TEORIA ATOMICA DE MATERIADesde 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 consideracinAoCientficoDescubrimientos experimentales Modelo atmico

1808John DaltonPuede decirse que la qumica nace como ciencia a finales del siglo XVIII y principios del XIX, con la formulacin por Lavoisier, Proust y el propio Dalton, tras la experimentacin cuantitativa de numerosos procesos qumicos, de las llamadas leyes clsicas de la qumica:1. En el siglo XVIII, Antoine Lavoisier, considerado el padre de la qumica moderna, estableci la ley de la conservacin de la masa. En ella se dice que no se produce un cambio apreciable de la masa en las reacciones qumicas.

2. La ley de la composicin definida o constante. Establecida en 1801 por el qumico francs Joseph Proust, nos dice que un compuesto contiene siempre los mismos elementos en la misma proporcin de masas. O expresada de otra manera, cuando dos elementos se combinan para dar un determinado compuesto lo hacen siempre en la misma relacin de masas.3. La ley de las proporciones mltiples. Formulada por el propio Dalton, se aplica a dos elementos que forman ms de un compuesto:Establece que las masas del primer elemento que se combinan con una masa fija del segundo elemento, estn en una relacin de nmeros enteros sencillos.En 1808, Dalton public sus ideas sobre el modelo atmico de la materia las cuales han servido de base a la qumica moderna. Los principios fundamentales de esta teora son:1. La materia est formada por minsculas partculas indivisibles llamadas tomos.2. Hay distintas clases de tomos que se distinguen por su masa y sus propiedades. Todos los tomos de un elemento poseen las mismas propiedades qumicas. Los tomos de elementos distintos tienen propiedades diferentes. 3. Los compuestos se forman al combinarse los tomos de dos o ms elementos en proporciones fijas y sencillas. De modo que en un compuesto los de tomos de cada tipo estn en una relacin de nmeros enteros o fracciones sencillas. 4. En las reacciones qumicas, los tomos se intercambian de una a otra sustancia, pero ningn tomo de un elemento desaparece ni se transforma en un tomo de otro elemento.

1897J.J. Thomson Cuando en un tubo de vidrio que contiene un gas se hace parcialmente el vaco y se aplica un voltaje de varios miles de voltios, fluye una corriente elctrica a travs de l. Asociado a este flujo elctrico, el gas encerrado en el tubo emite unos rayos de luz de colores, denominados rayos catdicos, que son desviados por la accin de los campos elctricos y magnticos.Mediante un estudio cuidadoso de esta desviacin, J. J. Thomson demostr en 1897 que los rayos estaban formados por una corriente de partculas cargadas negativamente, que llam electrones.

(Modelo atmico de Thomson.)La identificacin por J.J. Thomson de unas partculas subatmicas cargadas negativamente, los electrones, a travs del estudio de los rayos catdicos, y su posterior caracterizacin, le llevaron a proponer un modelo de tomo que explicara dichos resultados experimentales. Se trata del modelo conocido informalmente como el pudn de ciruelas, segn el cual los electrones eran como 'ciruelas' negativas incrustadas en un 'pudn' de materia positiva.

Ao

1911Cientfico

E. RutherfordDescubrimientos experimentales

Demostr 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.Rutherford y sus colaboradores bombardearon una fina lmina de oro con partculas alfa (ncleos de helio) procedentes de un elemento radiactivo. Observaban, mediante una pantalla fluorescente, en qu medida eran dispersadas las partculas. La mayora de ellas atravesaba la lmina metlica sin cambiar de direccin; sin embargo, unas pocas eran reflejadas hacia atrs con ngulos pequeos. ste era un resultado completamente inesperado, incompatible con el modelo del tomo macizo existente.Mediante un anlisis matemtico de las fuerzas involucradas, Rutherford demostr que la dispersin era causada por un pequeo ncleo cargado positivamente, situado en el centro del tomo de oro. De esta forma dedujo que la mayor parte del tomo es espacio vaco, lo que explicaba por qu la mayora de las partculas que bombardeaban la lmina de oro, pasaran a travs de ella sin desviarse.

