Nmero cunticoDe Wikipedia, la enciclopedia libre Saltar a navegacin, bsqueda

Representacin clsica de un tomo en los modelos de Rutherford y Bohr. Los nmeros cunticos son unos nmeros que se conservan en los sistemas cunticos. Corresponden con aquellos observables que conmutan con el Hamiltoniano del sistema. As, los nmeros cunticos permiten caracterizar los estados estacionarios, es decir los estados propios del sistema. En fsica atmica, los nmeros cunticos son valores numricos discretos que nos indican las caractersticas de los electrones en los tomos, esto est basado en la teora atmica de Niels Bohr que es el modelo atmico ms aceptado y utilizado en los ltimos tiempos por su simplicidad. En fsica de partculas, tambin se emplea el trmino nmeros cunticos para designar a los posibles valores de ciertos observables o magnitud fsica que poseen un espectro o rango posible de valores discreto.

Contenido[ocultar]

1 Sistemas atmicos o 1.1 Cuntos nmeros cunticos hacen falta? o 1.2 Conjunto de nmeros cunticos 2 Sistemas generales 3 Nmeros cunticos aditivos y multiplicativos 4 Vase tambin 5 Referencias o 5.1 Bibliografa

[editar] Sistemas atmicos[editar] Cuntos nmeros cunticos hacen falta?La cuestin de "cuntos nmeros cunticos se necesitan para describir cualquier sistema dado?" no tiene respuesta universal, aunque para cada sistema se debe encontrar la respuesta a un anlisis completo del sistema. De hecho, en trminos ms actuales la pregunta se suele formular cmo "Cuntos observables conforman un conjunto completo de observables compatible?". Ya que un nmero cuntico no es ms que un autovalor de cada observable de ese conjunto. La dinmica de cualquier sistema cuntico se describe por un Hamiltoniano cuntico, . Existe un nmero cuntico del sistema correspondiente a la energa, es decir, el autovalor del Hamiltoniano. Existe tambin un nmero cuntico para cada operador que conmuta con el Hamiltoniano (es decir, satisface la relacin ). Estos son todos los nmeros cunticos que el sistema puede tener. Ntese que los operadores que definen los nmeros cunticos deben ser mutuamente independientes. A menudo existe ms de una forma de elegir un conjunto de operadores independientes. En consecuencia, en diferentes situaciones se pueden usar diferentes conjuntos de nmeros cunticos para la descripcin del mismo sistema.Ejemplo: tomos hidrogenoides

[editar] Conjunto de nmeros cunticosEl conjunto de nmeros cunticos ms ampliamente estudiado es el de un electrn simple en un tomo: a causa de que no es til solamente en qumica, siendo la nocin bsica detrs de la tabla peridica, valencia y otras propiedades, sino tambin porque es un problema resoluble y realista, y como tal, encuentra amplio uso en libros de texto. En mecnica cuntica no-relativista el Hamiltoniano de este sistema consiste de la energa cintica del electrn y la energa potencial debida a la fuerza de Coulomb entre el ncleo y el electrn. La energa cintica puede ser separada en una parte debida al momento angular, J, del electrn alrededor del ncleo, y el resto. Puesto que el potencial es esfricamente simtrico, el Hamiltoniano completo conmuta con J2. A su vez J2 conmuta con cualquiera de los componentes del vector momento angular, convencionalmente tomado como Jz. Estos son los nicos operadores que conmutan mutuamente en este problema; por lo tanto, hay tres nmeros cunticos. Adicionalmente hay que considerar otra propiedad de las partculas denominada espn que viene descrita por otros dos nmeros cunticos. En particular, se refiere a los nmeros que caracterizan los estados propios estacionarios de un electrn de un tomo hidrogenoide y que, por tanto, describen los orbitales atmicos. Estos nmeros cunticos son: I) El nmero cuntico principal n Este nmero cuntico indica la distancia entre el ncleo y el electrn, medida en niveles energticos, pero la distancia media en unidades de longitud tambin crece montonamente con n. Los valores de este nmero, que corresponde al nmero del nivel energtico, varian entre 1 e infinito,

mas solo se conocen tomos que tengan hasta 7 niveles energticos en su estado fundamental. II) El nmero cuntico del momento angular o azimutal (l = 0,1,2,3,4,5,...,n-1), indica la forma de los orbitales y el subnivel de energa en el que se encuentra el electrn. Un orbital de un tomo hidrogenoide tiene l nodos angulares y n-1-l nodos radiales. Si: l = 0: Subrbita "s" ("forma circular") s proviene de sharp (nitido) (*) l = 1: Subrbita "p" ("forma semicircular achatada") p proviene de principal (*) l = 2: Subrbita "d" ("forma lobular, con anillo nodal") d proviene de difuse (difuso) (*) l = 3: Subrbita "f" ("lobulares con nodos radiales") f proviene de fundamental (*) l = 4: Subrbita "g" (*) l = 5: Subrbita "h" (*) (*) Para obtener mayor informacin sobre los orbitales vea el artculo Orbital. III) El nmero cuntico magntico (m, ml), Indica la orientacin espacial del subnivel de energa, "(m = -l,...,0,...,l)". Para cada valor de l hay 2l+1 valores de m. IV) El nmero cuntico de espn (s, ms), indica el sentido de giro del campo magntico que produce el electrn al girar sobre su eje. Toma valores 1/2 y -1/2. En resumen, el estado cuntico de un electrn est determinado por sus nmeros cunticos:

nombre

smbolo

significado orbital

rango de valores

valor ejemplo

nmero cuntico principal

shell o capa

nmero cuntico secundario o azimutal (momento angular) nmero cuntico magntico, (proyeccin del momento angular) nmero cuntico proyeccin de espn

subshell o subcapa

para

:

para energa shift : para un electrn, sea:

espn

Con cada una de las capas del modelo atmico de Bohr corresponda a un valor diferente del nmero cuntico principal. Ms tarde se introdujeron los otros nmeros cunticos y

