Apuntes de Química 1° Medio

2014(v 4.0) Roberto Celorrio del Pino

Saludos, estudiante de primero medio.

En tus manos tienes el fruto de un duro trabajo, que abarca la recopilacin de diverso material procedente de diversas fuentes, que ha sido organizado, estructurado, maquetado y unido a nuevo material (modelado, escrito y resumido por m).

Todo esto espero que te permita entender mejor los conceptos de la Qumica de Primero Medio y que puedas superar

con excelente promedio la asignatura.

Espero que te termine gustando la Qumica tanto como a m. Suerte y a estudiar.

P. Roberto Celorrio del Pino.

Qumica 1 Medio, Colegio Pinares ndice de contenidos | 3

ndice de contenidos

Unidad 1: Teoras atmicas. ................................................................................................................................. pg. 4 Unidad 2: La tabla peridica. ............................................................................................................................... . pg. 33 Unidad 3: Enlace Qumico. ................................................................................................................................. pg. 52 Unidad 4: Formulacin y nomenclatura inorgnica. .......................................................................................... pg. 78 Unidad 5: Reacciones Qumicas y Leyes Ponderales. .......................................................................................... pg. 89 Unidad 6: Estequiometra.......................................................................................................................................... pg. 108 Bibliografa.................................................................................................................. .............................................. pg. 127

Unidad 1

TEORAS ATMICAS

Qumica 1 Medio, Colegio Pinares Unidad 1: Teoras Atmicas | 5

1. El tomo segn Leucipo, Demcrito y Epicuro. La primera referencia al tomo como lmite indivisible

de la materia la encontramos en la antigua Grecia con Leucipo. Pero el que realmente desarroll esta idea fue su discpulo Demcrito, quien bas gran parte de su obra en la conviccin de que cualquier sustancia poda dividirse hasta un lmite, siendo imposible dividir ms all. De ah el origen de la palabra tomo ( sin divisin).

Demcrito naci en el siglo V (AC) en Abdera, y desde

que era bien joven muchos le tomaron como un loco por sus ideas poco comunes. Estaba obsesionado con la idea de que dividiendo sucesivamente una gota de agua en partes ms pequeas, se obtendran gotas cada vez ms pequeas. Pero qu pasara si llegase un punto en el que fuera imposible continuar con la divisin?

Tomando el pensamiento de su maestro Leucipo, Demcrito supuso

la existencia del tomo como parte indivisible de la materia, y adems sentenci que existan distintos tipos de tomos, que al combinarse de distintas formas y ordenaciones formaban las distintas sustancias existen-tes. Tambin supuso que cuando la madera arda o el hierro se oxidaba, las partculas que formaban tanto la madera como el hierro se reordena-ban para convertirse en cenizas y herrumbre respectivamente.

La mayor parte de los filsofos coetneos a Demcrito ridiculizaron su pensamiento calificndolo de absurdo. No era posible que una partcula que ocupase un espacio no se pudiera escindir, y en caso de que no se pudiera dividir, significara que no ocupara ningn espacio y por lo tan-to no sera nada Y cmo era posible de que la materia estuviera com-puesta por nada?

Este hecho provoc que todos los escritos y estudios de Demcrito

fueran tomados como parte de su locura, por lo que de las ms de 70 obras que lleg a confeccionar en vida no se conserva ninguna.

Aun as, hubo algunos filsofos en los que s que cal su filosofa, por lo que Epicuro, cien aos despus de la

muerte de Demcrito, fund en Atenas la escuela atomista. Epicuro fue un maestro de gran renombre y con gran nmero de seguidores, gracias a lo cual las ideas atomistas de Demcrito se mantuvieron, aunque tampoco Epicuro fue capaz de convencer a sus coetneos de la existencia de los tomos.

La teora atmica, pese a haber sido desarrollada ms a fondo a comienzos del siglo XIX gracias a cient-ficos como Dalton y Avogadro, fue propuesta por pri-mera vez en la antigua Grecia. Cuando Dalton habl de tomos, fue porque fsicamente tomaron sentido gracias al desarrollo de la ley de las proporciones mlti-ples, basada en la ley de conservacin de la materia de Lavoisier y en la ley de las proporciones constantes de Proust. Por la contra, cuando Demcrito, Leucipo y Epicuro hablaron del tomo, fue simplemente como una necesidad filosfica fundando el atomismo como sistema filosfico.

Demcrito

Leucipo Epicuro


2. Teora Atmica de Dalton.

John Dalton naci en 1766 en el seno de una familia pobre de tejedores devotos en Cumberland (Reino Unido). Con 12 aos, en 1778, comenz a impartir enseanza elemental en Cumberland, 7 aos ms tarde se hizo director de la misma y a partir de 1780 lo hizo en Kendal durante 12 aos ms.

En 1792, a la edad de 26 aos se traslad a Mnchester, donde imparti matemtica y filosofa natural en el New Co-

llege. En 1793 inici estudios sobre meteorologa, recopilando a lo largo de su vida ms de 200.000 anotaciones y ese mismo

ao public Observaciones y Ensayos de Meteorologa. En sus estudios sobre la meteorologa desarroll varios instrumentos de medicin y propuso por primera vez que el origen de la lluvia se encuentra en el descenso de la temperatura. En este mbito estudi tambin las auroras boreales, y determin que stas estn relacionadas con el magnetismo de la Tierra.

Estudi la enfermedad que padeca, conocida como acromatopsia y posteriormente llamada daltonismo en su honor, y

public hechos extraordinarios relativos a la Visin de Colores (1794). A partir de 1800 pas a la enseanza privada y ocup el cargo de secretario de la Sociedad Filosfica y Literaria de

Manchester, que presidi a partir de 1817. En 1801 enunci la ley de las presiones parciales y la de las proporciones mltiples. En 1808 expuso la teora atmica en la que se basa la ciencia fsica moderna. Demuestra que la materia se compone de

partculas indivisibles llamadas tomos. Tambin ide una escala de smbolos qumicos, que sern luego reemplazadas por la escala de Berzelius.

En 1826 se le concedi la Medalla de Oro de la Royal Society de Londres, as como de la Academia Francesa de las

Ciencias. Falleci en Manchester en 1844, a la edad de 78 aos. Ms de 40.000 personas acudieron al funeral para presentar sus

respetos al cientfico.

John Dalton

Los Elementos Qumicos segn Dalton


En el ao 1808, John Dalton public en su obra A New Sys-tem of Chemical Philosophy (ver extracto en imagen anterior) su Teo-ra de los tomos. El modelo de Dalton no habla acerca de cmo estn constituidos los tomos, sino de su existencia. Los cientficos pasaron casi dos siglos prediciendo su existencia mediante observa-ciones indirectas.

Hoy en da no tenemos duda alguna: la naturaleza de la materia

es discontinua: existe en forma de pequesimas partculas. Pero el primero que lleg a la conclusin inequvoca de que los tomos tenan que existir fue Dalton. He aqu los

cinco postulados de su teora:

3. Descubrimiento de la estructura atmica.

Aunque Dalton aport una lista de masas atmicas relativas de algunos elementos, no era una lista completa y al-gunos de sus valores no eran exactos. La confusin en torno a las masas atmicas relativas atrajo considerable aten-cin en las primeras dcadas del siglo XIX, pero determinar estas masas atmicas no era tarea fcil en aquella poca.

Para 1869 ya se haban establecido las masas atmicas relativas de muchos elementos con bastante exactitud y el

qumico ruso Mendeleiev public un texto de qumica con su "Tabla Peridica", que mostraba los elementos dis-puestos en orden de masa atmica creciente, de tal manera que elementos con propiedades qumicas similares apare-can agrupados en familias. La tabla peridica de Mendeleiev (como veremos en unidades posteriores) era semejante a las tablas peridicas modernas.

1) Cada elemento est formado de pequesimas partculas llamadas tomos, los cuales son indestructibles e indivisibles.

2) Los tomos de un determinado elemento son idnticos entre s, poseen la misma masa y las mismas pro-

piedades.

3) Los tomos de elementos diferentes tienen distintas masas y distintas propiedades.

4) Los compuestos qumicos se forman cuando los tomos de elementos diferentes se combinan unos con otros. Un determinado compuesto siempre tiene el mismo nmero relativo y tipos de tomos.

5) Las reacciones qumicas involucran reorganizacin de los tomos, es decir, cambios en la forma como ellos se unen entre s. En una reaccin qumica, los tomos no cambian.

La teora atmica de Dalton y su trabajo con las masas atmicas relativas prepararon el camino para numerosas in-vestigaciones experimentales del siglo XIX, pero fue el descubrimiento de la electricidad y de la radiactividad lo que aport las mejores herramientas nuevas para explorar el tomo.

Qumica 1 Medio, Colegio Pinares Unidad 1: Teoras Atmicas | 8 3.1 Uso de la electricidad en el estudio de los tomos: Electrones y modelo atmico

de Thomson.

Sir William Crookes (Guadalajara, Jalisco, Mxico, 17 de junio de 1832- 4 de

abril de 1919) fue un qumico ingls, uno de los cientficos ms importantes en Europa del Siglo XIX, tanto en el campo de la fsica como en el de la qumica. Estudi en el Cole-gio Real de Qumica de Londres. Fund la revista de divulgacin Chemical News, y fue editor del Quarterly Journal for Science. En 1863 entr a la Royal Society recibiendo la prestigiosa medalla para 1875. En 1888 recibe la Medalla Davy, fue nombrado caballero en 1897, la Medalla Copley en 1904 y en 1910 fue nombrado Sir recibiendo la Orden del Mrito. Crookes tambin fue uno de los ms importantes y destacados investigadores, y luego defensor, de lo que hoy da se conoce como Espiritismo Cientfico.

En 1879, el qumico Sir William Crookes llev a cabo estudios con un tubo de vidrio vaco en el cual se haban

insertado dos discos metlicos llamados electrodos, uno en cada extremo. Al conectar los electrodos a la fuente de voltaje mediante cables individuales, uno de los discos adquira carga positiva, y el otro, carga negativa.

Se extraa entonces la mayor parte del aire del interior del tubo mediante una bomba de vaco. Al aplicar un alto

voltaje al ctodo (electrodo negativo) y al nodo (electrodo positivo), el tubo al vaco comenzaba a emitir luz. Croo-kes observ adems que el haz que apareca dentro del tubo (llamado tubo de descarga) se desviaba al colocar un imn cerca de l. Estaba convencido de que este haz luminoso, que ahora conocemos como rayo catdico, estaba for-mado por partculas con carga.

Este diseo, en el que se coloca un imn, permite

comprobar que los rayos catdicos son negativos, ya que son atrados hacia el polo positivo del imn.

En este diseo, en el que se coloca un una veleta muy

ligera, permite comprobar que los rayos catdicos poseen masa, ya que consiguen hacer girar la veleta a su paso.


Thomson naci en 1856 en Manchester en Inglaterra, y tena ascendencia escocesa. En 1870

estudi ingeniera en la Universidad de Manchester conocido como Owens College en ese momento, y se traslad a Trinity College de Cambridge en 1876. En 1880, obtuvo su licenciatura en Mate-mtica en 1883. En 1884 se convirti en profesor de Fsica Cavendish. Uno de sus alumnos fue Ernest Rutherford, quin ms tarde sera su sucesor en el puesto. Thomson fue elegido Miembro de la Royal Society el 12 de junio de 1884, y posteriormente fue el presidente de la Royal Society de 1915 a 1920.