Modelo atmico

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.) Rutherford, basndose en los resultados obtenidos en sus experimentos de bombardeo de lminas delgadas de metales, estableci el llamado modelo atmico de Rutherford o modelo atmico nuclear.El tomo est formado por dos partes: ncleo y corteza.El ncleo es la parte central, de tamao muy pequeo, donde se encuentra toda la carga positiva y, prcticamente, toda la masa del tomo. Esta carga positiva del ncleo, en la experiencia de la lmina de oro, es la responsable de la desviacin de las partculas alfa (tambin con carga positiva).La corteza es casi un espacio vaco, inmenso en relacin con las dimensiones del ncleo. Eso explica que la mayor parte de las partculas alfa atraviesan la lmina de oro sin desviarse. Aqu se encuentran los electrones con masa muy pequea y carga negativa. Como en un diminuto sistema solar, los electrones giran alrededor del ncleo, igual que los planetas alrededor del Sol. Los electrones estn ligados al ncleo por la atraccin elctrica entre cargas de signo contrario.Sin embargo el modelo de Rutherford, entr en fuerte contradiccin con la teora electromagntica, firmemente establecida. Segn esta teora toda carga acelerada (y el electrn lo est, ya que al girar alrededor del ncleo tiene una aceleracin centrpeta), debe emitir energa en forma de radiacin electromagntica. En consecuencia, el electrn ira perdiendo energa, con lo que su rbita se acercara cada vez ms hacia el ncleo, precipitndose finalmente sobre l, por lo tanto, este tomo sera inestable.

Hoy se sabe que el ncleo de cualquier tomo est constituido por protones y neutrones. A partir de ellos, se define: Z: nmero atmico = n protones del ncleo = n electrones si el tomo est neutro. A: nmero msico = n protones + n neutrones = partculas que hay en el ncleo. Si dos tomos poseen el mismo nmero atmico Z, pertenecen al mismo elemento. Es decir, que un elemento queda perfectamente definido dando su nmero atmico; sin embargo, para dar ms informacin, tambin se suele dar el nmero msico, representndose de la siguiente manera:

por ejemplo: 13C 6 protones, 6 electrones y 7 neutrones 614C 6 protones, 6 electrones y 8 neutrones 6 14N 7 protones, 7 electrones y 7 neutrones 7El nmero de neutrones de un elemento qumico se puede calcular como A-Z, es decir, como la diferencia entre el nmero msico y el nmero atmico. Istopos: son tomos de un mismo elemento, (por tanto, de igual nmero atmico Z) con distinto nmero msico A es decir, poseen diferente nmero de neutrones en su ncleo. El carbono tiene dos istopos: uno con A=12, con 6 neutrones y otro con nmero msico 13 (7 neutrones), que se representan como: La mayora de los elementos tiene dos ms istopos. En un elemento natural, la abundancia relativa de sus istopos en la naturaleza recibe el nombre de abundancia isotpica natural. La denominada masa atmica de un elemento es una media de las masas de sus istopos naturales ponderada de acuerdo a su abundancia relativa.A = masa atmica del elemento naturalAi = masa atmica de cada istopoxi = porcentaje de cada istopo en la mezcla

Veamos unos ejercicios de aplicacin: La plata natural est constituida por una mezcla de dos istopos de nmeros msicos 107 y 109. Sabiendo que abundancia isotpica es la siguiente: 107Ag =56% y 109Ag =44%. Deducir el peso atmico de la plata natural.