Wolfgang Pauli, otro de los principales contribuidores de la teora cuntica, formul el celebrado principio de exclusin basado en los nmeros cunticos, segn el cual en un tomo no puede haber dos electrones cuyos nmeros cunticos sean todos iguales. Este principio justificaba la forma de llenarse las capas de tomos cada vez ms pesados, y daba cuenta de por qu la materia ocupa lugar en el espacio. Desde un punto de vista mecano-cuntico, los nmeros cunticos caracterizan las soluciones estacionarias de la Ecuacin de Schrdinger. No es posible saber la posicin y la velocidad exactas de un electrn en un momento determinado, sin embargo, es posible describir dnde se encuentra. Esto se denomina principio de incertidumbre o de Heisenberg. La zona que puede ocupar un electrn dentro de un tomo se llama orbital atmico. Existen varios orbitales distintos en cada tomo, cada uno de los cuales tiene un tamao, forma y nivel de energa especfico. Puede contener hasta dos electrones que, a su vez, tienen nmeros cunticos de espn opuestos.

[editar] Sistemas generalesLa cantidad de nmeros cunticos requieridos para representar un estado ligado de un sistema cuntico general depender del cardinal de un conjunto cuntico completo de observables compatibles (CCOC). Dado un CCOC formado por los observables todo estado del sistema se puede expresar como:

Donde cada uno de los estados observables que forman el CCOC:

es simultneamente propio de cada uno de los

El conjunto de valores son los nmeros cunticos del sistema. Si el CCOC tienen espectro puntual entonces los nmeros cunticos pueden ser nmeros enteros. En el caso del tomo hidrogenoide (hamiltoniano, momento angular, componente Z del momento angular, espn del electrn) forman un CCOC y de ah que slo sean necesarios cuatro nmeros cunticos para describir los estados estacionarios de dicho sistema.

[editar] Nmeros cunticos aditivos y multiplicativosEn fsica de partculas diversas leyes de conservacin y simetras se expresan como suma o multiplicacin de nmeros cunticos. As en interaccin de partculas en las que existe cambio de identidades de las partculas, va creacin o destruccin de partculas:

1. la suma de los nmeros cunticos aditivos de las partculas antes y despus de la interaccin deben ser idnticos. 2. el producto de los nmeros cunticos multiplicativos de las partculas antes y despus de la interaccin deben ser idnticos. Un ejemplo de nmero cuntico multiplicativo es el tipo paridad , cuando un sistema experimenta un cambio bajo algn tipo de interaccin que cambia la paridad el resultado de multiplicar los diferentes multiplicandos asociados al tipo de paridad de cada parte del sistema debe quedar invariante.

Configuracin electrnicaDe Wikipedia, la enciclopedia libre Saltar a navegacin, bsqueda Este artculo o seccin necesita referencias que aparezcan en una publicacin acreditada, como revistas especializadas, monografas, prensa diaria o pginas de Internet fidedignas.Puedes aadirlas as o avisar al autor principal del artculo en su pgina de discusin pegando: {{subst:Aviso referencias|Configuracin electrnica}} ~~~~

En fsica y qumica, la configuracin electrnica es la manera en la cual los electrones se estructuran o se modifican en un tomo, molcula o en otra estructura fsica, de acuerdo con el modelo de capas electrnico, en el cual la funcin de onda del sistema se expresa como un producto de orbitales antisimetrizado.1 2 Cualquier conjunto de electrones en un mismo estado cuntico deben cumplir el principio de exclusin de Pauli al ser partculas idnticas. Por ser fermiones (partculas de espn semientero) el principio de exclusin de Pauli nos dice que la funcin de onda total (conjunto de electrones) debe ser antisimtrica.3 Por lo tanto, en el momento en que un estado cuntico es ocupado por un electrn, el siguiente electrn debe ocupar un estado cuntico diferente. En los tomos, los estados estacionarios de la funcin de onda de un electrn en una aproximacin no relativista (los estados que son funcin propia de la ecuacin de Schrdinger en donde es el hamiltoniano monoelectrnico correspondiente; para el caso general hay que recurrir a la ecuacin de Dirac de la mecnica cuntica de campos) se denominan orbitales atmicos, por analoga con la imagen clsica de los electrones orbitando alrededor del ncleo. Estos estados, en su expresin ms bsica, se pueden describir mediante cuatro nmeros cunticos: n, l, m y ms, y, en resumen, el principio de exclusin de Pauli implica que no puede haber dos electrones en un mismo tomo con los cuatro valores de los nmeros cunticos iguales. De acuerdo con este modelo, los electrones pueden pasar de un nivel de energa orbital a otro ya sea emitiendo o absorbiendo un cuanto de energa, en forma de fotn. Debido al principio de exclusin de Pauli, no ms de dos electrones pueden ocupar el mismo orbital y, por tanto, la transicin se produce a un orbital en el cual hay una vacante.