En 1890 se cas con Rose Elizabeth Paget, hija de Sir Edward George Paget, KCB, un mdico, y en ese entonces Regius Profesor de Medicina (Regius Professor of Physic) en Cambridge. Con ella,

fue padre de un hijo, George Paget Thomson, y una hija, Joan Paget Thomson. Su hijo se convirti en un destacado fsico, quien a su vez fue galardonado con el Premio Nobel de Fsica en 1937 por demostrar las propiedades de tipo ondulatorio de los electrones.

J.J. Thomson fue galardonado con el Premio Nobel de Fsica en 1906, "en reconocimiento de los grandes mritos de sus investigaciones tericas y experimentales en la conduccin de la electricidad generada por los gases." Fue nombrado caballe-ro en 1908 y nombrado en la Orden del Mrito en 1912. En 1914 dio el Romanes Lecture en Oxford sobre "La teora atmica". En 1918 fue nombrado Rector del Trinity College de Cambridge, donde conoci a Niels Bohr, donde permane-ci hasta su muerte. Muri el 30 de agosto de 1940 y fue enterrado en la Abada de Westminster, cerca de Sir Isaac New-ton.

Aunque Thomson no consigui medir la carga ni la masa de los electrones, s logr medir la relacin carga/ masa

de los electrones. Este valor, conocido como relacin e/m, es de -1,76108 coulomb/gramo. Conocer esta relacin y no poder calcular la masa del electrn, es algo parecido a saber que la masa de una manzana es 1.000 veces mayor que la ma-sa de una semilla de manzana, sin poder determinar la masa de manzana ni de la semilla. Thomson demostr que las propiedades de los rayos catdicos son iguales sin importar el metal de que se hubiese hecho el ctodo. El modelo del tomo de Dalton no explicaba estos resultados experimentales. Si los tomos eran indivisibles, no era posible que emitiesen partculas. Por tanto, haba que modificar o desechar el modelo de Dalton.

En 1886, el cientfico alemn Eugen Goldstein llev a cabo algunos experimentos con un tubo de Crookes modi-

ficado cuyo ctodo era un disco metlico lleno de orificios. Con este aparato, Goldstein observ no solo la corriente de electrones emitida por el ctodo, sino adems unos rayos positivos (llamados rayos en canal) en la regin situada detrs del ctodo. Ahora sabemos que estas cargas positivas se forman cuando los rayos catdicos desprenden elec-trones de los tomos gaseosos neutros. Se producen partculas positivas diferentes cuando se emplean gases distintos, pero todas las cargas positivas son mltiplos del valor que se obtiene cuando se utiliza hidrgeno gaseoso.

Al igual que los rayos catdicos, los rayos positivos son desviados por campos magnticos, pero en la direccin opuesta a

stos.


Ya para 1904 se haban reunido indicios suficientes para sugerir que, sin lugar a dudas, los tomos estaban for-mados de partculas ms pequeas. J. J. Thomson haba comprobado la existencia de los electrones, y Goldstein haba demostrado que tambin se formaban partculas positivas. Thomson propuso entonces una explicacin, que se refleja en su modelo atmico: Para l, los tomos estaban formados por un fluido de carga elctrica positiva, en cuyo interior se encontraban los electrones, de carga negativa, que podan moverse libremente, siguiendo rbitas esfricas, que se encontraban a su vez, formando distintos anillos. Se propona, por tanto, que el tomo era electr-nicamente neutro.

Este modelo fue interpretado y simplificado por otros cientficos, en lo que se conoce como El Modelo del Bu-

dn de Pasas del tomo: Este modelo (que hoy en da se atribuye errneamente a Thomson) consiste en un tomo con cargas negativas (electrones) dispersas entre un nmero igual de cargas positivas (protones). El modelo de Thomson result ser incorrecto, pero ofreca una explicacin de los hechos conocidos hasta entonces.

El modelo atmico del Budn de Pasas, ms conocido como modelo atmico de Thomson.

3.2 La carga del electrn. Experimento de Millikan.

Robert Andrews Millikan (n. Morrison, Illinois; 22 de marzo de 1868 San Ma-

rino, California; 19 de diciembre de 1953) fue un fsico estadounidense que gan el Premio Nobel de Fsica en 1923 primordialmente por su trabajo para determinar el valor de la carga del electrn y el efecto fotoelctrico. Tambin investig los rayos csmi-cos.

En 1907 inici una serie de trabajos destinados a medir la carga del electrn, estu-

diando el efecto de los campos elctrico y gravitatorio sobre una gota de agua (1909) y de aceite (1912), y deduciendo de sus observaciones el primer valor preciso de la constante elctrica elemental. Obtuvo adems la primera determinacin fotoelctrica del cuanto de luz, verificando la ecuacin fotoelctrica de Einstein (1916), y evalu la constante h de Planck.

Recibi por todo ello numerosos reconocimientos, entre los que destaca el premio Nobel de Fsica en 1923. Realiz ade-

ms estudios sobre la absorcin de los rayos X, el movimiento browniano de los gases, el espectro ultravioleta y, en los lti-mos aos de su vida, investig la naturaleza de los rayos csmicos, precisando la variacin estacional de su intensidad con la altitud.

En 1896 se integr al Departamento de Fsica de la Universidad de Chicago, donde fue nombrado profesor en 1910.

Desde 1921, hasta su jubilacin en 1945 como profesor emrito, ocup la direccin del Norman Bridge Laboratory de Fsica en el California Institute of Technology de Pasadena, de cuyo consejo ejecutivo fue asimismo presidente. Bajo su di-reccin, la institucin se convirti en uno de los centros de investigacin ms prestigiosos a escala mundial.

Estudi en un principio la radioactividad de los minerales de uranio y la descarga en los gases. Luego realiz investiga-

ciones sobre radiaciones ultravioletas.


Fue un cientfico estadounidense, Robert A. Millikan, quien estableci la carga del electrn mediante experimen-tos realizados en 1909 en la Universidad de Chicago, con gotas de aceite cargadas de electricidad. Luego de muchos experimentos, Millikan encontr que, si bien la carga elctrica de una gota de aceite no era siempre la misma, era un mltiplo de -1,610-19 coulomb. Dedujo que este valor es la carga del electrn porque una gota poda recoger uno o ms electrones. Una vez obtenida la carga del electrn, se pudo calcular su masa porque Thomson ya haba determi-nado un valor de la razn e/m. Cada electrn tiene una masa de 9,1110-28 g.

Experimento de las gotas de aceite de Millikan.

3.3 El modelo atmico de Rutherford: el ncleo atmico.

Ernest Rutherford, barn Rutherford de Nelson, OM, PC, FRS, conocido tambin como Lord Rutherford (Brightwater, Nueva Zelanda, 30 de agosto de 1871 Cambridge, Reino Unido, 19 de octubre de 1937), fue un fsico y qumico neozelands. Se le considera el padre de la fsica nuclear. Estudi las emisiones radioactivas descubiertas por H. Becquerel, y logr clasificarlas en alfa, beta y gamma. Hall que la radiactividad iba acompaada por una desintegracin de los elementos, lo que le vali ganar el Premio Nobel de Qumica en 1908. Se le debe un modelo atmico, con el que prob la existencia del ncleo atmico, en el que se rene toda la carga positiva y casi toda la masa del tomo. Consigui la primera transmuta-cin artificial con la colaboracin de su discpulo Frederick Soddy. Si durante la primera parte de su vida se consagr por completo a sus investigaciones, pas la segunda mitad dedi-cado a la docencia y dirigiendo los Laboratorios Cavendish de Cambridge, en donde se des-cubri el neutrn. Fue maestro de Niels Bohr y Robert Oppenheimer.

Ernest Rutherford investig la radiacin

del uranio, el radio y otros elementos radiac-tivos.

Cuando hizo pasar esta radiacin a travs

de un campo magntico intenso, observ que los rayos se separaban, esto es, se desviaban en direcciones distintas.

Las partculas que constituyen los rayos al-

fa () que Rutherford descubri, tienen una carga doblemente positiva, 2+.


Estas partculas se desviaban hacia la placa con carga negativa y su masa result ser cuatro veces mayor que la del tomo de hidrgeno. Se encontr que los rayos beta () eran idnticos a los rayos catdicos, que son corrientes de electrones con una carga negativa, -1. El campo magntico no desviaba los rayos gamma (), que resultaron ser muy parecidos a los rayos X aunque an ms penetrantes. Los rayos gamma no tienen masa ni carga.

Radiacin Smbolo Masa (uma) Carga

Alfa 4 +2 Beta 0 -1

Gamma 0 0

El descubrimiento de las partculas alfa por Rutherford pronto dio lugar a otro descubrimiento importante.

Cuando Rutherford coloc un material muy radiactivo en una caja forrada de plomo y con un orificio muy peque-o, algunas partculas alfa conseguan escapar a travs del orificio y formaban una corriente angosta de partculas de muy alta energa. Este aparato se poda entonces apuntar como un rifle hacia un blanco.

Ms tarde Rutherford sugiri un proyecto de investigacin para Earnest Marsden, un estudiante de postgrado de

20 aos. Rutherford le recomend investigar el efecto de las partculas alfa sobre hojas metlicas delgadas de diver-sos grosores. Pocos das despus se obtuvieron resultados al utilizar una lmina delgada de oro:

La mayor parte de las partculas alfa atravesaban la lmina metlica, pero algunas de ellas se desviaban abruptamente. Unas pocas partculas alfa incluso se regresaban en sentido con-trario. Rutherford de momento no pudo ofrecer una explicacin.

En 1911, casi dos aos despus, Rutherford dio con la respuesta: ahora saba cmo era el

tomo. Haba llegado a la conclusin de que toda la carga positiva, y prcticamente toda la masa del tomo, estn concentradas en un ncleo extremadamente pequeo. Esta era la cau-sa de la abrupta desviacin de las partculas alfa. Rutherford sugiri que el ncleo de hidr-geno, que en la poca se saba que su nmero atmico era 1, deba ser una partcula funda-mental de carga positiva, a la que se llam protn.

La teora nuclear del tomo de Rutherford representa un paso trascendental en la com-

prensin de la estructura del tomo.


Modelo atmico de Rutherford.

Como resumen del modelo atmico de Rutherford podemos decir que:

El tomo est formado por una regin central muy pequea llamada ncleo, en el que se condensan las car-

gas positivas, as como la mayor parte de la masa del tomo. El resto del tomo es un espacio vaco, que ocupa la mayor parte del volumen del tomo. El tomo es neutro, porque posee el mismo nmero de cargas positivas (en el ncleo) y negativas (en torno a l).

Entre otras preguntas sin respuesta estaba la relacin de masa y carga. En tanto que la carga 2+ del ncleo de he-

lio es dos veces mayor que la carga 1+ del ncleo de hidrgeno, la masa del ncleo de helio es de cuatro veces la ma-sa del ncleo de hidrgeno. Aunque Rutherford supona que deba existir otra partcula en el ncleo atmico, no pudo demostrarlo.

