ROMARIO REMACHEQUIMICA

El tomo es un constituyente de la materia ordinaria, con propiedades qumicas bien definidas, formado a su vez por constituyentes ms elementales sin propiedades qumicas bien definidas. Cada elemento qumico est formado por tomos del mismo tipo (con la misma estructura electrnica bsica), y que no es posible dividir mediante procesos qumicos.Actualmente se conoce que el tomo est compuesto por un ncleo atmico, en el que se concentra casi toda su masa, rodeado de una nube de electrones. Esto fue descubierto a principios del siglo XX, ya que durante el siglo XIX se haba pensado que los tomos eran indivisibles, de ah su nombre a-tmo- 'sin divisin'. Poco despus se descubri que tambin el ncleo est formado por partes, como los protones, con carga positiva, y neutrones, elctricamente neutros.nota 1 Los electrones, cargados negativamente, permanecen ligados a este mediante la fuerza electromagntica.Los tomos se clasifican de acuerdo al nmero de protones y neutrones que contenga su ncleo. El nmero de protones o nmero atmico determina su elemento qumico, y el nmero de neutrones determina su istopo. Un tomo con el mismo nmero de protones que de electrones es elctricamente neutro. Si por el contrario posee un exceso de protones o de electrones, su carga neta es positiva o negativa, y se denomina ion.ESTRUCTURA ATOMICAEn el tomo distinguimos dos partes: el ncleo y la corteza.- El ncleo es la parte central del tomo y contiene partculas con carga positiva, los protones, y partculas que no poseen carga elctrica, es decir son neutras, los neutrones. La masa de un protn es aproximadamente igual a la de un neutrn.Todos los tomos de un elemento qumico tienen en el ncleo el mismo nmero de protones. Este nmero, que caracteriza a cada elemento y lo distingue de los dems, es el nmero atmico y se representa con la letra Z.- La corteza es la parte exterior del tomo. En ella se encuentran los electrones, con carga negativa. stos, ordenados en distintos niveles, giran alrededor del ncleo. La masa de un electrn es unas 2000 veces menor que la de un protn.Los tomos son elctricamente neutros, debido a que tienen igual nmero de protones que de electrones. As, el nmero atmico tambin coincide con el nmero de electrones.Modelo de tomo de He (istopo 4-He)

Estructura del tomo

IstoposLa suma del nmero de protones y el nmero de neutrones de un tomo recibe el nombre de nmero msico y se representa con la letra A. Aunque todos los tomos de un mismo elemento se caracterizan por tener el mismo nmero atmico, pueden tener distinto nmero de neutrones.Llamamos istopos a las formas atmicas de un mismo elemento que se diferencian en su nmero msico.

Para representar un istopo, hay que indicar el nmero msico (A) propio del istopo y el nmero atmico (Z), colocados como ndice y subndice, respectivamente, a la izquierda del smbolo del elemento.

TEORIA ATOMICAEn fsica y qumica, la teora atmica es una teora de la naturaleza de la materia, que afirma que est compuesta por pequeas partculas llamadas tomos.El primero en proponer una teora atmica de la materia fue Demcrito, filsofo presocrtico, quien en el siglo Va.C. afirm que todo estaba compuesto por pequeas piezas a las que llam tomos (del griego , indivisible), pero su teora fue prontamente olvidada. En el siglo XIX tal idea logr una extensa aceptacin cientfica gracias a los descubrimientos en el campo de la estequiometra. Los qumicos de la poca crean que las unidades bsicas de los elementos tambin eran las partculas fundamentales de la naturaleza (de ah el nombre de tomo, indivisible). Sin embargo, a finales de aquel siglo, y mediante diversos experimentos con el electromagnetismo y la radiactividad, los fsicos descubrieron que el denominado "tomo indivisible" era realmente un conglomerado de diversas partculas subatmicas (principalmente electrones, protones y neutrones), que pueden existir de forma aislada. De hecho, en ciertos ambientes, como en las estrellas de neutrones, la temperatura extrema y la elevada presin impide a los tomos existir como tales. El campo de la ciencia que estudia las partculas fundamentales de la materia se denomina fsica de partculas.Historia: modelos atmicos

Desde la Antigedad, el ser humano se ha cuestionado de qu estaba hecha la materia.Unos 400 aos antes de Cristo, el filsofo griego Demcrito consider que la materia estaba constituida por pequesimas partculas que no podan ser divididas en otras ms pequeas. Por ello, llam a estas partculas tomos, que en griego quiere decir "indivisible". Demcrito atribuy a los tomos las cualidades de ser eternos, inmutables e indivisibles.Sin embargo las ideas de Demcrito sobre la materia no fueron aceptadas por los filsofos de su poca y hubieron de transcurrir cerca de 2200 aos para que la idea de los tomos fuera tomada de nuevo en consideracin.

AoCientficoDescubrimientos experimentales Modelo atmico

1808John DaltonDurante el s.XVIII y principios del XIX algunos cientficos haban investigado distintos aspectos de las reacciones qumicas, obteniendo las llamadas leyes clsicas de la Qumica.

La imagen del tomo expuesta por Dalton en su teora atmica, para explicar estas leyes, es la de minsculas partculas esfricas, indivisibles e inmutables,

iguales entre s en cada elemento qumico.