Contenido[ocultar]

1 Valores de los nmeros cunticos 2 Notacin 3 Historia 4 Distribucin electrnica 5 Bloques de la tabla peridica 6 Regla de exclusin de Pauli 7 Regla del octeto 8 Anomalas de configuracin electrnica o 8.1 Antisarrus (Antiserruchos) o 8.2 By pass 9 Energa Relativa de un Orbital 10 Orbital o REEMPE 11 Vase tambin 12 Referencias 13 Enlaces externos

[editar] Valores de los nmeros cunticosArtculo principal: Nmeros cunticos

En el caso de los orbitales de los tomos hidrogenoides el nmero cuntico principal n est asociado a los diferentes niveles de energa orbital permitidos o niveles cunticos; los valores que toma son 1, 2, 3, 4,... Para n=1 se tiene el nivel de menor energa. Todos los estados con el mismo nmero cuntico principal forman una capa (o nivel). Por razones histricas, estas capas electrnicas (por ejemplo en espectroscopia de rayos X) tambin se denotan como K, L, M, N,... El segundo nmero cuntico l corresponde al momento angular del estado. Estos estados tienen la forma de armnicos esfricos, y por lo tanto se describen usando polinomios de Legendre. Tambin por razones histricas a estas subcapas (o subniveles), se les asigna una letra, que hace referencia al tipo de orbital que describe el estado electrnico (s, p, d, f, ...),Los valores que puede tomar l son: 0, 1, 2, ..., (n-1), siendo n el nmero cuntico principal. El tercer nmero cuntico, m, puede tomar los valores desde -l a l, y por lo tanto hay un total de 2l+1 estados degenerados posibles. Cada uno de stos puede ser ocupado por dos electrones con espines opuestos, consecuencia de los dos posibles valores de la proyeccin sobre el eje z del espn electrnico, ms, que puede tomar los valores +1/2 -1/2. Esto da un total de 2(2l+1) electrones en total (tal como se puede ver en la tabla siguiente). Valor de l Letra Mximo nmero de electrones

0 1 2 3 Nmero cuntico n l m ms

s p d f Valores posibles 1, 2, 3,... 0,..., (n-1) -l, (-l+1),..., 0,....,(+l-1), +l -1/2, +1/2

2 6 10 14

[editar] NotacinArtculo principal: Orbital atmico

En Fsica y Qumica se utiliza una notacin estndar para describir las configuraciones electrnicas de tomos y molculas. Para los tomos, la notacin contiene la definicin de los orbitales atmicos (en la forma n l, por ejemplo 1s, 2p, 3d, 4f) indicando el nmero de electrones asignado a cada orbital (o al conjunto de orbitales de la misma subcapa) como un superndice. Por ejemplo, el hidrgeno tiene un electrn en el orbital s de la primera capa, de ah que su configuracin electrnica se escriba 1s1. El litio tiene dos electrones en la subcapa 1s y uno en la subcapa 2s (de mayor energa), de ah que su configuracin electrnica se escriba 1s2 2s1 (pronuncindose "uno-ese-dos, dos-ese-uno"). Para el fsforo (nmero atmico 15), tenemos: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p3. Para tomos con muchos electrones, esta notacin puede ser muy larga por lo que se utiliza una notacin abreviada, que tiene en cuenta que las primeras subcapas son iguales a las de algn gas noble. Por ejemplo, el fsforo, difiere del argn y nen (1s2 2s2 2p6) nicamente por la presencia de la tercera capa. As, la configuracin electrnica del fsforo se puede escribir respecto de la del nen como: [Ne] 3s2 3p3. Esta notacin es til si tenemos en cuenta que la mayor parte de las propiedades qumicas de los elementos vienen determinadas por las capas ms externas. El orden en el que se escriben los orbitales viene dado por la estabilidad relativa de los orbitales, escribindose primero aquellos que tienen menor energa orbital. Esto significa que, aunque sigue unas pautas generales, se pueden producir excepciones. La mayor parte de los tomos siguen el orden dado por la regla de Madelung. As, de acuerdo con esta regla, la configuracin electrnica del hierro se escribe como: [Ar] 4s2 3d6. Otra posible

notacin agrupa primero los orbitales con el mismo nmero cuntico n, de tal manera que la configuracin del hierro se expresa como [Ar] 3d6 4s2 (agrupando el orbital 3d con los 3s y 3p que estn implicitos en la configuracin del argn). El superndice 1 de los orbitales ocupados por un nico electrn no es obligatorio.4 Es bastante comn ver las letras de los orbitales escritas en letra itlica o cursiva. Sin embargo, la Unin Internacional de Qumica Pura y Aplicada (IUPAC) recomienda utilizar letra normal, tal y como se realiza aqu.