Este aparente "exceso de masa" del helio intrig los cientficos hasta 1932, cuando el fsico britnico James Chad-

wick descubri el neutrn: una partcula con casi la misma masa que el protn, pero sin carga elctrica. Ahora se poda explicar el exceso de masa del helio: el ncleo de helio contiene 2 protones y 2 neutrones. Ms an, la partcu-la alfa es idntica al ncleo de un tomo de helio, por lo que su nmero de masa es 4 y su carga es 2+. Una partcula alfa se puede representar como He2

4 .

James Chadwick estudi en la Universidad de Cambridge y en la Universidad de Manches-ter.

En 1913 Chadwick empez a trabajar en el Physikalisch Technische Reichsanstalt en Char-lottenburg (Alemania) a cargo del profesor Hans Geiger. Durante la Primera Guerra Mundial fue internado en el campo de concentracin (Zivilgefangenlager) en Ruhleben, cerca de Berln, acusado de espionaje.

En 1932, Chadwick realiz un descubrimiento fundamental en el campo de la ciencia nu-clear: descubri la partcula en el ncleo del tomo que pasara a llamarse neutrn, partcula que no tiene carga elctrica. En contraste con el ncleo de helio (partculas alfa) que est cargado positivamente y, por lo tanto, son repelidas por las fuerzas elctricas del ncleo de los tomos pe-

sados, esta nueva herramienta para la desintegracin atmica no necesita sobrepasar ninguna barrera electrnica y es capaz de penetrar y dividir el ncleo de los elementos ms pesados. De esta forma, Chadwick allan el camino hacia la fisin del uranio 235 y hacia la creacin de la bomba atmica. Como premio por su descubrimiento se le otorg la Medalla Hughes de la Royal Society en 1932 y el Premio Nobel de fsica en 1935. Tambin descubri el tritio.

Ms tarde descubri que un cientfico alemn haba identificado al neutrn al mismo tiempo. Sin embargo, Hans Fal-kenhagen tema publicar sus resultados. Cuando Chadwick supo del descubrimiento de Falkenhagen le ofreci compartir el Premio Nobel. Falkenhagen, sin embargo, lo rechaz.

James Chadwick muri el 24 de julio de 1974.


4. Electrones excitados y espectros. Ecuacin de Planck.

Si la luz de una llama, en la que se calienta una sustancia qumica determinada, se hace pasar a travs de un pris-ma, se vern lneas de colores en lugar del espectro continuo que se observa cuando se hace pasar luz blanca a travs del mismo. Cada lnea de color, corresponde a luz de energa y frecuencia definidas. El patrn especfico de lneas coloreadas y frecuencias emitidas por cada elemento, su espectro de lneas, es una propiedad caracterstica del elemen-to. El espectro de lneas permite identificar el elemento; se utiliza un instrumento llamado espectroscopio para obser-var este espectro.

Los cientficos han utilizado los espectros de lneas para establecer la constitucin qumica de las estrellas y

tambin de la atmsfera de los planetas. Hasta hace poco tiempo, todo lo que se saba acerca de los cuerpos celestes tuvo que deducirse del examen de esta luz. Durante el eclipse solar de 1868, el astrnomo francs Pierre Janssen identi-fic una lnea nueva en el espectro solar. Esta lnea se deba a la presencia del elemento Helio, que an no haba sido des-cubierto en la Tierra.

Es probable que hayas observado la llama ama-rilla que se produce cuando se roca sal comn (clo-ruro de sodio) sobre la llama de un asador. Cuando se mira esta llama amarilla a travs de un espec-troscopio, solo aparece una lnea amarilla. Si se examina la luz amarillenta de una lmpara de vapor de sodio del alumbrado pblico a travs de un espectroscopio, se observa la misma lnea, pues el sodio est presente en ambos casos. El color amarillo de la llama (incluso sin ayuda de un espectroscopio) permite identificar la presencia de sodio en una muestra. Aqu podemos ver los espectros atmicos de algunos elementos y el espectro del Sol. Los nmeros a los que aparecen las lneas, corresponden a las frecuencias.

Qumica 1 Medio, Colegio Pinares Unidad 1: Teoras Atmicas | 15 4.1 La ecuacin de Planck: comienzo de la mecnica cuntica.

Max Planck es considerado el padre de la fsica cuntica. Planck era originario de una fa-

milia con gran tradicin acadmica: su bisabuelo Gottlieb Planck (1751-1833) y su abuelo Heirich Ludwig Planck (1785-1831) fueron profesores de teologa en Gttingen, su padre Wilhem Johann Julius von Planck (1817-1900) fue profesor de derecho en Kiel y Mnich, su to Gottlieb Planck (1824-1907) fue tambin jurista en Gttingen y uno de los padres del Cdigo Civil de Alemania.

Naci el 23 de abril de 1858 en Kiel, del matrimonio de Julius Wilhem con su segunda es-posa Emma Patzig (1821-1914). Tena cuatro hermanos (Hermann, Hildegard, Adalbert y Otto) y dos medio hermanos (Hugo y Emma), hijos de su padre con su primera esposa. Pas en Kiel sus seis primeros aos y entonces su familia se mud a Mnich. All se matricul en el Ma-ximiliansgymnasium. Sus compaeros de clase eran hijos de familias conocidas de Mnich. Entre ellos se encontraban el hijo del banquero Heinrich Merck y Oskar Miller, fundador ms

adelante del Deutsches Museum. A los 16 aos obtuvo su Schulabschluss o graduacin. Como mostraba talento para la msica (tocaba el rgano el piano y el cello), la filologa clsica y las ciencias, dud a la hora de elegir su orientacin aca-dmica. Al consultar al profesor de fsica Philipp von Jolly ste respondi que en fsica lo esencial estaba ya descubierto, y que quedaban pocos huecos por rellenar, concepcin que compartan muchos otros fsicos de su tiempo. Planck, que repuso a su profesor que no tena inters en descubrir nuevos mundos sino en comprender los fundamentos de la fsica, finalmente se decidi por esta materia.

Planck se matricul para el curso 1874/75 en la Facultad de Filosofa de la Universidad de Mnich. All, bajo la tute-la del profesor Jolly, Planck condujo sus propios experimentos (por ejemplo sobre la difusin del hidrgeno a travs del pla-tino caliente) antes de encaminar sus estudios hacia la fsica terica. Adems de sus estudios, fue miembro del coro de la universidad donde en 1876/77 compuso una opereta titulada Die Liebe im Walde y en 1877 realiz con otros dos com-paeros un viaje por Italia. Visit Venecia, Florencia, Gnova, Pavia, los lagos de Como y Lugano, Lago Maggiore, Bres-cia y el Lago de Garda.

El curso 1877/78 lo realiz en Berln, en la Universidad Friedrich-Willhems, donde recibi las enseanzas de los cle-bres fsicos Hermann von Helmholtz y Gustav Kirchhoff. De Helmholtz dijo Planck que no preparaba las clases, que cons-tantemente cambiaba lo que estaba escrito en la pizarra y que pareca tan aburrido como los estudiantes. El resultado era que pocos estudiantes permanecan en su aula. Al final slo quedaron tres estudiantes, entre los que se encontraban el pro-pio Planck y el ms tarde astrnomo Rudolf Lehmann-Filhs. En cambio de Kirchhoff deca que sus clases estaban prepa-radas meticulosamente, pero que a menudo resultaban ridas y montonas, y que los estudiantes admiraban al orador, no su discurso. Pese a esta opinin desfavorable sobre Helmholtz como profesor, trab una amistad con l. En esta poca se dedic paralelamente por su cuenta al estudio de la obra de Rudolf Clausius, de quien admir su discurso comprensible y su claridad, sobre los principios de la termodinmica. Fue en este tema en el que trabaj para preparar su tesis de doctora-do, que llev por ttulo ber den zweiten Hauptsatz der mechanischen Wrmetheorie (Sobre el segundo principio de la termodinmica) y que present en 1879 En Mnich, con 21 aos. Volvi a Mnich en 1880 para ejercer como profesor en la universidad. En 1889, volvi a Berln, donde desde 1892 fue el director de la ctedra de Fsica terica.

Desde 1905 hasta 1909, Planck fue la cabeza de la Deutsche Physikalische Gesellschaft (Sociedad Alemana de Fsica). En 1913, se puso a la cabeza de la universidad de Berlin. En 1918 recibi el Premio Nobel de fsica por la creacin de la mecnica cuntica. Desde 1930 hasta 1937, Planck estuvo a la cabeza de la Kaiser-Wilhelm-Gesellschaft zur Frderung der Wissenschaften (KWG, Sociedad del emperador Guillermo para el Avance de la Ciencia).

Durante la Segunda Guerra Mundial, Planck intent convencer a Adolf Hitler de que perdonase a los cientficos ju-dos. Tras la muerte de Max Planck el 4 de octubre de 1947 en Gotinga, la KWG se renombr a Max-Planck-Gesellschaft zur Frderung der Wissenschaften (MPG, Sociedad Max Planck).

Los descubrimientos de Planck, que fueron verificados posteriormente por otros cientficos, fueron el nacimiento de un campo totalmente nuevo de la fsica, conocido como mecnica cuntica y proporcionaron los cimientos para la investiga-cin en campos como el de la energa atmica. Reconoci en 1905 la importancia de las ideas sobre la cuantificacin de la radiacin electromagntica expuestas por Albert Einstein, con quien colabor a lo largo de su carrera. En su honor se bau-tiz el crter Planck en la Luna.


En el ao 1900, el fsico alemn Max Planck, quien se hizo acreedor al premio Nobel por su trabajo, propuso una explicacin, conocida como Teora Cuntica de las frecuencias de la luz que emitan los slidos muy calientes.

La Teora Cuntica de Planck, sugiere que la luz se emite de modo discontinuo, en paquetes discretos llamados

cuantos o fotones, no como una onda continua. La frecuencia de la luz () (que es el cociente entre la velocidad de la luz, c, y la longitud de onda, ) aumenta en proporcin al incremento de la energa (E), en funcin de la constante de Planck, h = 6,6310-34 joule-segundos (J-s). Es decir:

Como todo lo que est en movimiento, los electrones tienen energa cintica, pero tambin poseen energa po-

tencial. En este sentido, los electrones son como rocas en un acantilado. Cuando las rocas caen, pierden energa po-tencial. Si los electrones caen hacia el ncleo, tambin ceden energa. Si esta energa corresponde a la frecuencia de la luz amarilla, por ejemplo, entonces este es el color que se observa.

E = hc

= h En otras palabras: cuando los electrones excitados de los tomos caen de un estado de alta energa a un estado de

baja energa, se emite energa en forma de luz, de una frecuencia o color especfico, que es lo que produce las lneas del espectro.

En 1905 Albert Einstein ampli esta teora para incluir todas las formas de luz, planteando su ya conocida ecua-

cin: E=mc2

En esta ecuacin, E es la energa en Joules, m la masa en kg y c la velocidad de la luz, 3108 m/s.