1897J.J. ThomsonDemostr que dentro de los tomos hay unas partculas diminutas, con carga elctrica negativa, a las que se llam electrones.

De este descubrimiento dedujo que el tomo deba de ser una esfera de materia cargada positivamente, en cuyo interior estaban incrustados los electrones.

(Modelo atmico de Thomson.)

1911E. RutherfordDemostr que los tomos no eran macizos, como se crea, sino que estn vacos en su mayor parte y en su centro hay un diminuto ncleo.

Dedujo que el tomo deba estar formado por una corteza con los electrones girando alrededor de un ncleo central cargado positivamente.

(Modelo atmico de Rutherford.)

1913Niels BohrEspectros atmicos discontinuos originados por la radiacin emitida por los tomos excitados de los elementos en estado gaseoso.

Propuso un nuevo modelo atmico, segn el cual los electrones giran alrededor del ncleo en unos niveles bien definidos.

(Modelo atmico de Bohr.)

Actividad. Relaciona las siguientes conclusiones experimentales con el modelo atmico a que dieron lugar:

Principio del formulario1. El tomo no es indivisible ya que al aplicar un fuerte voltaje a los tomos de un elemento en estado gaseoso, stos emiten partculas con carga negativa: Final del formulario

Al reaccionar 2 elementos qumicos para formar un compuesto lo hacen siempre en la misma proporcin de masas: Los tomos de los elementos en estado gaseoso producen, al ser excitados, espectros discontinuos caractersticos que deben reflejar su estructura electrnica: Al bombardear los tomos de una lmina delgada con partculas cargadas positivamente, algunas rebotan en un pequeo ncleo situado en el centro del tomoConfiguracin electrnicaEn fsica y qumica, la configuracin electrnica indica la manera en la cual los electrones se estructuran o se modifican en un tomo de acuerdo con el modelo de capas electrnicas, en el cul las funciones de ondas del sistema se expresa como un producto de orbitales antisimetrizadas.1 2 La configuracin electrnica es importante porque determina las propiedades de combinacin qumica de los tomos y por tanto su posicin en la tabla peridica.IntroduccinLa disposicin de los electrones en los tomos est sujeta a las reglas de la mecnica cuntica. En particular la configuracin electrnica viene dada por una combinacin de estados cunticos que son solucin de la ecuacin de Schrdinger para dicho tomo.Una de las restricciones de la mecnica cuntica no explcitamente contenida en la ecuacin de Schrdinger es que cualquier conjunto de electrones en un mismo estado cuntico deben cumplir el principio de exclusin de Pauli por ser fermiones (partculas de espn semientero). Dicho principio implica que la funcin de onda total que describe dicho 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 estados estacionarios de un tomo, 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 relativista hay que recurrir a la ecuacin de Dirac. Las funciones propias obtenidas como solucin de cualquiera de estas dos estaciones se denominan orbitales atmicos, por analoga con la imagen clsica de electrones orbitando alrededor del ncleo. Estos orbitales, en su expresin ms bsica, se pueden enumerar mediante cuatro nmeros cunticos: n, l, m y ms. Obviamente, 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 (porque entonces ocuparan el mismo orbital y eso est excluido por el principio).De acuerdo con la mecnica cuntica, los electrones pueden pasar de un orbital atmico a otro ya sea emitiendo o absorbiendo un cuanto de energa, en forma de fotn. Esta transicin de un orbital a otro con diferentes energas explican diversos fenmenos de emisin y absorcin de radiacin electromagntica por parte de los tomos.NotacinArtculo principal: Orbital atmicoSe utiliza en 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 1s22s1 (pronuncindose "uno-ese-dos, dos-ese-uno"). Para el fsforo (nmero atmico 15), tenemos: 1s22s22p63s23p3.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 (1s22s22p6) nicamente por la presencia de la tercera capa. As, la configuracin electrnica del fsforo se puede escribir respecto de la del nen como: [Ne]3s23p3. 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]4s23d6. 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]3d64s2 (agrupando el orbital 3d con los 3s y 3p que estn implcitos 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.Origen histricoNiels 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 1s22s22p63s23p4.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]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:spdf

n = 11s

n = 22s2p

n = 33s3p3d

n = 44s4p4d4f

n = 55s5p5d5f

n = 66s6p6d

n = 77s7p

Para encontrar la distribucin electrnica se escriben las notaciones en forma diagonal desde arriba hacia abajo y de derecha a izquierda (seguir colores):1s2s2p 3s3p 4s3d 4p 5s4d 5p 6s4f 5d 6p 7s5f 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:7slo 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 o 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:spdf

n = 12

n = 226

n = 32610

n = 4261014

n = 5261014

n = 62610

n = 726

Para encontrar la configuracin electrnica se usa el mismo procedimiento anterior incluyendo esta vez el nmero mximo de electrones para cada orbital.1s22s22p6 3s23p6 4s23d10 4p6 5s24d10 5p6 6s24f14 5d10 6p6 7s25f14 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 7p6Para 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.Estructura electrnica y tabla peridicaBloques 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.Regla de exclusin de PauliEsta regla nos dice que en un estado cuntico solo 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 caber dos electrones excepto cuando el nmero de electrones se ha acabado, por lo cual el orden que debe 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.

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