[editar] HistoriaNiels Bohr fue el primero en proponer (1923) que la periodicidad en las propiedades de los elementos se poda explicar mediante la estructura electrnica del tomo.5 Su propuesta se bas en el modelo atmico de Bohr para el tomo, en el cual las capas electrnicas eran rbitas electrnicas a distancias fijas al ncleo. Las configuraciones originales de Bohr hoy parecen extraas para el qumico: al azufre se le asignaba una configuracin 2.4.4.6 en vez de 1s2 2s2 2p6 3s2 3p4. Un ao despus, E. C. Stoner incorpora el tercer nmero cuntico de la teora de Sommerfeld en la descripcin de las capas electrnicas, y predice correctamente la estructura de capas del azufre como 2.8.6.6 Sin embargo, ni el sistema de Bohr ni el de Stoner podan describir correctamente los cambios del espectro atmico en un campo magntico (efecto Zeeman). [1]

[editar] Distribucin electrnica

Es la distribucin de los electrones en los subniveles y orbitales de un tomo. La configuracin electrnica de los elementos se rige segn el diagrama de Moeller: Para comprender el diagrama de Moeller se utiliza la siguiente tabla:

s

p

d

f

n=1

1s

n=2

2s

2p

n=3

3s

3p

3d

n=4

4s

4p

4d

4f

n=5

5s

5p

5d

5f

n = 6 style="backg

7p

Para encontrar la distribucin electrnica se escriben las notaciones en forma diagonal desde arriba hacia abajo y de derecha a izquierda (seguir colores):

1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d 7p

Este principio de construccin (denominado principio de Aufbau, del alemn Aufbau que significa 'construccin') fue una parte importante del concepto original de Bohr de configuracin electrnica. Puede formularse como:7 slo se pueden ocupar los orbitales con un mximo de dos electrones, en orden creciente de energa orbital: los orbitales de menor energa se llenan antes que los de mayor energa. As, vemos que se puede utilizar el orden de energas de los orbitales para describir la estructura electrnica de los tomos de los elementos. Un subnivel s se puede llenar con 1 2 electrones. El subnivel p puede contener de 1 a 6 electrones; el subnivel d de 1 a 10 electrones y el subnivel f de 1 a 14 electrones. Ahora es posible describir la estructura electrnica de los tomos estableciendo el subnivel o distribucin orbital de los electrones. Los electrones se colocan primero en los subniveles de menor energa y cuando estos estn completamente ocupados, se usa el siguiente subnivel de energa superior. Esto puede representarse por la siguiente tabla:

s

p

d

f

n=1

2

n=2

2

6

n=3

2

6

10

n=4

2

6

10

14

n=5

2

6

10

14

n=6

2

6

10

n=7

2

6

Para encontrar la configuracin electrnica se usa el mismo procedimiento anterior incluyendo esta vez el nmero mximo de electrones para cada orbital.1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10 6p6 7s2 5f14 6d10 7p6

Finalmente la configuracin queda de la siguiente manera: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10 6p6 7s2 5f14 6d10 7p6

Para determinar la configuracin electrnica de un elemento, basta con calcular cuntos electrones hay que acomodar y entonces distribuirlos en los subniveles empezando por los de menor energa e ir llenando hasta que todos los electrones estn distribuidos. Un elemento con nmero atmico mayor tiene un electrn ms que el elemento que lo precede. El subnivel de energa aumenta de esta manera:

Subnivel s, p, d o f: Aumenta el nivel de energa.

Sin embargo, existen excepciones, como ocurre en los elementos de transicin al ubicarnos en los grupos del cromo y del cobre, en los que se promueve el electrn dando as una configuracin fuera de lo comn.

[editar] Bloques de la tabla peridicaLa forma de la tabla peridica est ntimamente relacionada con la configuracin electrnica de los tomos de los elementos. Por ejemplo, todos los elementos del grupo 1 tienen una configuracin de [E] ns1 (donde [E] es la configuracin del gas inerte correspondiente), y tienen una gran semejanza en sus propiedades qumicas. La capa electrnica ms externa se denomina "capa de valencia" y (en una primera aproximacin) determina las propiedades qumicas. Conviene recordar que el hecho de que las propiedades qumicas eran similares para los elementos de un grupo fue descubierto hace ms de un siglo, antes incluso de aparecer la idea de configuracin electrnica.8 No est claro cmo explica la regla de Madelung (que ms bien describe) la tabla peridica,9 ya que algunas propiedades (tales como el estado de oxidacin +2 en la primera fila de los metales de transicin) seran diferentes con un orden de llenado de orbitales distinto.

[editar] Regla de exclusin de PauliEsta regla nos dice que en un estado cuntico slo puede haber un electrn. De aqu salen los valores del espn o giro de los electrones que es 1/2 y con proyecciones .

Tambin que en una orientacin deben de caber dos electrones excepto cuando el nmero de electrones se ha acabado por lo cual el orden que debe de seguir este ordenamiento en cada nivel es primero los de espn positivo (+1/2) y luego los negativos. El principio de exclusin de Pauli fue un principio cuntico enunciado por Wolfgang Ernst Pauli en 1925. Establece que no puede haber dos fermiones con todos sus nmeros cunticos idnticos (esto es, en el mismo estado cuntico de partcula individual). Perdi la categora de principio, pues deriva de supuestos ms generales: de hecho, es una consecuencia del teorema de la estadstica del spin. El principio de exclusin de Pauli slo se aplica a fermiones, esto es, partculas que forman estados cunticos antisimtricos y que tienen espn semientero. Son fermiones, por ejemplo, los protones, los neutrones y los electrones, los tres tipos de partculas subatmicas que constituyen la materia ordinaria. El principio de exclusin de Pauli rige, as pues, muchas de las caractersticas distintivas de la materia. En cambio, partculas como el fotn y el (hipottico) gravitn no obedecen a este principio, ya que son bosones, esto es, forman estados cunticos simtricos y tienen espn entero. Como consecuencia, una multitud de fotones puede estar en un mismo estado cuntico de partcula, como en los lseres. "Dos electrones en la corteza de un tomo no pueden tener al mismo tiempo los mismos nmeros cunticos". Es sencillo derivar el principio de Pauli, basndonos en el artculo de partculas idnticas. Los fermiones de la misma especie forman sistemas con estados totalmente antisimtricos, lo que para el caso de dos partculas significa que:

mismo estado cuntico |>, el estado del sistema completo es |>. Entonces,

[editar] Regla del octetoPara que un tomo sea estable debe tener todos sus orbitales llenos (cada orbital con dos electrones, uno de espn +1/2 y otro de espn -1/2) Por ejemplo, el oxgeno, que tiene configuracin electrnica 1s, 2s, 2p4, debe llegar a la configuracin 1s, 2s, 2p6 con la cual los niveles 1 y 2 estaran llenos. Recordemos que la Regla del octeto, justamente establece que el nivel electrnico se completa con 8 electrones, excepto el Hidrgeno, que se completa con 2 electrones. Entonces el oxgeno tendr la tendencia a ganar los 2 electrones que le faltan, por esto se combina con 2 tomos de hidrgenos (en el caso del agua, por ejemplo), que cada uno necesita 1 electrn (el cual recibe del oxgeno) y otorga a dicho tomo 1 electrn cada uno. De este modo, cada hidrgeno complet el nivel 1 y el oxgeno complet el nivel 2. En qumica se denomina orbital a la zona del espacio que rodea a un ncleo atmico donde la probabilidad de encontrar un electrn es mxima, cercana al 91%. Ejemplo de ello: 10Ne: 1s2, 2s2, 2p6 regla del octeto: 11Na:(Ne)10, 1s2, 2s2, 2p6, 3s1

[editar] Anomalas de configuracin electrnicaAl desarrollar la configuracin electrnica, encontramos una serie de excepciones. Es ms estable llenar dos medios orbitales que completar uno y dejar el otro a uno o dos electrones de estar compeltado a la mitad. As, los metales del grupo 6 en vez de tener los orbitales externos s completos y el orbital d a un electrn de estar semi-completo, donarn un electrn del orbital s al orbital d, quedando ambos completos a la mitad: s1d5en vez de s2d4. Igualmente, es ms estable rellenar los orbitales d completamente, por lo que los elementos del grupo 11 tendern a adoptar la configuracin s1d10 en vez de s2d9. Ejemplos de estas anomalas son: [editar] Antisarrus (Antiserruchos) Se presenta en elementos de los grupos VIB y IB Ejemplo: Grupo VIB:24

Cr: 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 4s2, 3d4 : es incorrecto . Cr: 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 4s1, 3d5 : es correcto

24

Grupo IB:'.i.'29

Cu: 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 4s2, 3d9 : es incorrecto.

29

Cu: 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 4s1, 3d10 : es correcto.

[editar] By pass Un gran nmero de elementos de transicin interna presentan este fenmeno, donde el subnivel debe hacer transicin al prximonivel

[editar] Energa Relativa de un OrbitalLa energa asociada a las regiones orbitales depende de la suma de los nmeros cunticos principal y secundario. ER: n + l Donde: n: nivel l: subnivel

Ejemplo: 4s: 4 + 0 : 4 3p: 3 + 1 : 4 4d: 4 + 2 : 6 5f: 5 + 3 : 8 6g: 6 + 4 : 10 3p: 3 + 9 : 12

[editar] Orbital o REEMPEEn qumica se usa la expresin REEMPE para designar el valor esperado de un operador densidad de estados de dos electrones con . En otras palabras: la regin donde existe mayor posibilidad de encontrar como mximo 2 electrones que se mueven en forma paralela y en sentidos contrarios. Su nombre proviene de Regin de Espacio Energtico de Manifestacin Probabilstica del Electrn.

Valencia (qumica)De Wikipedia, la enciclopedia libre

Saltar a navegacin, bsqueda Para otros usos de este trmino, vase Valencia (desambiguacin). La valencia, tambin conocida como nmero de valencia, es una medida de la cantidad de enlaces qumicos formados por los tomos de un elemento qumico. A travs del siglo XX, el concepto de valencia ha evolucionado en un amplio rango de aproximaciones para describir el enlace qumico, incluyendo la estructura de Lewis (1916), la teora del enlace de valencia (1927), la teora de los orbitales moleculares (1928), la teora de repulsin de pares electrnicos de la capa de valencia (1958) y todos los mtodos avanzados de qumica cuntica.

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1 Historia 2 Tipos de valencia 3 Vista general 4 Definicin del "nmero de enlaces" 5 Definicin IUPAC 6 Valencias de los elementos o 6.1 Tabla de valencias de los elementos 7 Otras crticas al concepto de valencia 8 Referencias 9 Enlaces externos

[editar] HistoriaLa etimologa de la palabra "valencia" proviene de 1465, significando "extracto, preparacin", del latn valentia "fuerza, capacidad", y el significado qumico refirindose al "poder combinante de un elemento" est registrado desde 1884, del alemn Valenz.1 En 1789, William Higgins public bocetos sobre lo que l llam combinaciones de partculas "ltimas", que esbozaban el concepto de enlaces de valencia.2 Si, por ejemplo, de acuerdo a Higgins, la fuerza entre la partcula ltima de oxgeno y la partcula ltima de nitrgeno era 6, luego la fuerza del enlace debera ser dividida acordemente, y de modo similar para las otras combinaciones de partculas ltimas:estas son las de la tabla peridica.