5. Modelo atmico de Bohr.

Niels Henrik David Bohr (Copenhague, Dinamarca; 7 de octubre de 1885 18 de noviem-bre de 1962) fue un fsico dans que realiz fundamentales contribuciones para la comprensin de la estructura del tomo y la mecnica cuntica.

Naci en Copenhague, hijo de Christian Bohr, un devoto luterano catedrtico de fisiologa en la Universidad de la ciudad, y Ellen Adler, proveniente de una adinerada familia juda de gran importancia en la banca danesa, y en los crculos del Parlamento. Tras doctorarse en la Uni-versidad de Copenhague en 1911, complet sus estudios en Mnchester a las rdenes de Ernest Rutherford.

En 1916, Bohr comenz a ejercer de profesor en la Universidad de Copenhague, accediendo en 1920 a la direccin del recientemente creado Instituto de Fsica Terica. En 1922 recibi el Premio Nobel de Fsica por sus trabajos sobre la estructura atmica y la radiacin. Los fsicos,

basndose en este principio, concluyeron que la luz presentaba una dualidad onda-partcula mostrando propiedades mu-tuamente excluyentes segn el caso. Bohr sostuvo con Einstein un debate respecto a la validez o no validez de las leyes de la Relatividad en el mundo subatmico de la Fsi-ca Cuntica. Para este principio, Bohr encontr adems aplicaciones filosficas que le sirvieron de justificacin. No obstante, la fsica de Bohr y Max Planck era denostada por Albert Einstein que prefera la claridad de la de formulacin clsica.

En 1943, con la 2 Guerra Mundial plenamente iniciada, Bohr escap a Suecia para evitar su arresto por parte de la polica alemana, viajando posteriormente a Londres. Una vez a salvo, apoy los intentos anglo-americanos para desarrollar armas atmicas, en la creencia errnea de que la bomba alemana era inminente, y trabaj en Los lamos, Nuevo Mxico (EE. UU.) en el Proyecto Manhattan Despus de la guerra, abogando por los usos pacficos de la energa nuclear, retorn a Copenhague, ciudad en la que residi hasta su fallecimiento en 1962.

Niels Bohr y Albert Einstein debatiendo la teora cuntica en casa de Paul Ehrenfest en Leiden (diciembre de 1925).


La teora de Rutherford no poda explicar a todos los hechos. Entre ellos, no poda explicar el que, como los elec-trones estn emitiendo continuamente energa en forma de radiacin, seguiran una trayectoria en espiral y caeran finalmente al ncleo, cosa que no ocurre en la realidad, ya que como sabemos los tomos son estables. La teora de Rutherford tampoco explicaba los espectros atmicos

Qu relacin hay entre esta informacin acerca de los electrones excitados, los espectros y la estructura electrni-

ca de los tomos? La primera respuesta satisfactoria fue aportada en 1913 por el fsico dans Niels Bohr, quien me-diante la inclusin del trabajo de Planck y Einstein formul una ecuacin que le permita calcular las frecuencias de las lneas del espectro del hidrgeno.

Bohr hizo la revolucionaria sugerencia de que los electrones de los tomos existen en niveles de energa especficos

(los electrones no pueden tener cualquier cantidad de energa, sino que deben tener ciertos valores especficos). Esto es como decir que puedes apoyarte en peldaos especficos de una escalera, pero no en el espacio que hay entre ellos.

En el caso de un electrn, su energa total (potencial y cintica) cambia pasar de un nivel de energa a otro, dentro de un tomo. La absorcin de un fotn o cuanto de energa (un paquete de energa extremadamente pequeo con una cantidad definida de energa) eleva el electrn a un nivel energa ms alto: un estado excitado. Cuando el electrn cae luego a niveles de energa ms bajos, se desprende energa en cuantos especficos. La energa libe-rada tiene frecuencias especficas y se manifiesta como un espectro de lneas, no como un espectro continuo.

De acuerdo con el modelo atmico de Bohr, los electrones se mueven en rbitas entorno

al ncleo, de manera semejante al movimiento de los planetas en rbitas alrededor del Sol. Los diferentes niveles de energa se pueden representar como rbitas distintas, cada una de ellas representada por un nmero n, que es ms grande a medida que nos alejamos del cen-tro del tomo:

En un tomo de hidrgeno (el tomo ms simple) un electrn est habitualmente en el primer nivel de energa

(el nivel ms bajo y ms prximo al ncleo). Los tomos que tienen todos sus electrones en sus estados de energa ms bajos decimos que se encuentran en estado basal. Cuando la energa, en forma de calor o luz, por ejemplo, hace que los electrones salten a niveles de energa ms altos, se dice que el tomo est en un estado excitado.

Se libera energa cuando los electrones excitados regresan a su estado basal. Si la energa liberada tiene longitudes

de onda entre 400 y 700 nm, se observa luz visible. Por ejemplo, los brillantes colores de los anuncios de nen se obser-van cuando los electrones empujados a un estado excitado por la energa elctrica, regresan a su estado basal.

Qumica 1 Medio, Colegio Pinares Unidad 1: Teoras Atmicas | 18 5.1 tomos segn Bohr y nmero mximo de electrones por nivel.

Bohr pudo deducir que cada nivel de energa de un tomo solo poda contener cierto nmero de electrones. Enunciaremos de forma muy sencilla los descubrimientos de Bohr.

El nmero mximo de electrones (poblacin) que pueden estar en un nivel de energa est dado por la

frmula 2n2, donde n es igual al nmero del nivel de energa que se est llenando.

En el primer nivel de energa, (n=1), el nmero mximo de electrones es 2 (1)2 = 2.

En el segundo nivel de energa, (n=2), el nmero mximo de electrones es 2 (2)2 = 8.

En el tercer nivel de energa, (n=3), el nmero mximo de electrones es 2 (3)2 = 18.

6. Teora atmica moderna: Modelo mecanocuntico del tomo. El modelo atmico de Bohr estableci con claridad el concepto de niveles energa definidos en el interior de los

tomos, pero este modelo no era suficientemente bueno. Ciertas preguntas permanecan sin respuesta. Por ejemplo, la ecuacin de Bohr serva para predecir los valores de frecuencia de las lneas del espectro del tomo de hidrgeno, pero no consegua predecir correctamente las lneas espectrales de tomos ms complejos.

No pas mucho tiempo sin que el modelo de Bohr fuera sustituido por modelos ms refinados. Para presentar un

modelo ms exacto del tomo, se necesitan interpretaciones matemticas ms complicadas y se sacrifica parte de la sencillez del modelo de Bohr. Afortunadamente, sin embargo, podemos utilizar los resultados de estos clculos sin necesi-dad de deducirlos en una gua de 1 medio como es sta.

6.1 La propuesta de Louis De Broglie: Dualidad onda-partcula.

Prince Louis-Victor Pierre Raymond De Broglie (n. Dieppe, Francia, 15 de agosto de 1892 Pars, Francia, 19 de marzo de 1987). Fsico francs conocido a veces en castellano como Luis De Broglie.

Perteneca a una de las familias ms distinguidas de la nobleza francesa, siendo el sptimo

duque de Broglie. El apellido original era italiano (Broglia), siendo transliterado al francs en 1654. Sus parientes destacaron en actividades tales como la poltica, la diplomacia o la carrera militar. Curs estudios de fsica terica en la Universidad de la Sorbona, as como de historia de Francia, pues pensaba utilizarlos en su carrera diplomtica. A los 18 aos, despus de ter-minar un trabajo de investigacin histrica, se decidi a estudiar fsica, doctorndose en 1924.

Fue profesor de fsica terica en la Universidad de Pars (1928), en el Instituto Henri Poincar, hasta 1962. Miembro

de la Academia de Ciencias (1933) y de la Academia francesa (1943), Secretario permanente de la Academia de Ciencias (1942) y consejero de la Comisin de Energa Atmica Francesa (1945). Fue galardonado en 1929 con el Premio Nobel de Fsica, por su descubrimiento de la naturaleza ondulatoria del electrn, conocida como hiptesis de De Broglie. Tambin recibi la Legin de Honor: en 1961 fue nombrado Caballero de la Gran Cruz de la Legin de Honor.


El francs Louis De Broglie, un estudiante de pos-grado en Fsica, escribi en 1924 una tesis doctoral, basndose en los estudios de Planck y Einstein, en la que presentaba la idea de que, si las ondas luminosas manifiestan ciertas caractersticas de partculas, enton-ces quiz partculas de materia podran mostrar carac-tersticas de ondas. En otras palabras, de Broglie afir-maba que un haz de electrones debera mostrar caracte-rsticas ondulatorias y comportarse como un haz de luz.

Ms adelante varios cientficos informaron de forma independiente que un haz de electrones se desva al atravesar

un cristal. A partir de entonces la naturaleza ondulatoria de la materia se ha comprobado en numerosas ocasiones: de Broglie tena razn. Podemos resumir todo esto como:

Toda la materia presenta caractersticas tanto ondulatorias como corpusculares comportndose de uno u otro

modo dependiendo del experimento especfico.

Louis De Broglie propuso una ecuacin que permita calcular el valor de la longitud de onda de cualquier part-

cula que se mueve, y de la que conozcamos su masa y su velocidad. Para ello, lo que hizo fue combinar las ecuacio-nes de Planck y Einstein y sustituir el valor de la velocidad de la luz, c, por cualquier velocidad, v:

- Ecuacin de Planck: E = h c

= h

- Ecuacin de Einstein: E=mc2

Reordenando, y sustituyendo c por una velocidad cualquiera, v, tenemos que:

= h

mv

Por lo tanto, si conocemos la masa de una partcula y la velocidad con la que se

mueve, podemos calcular su longitud de onda. Como el electrn es una partcula y se mueve, por lo tanto lo har como una onda,

es decir, siguiendo un movimiento ondulatorio. Para De Broglie y los cientficos pos-teriores, el electrn, dentro del tomo, presenta un comportamiento de onda estacio-naria. Esto sera parecido a las ondas que se producen al tocar las cuerdas de una gui-tarra: aunque la cuerda vibre (como una onda) los extremos de la cuerda permanecen en su lugar, sin moverse. Este es un tipo de onda estacionaria. Un ejemplo de onda no estacionaria sera el sonido, o las ondas que se producen en un ltigo.

E = E mc2 = h c

Imagen del recorrido ondulatorio de un electrn, segn De Broglie.

Qumica 1 Medio, Colegio Pinares Unidad 1: Teoras Atmicas | 20 6.2 La ecuacin de ondas de Schrdinger. Orbitales atmicos.

