Tema 12. Modelos atómicos. Tema 12. Modelos atómicos. Sistema periódicoSistema periódico

Departamento de Física y QuímicaI. E. S. Pablo Gargallo

Naturaleza eléctrica de la mateNaturaleza eléctrica de la materiaria

ElectrólisisElectrólisis Sobre 1870 se sospechaba que los Sobre 1870 se sospechaba que los

átomos estaban constituidos por átomos estaban constituidos por partículas más simples y se inició su partículas más simples y se inició su búsqueda.búsqueda.

Si se aplica una diferencia de Si se aplica una diferencia de potencial a un vaso que contiene potencial a un vaso que contiene una sal fundida o disuelta, se una sal fundida o disuelta, se observa paso de corriente. Este observa paso de corriente. Este fenómeno es fenómeno es la electrólisis.la electrólisis.

Michael Faraday (Michael Faraday (1791-1867) 1791-1867) obtuvo las leyes que la rigen.obtuvo las leyes que la rigen.

Supuso que en la cubeta existen Supuso que en la cubeta existen partículas con cargas de distinto partículas con cargas de distinto signo, signo, los iones, los iones, que se mueven,, que se mueven,, conduciendo la electricidad.conduciendo la electricidad.

Dividiendo la carga que atraviesa el Dividiendo la carga que atraviesa el recipiente por el número de átomos recipiente por el número de átomos depositados, determinó la carga depositados, determinó la carga que tiene cada ión, que resultó ser que tiene cada ión, que resultó ser un múltiplo entero de una cantidad un múltiplo entero de una cantidad mínima a la que se llamó electrónmínima a la que se llamó electrón

Rayos catódicos: Rayos catódicos: descubrimiento del electrón descubrimiento del electrón

A mediados del siglo XIX se A mediados del siglo XIX se estudiaba la conductividad de los estudiaba la conductividad de los gases en tubos de descarga a baja gases en tubos de descarga a baja presión.presión.

Al establecer entre los electrodos Al establecer entre los electrodos una diferencia de potencial alta, el una diferencia de potencial alta, el gas era atravesado por unos rayos gas era atravesado por unos rayos procedentes del cátodo, procedentes del cátodo, los rayos los rayos catódicos, catódicos, emitiéndose una luz emitiéndose una luz característica para cada gas.característica para cada gas.

Tubo de rayos catódicosTubo de rayos catódicos

El ánodo y el cátodo se hallan conectados a una fuente El ánodo y el cátodo se hallan conectados a una fuente de alto voltaje (más de 10000 volts). En el tubo de de alto voltaje (más de 10000 volts). En el tubo de vidrio se encuentra un gas a baja presión.vidrio se encuentra un gas a baja presión.

Con este experimento se averiguó cómo se Con este experimento se averiguó cómo se desplazaban los rayos y se pudo observar que los desplazaban los rayos y se pudo observar que los mismos mismos se desplazaban en línea rectase desplazaban en línea recta y producían y producían un destello al llegar a una pantalla formada por una un destello al llegar a una pantalla formada por una sustancia fluorescente.sustancia fluorescente.

Tubo de rayos catódicosTubo de rayos catódicos

Con este experimento se averiguó de dónde Con este experimento se averiguó de dónde salían los rayos. Interponiendo un objeto metálico salían los rayos. Interponiendo un objeto metálico opaco, como se muestra en la figura, en el opaco, como se muestra en la figura, en el camino de los rayos se observó que se formaba camino de los rayos se observó que se formaba una sombra en la pared opuesta al cátodo. Ésto una sombra en la pared opuesta al cátodo. Ésto indicaba queindicaba que los rayos partían del cátodo. los rayos partían del cátodo. Por Por eso se los llamaeso se los llama RAYOS CATÓDICOS. RAYOS CATÓDICOS.

Tubo de rayos catódicosTubo de rayos catódicos

Con este experimento se averiguó si los Con este experimento se averiguó si los rayos tenían masa. En el camino de los rayos tenían masa. En el camino de los rayos se interpuso una pequeña rueda. Se rayos se interpuso una pequeña rueda. Se observó que la rueda giraba como observó que la rueda giraba como consecuencia del paso de los rayos. Por lo consecuencia del paso de los rayos. Por lo tanto tanto los rayos poseían masalos rayos poseían masa..