Combinaciones de partculas ltimas de William Higgins (1789). Sin embargo, la incepcin NO exacta de la teora de las valencias qumicas puede ser rastreda a una publicacin de Edward Frankland, en la que combin las viejas teoras de los radicales libres y "teora de tipos" con conceptos sobre afinidad qumica para mostrar que ciertos elementos tienen la tendencia a combinarse con otros elementos para formar compuestos conteniendo 3 equivalentes del tomo unido, por ejemplo, en los grupos de tres tomos (vg. NO3, NH3, NI3, etc.) o 5, por ejemplo en los grupos de cinco tomos (vg. NO5, NH4O, PO5, etc.) Es en este modo, segn Franklin, que sus afinidades estn mejor satisfechas. Siguiendo estos ejemplos y postulados, Franklin declar cun obvio esto es que:3Una tendencia o ley prevalece (aqu), y que, no importa qu puedan ser los caracteres de los tomos que se unen, el poder combinante de los elementos atrayentes, si me puedo permitir el trmino, se satisface siempre por el mismo nmero de estos tomos.

Este "poder combinante" fue denominado posteriormente cuantivalencia o valencia.2

[editar] Tipos de valenciaValencia positiva mxima: Es el nmero positivo que refleja la mxima capacidad de combinacin de un tomo. Este nmero coincide con el Grupo de la Tabla Peridica al cual pertenece. Por ejemplo: el Cloro (Cl) es del Grupo VII A en la tabla, por lo que su valencia positiva mxima es 7. Valencia negativa: Es el nmero negativo que refleja la capacidad que tiene un tomo de combinarse con otro pero que obviamente est actuando con valencia positiva. Este nmero negativo se puede determinar contando lo que le falta a la valencia positiva mxima para llegar a 8, pero con signo -. Por ejemplo: a la valencia mxima positiva del tomo de Cloro (7) le falta 1 para llegar a 8, entonces su valencia negativa ser -1.

[editar] Vista generalEl concepto fue desarrollado a mediados del siglo XIX, en un intento por racionalizar la frmula qumica de compuestos qumicos diferentes. En 1919, Irving Langmuir, tom prestado el trmino para explicar el modelo del tomo cbico de Gilbert N. Lewis al enunciar que "el nmero de pares de electrones que cualquier tomo dado comparte con el tomo adyacente es denominado la covalencia del tomo." El prefijo co- significa "junto", as que un enlace co-valente significa que los tomos comparten valencia. De ah, si un tomo, por ejemplo, tiene una valencia +1, significa que perdi un electrn, y otro con una valencia de -1, significa que tiene un electrn adicional. Luego, un enlace entre estos dos tomos resultara porque se complementaran o compartiran sus tendencias en el balance de la valencia. Subsecuentemente, ahora es ms comn hablar de enlace covalente en vez de "valencia", que ha cado en desuso del nivel ms alto de trabajo, con los avances en la teora del enlace qumico, pero an es usado ampliamente en estudios elementales donde provee una introduccin heurstica a la materia.

[editar] Definicin del "nmero de enlaces"Se crea originalmente que el nmero de enlaces formados por un elemento dado era una propiedad qumica fija y, en efecto, en muchos casos, es una buena aproximacin. Por ejemplo, en muchos de sus compuestos, el carbono forma cuatro enlaces, el oxgeno dos y el hidrgeno uno. Sin embargo, pronto se hizo evidente que, para muchos elementos, la valencia podra variar entre compuestos diferentes. Uno de los primeros ejemplos en ser identificado era el fsforo, que algunas veces se comporta como si tuviera una valencia de tres, y otras como si tuviera una valencia de cinco. Un mtodo para resolver este problema consiste en especificar la valencia para cada compuesto individual: aunque elimina mucho de la generalidad del concepto, esto ha dado origen a la idea de nmero de oxidacin (usado en la nomenclatura Stock y a la notacin lambda en la nomenclatura IUPAC de qumica inorgnica).

[editar] Definicin IUPACLa Unin Internacional de Qumica Pura y Aplicada (IUPAC) ha hecho algunos intentos de llegar a una definicin desambigua de valencia. La versin actual, adoptada en 1994, es la siguiente:4 El mximo nmero de tomos univalentes (originalmente tomos de hidrgeno o cloro) que pueden combinarse con un tomo del elemento en consideracin, o con un fragmento, o para el cual un tomo de este elemento puede ser sustituido. Esta definicin reimpone una valencia nica para cada elemento a expensas de despreciar, en muchos casos, una gran parte de su qumica.La mencin del hidrgeno y el cloro es por razones histricas, aunque ambos en la prctica forman compuestos principalmente en los que sus tomos forman un enlace simple. Las excepciones en el caso del hidrgeno incluyen el ion bifluoruro, [HF2], y los diversos hidruros de boro tales como el diborano:

estos son ejemplos de enlace de tres centros. El cloro forma un nmero de fluoruroClF, ClF3 y ClF5y su valencia, de acuerdo a la definicin de la IUPAC, es cinco. El flor es el elemento para el que el mayor nmero de tomos se combinan con tomos de otros elementos: es univalente en todos sus compuestos, excepto en el ion [H2F]+. En efecto, la definicin IUPAC slo puede ser resuelta al fijar las valencias del hidrgeno y el flor como uno, convencin que ha sido seguida ac.