Erwin Rudolf Josef Alexander Schrdinger (n. 12 de agosto de 1887, en Erdberg, Viena, Imperio austrohngaro 4 de enero de 1961, id.) fue un fsico austraco, nacionalizado irlan-ds, que realiz importantes contribuciones en los campos de la mecnica cuntica y la termo-dinmica. Recibi el Premio Nobel de Fsica en 1933 por haber desarrollado la ecuacin de Schrdinger. Tras mantener una larga correspondencia con Albert Einstein propuso el experi-mento mental del gato de Schrdinger que mostraba las paradojas e interrogantes a los que se enfrentaba la fsica cuntica. Schrdinger naci en Erdberg, una localidad cercana a Viena, en 1887. Era hijo de Rudolf Schrdinger,y Georgine Emilia Brenda. En 1898 entr en el Akademisches Gymnasium, una de las instituciones de enseanza media ms prestigiosas del mbito germnico. Entre los aos 1906 y 1910, Schrdinger estudi en Viena recibiendo clases de Franz Serafin Exner y de Friedrich Hasenhrl. Tambin realiz trabajos experimentales en

colaboracin con Friedrich Kohlrausch. En 1911, Schrdinger se convirti en asistente de Exner. 1914 Habilitacin (venia legendi). 1914-1918 Participacin en la I Guerra Mundial (Gorizia, Duino, Sistiana, Prosecco, Viena). 1920 Matrimonio con Annemarie Bertel (6 de abril). 1920 Ayudante de Max Wien, Jena. 1920 Profesor asociado, Stuttgart. 1921 Profesor titular, Breslau (hoy Wrocaw, Polonia). 1922 Universidad de Zrich. 1926 Annalen der Physik: Quantisierung als Eigenwertproblem (Cuantizacin como problema de autovalores): ecua-cin de mecnica ondulatoria de Schrdinger. 1927 Sigue a Max Planck a la Universidad de Berlin-Humboldt. 1933 Fellow del Magdalen College, Universidad de Oxford. 1933 Premio Nobel de Fsica junto a Paul Adrien Maurice Dirac. 1934 Asociado en la Universidad de Princeton. 1936 Universidad de Graz, Austria. 1938 Despus de que la ocupacin de Austria por Hitler, tuvo problemas por haber abandonado Alemania en 1933 y por sus preferencias polticas; busca becas e investigaciones a travs de Italia y Suiza hasta Oxford Universidad de Ghent. En el Instituto de Estudios Avanzados en Dubln, es Director de la Escuela de Fsica Terica. Ms de 50 publicaciones en varias reas. Intentos hacia una teora de campo unificada. 1944 Qu es la vida? (Concepto de cdigo gentico, neguentropa). En Dubln hasta su jubilacin. 1955 Vuelve a Viena (plaza ad personam). En una importante conferencia durante la Conferencia de Energa Mundial se niega a hablar sobre la energa atmica debido a su escepticismo. En su lugar dio una charla sobre filosofa. 1961 Fallece en Viena, a los 73 aos, de tuberculosis. Le sobrevive su viuda Anny. Enterrado en Alpbach (Austria).

Qu es la vida? En 1944 public en ingls un pequeo volumen titulado Qu es la vida? (What is life?), resultado de unas conferencias

divulgativas. Esta obra menor ha tenido gran influencia sobre el desarrollo posterior de la Biologa. Aport dos ideas fun-damentales:

- Primero, que la vida no es ajena ni se opone a las leyes de la termodinmica, sino que los sistemas biolgicos conservan o

amplan su complejidad exportando la entropa que producen sus procesos (vase neguentropa). - Segundo, que la qumica de la herencia biolgica, en un momento en que no estaba clara su dependencia de cidos

nucleicos o protenas, debe basarse en un cristal aperidico, contrastando la periodicidad exigida a un cristal, con la necesidad de una secuencia informativa. Segn las memorias de James Watson, DNA, The Secret of Life, el libro de Schrdinger de 1944, Whats Life? le inspir a investigar los genes, lo que le llev al descubrimiento de la estructura de doble hlice del ADN.


En 1926 Erwin Schrdinger, uno de los estudiantes de posgrado de Bohr, formul unas complejas ecuaciones matemticas a partir del trabajo de De Broglie. Las ecuaciones de Schrdinger combinaban las propiedades de onda y la naturaleza de partcula de un electrn con restricciones cunticas en complejas ecuaciones probabilsticas. En estas ecuaciones, el comportamiento ondulatorio del electrn queda definido por la funcin de onda, , que establece las condiciones que debe cumplir cada electrn, para que el tomo sea un sistema estable.

h282m2x2 + 2y2 + 2z2 + V() = ()

OJO: No es necesario que nos aprendamos esta expresin! Esta ecuacin solamente se ha resuelto para tomos con un

solo electrn. Para tomos ms complejos es necesario recurrir a aproximaciones. La funcin de onda no tiene un significado fsico directo, pero su cuadrado, 2, s que lo tiene: representa la

probabilidad de encontrar al electrn alrededor del ncleo, en una regin determinada, en un estado energtico de-terminado. 2, en resumen, suministra la informacin necesaria para conocer el orbital que ocupa un electrn en el tomo.

Un orbital es una solucin de la ecuacin de ondas, que nos da una funcin de onda , cuyo cuadra-

do es una regin en la que existe una alta probabilidad de encontrar al electrn, alrededor del ncleo.

Al igual que una nube de electrones, las regiones de alta probabilidad electrnica no son las rbitas planetarias de-finidas del modelo de Bohr, sino que representan, en cambio, niveles de energa menos definidos y tambin regiones denominadas subniveles o subcapas. Cada uno de estos subniveles contiene uno o ms orbitales. Despus veremos cmo calcularlos.

Curiosidad: El gato de Schrdinger: El experimento del gato de Schrdinger o paradoja de Schrdinger es un experimento imagi-nario, concebido en 1935 por el fsico Erwin Schrdinger para exponer uno de los aspectos ms extraos, a priori, de la mecnica cuntica.

El experimento mental consiste en imaginar a un gato metido dentro de una caja que tambin contiene un curioso y peligroso dispositivo. Este dispositivo est formado por una ampolla de vidrio que contiene un veneno muy voltil y por un martillo sujeto sobre la ampolla de forma que si cae sobre ella la rompe y se escapa el veneno con lo que el gato morira. El martillo est conectado a un mecanismo detector de partculas alfa; si llega una partcula alfa el martillo cae rompiendo la ampolla con lo que el gato muere, por el contrario, si no llega no ocurre nada y el gato continua vivo.

Cuando todo el dispositivo est preparado, se realiza el experimento. l lado del detector se sita un tomo radiactivo con unas de-

terminadas caractersticas: tiene un 50% de probabilidades de emitir una partcula alfa en una hora. Evidentemente, al cabo de una hora habr ocurrido uno de los dos sucesos posibles: el tomo ha emitido una partcula alfa o no la ha emitido (la probabilidad de que ocurra una cosa o la otra es la misma). Como resultado de la interaccin, en el interior de la caja, el gato est vivo o est muerto. Pero no podemos saberlo si no la abrimos para comprobarlo. Si lo que ocurre en el interior de la caja lo intentamos describir aplicando las leyes de la mecnica cuntica, llegamos a una conclusin muy extraa. El gato vendr descrito por una funcin de onda extremada-mente compleja resultado de la superposicin de dos estados combinados al cincuenta por ciento: "gato vivo" y "gato muerto". Es decir, aplicando el formalismo cuntico, el gato estara a la vez vivo y muerto; se tratara de dos estados indistinguibles.

La nica forma de averiguar qu ha ocurrido con el gato es realizar una medida: abrir la caja y mirar dentro. En unos casos nos

encontraremos al gato vivo y, en otros, muerto. Pero, qu ha ocurrido? Al realizar la medida, el observador interacta con el sistema y lo altera, rompe la superposicin de estados y el sistema se decanta por uno de sus dos estados posibles. El sentido comn nos indica que el gato no puede estar vivo y muerto a la vez. Pero la mecnica cuntica dice que mientras nadie mire en el interior de la caja el gato se encuentra en una superposicin de los dos estados: vivo y muerto.

Esta superposicin de estados es una consecuencia de la naturaleza ondulatoria de la materia y su aplicacin a la descripcin me-

canocuntica de los sistemas fsicos, lo que permite explicar el comportamiento de las partculas elementales y de los tomos. La aplica-cin a sistemas macroscpicos como el gato o, incluso, si as se prefiere, cualquier profesor de fsica, nos llevara a la paradoja que nos propone Schrdinger.

Qumica 1 Medio, Colegio Pinares Unidad 1: Teoras Atmicas | 22 6.3 El principio de incertidumbre de Heisenberg.

Werner Heisemberg: inclinado desde joven hacia las matemticas, y en menor medida por la fsica, intenta en 1920 empezar un doctorado en matemtica pura, pero Ferdinand von Lin-demann lo rechaza como alumno porque est prximo a jubilarse. Le recomienda hacer sus estudios de doctorado con el fsico Arnold Sommerfeld como supervisor, quien lo acepta de buen grado. Tiene como compaero de estudios a Wolfgang Pauli. Durante su primer ao toma esencialmente cursos de matemtica con la idea de pasarse a tra-bajar en teora de nmeros apenas tenga la oportunidad, pero poco a poco empieza a interesarse por la fsica terica. Intenta trabajar en la Teora de la Relatividad de Einstein y Pauli le acon-seja que se dedique a la Teora Atmica en la que todava haba gran discrepancia entre teora y experimento.

Obtiene su doctorado en 1923 y en seguida viaja a Gotinga, donde trabaja como asistente de Max Born. En 1924 viaj a Copenhague y conoci a Niels Bohr. Durante sus estudios en la Universidad de Mnich, Heisenberg se decant decididamente por la fsica, sin renunciar a su inters por la matemtica pura. En aquellos momentos, no obstante, la fsica se consideraba esencialmente una ciencia experimental y la falta de habilidad de Heisenberg para los trabajos de laboratorio complicaran el proceso de su docto-rado. Arnold Sommerfeld, su director de tesis, reconoca sus extraordinarias capacidades para la fsica matemtica pero haba una cierta oposicin a su graduacin por causa de su inexperiencia en fsica experimental. Finalmente, Heisenberg se doctor en 1923, presentando un trabajo sobre turbulencia de los fluidos. En estos aos de doctorado conoci a Wolfgang Pauli, con quien colaborara estrechamente en el desarrollo de la mecnica cuntica. De Mnich, Heisenberg pas a la Universidad de Gotinga, en donde enseaba Max Born y en 1924 pas al Instituto de Fsica Terica de Copenhage dirigido por Niels Bohr. All Heisenberg conoci entre otros prominentes fsicos a Albert Einsten e inici su perodo ms fecundo y original, que dio como resultado la creacin de la mecnica de matrices. Este logro se vera reconocido con la consecucin del Premio Nobel de Fsica del ao 1932.

Este principio es uno de los ms importantes de la mecnica cuntica y es consecuencia directa de la aplicacin

del modelo mecanocuntico. El modelo planetario de los tomos de Bohr recibi un duro golpe en 1927, cuando el fsico alemn y discpulo

de Bohr, Werner Heisenberg estableci el Principio de Incertidumbre: lleg a la conclusin de que es imposible esta-blecer con precisin tanto la posicin como la energa (y por tanto la velocidad) de un electrn.

La definicin matemtica exacta de este principio es la siguiente:

p x h4

(p es el momento lineal, producto de la masa por la velocidad, y x es la distancia que determina la posicin)

Para nosotros, el enunciado del Principio de Incertidumbre ser el siguiente:

No es posible determinar con precisin y simultneamente la posicin y la velocidad de un electrn. Mientras ms exacta sea la medicin de una de estas dos variables, ms inexacta ser la de la otra. Si el electrn se comporta como partcula, debera ser posible establecer de forma precisa su ubicacin; pero si es

una onda, como lo propuso de Broglie, entonces no podemos conocer su ubicacin precisa. Con ayuda de la comple-ja teora que hoy conocemos como mecnica cuntica, es posible calcular la probabilidad de encontrar un electrn en lugares especficos dentro de un tomo o molcula.


