a la velocidad de la luz, es posible establecer una relacin entre la longitud de onda () y la frecuencia ().

La idea de que la energa de la luz depende de la frecuencia nos permite comprender los efectos que las radiaciones electromagnticas (luz) tienen sobre la materia. Cuando la longitud de una onda es corta, la frecuencia de la onda es elevada (mayor frecuencia) y la energa de la radiacin electromagntica ser alta.

A partir del comportamiento de las ondas, se establece que la relacin entre la longitud de onda y la frecuencia se puede expresar como: c = .

Donde: (lambda) es la longitud de onda. (nu) corresponde a la frecuencia.c es la velocidad de la luz.

Figura 2: Relacin entre longitud de onda, frecuencia y energa de radiacin electromagntica

.Existen diversos tipos de radiaciones electromagnticas segn la longitud de onda y la frecuencia. El espectro electromagntico ordena dichas radiaciones segn la longitud de onda que presentan:

Podrs observar que la luz visible corresponde a una pequea porcin del espectro, cuyas longitudes de onda (l) van desde los 380 a los 750 nm, aproximadamente.

Fenmenos que los cientficos de la fsica clsica no pudieron explicar:El primero de ellos se denomina radiacin de cuerpo oscuro, que hace referencia a la emisin de luz por parte de objetos calientes que antes decalentarse son oscuros. Un claro ejemplo de este fenmeno son los quemadores de las estufas elctricas, pues al estar apagadas se conservan encolor negro y una vez encendidas toman un color rojo intenso. En 1900, el fsico alemn Max Planck resuelve el problema con una hiptesisrevolucionaria: la energa slo puede liberarse (o ser absorbida) por los tomos en paquetes discretos con un tamao mnimo, a los que denomin cuantos,definindolos como la mnima cantidad de energa que puede ser emitida oabsorbida en forma de radiacin electromagntica (Luz).Radiacin de un cuerpooscuro en estufa

A partir de ello propuso que la energa (E) de un solo cuanto era igual a una constante (h) multiplicada por la frecuencia (): E= h .

La unidad para medir la frecuencia v es: Hertz y se simboliza Hz que significa oscilacin por segundo. La constante h: contante de Planck y siempre tendr el valor h= 6,63 x 10-34 J.sLa Teora Cuntica de Planck: la energa que se emite o absorbe siempre ser energa cuantizada, o sea, que sus valores estarn restringidos a ciertas cantidades. En la vida cotidiana, todo est cuantizado, por ejemplo: los huevos puestos por las gallinas estn cuantizados, una gata preada da a luz un nmero entero de gatitos, no medio o tres cuartos de gatitos. Con lo dicho por Max Planck nace una nueva era en el mundo cientfico: la fsica cuntica.

El efecto fotoelctrico es otro fenmeno que la fsica clsica no supo explicar. El efecto fotoelctrico ocurre cuando una luz choca en una superficie metlica y los electrones de ese metal al recibir esa luz se excitan saliendo disparados de la superficie metlica.

Quien explic el fenmeno del efecto Fotoelctrico fue Albert Einstein quien para dijo: La luz consiste en rayos de partculas o partculas de luz. A estos rayos de partculas los Nombr fotones. Albert Einsteir dijo que cada fotn (luz como rayo de partculas) posee su propia energa E. La energa de un fotn se puede calcular con la frmula: E= h

Efecto fotoelctrico Donde E: es la energa del fotn. h: constante de Planck (h= 6,63 x 10-34 J.s) es la frecuencia de la luz o fotn.

Como podrs observar, la ecuacin para calcular la energa de un fotn es la misma propuesta por Max Planck. Un ejemplo del efecto fotoelctrico en la vida diaria son los paneles solares, los cuales son prcticos para ahorrar energa elctrica.

Espectros AtmicosEl espectro atmico es otro fenmeno que la fsica clsica no podaExplicar. El espectro de emisin ocurre cuando un elemento gaseoso Emite o libera luz al estar sus electrones excitados.