[editar] Valencias de los elementosLas valencias de la mayora de los elementos se basan en el fluoruro ms alto conocido.5

[editar] Tabla de valencias de los elementosHalogenos Anfigenos Nitrogenoides Carbonoides 1,3,5,7 Cloro Fluor Yodo Bromo 2,4,6 Oxgeno Selenio Azufre Telurio Arsnico *Al formar Anhidridos con los Nitrogenoides se usa solamente la Valencia 3 y 5 3,5 Nitrgeno Fsforo Antimonio Boro Silicio Carbono 2,4

[editar] Otras crticas al concepto de valencia

La valencia de un elemento no siempre es igual a su estado de oxidacin ms alto: las excepciones incluyen al rutenio, osmio y xenn, que tienen valencias de seis (hexafluoruros), pero que pueden formar compuestos con oxgeno en el estado de oxidacin +8, y cloro, que tiene una valencia de cinco, pero un estado de oxidacin mximo de +7 (en los percloratos). El concepto de "combinacin" no puede ser igualado con el nmero de enlaces formados por un tomo. En el fluoruro de litio (que tiene la estructura del NaCl, cada tomo de litio est rodeado por seis tomos de flor, mientras que la valencia del litio es universalmente tomada como uno, como sugiere la frmula LiF. En la fase gaseosa, el LiF existe como molculas discretas diatmicas como las valencias sugeriran.

[editar] ReferenciasLos tomos se unen entre s para formar molculas mediante fuerzas de enlace. Los tipos fundamentales de enlace son el inico, el covalente y el metlico. A continuacin se describen cada uno de los tipos de enlace y sus caractersticas principales.

Enlace inicoEl enlace inico consiste en la atraccin electrosttica entre tomos con cargas elctricas de signo contrario. Este tipo de enlace se establece entre tomos de elementos poco electronegativos con los de elementos muy electronegativos. Es necesario que uno de los elementos pueda ganar electrones y el otro perderlo, y como se ha dicho anteriormente este tipo de enlace se suele producir entre un no metal (electronegativo) y un metal (electropositivo). Un ejemplo de sustancia con enlace inico es el cloruro sdico. En su formacin tiene lugar la transferencia de un electrn del tomo de sodio al tomo de cloro. Las configuraciones electrnicas de estos elementos despus del proceso de ionizacin son muy importantes, ya que lo dos han conseguido la configuracin externa correspondiente a los gases nobles, ganando los tomos en estabilidad. Se produce una transferencia electrnica, cuyo dficit se cubre sobradamente con la energa que se libera al agruparse los iones formados en una red cristalina que, en el caso del cloruro sdico, es una red cbica en la que en los vrtices del paraleleppedo fundamental alternan iones Cl- y Na+. De esta forma cada ion Cl- queda rodeado de seis iones Na+ y recprocamente. Se llama ndice de coordinacin al nmero de iones de signo contrario que rodean a uno determinado en una red cristalina. En el caso del NaCl, el ndice de coordinacin es 6 para ambos

Propiedades de los compuestos inicosLas sustancias inicas estn constituidas por iones ordenados en el retculo cristalino; las fuerzas que mantienen esta ordenacin son fuerzas de Coulomb, muy intensas. Esto hace que las sustancias inicas sean slidos cristalinos con puntos de fusin elevados. En efecto, para fundir un cristal inico hay que deshacer la red cristalina, separar los iones. El aporte de energa necesario para la fusin, en forma de energa trmica, ha de igualar al de energa reticular, que es la energa desprendida en la formacin de un mol de compuesto inico slido a partir de los correspondientes iones en estado gaseoso. Esto hace que haya una relacin entre energa reticular y punto de fusin, siendo ste tanto ms elevado cuanto mayor es el valor de aquella. Por otra parte, la aparicin de fuerzas repulsivas muy intensas cuando dos iones se aproximan a distancias inferiores a la distancia reticular (distancia en la que quedan en la red dos iones de signo contrario), hace que los cristales inicos sean muy poco compresibles. Hay sustancias cuyas molculas, si bien son elctricamente neutras, mantienen una separacin de cargas. Esto se debe a que no hay coincidencia entre el centro de gravedad de las cargas positivas y el de las negativas: la molcula es un dipolo, es decir, un conjunto de dos cargas iguales en valor absoluto pero de distinto signo, separadas a una cierta distancia. Los dipolos se caracterizan por su momento; producto del valor absoluto de una de las cargas por la distancia que las separa. Un de estas sustancias polares es, por ejemplo el agua. Cuando un compuesto inico se introduce en un disolvente polar, los iones de la superficie de cristal provocan a su alrededor una orientacin de las molculas dipolares, que enfrentan

hacia cada ion sus extremos con carga opuesta a la del mismo. En este proceso de orientacin se libera una energa que, si supera a la energa reticular, arranca al ion de la red. Una vez arrancado, el ion se rodea de molculas de disolvente: queda solvatado. Las molculas de disolvente alrededor de los iones se comportan como capas protectoras que impiden la reagrupacin de los mismos. Todo esto hace que, en general, los compuestos inicos sean solubles en disolventes polares, aunque dependiendo siempre la solubilidad del valor de la energa reticular y del momento dipolar del disolvente. As, un compuesto como el NaCl, es muy soluble en disolventes como el agua, y un compuesto como el sulfato de bario, con alta energa reticular, no es soluble en los disolventes de momento dipolar muy elevado.