Imaginemos que el perro es un electrn: cuanto ms precisa sea la posicin del perro, menos lo es su velocidad y viceversa.

6.4 Niveles energticos de los electrones: nmeros cunticos y orbitales.

Como sabemos, cada orbital () es una funcin matemtica, solucin de la ecuacin de ondas, y que correspon-de a una regin del interior de un tomo con alta probabilidad de encontrar un electrn. Cada orbital, como funcin matemtica que es, est descrito por una serie de parmetros: los nmeros cunticos.

Los nmeros cunticos son, por tanto, cuatro parmetros que toman determinados valores, que nos darn el tipo de

orbital en el que se encuentra el electrn. Veamos, a continuacin, los cuatro nmeros cunticos.

Qumica 1 Medio, Colegio Pinares Unidad 1: Teoras Atmicas | 24 6.4.1 Los nmeros cunticos: niveles y subniveles de energa.

Nmero cuntico principal: determina los niveles de energa

principales (es el mismo nmero que calcul Bohr). Corresponde al nivel de energa principal y es designado mediante la letra n. Toma valores de nmeros positivos 1, 2, 3..., comenzando por n = 1 para el primer nivel de energa ms prximo al ncleo. El valor n = 2 corres-pondera al segundo nivel, n = 3 correspondera al tercer nivel y as sucesivamente. Los electrones que ocupan niveles de energa de n-mero ms alto estn ms alejados del ncleo. El nmero total de electrones en cada nivel se puede calcular con la frmula de Bohr, n = 2n2. En resumen, n toma los valores de los nmeros naturales de 1 en adelante, es decir: n = 1, 2, 3, 4, Aunque, en teora, n puede llegar hasta el infinito, los tomos conocidos llegan hasta un valor de n = 7.

Nmero cuntico del momento angular (), que corresponde al subnivel de energa que indica la forma de

la nube electrnica, y tiene valores que van desde 0 hasta (n-1). Es decir, si n = 1, el valor de va desde 0 hasta (1-1) = 0, por lo que su nico valor es 0, lo que se interpreta como un orbital de tipo s; si n = 2, los valores de son 0 y 1, lo que corresponde a orbitales de tipo s y p respectivamente; por lo tanto, si vale 2, corresponde a un orbital de tipo d, y si es igual a 3, corresponde a un orbital de tipo f. Podemos resumir lo anterior en el siguien-te esquema:

n 1 0 (s) 2 0 (s) y 1 (p) 3 0 (s), 1 (p) y 2 (d) 4 0 (s), 1 (p), 2 (d) y 3 (d)

Los orbitales s son esfricos, los orbitales p son lobulares, los orbitales son multi-lobulares, al igual que los orbita-les f. Ms adelante los veremos con todo detalle.

Orbital s (=0) Orbital p (=1) Orbital d (=2)

Nmero cuntico magntico (m) nos indica el nmero de orientaciones en el espacio permitidas para la nube electrnica. Tiene valores de - a + incluyendo el 0 (de -... 0...+). Es decir si es igual a 0, m=0, por tanto una nica orientacin espacial de la nube electrnica; si es igual a 1, m =-1, 0 y +1, por lo tanto hay tres orientaciones espaciales de la nube electrnica (x, y, z). Si es igual a 2, m =-2,-1, 0, +1 y +2, por lo tanto hay cinco orientaciones espaciales de la nube electrnica. Veamos por ejemplo con los orbitales p: Como = 1, m = -1, 0, +1 esto significa que por cada orbital p, en realidad tenemos 3, cada uno situado en uno de los ejes cartesianos. Dichos orbitales son:

Orbital px Orbital py Orbital pz

Qumica 1 Medio, Colegio Pinares Unidad 1: Teoras Atmicas | 25 El nmero cuntico de spin o giro (ms), es un nmero cuntico agregado: es decir, no es solucin de la

ecuacin de Schrdinger y fue introducido posteriormente. Tiene dos valores + y -. Este nmero cuntico es una consecuencia del Principio de exclusin de Pauli y se invent para que los electrones cumplieran con este principio (aunque fue deducido posteriormente de manera natural con clculos ms avanzados).

El principio de exclusin de Pauli nos dice que en un mismo tomo no pueden existir dos electrones con sus cuatro nmeros cunticos iguales.

El ms representa el giro de los electrones sobre s mismos, al igual que la luna gira sobre si misma al girar alrededor de la tierra. El cada uno de los spines se considera un sentido de giro (+ en contra de las agujas del reloj y - a favor de las agujas del reloj). Cada uno de los electrones con spin opuesto, se suele representar por comodidad como una flecha, hacia o hacia abajo respecti-vamente:

Electrn con spin +

Electrn con spin -

Wolfgang Ernst Pauli (Viena, 25 de abril de 1900 Zrich, 15 de diciembre de 1958) fue un fsico austraco, nacionalizado suizo y luego estadounidense. Nacido de Wolfgang Joseph Pauli y de Berta Camilla Schtz, Pauli, ya desde su nombre haba sido destinado al camino de la fsica, en efecto, su padre le puso el segundo nombre en honor de Ernst Mach. Estudi en el Dblinger Gymnasium de Viena, donde se licenci en fsica en 1918. Despus de tan slo dos meses public su primer artculo sobre la Teora de la Relatividad General de Albert Einstein.

En julio de 1921 logr su doctorado en fsica, tutelado por Arnold Sommerfeld, en la Universidad LudwigMaximilians-Universitt (LMU) de Mnich. Sommerfeld, su padrino de tesis doctoral, le haba sugerido realizar un artculo sobre la relatividad para la Enciclopedia de ciencias matemticas, una obra alemana.

Dos meses despus de doctorarse Pauli concluy el artculo, de 237 pginas, recibiendo elogios de Einstein: publicado como monografa, es todava hoy una de las referencias bsicas sobre el tema. Fue nombrado profesor de la Universidad de Hamburgo en 1923. Al ao siguiente propone un cuarto nmero cuntico, necesario para poder especificar los estados energticos del electrn, que puede para ello adoptar los valores numricos de o -. La existencia de estos nmeros cun-ticos, denominados de spin, fue verificada ms tarde, y son representativos de las dos direcciones de giro posibles sobre el eje de rotacin de los fermiones. Pas un ao en la Universidad de Gotinga como asistente de Max Born, y al ao siguiente se traslad al Instituto Niehls Bohr de Fsica Terica en Copenhague. En 1928 es nombrado profesor de Fsica Terica en la Escuela Politcnica Federal de Zrich, en Suiza. Bajo su direccin, esta institucin se convirti en un importante centro de investigacin en los aos precedentes a la Segunda Guerra Mun-dial. Dicta despus algunos seminarios en la Universidad de Mchigan en 1931 y en el Instituto de Estudios Avanzados de Princeton en 1935. En 1931 Pauli propuso la existencia de una partcula elctricamente neutra y de masa nula, denomi-nada con posterioridad neutrino por Enrico Fermi. En 1934 se casa con Francisca Bertram, junto a quien permanecer ligado hasta su muerte. La anexin de Austria por Hitler en 1938 lo convierte en ciudadano alemn. En 1940, por la Segunda Guerra Mundial se traslad a Estados Unidos para hacerse cargo de la ctedra de fsica en Prin-ceton. En 1945 recibe el Premio Nobel de Fsica por su descubrimiento del Principio de exclusin, obteniendo la naciona-lidad estadounidense en 1946. Finalizado el conflicto mundial, regresa a Zrich. All muere el 15 de diciembre de 1958, a los 58 aos de edad.

Qumica 1 Medio, Colegio Pinares Unidad 1: Teoras Atmicas | 26 6.4.2 Tabla resumen de los nmeros cunticos de los primeros niveles de energa.

n

m

ms

Capacidad de electrones subnivel

(2 e- con spin opuesto en cada subnivel)

Capacidad de

electrones nivel (2n2)

1 0 (1s) 0 +, - 2 2

2 0 (2s) 1 (2p)

0 -1, 0, +1

+, - para cada valor de m

2 6

8

3

0 (3s) 1 (3p) 2 (3d)

0 -1, 0, +1

-2, -1, 0, +1, +2

+, - para cada valor de m para cada valor de m

2 6 10

18

4

0 (4s) 1 (4p) 2 (4d) 3 (4f )

0 -1, 0, +1

-2, -1, 0, +1, +2 -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3

+, - para cada valor de m para cada valor de m para cada valor de m

2 6 10 14

32

6.4.3 Orbitales atmicos (s, p y d).

Vamos a ver, con un poco ms de profundidad, los orbitales atmicos, que surgen como consecuencia de los nmeros cunticos.

a) Los electrones en los orbitales s: Los primeros dos electrones de

cada nivel de energa se encuentran en una regin donde la proba-bilidad electrnica se representa mediante un orbital s con sime-tra esfrica. Estos orbitales se designan como 1s, 2s, 3s, y as suce-sivamente. El orbital 3s, por ejemplo, es ms grande que el orbital 1s, como se muestra en la figura. As pues, todos y cada uno de los niveles de energa tienen un subnivel s con un nico orbital s de forma esfrica, y ese orbital puede contener un par de electrones con espn opuesto.

b) Los electrones en los orbitales p: A partir del segundo nivel de energa, y en todos los niveles energticos sub-siguientes, hay un subnivel s y adems un subnivel p. Cada subnivel p consiste en tres orbitales p de igual energa pero de diferente orientacin en el espacio. La representacin de nube de carga de cada orbital p tiene dos lbulos o regiones. Cada orbi-tal p puede alojar nicamente electrones con espn opuesto. Por tanto, un nivel p, con sus tres orbitales, puede alojar un mximo de seis electrones (tres pares).

c) Electrones en los orbitales d y f: A partir del tercer nivel de ener-ga, y en todos los niveles energticos subsiguientes, hay adems un subnivel d con un conjunto de cinco orbitales, capaz de contener cinco pares de electrones en total hasta un mximo de 10 electrones d en un subnivel d. Las formas de estos orbitales son ms complejas que las de los orbitales s y p. Cuatro de los cinco orbitales d tienen cuatro lbulos cada uno.

A partir del cuarto nivel de energa, y en todos los niveles energticos subsiguientes, hay adems un subnivel f con un conjunto de siete orbi-tales, capaz de contener siete pares de electrones en total hasta un m-ximo de 14 electrones f en un subnivel f. Las formas de los orbi-tales f son an ms complejas que las de los orbitales d.

Qumica 1 Medio, Colegio Pinares Unidad 1: Teoras Atmicas | 27 6.5 Configuraciones electrnicas y diagramas de orbitales.

Configuracin electrnica: Los electrones de los tomos en estado basal ocupan primero los subniveles de ener-ga ms bajos, y luego los ms altos. Hace falta una forma de representar esta disposicin de manera sencilla y exacta: a esta representacin se le conoce como configuracin electrnica. Para conocer cuntos electrones tiene disponibles cada tomo para llenar sus orbitales, debemos conocer su nmero atmico Z, que es el nmero por el que aparecen ordenados los tomos en una tabla peridica y que nos dice el nmero de electrones de cada elemento. Posterior-mente, se deben utilizar los nmeros cunticos n y de cada electrn.