Celda o panel solarLa radiacin luminosa, es decir, la luz, se desva al atravesar un medio de densidad distinto, como el agua o un prisma por ejemplo. Al atravesar la luz un prisma, sta se descompone o separa en diferentes radiaciones luminosas de diferentes colores y longitudes de onda. Estos colores que se difractan o separan al atravesar el prisma, pueden recogerse en una pantalla en forma de lneas de distinta intensidad y grosor. Estas lneas que se observan en la pantalla son el espectro de emisin del elemento en estado gaseoso. Cada elemento posee su propio espectro de emisin. La siguiente imagen es un ejemplo del espectro de absorcin y emisin del hidrgeno:

Espectro de absorcin del hidrgeno: lneas negras nicas y caractersticas de cada elemento

luz atraviesa prisma y se descompone Espectro de emisin del hidrgeno: El tomo gaseoso en diferentes colores de diferentes long. de onda de hidrgeno excitado libera luz a ciertas long. de onda

El espectro de absorcin ocurre cuando un elemento en estado gaseoso recibe radiacin electromagntica (luz) con longitudes de onda especficas, dando sus correspondientes lneas espectrales. Estas lneas espectrales reflejadas en una pantalla corresponden a su espectro de absorcin. Cabe destacar, que un elemento absorbe luz (radiacin) a la misma longitud de onda que la emite o libera, cumplindose as la Ley de Kirchoff.

La Ley de Kirchoff: nos indica que todo elemento absorbe radiacin (luz) en las mismas longitudes de onda en las que la emite. Los espectros de absorcin y de emisin resultan ser, pues, el inverso uno del otro.

Modelo atmico de Niels Bohr: Modelo del tomo de hidrgeno

Rutherford al postular su modelo no tuvo en cuenta algunas investigaciones previas sobre La constitucin del tomo (sus constituyentes) y experimentaciones sobre la luz emitida o Absorbida por las sustancias, por esto, su teora atmica fue rechazada. Niels Bohr (1885-1962), se bas en el modelo atmico del hidrgeno. Su modelo atmico indicaba lo siguiente: Los electrones giran en orbitas fijas y definidas, llamadas niveles de energa. Los electrones que se encuentran en niveles ms cercanos al ncleo poseen menos energa que los lejanos al ncleo. Cuando el electrn se encuentra en una rbita determinada no emite ni absorbe energa. Si el electrn absorbe energa, puede saltar a nivel de mayor energa dentro del tomo. Si el electrn regresa a un nivel de menor energa, libera energa en forma de luz (radiacin electromagntica).

Desde esta perspectiva, los electrones ocupan regiones del espacio asociadas a niveles de energa cunticos. El hidrgeno tiene un solo electrn, que ocupa el nivel ms bajo de energa. La ocupacin de los niveles energticos define el estado del sistema. El estado fundamental o basal es el que representa el estado de ms baja Energa. Adems, se pueden generar estados excitados

Modelo atmico del hidrgeno de Bohr. Donde +Ze es la carga positiva del ncleo.

Diagrama de energa Diagrama de energa de los estados de excitacin del tomo de hidrgeno del hidrgeno

Cuando un tomo absorbe energa puede pasar desde un estado de ms baja energa a otro de ms alta, fenmeno conocido como excitacin electrnica; y al revs, cuando se encuentra en un estado de alta energa(est excitado) pasa a un estado de ms baja energa, emitiendo energa, fenmeno conocido como relajacin electrnica.

Limitaciones del Modelo atmico de BohrA poco andar, el mundo cientfico determina que el modelo atmico de Bohr presenta algunas limitaciones, pues logra explicar exitosamente el comportamiento del tomo de hidrgeno, pero no los espectros atmicos de otros tomos. Adems, describe al electrn como una partcula pequea y no aclara su comportamiento como onda, cuestin que se analizar en profundidad ms adelante.

Del modelo atmico de Bohr, se consideran dos ideas primordiales que forman parte del modelo atmico actual: Los electrones existen en niveles discretos de energa, que se describen con nmeros cunticos. En el movimiento de un electrn de un nivel de energa a otro interviene energa.

Regla de Rydberg.

La cantidad de electrones que pueden existir en cada uno de los niveles de energa, se pueden predecir usando una regla establecida por Johannes Rydberg, que dice que cada uno de los niveles de energa (n) acepta un mximo de: 2n2 electrones.Por ejemplo, para el tercer nivel de energa (n = 3), la cantidad mxima de electrones que pueden existir son: 232 = 29 = 18.La regla funciona bien hasta el cuarto nivel de energa (n = 4) para predecir la cantidad de electrones en cada uno de los niveles de energa.