Enlace covalenteLewis expuso la teora de que todos los elementos tienen tendencia a conseguir configuracin electrnica de gas noble (8 electrones en la ltima capa). Elementos situados a la derecha de la tabla peridica ( no metales ) consiguen dicha configuracin por captura de electrones; elementos situados a la izquierda y en el centro de la tabla ( metales ), la consiguen por prdida de electrones. De esta forma la combinacin de un metal con un no metal se hace por enlace inico; pero la combinacin de no metales entre s no puede tener lugar mediante este proceso de transferencia de electrones; por lo que Lewis supuso que deban compartirlos. Es posible tambin la formacin de enlaces mltiples, o sea, la comparticin de ms de un par de electrones por una pareja de tomos. En otros casos, el par compartido es aportado por slo uno de los tomos, formndose entonces un enlace que se llama coordinado o dativo. Se han encontrado compuestos covalentes en donde no se cumple la regla. Por ejemplo, en BCl3, el tomo de boro tiene seis electrones en la ltima capa, y en SF6, el tomo de azufre consigue hasta doce electrones. Esto hace que actualmente se piense que lo caracterstico del enlace covalente es la formacin de pares electrnicos compartidos, independientemente de su nmero.

Fuerzas intermolecularesA diferencia que sucede con los compuestos inicos, en las sustancias covalentes existen molculas individualizadas. Entre estas molculas se dan fuerzas de cohesin o de Van der Waals, que debido a su debilidad, no pueden considerarse ya como fuerzas de enlace. Hay varios tipos de interacciones: Fuerzas de orientacin (aparecen entre molculas con momento dipolar diferente), fuerzas de induccin (ion o dipolo permanente producen en una molcula no polar una separacin de cargas por el fenmeno de induccin electrosttica) y fuerzas de dispersin (aparecen en tres molculas no polares).

Propiedades de los compuestos covalentesLas fuerzas de Van der Waals pueden llegar a mantener ordenaciones cristalinas, pero los puntos de fusin de las sustancias covalentes son siempre bajos, ya que la agitacin trmica domina, ya a temperaturas bajas, sobre las dbiles fuerzas de cohesin. La mayor parte de

las sustancias covalentes, a temperatura ambiente, son gases o lquidos de punto de ebullicin bajo (por ejemplo el agua). En cuanto a la solubilidad, puede decirse que, en general, las sustancias covalentes son solubles en disolventes no polares y no lo son en disolventes polares. Se conocen algunos slidos covalentes prcticamente infusibles e insolubles, que son excepcin al comportamiento general descrito. Un ejemplo de ellos es el diamante. La gran estabilidad de estas redes cristalinas se debe a que los tomos que las forman estn unidos entre s mediante enlaces covalentes. Para deshacer la red es necesario romper estos enlaces, los cual consume enormes cantidades de energa

Electrovalencia y covalenciaTeniendo presenta las teoras de los enlaces inicos y covalentes, es posible deducir la valencia de un elemento cualquiera a partir de su configuracin electrnica.

La electrovalencia, valencia en la formacin de compuestos inicos, es el nmero de electrones que el tomo tiene que ganar o perder para conseguir la configuracin de los gases nobles. La covalencia, nmero de enlaces covalentes que puede formar un tomo, es el nmero de electrones desapareados que tiene dicho tomo. Hay que tener presente que un tomo puede desaparecer sus electrones al mximo siempre que para ello no haya de pasar ningn electrn a un nivel energtico superior.

ENLACE METLICOLos elementos metlicos sin combinar forman redes cristalinas con elevado ndice de coordinacin. Hay tres tipos de red cristalina metlica: cbica centrada en las caras, con coordinacin doce; cbica centrada en el cuerpo, con coordinacin ocho, y hexagonal compacta, con coordinacin doce. Sin embargo, el nmero de electrones de valencia de cualquier tomo metlico es pequeo, en todo caso inferior al nmero de tomos que rodean a un dado, por lo cual no es posible suponer el establecimiento de tantos enlaces covalentes. En el enlace metlico, los tomos se transforman en iones y electrones, en lugar de pasar a un tomo adyacente, se desplazan alrededor de muchos tomos. Intuitivamente, la red cristalina metlica puede considerarse formada por una serie de tomos alrededor de los cuales los electrones sueltos forman una nube que mantiene unido al conjunto.

POLARIDAD DE LOS ENLACESEn el caso de molculas heteronucleares, uno de los tomos tendr mayor electronegatividad que el otro y, en consecuencia, atraer mas fuertemente hacia s al par electrnico compartido. El resultado es un desplazamiento de la carga negativa hacia el tomo ms electronegativo, quedando entonces el otro con un ligero exceso de carga positiva. Por ejemplo, en la molcula de HCl la mayor electronegatividad del cloro hace que sobre ste aparezca una fraccin de carga negativa, mientras que sobre el hidrgeno

aparece una positiva de igual valor absoluto. Resulta as una molcula polar, con un enlace intermedio entre el covalente y el inico.