Para ilustrar cmo escriben las configuraciones electrnicas, comencemos por el tomo ms simple: el hidrgeno.

Un tomo de hidrgeno tiene un solo electrn. En tanto ese electrn se encuentre en su estado de energa ms bajo (su estado basal), estar en el primer nivel de energa, que tiene un solo subnivel: el 1s. La configuracin electrnica del hidrgeno se escribe entonces como 1s1.

1s1

El superndice (1 en este caso) colocado delante de la designacin del subnivel indica el nmero de electrones

presentes en el subnivel. De modo anlogo, los dos electrones de un tomo de helio pueden estar ambos en el sub-nivel 1s; la estructura electrnica del helio es 1s2.

Ej. El litio tiene tres electrones: dos en el primer nivel de energa y un tercer electrn que debe estar en el subnivel s del

segundo nivel de energa. La configuracin electrnica del Li es 1s2 2s1. En el caso del ion litio, Li+, simplemente quita el nico electrn de valencia 2s y escribe 1s2. El berilio tiene cuatro electrones: su configuracin electrnica es 1s2 2s2. El boro tiene cinco electrones: dos en el subnivel 1s, dos en el subnivel 2s y uno en el subnivel 2p. La configuracin electrnica del boro es 1s2 2s2 2p1. Los tres electrones del segundo nivel de energa del boro (los subniveles 2s y 2p) son electrones de valen-cia. El subnivel 2p, con tres orbitales p, puede contener como mximo seis electrones (dos por orbital).

Las configuraciones electrnicas del boro, carbono, nitrgeno, oxgeno, flor y nen exigen que el subnivel 2p est ocu-

pado por 1 a 6 electrones, respectivamente. En el caso del nen, el subnivel 2p y por tanto, el segundo nivel de energa, est lleno en su totalidad. La configuracin electrnica del nen es 1s2 2s22p6.

RECORDAR: En cada orbital caben dos electrones de spines contrarios, por lo tanto:

Orbital s: Caben 2 electrones. Orbitales p: Caben 2 electrones en cada uno de ellos. Como son 3 orbitales p, en total caben 6 electrones. Orbitales d: Caben 2 electrones en cada uno de ellos. Como son 5 orbitales d, en total caben 10 electrones. Orbitales f: Caben 2 electrones en cada uno de ellos. Como son 7 orbitales f, en total caben 14 electrones.

Diagramas de orbitales: Una configuracin electrnica permite mostrar de forma simple el nmero de electro-

nes que hay en cada subnivel de un tomo, pero un diagrama de orbitales sirve para representar la distribucin exac-ta de los electrones dentro de los orbitales. Para dibujar este diagrama se emplean cuadrados (o cajas) para represen-tar orbitales: un cuadrado solo representa un orbital s, y tres cuadrados representan los tres orbitales p. Una sola flecha hacia arriba, dentro del cuadrado, representa un solo electrn; dos flechas que apuntan en sentidos opuestos representan un par de electrones con espines opuestos. Veamos un ejemplo con la configuracin electrnica del Li-tio:

Nivel de energa Nmero de electrones en el subnivel

Tipo de subnivel


Los electrones que no tienen su pareja de spin contrario en el orbital, reciben el nombre de no apareados. Cuando un orbital est lleno con dos electrones de spines opuestos, se dice que los electrones estn apareados.

Siempre que un tomo tenga electrones en orbitales p (o d), ser necesario representar el subnivel p (o d) comple-to, con sus tres (o 5) orbitales representados por tres cuadrados, incluso cuando algunos de los orbitales p (o d) no estn ocupados. Para que dos electrones ocupen un mismo orbital deben tener espines opuestos, lo cual, como ya sabemos, se representa mediante un par de flechas que apuntan en sentidos opuestos. Veamos un ejemplo de todo esto:

Regla de mxima multiplicidad de Hund: Los electrones no se aparean en un orbital (de tipo p, d, f)

hasta que todos los orbitales de ese subnivel tienen cada uno un electrn. Es decir, primero se llenan los cuadrados que representan los orbitales con 1 electrn y, cuando todos tengan un electrn, se llenan con el que les falta.

Friedrich Hund (4 de febrero, 1896 - 31 de marzo, 1997) fue un fsico alemn, conocido por su trabajo en la estructura de tomos y molculas.

Estudi matemticas, fsica y geografa en Marburgo y Gotinga (Gttingen). Investig e imparti clase (de fsica terica) en las universidades de Gotinga (1925), Harvard (1926), Rostock (1927), Copenhague (1928), Leipzig (1929), Jena (1946), Gotinga de nuevo (1957). Public ms de 250 artculos y libros cientficos, entre ellos "Grundbegriffe der Physik" (Fundamentos de fsica) (1969), "Geschichte der Quantentheorie" (Historia de la teora cuntica) (2. Ed., 1975), y "Geschichte der physikalischen Begriffe" (Historia de los conceptos fsicos) (2 Vol., 2. Ed., 1978).

6.5.1 Orden de llenado de los orbitales: Principio de aufbau. Para conocer en qu orden se llenan los orbitales con electrones debemos

seguir el principio de aufbau (que en alemn significa construccin y tambin es conocido como La Regla del Serrucho), que nos dice en qu orden se van llenando los niveles de energa, pues el orden lgico de ir llenando los orbita-les, desde niveles inferiores hasta niveles superiores, a veces se ve alterado.

Esta alteracin en el llenado es debido a que la energa de algunos orbitales

est por debajo de la de otros. Para verlo, observemos la imagen de la derecha: en ella se observa como el orbital 4s tiene menos energa que el orbital 3d, y por lo tanto, se llenar antes que este.

Basndose en todo esto, Bohr plante el principio de aufbau, que podemos

simplificar en el diagrama que vemos a continuacin.


Por lo tanto, de acuerdo a los principios de mnima energa, de exclusin y de mxima multiplicidad, el orden creciente de energa es:

1s, 2s 2p, 3s 3p, 4s 3d 4p, 5s 4d 5p, 6s 4f 5d 6p, 7s 5f 6d 7p, 8s

Recordemos que para calcular la configuracin electrnica se necesita el nmero atmico Z del tomo, que repre-

senta el nmero de electrones (y protones) que posee dicho tomo. En la siguiente tabla podemos ver algunas configuraciones electrnicas de varios tomos, indicndose tambin el

smbolo del elemento, el nmero atmico y el diagrama de orbitales correspondiente:

Qumica 1 Medio, Colegio Pinares Unidad 1: Teoras Atmicas | 30 6.5.2 Configuraciones electrnicas anmalas

Analizando la configuracin electrnica del ele-

mento cromo (Z = 24) ocurre algo especial ya que es 1s2 2s22p6 3s23p6 4s1 3d5 en vez de la esperada 1s2 2s22p6 3s23p6 4s2 3d4, es decir, el orbital s del cuarto nivel tiene 1 electrn y el orbital d del tercero tiene 5 electrones.

La razn de esta anomala se justifica por un hecho

puntual de energa. Como sabemos, los orbitales d son 5:

Existe una promocin electrnica (o salto de un elec-

trn) desde el orbital 4s al orbital 3d, ya que as se semillenan los orbitales 3d y, por lo tanto se alcanza mayor estabilidad energtica.

6.6 Configuraciones electrnicas de Iones: cationes y aniones. Si un tomo recibe la energa suficiente, se le puede arrancar uno o ms de sus electrones. Este fenmeno se cono-

ce como ionizacin. Ej. Na + energa Na+ + 1e- La energa de ionizacin se define como la energa necesaria para extraer un electrn de un tomo gaseoso en su

estado basal. Cuando un tomo pierde un electrn, la partcula con carga que queda recibe el nombre de ion. Tambin

pueden formarse iones en los casos en los que los tomos ganan electrones. Existen dos tipos de iones, en funcin de si un tomo ha perdido o ha ganado electrones:

Qumica 1 Medio, Colegio Pinares Unidad 1: Teoras Atmicas | 31 Cationes: Son iones con carga positiva, 1+, 2+ o 3+, que se forman cuando un tomo pierde 1, 2 o 3 electrones

respectivamente. Ej. Na+, Mg2+, Fe3+, Aniones: Son iones con carga negativa, 1-, 2- o 3-, que se forman cuando un tomo gana 1, 2 o 3 electrones res-

pectivamente. Ej. Cl-, O2-, B3-, etc.

La formacin de iones es indispensable en muchas reacciones qumicas. La configuracin electrnica de los iones se calcula de manera semejante a la de los tomos neutros, quitando o poniendo los electrones que se hayan perdido o ganado respectivamente.

Para entenderlo mejor, veamos los siguientes ejemplos: (el nmero al lado de cada tomo es su nmero atmico, Z,

que indica la cantidad de protones y electrones que posee el tomo neutro)

11Na 1s2 2s22p6 2s1 11Na+ 1s2 2s22p6 (catin)

17Cl 1s2 2s22p6 3s23p5 17Cl- 1s2 2s22p6 3s23p6 (anin)

Los tomos o iones con la misma configuracin electrnica se dice que son isoelectrnicos. Ej. 11Na+ 1s2 2s22p6

12Mg2+ 1s2 2s22p6 13Al3+ 1s2 2s22p6

6.7 Sustancias diamagnticas y paramagnticas. Dependiendo de su configuracin electrnica, los tomos o iones pueden ser diamagnticos o paramagnticos.

Veamos en qu consiste cada tipo de sustancia. Sustancia diamagntica: es aquella que tiene todos sus electrones externos apareados, es decir, formando parejas.

Estas sustancias son repelidas por los campos magnticos. Ej. 4Be: 1s2 2s2. No tiene electrones desapareados, por lo tanto ser una sustancia diamagntica, que no es atrada por los campos magnticos.

Sustancia paramagntica: es aquella que tiene electrones externos desapareados. Estas sustancias son atradas por los campos magnticos: algunas dbilmente y otras con ms fuerza. Ej. 3Li: 1s2 2s1. Tiene un nico electrn en su capa ms externa, que est desapareado y con spin positivo, por lo tanto ser una sustancia paramagntica, que es atrada por los campos magnticos.

Estas propiedades magnticas son de extrema importancia y utilidad. Se utilizan,

por ejemplo, en los equipos mdicos de resonancia magntica nuclear (RMN), para el diagnstico de enfermedades.


EJERCICIOS DE LA UNIDAD

1) Calcular la longitud de onda () de un electrn que se mueve a una velocidad de 5,97106 m/s. La masa del elec-trn es de 9,1110-31 kg. Recordar que el valor de la constante de Planck (h) es 6,6310-34 Js

2) Si un leopardo cuya masa es de 85 kg, se mueve a una velocidad de 70 km/h, cunto vale su longitud de onda?