Determinar la masa atmica del galio, sabiendo que existen dos istopos 69Ga y 71Ga, cuya abundancia relativa es, respectivamente, 60,2% y 39,8%. Indica la composicin de los ncleos de ambos istopos sabiendo que el nmero atmico del galio es 31.Masa atmica = 69 0,602 + 71 0,398 = 69,7 u Ncleo del 6931Ga: 31 protones y 38 neutrones (69 - 31)Ncleo del 7131Ga: 31 protones y 40 neutrones (71 - 31)

ISBAROS: Son tomos de elementos qumicos diferentes, que tienen igual nmero de masa, pero diferente nmero de protones y de neutrones (Z, = A, n). Los tomos que son isbaros tienen diferentes propiedades qumicas y fsicas. Ejemplo: 40 Ar 40 K 40 Ca 18 19 20ISOTONOS: Son tomos de elementos qumicos diferentes que tiene igual nmero de neutrones, pero diferente nmero de protones y diferente nmero de masa. (Z, A, =n). Los istonos tienen propiedades qumicas y fsicas diferentes. Ejemplo: 11 B 12 C 13 N 5 6 7

ESPECTRO ELECTROMAGNETICOLa radiacin electromagntica es una forma de transmisin de energa en la que los campos elctricos y magnticos se propagan por ondas a travs del espacio vaco o a travs de un medio. Se produce por aceleracin de una partcula cargada elctricamente. Una onda es una perturbacin que se propaga a travs de un medio. Trminos que caracterizan una onda:

* Amplitud: Mxima perturbacin de la onda, es decir, distancia mxima de la onda con respecto a la lnea central de no perturbacin.

* Longitud de onda (): Es la distancia entre dos mximos, o mnimos, consecutivos de la onda. Unidades: longitud (m, cm, m(micrmetro=1x10-6 m), nm(nanmetro=1x10-9 m, (angstrom=1x10-10m),Pm(picometro=1x10-12 m)

* Frecuencia (): Es el nmero de mximos, o mnimos, que pasan por un punto determinado en la unidad de tiempo. Unidades: tiempo-1 (s-1=Hz (hercio)). Una caracterstica de la radiacin electromagntica es su velocidad constante de 2,997925108 ms-1 en el vaco (velocidad de la luz, c). = c

Las diferentes radiaciones electromagnticas se diferencian por las anteriores magnitudes; en el caso de la longitud de onda su valor va desde cientos de metros a 10 -12 m. Segn las longitudes de onda, las radiaciones tienen unas propiedades u otras, por eso se agrupan en zonas (visible, U.V. etc. ) y el conjunto de todas ellas recibe el nombre de espectro electromagntico.

TEORIA CUANTICA DE RADIACION EL EFECTO FOTOELCTRICO Este efecto fue descubierto por Hertz en 1887 y consiste en que: Cuando un haz de luz incide sobre una placa metlica pulida en el vaco, esta placa puede emitir electrones. Segn la teora clsica de la luz era posible que la energa de la onda electromagntica se pudiera utilizar para extraer un electrn del metal, pero no era capaz de explicar los detalles del fenmeno: La emisin de electrones por la placa metlica (fotoelectrones) se produce nicamente cuando la frecuencia de la luz incidente es mayor que un cierto valor crtico 0 (frecuencia umbral). Los fotoelectrones emitidos tienen una energa cintica que aumenta a medida que aumenta el valor de la frecuencia de la luz incidente. Al aumentar la intensidad de la luz incidente aumenta el nmero de fotoelectrones emitidos por unidad de tiempo (intensidad de corriente fotoelctrica) pero no afecta a la energa cintica de los fotoelectrones.

MODELO DE BOHR.