La naturaleza dual del electrn

En 1924 Louis de Broglie dio respuesta a la inquietud, al plantear que si las ondas luminosas se pueden comportar como un rayo de partculas, es posible que los electrones posean la propiedades ondulatorias.Sugiri entonces que el electrn, en su trayectoria circular alrededor del ncleo, tena una longitud de onda (l) caracterstica, la que dependa de su masa (m) y de su velocidad (v), lo que se expresa en la siguiente ecuacin:

Donde: Longitud de onda. h: Constante de Planck.mv Relacin de masa y velocidad que describe la cantidad de movimiento (momentum) para cualquier objeto.Broglie por lo tanto, seal que el electrn puede comportarse como onda y partcula a la vez (dualidad del electrn). Al comportarse el electrn como una onda, es imposible conocer en forma simultnea su posicin exacta y su velocidad; por lo tanto, slo existe la probabilidad de encontrar un electrn en cierto momento y en una regin dada en el tomo.Mecnica cuntica

Con las limitaciones que llevaron a rechazar el modelo atmico de Bohr, los cientficos comenzaron a suponerla existencia de estructuras dentro del tomo que los modelos anteriores no describan, las que se denominaron subniveles de energa. En 1924, el cientfico francs Louis de Broglie postul que los electrones (ascomo otras partculas materiales) tenan un comportamiento dual de onda ypartcula, pues cualquier partcula que tuviere masa y que se moviera acierta velocidad, poda comportarse adems como onda.

En 1927, Werner Heisenberg, a partir de un supuesto matemtico, sugiereque es imposible conocer con exactitud la posicin, el momento (masa porLouis de Broglie (1892 1987).Premio Nobel de Fsica 1929

velocidad) y la energa de un electrn y, en general, de una partcula depequeo tamao, lo que se resuelve a medida que la materia tiene mayortamao por la razn masavelocidad que puede alcanzar. A este fenmeno, Heisenberg lo denomin principio de incertidumbre, y se refiere a la incapacidad de determinar exactamente la posicin, velocidad y energa, de manera simultnea, de un electrn dentro del tomo.

Por ejemplo, si una pelota de tenis es lanzada por un compaero dentro deuna habitacin, podrs determinar exactamente su posicin y velocidad enun tiempo determinado, e incluso su energa. Sin embargo, si esta mismaexperiencia es realizada con la cabeza de un alfiler, la determinacin de suposicin, velocidad y energa simultneamente ser una tarea bastante mscompleja.Werner Heisenberg (1901- 1976)

En 1927, el fsico austriaco Erwin Schrdinger, a partir de sus estudiosmatemticos, establece una ecuacin compleja que al ser resuelta permite obtener una funcin de onda denominada orbital que describe probabilsticamente el comportamiento del electrn en el tomo. Adems, establece que esta funcin de onda corresponde a la distribucin de densidad electrnica, que es mayor cerca del ncleo y menor en la medida que nos alejamos del ncleo. Este hecho marca el inicio de la mecnica ondulatoriao mecnica cuntica. Con la teora de E. Schrdinger queda establecido que los electrones no giran en rbitas alrededor del ncleo tal como lo haba Erwin Schrodinger (1887- 1967)

propuesto N. Bohr, sino que en orbitales, que corresponden a regiones del espacio en torno al ncleo donde hay una alta probabilidad de encontrar a loselectrones.

Lo postulado por Schrdinger conduce a la existencia de un nmero ilimitado de funciones de onda (orbitales) por nivel energtico, y a su vez stas, en un tomo multielectrnico (tomos con ms de un electrn), resultan tener diferentes energas, lo que se denomina subniveles de energa, identificados con las letras s, p, d, f.

Modelo mecano-cuntico

En sntesis, la distribucin de los electrones alrededor del ncleo obedece a una serie de reglas o principios de la teora mecano-cuntica, que se traducen en un modelo matemtico que reconoce cuatro nmeros bsicos denominados nmeros cunticos.