Qu puedes decir de este resultado comparndolo con el del ejercicio 1? 3) Calcula la velocidad de un neutrn, cuya masa es de, 1,6705010-24 g que se est moviendo con una longitud de

onda de 500 pm. 4) Determinar el nmero mximo de electrones que puede contener el nivel de energa n = 7 de un tomo. 5) Calcula todos los nmeros cunticos que tiene el electrn del orbital 2pz que gira en el sentido de las agujas del

reloj. 6) Calcular todos los nmeros cunticos correspondientes al nivel n = 3, representndolos en una tabla. Indicar el

tipo de orbitales que representan. 7) Dibuja el diagrama de orbitales del sodio. 8) Con ayuda de una tabla peridica, que te permita conocer el nmero atmico de los siguientes elementos, calcula

sus configuraciones electrnicas:

Aluminio:

Boro:

Oxgeno:

Fsforo:

Titanio

Manganeso:

Zinc:

Ion fluoruro (1-):

Ion paladio (3+):

Ion azufre (2+):

Ion cobre (2+):

Ion hierro (2+):

Ion hierro (3+):

9) Indica si alguno de los elementos anteriores es isoelectrnico con otro. 10) Con ayuda de la tabla peridica, dibuja los diagramas de orbitales de 3 elementos o iones que sean isoelectrni-

cos entre s.

Unidad 2 LA TABLA PERIDICA DE LOS ELEMENTOS

Qumica 1 Medio, Colegio Pinares Unidad 2: La Tabla Peridica | 34

1. Estructura del tomo. Las partculas fundamentales del tomo son los protones y los neutrones, concentrados en el ncleo, y los electrones

que se encuentran en los orbitales atmicos alrededor del ncleo.

Los protones tienen casi la misma masa que los neutrones, pero se diferencian en su carga: los protones tienen carga positiva (+1), mientras que los neutrones no tienen carga alguna. Los electrones tienen una masa much-simo ms pequea que protones y neutrones, teniendo adems carga negativa, (-1). Las masas y las cargas de estas partculas son extremadamente pequeas,

por lo que es mejor expresar estas unidades como nmeros relativos: la carga de 1,60210-19 coulombs se toma como unidad, siendo la carga unitaria.

As mismo, cada protn y cada neutrn, de masas parecidas, se toman co-

mo unidad de masa o nmero de masa. De esta manera, por ejemplo, el n-cleo del tomo de Helio tiene carga +2 y como tiene dos protones y dos neu-trones, tiene como masa 4.

Definamos los siguientes conceptos importantes para que podamos

trabajar con comodidad: El tomo se expresa como:

El nmero atmico (Z) es el nmero de protones del ncleo. En un tomo neutro, el nmero de protones

(Z) es igual al nmero de electrones (ne). Si el tomo es neutro y no tiene carga, el nmero de protones es igual al de electrones y por lo tanto, Z indica tambin el nmero de electrones del tomo (ne). Si el tomo no es neutro (es un ion) y tiene carga negativa, el nmero de electrones (ne) se obtiene sumando la carga a Z. si tiene carga po-sitiva, el nmero de electrones (ne) se obtiene restando a Z la carga del tomo.

El nmero msico (A) corresponde a la suma de protones y neutrones (Z + n) presentes en el ncleo del tomo de un elemento.

Veamos todo esto de manera sencilla con algunos ejemplos. Ej. El tomo de Helio:

tiene un Z=2, tiene dos protones tiene un M=4, tiene dos protones y dos neutrones (Z = 2, n = 2) es neutro, por lo que tiene dos electrones (ne = 2)

Ej. El tomo de Flor:

tiene un Z=9, tiene nueve protones tiene un M=19, tiene nueve protones y diez neutrones (Z = 9, n = 10) es neutro, por lo que tiene nueve electrones (ne = 10)

Ej. El ion Sodio +1: +

tiene un Z=11, tiene once protones tiene un M=22, tiene once protones y once neutrones (Z = 11, n = 11) tiene una carga positiva, por lo que tiene diez electrones (Z-1 = ne = 10)

Ej. El ion Oxgeno -2:

2- tiene un Z=8, tiene ocho protones tiene un M=16, tiene ocho protones y ocho neutrones (Z = 8, n = 8) tiene dos cargas negativas, por lo que tiene diez electrones (Z+2) = ne = 10)


2. Istopos. Los istopos son tomos que tienen el mismo nmero atmico (Z) pero distinto nmero msico (A). Por ejemplo, el hidrgeno y el oxgeno tienen 3 istopos cada uno:

H1

1 H12 H1

3 Hidrgeno deuterio tritio

O816 O8

17 O818

(Sin nombre especfico)

3. La tabla peridica. Las propiedades de los tomos se repiten peridicamente si los elementos qumicos se ordenan segn su nmero

atmico creciente (Z). Antiguamente la periodicidad en la clasificacin de los elementos fue concebida como funcin de su masa atmica. Hoy se sabe ciertamente que la periodicidad (como propiedad) es funcin del nmero atmico, es decir, depende exclusivamente de la configuracin electrnica del tomo.

3.1 Historia de la clasificacin peridica de los elementos. Durante mucho tiempo, se intent clasificar de alguna manera los elementos qumicos. Entre las muchas cla-

sificaciones que otorgamos a los elementos de la naturaleza, debemos destacar la ms importante: la clasificacin pe-ridica, trabajo realizado por J. Lotear Meyer y Dimitri Mendeleiev en el ao 1869 y que, entre otras cosas, pre-dijeron la existencia de elementos an no encontrados.

En 1869, el ruso Dmitri Ivnovich Mendeleiev publica su primera Tabla Peridica en Alemania. Un ao despus

lo hace Julius Lothar Meyer, que bas su clasificacin peridica en la periodicidad de los volmenes atmicos en funcin de la masa atmica de los elementos. Por sta fecha ya eran conocidos 63 elementos qumicos. La clasifi-cacin la llevaron a cabo los dos qumicos de acuerdo con los criterios siguientes: Colocaron los elementos por orden creciente de sus masas atmicas. Situaron en el mismo grupo elementos que tenan propiedades comunes, como la valencia.

La primera clasificacin peridica de Mendeleiev no tuvo buena acogida al principio. Despus de varias modi-ficaciones public en el ao 1872 una nueva Tabla Peridica constituida por ocho columnas desdobladas en dos grupos cada una, que al cabo de los aos se llamaron familia A y B. En su nueva tabla consigna las frmulas generales de los hidruros y xidos de cada grupo y por tanto, implcitamente, las valencias de esos elementos.

Tabla atmica de Mendeleiev, 1872.

En la naturaleza el 1H y el 16O son los ms abundantes, siendo su abundancia aproximada de ms del 99%.

Algunos elementos tienen un solo istopo estable, otros dos, otros tres, etc. Depende del elemento.


Esta tabla fue completada a finales del siglo XIX con un grupo ms, el grupo cero, constituido por los gases no-bles, descubiertos durante esos aos en el aire. El qumico ruso no acept en principio tal descubrimiento, ya que esos elementos no tenan cabida en su tabla. Pero cuando, debido a su inactividad qumica (valencia cero), se les asign el grupo cero, la Tabla Peridica qued ms completa.

El gran mrito de Mendeleiev consisti en pronosticar la existencia de elementos. Dej casillas vacas para situar en ellas

los elementos cuyo descubrimiento se realizara aos despus. Incluso pronostic las propiedades de algunos de ellos: el galio (Ga), al que llam eka-aluminio por estar situado debajo del aluminio; el germanio (Ge), al que llam eka-sicilio; el escandio (Sc); y el tecnecio (Tc), que sera el primer elemento artificial obtenido en el laboratorio, por sntesis qumica, en 1937.

Dmitri Ivnovich Mendeleev (8 de febrero 1834, en Tobolsk - 2 de febrero 1907, en

San Petersburgo) fue un qumico ruso, creador de la Tabla peridica de los elementos. Sobre las bases del anlisis espectral establecido por Bunsen y Kirchoff, se ocup de pro-

blemas qumico-fsicos relacionados con el espectro de emisin de los elementos. Realiz las determinaciones de volmenes especficos y analiz las condiciones de licuefaccin de los gases, as como tambin el origen de los petrleos.

Su investigacin principal fue la que dio origen a la enunciacin de la ley peridica de los elementos, base del sistema peridico que lleva su nombre. En 1869 public su libro Principios de la qumica, en el que desarrollaba la teora de la Tabla peridica de los ele-mentos.

3.2 Tabla peridica actual: Grupos y periodos. La tabla peridica de Mendeleiev presentaba ciertas irregularidades y problemas. Como dijimos, en las dcadas

posteriores tuvo que integrar los descubrimientos de los gases nobles, las "tierras raras" y los elementos radioactivos. Otro problema adicional eran las irregularidades que existan para compaginar el criterio de ordenacin por peso atmico creciente y la agrupacin por familias con propiedades qumicas comunes.

Durante algn tiempo, esta cuestin no pudo resolverse satisfactoriamente hasta que Henry Moseley (1867-

1919) realiz un estudio sobre los espectros de rayos X (en 1913) y comprob que el orden peridico no era ca-sual, sino reflejo de alguna propiedad de la estructura atmica. Hoy sabemos que esa propiedad es el nmero atmico (Z) o nmero de cargas positivas del ncleo. La ordenacin de los elementos en el sistema peridico es funcin del nmero atmico y por lo tanto de la con-

figuracin electrnica de los elementos. La clasificacin de los elementos que en la actualidad estudiamos est presentada en forma de tabla, donde los

elementos estn dispuestos segn orden creciente de sus nmeros atmicos, ubicndose en columnas y filas res-pectivas.

Las columnas son llamadas GRUPOS, en tanto

las filas son denominadas PERIODOS. Los ele-mentos con nmero atmico superior a 92 son llamados transurnicos (Uranio, Z= 92) y son todos artificiales. La tabla peridica se divide adems en cuatro bloques principales: bloque s, bloque p, bloque d y bloque f. Esto hace referencia a la configuracin electrnica del electrn ms externo de cada uno de los elementos. Por ejem-plo, los elementos del bloque s tienen todos su ltimo electrn en un orbital s (esto lo veremos con ms detalle posteriormente). Disposicin bsica de la tabla Peridica

Qumica 1 Medio, Colegio Pinares Unidad 2: La Tabla Peridica | 38 3.2.1 Periodos (filas).

La tabla peridica presenta 7 perodos, y cada uno de ellos ubica elementos con nmero atmico creciente de iz-

quierda a derecha. El perodo para cada elemento indica la cantidad de niveles de energa que presenta, es decir, el valor del nmero

cuntico principal n de su ltimo electrn. As entonces, si un elemento presenta nmero atmico igual a 6, su configuracin electrnica sera 1s2 2s22p2, por lo tan-

to debemos ubicarlo en el perodo 2 (segunda fila), puesto que posee slo 2 niveles de energa donde ubica estos 6 electrones. Si presenta Z= 16, su configuracin es, 1s2 2s22p6 3s23p4 y por tanto, queda ubicado en el perodo 3. 3.2.2 Grupos (columnas).

La tabla peridica presenta 18 columnas, cada una de las cuales ubica elementos con comportamiento qumico

similar. Esto es debido a que los elementos del mismo grupo tienen una configuracin electrnica similar: el nmero de electrones del ltimo nivel de energa (electrones de valencia) es indicado por el nmero del grupo en el que

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Apuntes de Química 1° Medio