La discontinuidad de los espectros atmicos no se puede justificar por el modelo de Rutherford, ya que, segn ste, los electrones en su movimiento emitiran energa continuamente y podra ser de cualquier longitud de onda, dando lugar en consecuencia a un espectro continuo. En 1913, Bohr emiti un nuevo modelo para tratar de explicarlos, tomando como referencia el modelo de Rutherford y basndose en la hiptesis cuntica de Planck (ampliada por Einstein) segn la cul, la energa (la radiacin) no es continua, sino que la energa est cuantizada, est formada por paquetes de energa llamados cuantos o fotones; es decir, la energa no puede tomar un valor cualquiera, sino que toda cantidad de energa emitida o absorbida es un nmero entero de cuantos.Postulados del modelo de Bohr: 1) El tomo consta de un ncleo (protones y neutrones) en el que est localizada la carga positiva y casi toda su masa, mientras que los electrones describen rbitas circulares alrededor del ncleo. 2) El electrn no puede girar alrededor del ncleo en cualquier rbita, slo puede hacerlo en aquellas rbitas en las que el momento angular del electrn es un mltiplo entero de h /2. donde n = nmero cuntico principal ( 1, 2, 3, 4, etc.) - Cada rbita permitida tiene su n (la ms cercana al ncleo n = 1, la segunda n = 2 y as sucesivamente) - El nmero mximo de electrones que caben en una rbita es 2n2 3) Cuando el electrn se mueve en una rbita es estable, ni emite ni absorbe energa; tan solo si pasa de una rbita a otra se produce la absorcin o emisin de energa en forma de un cuanto: siendo: E2 y E1 las energas de las correspondientes rbitas. h, la constante de Planck. 6,63x10-34 J.s , la frecuencia de la radiacin.

Normalmente el electrn en un tomo de hidrgeno se encuentra en la rbita ms prxima al ncleo (n=1). Esta es la energa permitida ms baja, o el estado fundamental. Cuando el electrn adquiere un cuanto de energa pasa a un nivel ms alto (n=2,3, ...) se dice entonces que el tomo se encuentra en un estado excitado. En este estado excitado el tomo no es estable y cuando el electrn regresa a un estado ms bajo de energa emite una cantidad determinada de energa, que es la diferencia de energa entre los dos niveles.

RH es una constante que depende de la masa y la carga del electrn y cuyo valor es 2.179 10-18 J.Inconvenientes Consecuencias del modelo de Bohr: - El segundo postulado lo introdujo sin ninguna base cientfica, tan slo lo hizo para justificar las lneas espectrales y, adems, mezclaba la mecnica clsica con la mecnica cuntica. - Solo puede aplicarse al hidrgeno, cuando se aplica a tomos polielectrnicos, los resultados tericos son totalmente diferentes a los experimentales.Calcular la longitud de onda de un fotn emitido por un tomo de hidrgeno, cuando su electrn desciende del nivel n=3 al nivel n=2.Datos: E3 = -0,579 10-19cal; E2 = -1,103 10-19cal; h = 1,58 10-34cal s

E=E2-E3= -1,103 10-19cal (- 0,579 10-19cal)= - 0.524524x10-19 cal E= - 0.524x10-19cal el signo negativo me indica que emite energa, por consiguiente: E= h.v = c

= 9.05 x10-7 m 0.524 10-19cal

TEORIA ATOMICA MODERNA Dualidad onda-partcula. Teora de De BroglieSegn la hiptesis de De Broglie, cada partcula en movimiento lleva asociada una onda, de manera que la dualidad onda-partcula puede enunciarse de la siguiente forma: una partcula de masa m que se mueva a una velocidad v puede, en condiciones experimentales adecuadas, presentarse y comportarse como una onda de longitud de onda, . La relacin entre estas magnitudes fue establecida por el fsico francs Louis de Broglie en 1924. La luz (radiacin) tiene comportamiento dual onda corpsculo, es decir, unas veces se comporta como onda y produce efectos ondulatorios como la reflexin, refraccin y difraccin, y otras veces se comporta como corpsculo, como partcula material, y as se puede explicar el efecto fotoelctrico y el efecto Compton. El efecto Compton consiste en el aumento de la longitud de onda de un fotn de rayos X cuando choca con un electrn libre y pierde parte de su energa. La frecuencia o la longitud de onda de la radiacin dispersada depende nicamente de la direccin de dispersin. De manera que la dualidad onda-partcula puede enunciarse de la siguiente forma: una partcula de masa m que se mueva a una velocidad v puede, en condiciones experimentales adecuadas, presentarse y comportarse como una onda, cuya longitud de onda viene dada por la expresin: = h / m . v

Calcular la longitud de onda asociada a un electrn que se mueve a una velocidad de 1 106 m s-1; y a un coche de 1300 Kg de masa que se desplaza a una velocidad de 105 Km h-1.Masa del electrn 9,18x10-31 kg h=6,63x10-34 J s (kg m2s-2)Solucin:a) caso del electrn: = h / m . v= 6,63x10-34 (kg m2s-2) s =7,22x10-10 m 9,18x10-31 kg 1 106 m s-1 b) caso del coche: = h / m . v= 6,63x10-34 (kg m2s-2) s =1,75x10-38 m 1300 kg 29.17 m s-1 v=105km*103m h = 29.17m/s h 1km *3600sPrincipio de indeterminacin de HeisenbergEs imposible medir simultneamente, y con precisin absoluta, el valor de la posicin y la cantidad de movimiento de una partcula.Ecuacin de Schrdinger (1.927): Se abandona el concepto del electrn como partcula material (con forma y tamao propias y que describe rbitas perfectamente definidas) y se considera que el movimiento del electrn puede describirse a partir de la ecuacin de una onda:

Con la teora de E. Schrdinger queda establecido que los electrones no giran en rbitas alrededor del ncleo tal como lo haba propuesto Niels Bohr, sino que en orbitales, que corresponden a regiones del espacio en torno al ncleo donde hay una alta probabilidad de encontrar a los electrones (ver figura 1). Por lo tanto, es reemplazado el concepto de orbitas por el trmino orbital atmico. Un orbital se puede pensar como la funcin de onda de un electrn ( Psi ) y el cuadrado de la funcin de onda (2) como la zona de mayor probabilidad de encontrar al electrn alrededor del ncleo atmico.Las incgnitas de la ecuacin son dos ( y E), pero no tienen una solucin nica sino varias; stas dependen de tres nmeros enteros llamados nmeros cunticos( n , l , m).

NMEROS CUNTICOS. Son valores numricos que permiten identificar al electrn y situarlo en el ncleo. Cada orbital viene definido por los valores de tres nmeros cunticos n , l , m , existiendo tantos orbitales como combinaciones se puedan formar con ellos. Cada electrn viene definido, adems de los tres nmeros cunticos del orbital correspondiente, por un cuarto nmero cuntico s o ms. n, nmero cuntico principal: Indica el nivel energtico donde se pude encontrar un electrn., el tamao del orbital. Puede tomar los valores enteros. n = 1 , 2 , 3 , ..... . l, nmero cuntico secundario, orbital o azimutal: indica la forma, el tipo de orbital. Puede tomar los valores enteros desde 0 hasta ( n - 1 ). l = 0 , 1 , 2 , .....( n - 1 ) m, nmero cuntico magntico: indica la orientacin espacial del orbital. Puede tomar los valores enteros comprendidos entre - 1 y + l, incluido el cero. m = - l , .... ,0,..... ,+ l s o ms nmero cuntico de spn o spn: representa las posibles orientaciones, sentido de giro, del electrn respecto a un eje tomado como referencia. Tan slo puede tomar valores + 1/2 y - 1/2. Tipos de orbitales: Los orbitales se representan con un nmero que se corresponde con el valor de n y una o dos letras que indican los valores de l y m. Si l = 0: Orbital s. Tiene forma esfrica y aparece en todos los niveles.

Si l = 1: Orbital p. Tiene forma de doble huso con el centro en el ncleo del tomo. Aparecen a partir del segundo nivel y en grupos de tres, al tener 3 posibles orientaciones en el espacio (por los valores que puede tomar m) que coinciden con los ejes coordenados X , Y, Z, y por eso se llaman px , py , pz.

Si l = 2: Orbital d. Pueden tener varias formas y aparecen a partir del tercer nivel en grupos de cinco (por los valores de m ).

Si l = 3: Orbital f. Pueden tener varias formas complejas. Aparecen a partir del 4 nivel y en grupos de 7. Ejercicio 5: Indica los nmeros cunticos y el nmero de electrones de los cuatro primeros niveles energticos.

Un orbital queda definido por la tripleta de nmeros cunticos (n, l, m)Un electrn queda definido por los cuatros nmeros cunticos (n ,l m, s)

PRINCIPIOS DE DISTRIBUCIN ELECTRNICA. CONFIGURACINELECTRNICA. La configuracin electrnica de un tomo es el modo en que estn distribuidos los electrones alrededor del ncleo de ese tomo. Es decir, cmo se reparten esos electrones entre los distintos niveles y orbitales. Se rige por los tres principios siguientes: 1. Principio de mnima energa o de Aufbau: Los electrones ocupan en primer lugar los orbitales de menor energa que estn disponibles. Diagrama de Moeller o Regla de lluvia:

K s=2 , p=6 , d=10 , f=14L Cuando se cumple este principio de mnima energa, se dice que el tomo M est en su estado fundamental o normal, pero si se da energa al N tomo, algunos electrones pueden pasar a orbitales de mayor energa yO se dice que el tomo se encuentra en un estado excitado. P Q 2. Principio de exclusin de Pauli: En un tomo no puede haber dos electrones con los cuatro nmeros cunticos iguales. De este principio se deduce: - En un orbital slo caben dos electrones y deben tener spines opuestos o antiparalelos, ya que tienen iguales los nmeros n , l y m, pero se diferencian en el spn, que solo puede valer + 1/2 o -1/2 . - En un nivel energtico caben 2n2 electrones. Los orbitales se representan abreviadamente con un crculo o un cuadrado y los electrones con flechas en las que el sentido indica el spn: Ejemplos: 3s 3p 3d 3.Principio de mxima multiplicidad de Hund: Si en un subnivel hay disponibles varios orbitales (tienen la misma energa, ej: los tres orbitales p, los cinco d, etc.), los electrones tienden a ocupar el mayor nmero de ellos y, adems, se colocan con spines iguales, paralelos, es decir, los electrones estn desapareados. Ejemplo: el tomo de N tiene 7 electrones y se distribuyen as:

1s 2s 2p Cmo se escribe la configuracin electrnica? En una configuracin electrnica, un electrn puede ser representado simblicamente por: n = nmero cuntico principal, nivel = nombre del orbitalx= nmero de electrones en el orbital

EJEMPLO : 2s1 n = 2 = 0 x = 1

Por ejemplo, la configuracin electrnica del Azufre sera:S (Z=16): 1s2 , 2s2 , 2p6 , 3s2 , 3p4

la del ion sodio Na+ (al tener carga +1, tendr un electrn menos):Na+ (Z=11): 1s2 , 2s2 , 2p6

la del hierro:

Fe (Z=26): 1s2 , 2s2 , 2p6 , 3s2 , 3p6, 4s2 , 3d6

y la del bromo:

Br (Z=35): 1s2 , 2s2 , 2p6 , 3s2 , 3p6, 4s2 , 3d10, 4p5

Realizar configuracin electrnica del tomo de cobre: Z=29

m= 0 0 -1 0 1 0 -1 0 1 0 -2 -1 0 1 2

Vamos a asignar ahora sus nmeros cunticos a los electrones coloreados Electrn verde: est en el nivel 1 (n = 1), es un orbital s (l = 0), con una nica orientacin magntica (m = 0) y spin hacia abajo (s = -1/2).Electrn rojo: est en el nivel 2 (n = 2), es un orbital p (l = 1), con la segunda orientacin magntica posible (m = 0) y spin hacia arriba (s = +1/2).Electrn morado claro: est en el nivel 3(n = 3), es un orbital p (l = 1), con la segunda orientacin magntica posible (m = 0) y spin hacia arriba (s = +1/2).Electrn morado oscuro: exactamente igual al anterior en todo, salvo en el spin (s = -1/2). Volvemos a recordar que en un tomo nunca puede haber dos electrones con los cuatro nmeros cunticos iguales.Electrn azul: est en el nivel 3 (n = 3), es un orbital d (l = 2), con la quinta orientacin magntica posible (m = 2) y spin hacia arriba (s = +1/2).