Tubo de rayos catódicosTubo de rayos catódicos

Con este experimento se averiguó qué carga Con este experimento se averiguó qué carga tenían los rayos. Utilizando un campo tenían los rayos. Utilizando un campo eléctrico o un campo magnético, se eléctrico o un campo magnético, se comprobó que los rayos se desviaban comprobó que los rayos se desviaban alejándose del polo negativo del campo y se alejándose del polo negativo del campo y se acercaban al polo positivo. Este acercaban al polo positivo. Este comportamiento indicaba que comportamiento indicaba que los rayos los rayos eran partículas negativaseran partículas negativas..

Rayos catódicos: descubrimiento del Rayos catódicos: descubrimiento del electrónelectrón

William CrookesWilliam Crookes (1832-1919) (1832-1919) mejorando las condiciones de vacío mejorando las condiciones de vacío demostró que los rayos catódicos tienen demostró que los rayos catódicos tienen estas propiedades:estas propiedades:

1.1. Se propagan en línea recta.Se propagan en línea recta.2.2. Se desvían cuando se les Se desvían cuando se les

somete a campos eléctricos y somete a campos eléctricos y magnéticos.magnéticos.

3.3. Provocan la luminiscencia de Provocan la luminiscencia de los cuerpos.los cuerpos.

De acuerdo con estas propiedades dedujo De acuerdo con estas propiedades dedujo que los rayos catódicos eran un flujo de que los rayos catódicos eran un flujo de partículas de dimensiones mucho partículas de dimensiones mucho menores que los átomos.menores que los átomos.

Más tarde se demostró que las Más tarde se demostró que las propiedades de los rayos catódicos eran propiedades de los rayos catódicos eran independientes de la composición del gas independientes de la composición del gas residual, por tanto las partículas residual, por tanto las partículas integrantes de estos rayos tienen que ser integrantes de estos rayos tienen que ser componentes de todos los átomos.componentes de todos los átomos.

ThomsonThomson (1897) con un tubo de (1897) con un tubo de descarga como el de la figura, utlilizando descarga como el de la figura, utlilizando un campo eléctrico y otro magnético un campo eléctrico y otro magnético perpendiculares, para desviar de forma perpendiculares, para desviar de forma conveniente el haz de rayos catódicos, conveniente el haz de rayos catódicos, determinó la relación carga masa de determinó la relación carga masa de estas partículas: estas partículas:

gCm

q/10.7592,1 8

A esta primera partícula se le denominó electrón como se había sugerido a raíz de los experimentos de electrolisis, para el portador de la carga mínima.

Tubo de rayos catódicosTubo de rayos catódicos

Tubo de CrookesTubo de Crookes

El químico y físico británico William Crookes construyó en la década de 1870 el El químico y físico británico William Crookes construyó en la década de 1870 el llamado tubo de Crookes, antecesor del tubo de imágenes de la moderna llamado tubo de Crookes, antecesor del tubo de imágenes de la moderna televisión para investigar las propiedades de los rayos catódicos. Al hacer el vacío televisión para investigar las propiedades de los rayos catódicos. Al hacer el vacío en el tubo y aplicarle una alta tensión, uno de los extremos del tubo se pone en el tubo y aplicarle una alta tensión, uno de los extremos del tubo se pone incandescente debido a los rayos catódicos que golpean contra el cristal. El incandescente debido a los rayos catódicos que golpean contra el cristal. El moderno tubo de televisión, también llamado CRT (acrónimo de Cathode-Ray moderno tubo de televisión, también llamado CRT (acrónimo de Cathode-Ray Tube) es descendiente directo del tubo de Crookes. Las principales diferencias son Tube) es descendiente directo del tubo de Crookes. Las principales diferencias son que el CRT utiliza un cátodo calentado para aumentar el número de electrones, que el CRT utiliza un cátodo calentado para aumentar el número de electrones, mientras que el tubo de Crookes no lo hacía. Además, el CRT tiene electrodos mientras que el tubo de Crookes no lo hacía. Además, el CRT tiene electrodos adicionales para focalizar y deflectar el haz mientras se mueve hacia la pantalla.adicionales para focalizar y deflectar el haz mientras se mueve hacia la pantalla.

Modelo atómico de Modelo atómico de ThomsonThomson

Thomson propuso un modelo atómico, que Thomson propuso un modelo atómico, que consideraba al átomo como una nube difusa consideraba al átomo como una nube difusa y esférica de carga positiva, con los y esférica de carga positiva, con los electrones flotando en esa nube, como pasas electrones flotando en esa nube, como pasas embebidas en un pudínembebidas en un pudín

La carga positiva era la necesaria para La carga positiva era la necesaria para compensar la negativa de los electrones.compensar la negativa de los electrones.

Este modelo tan sencillo explicaba, mediante Este modelo tan sencillo explicaba, mediante la ganancia o pérdida de electrones:la ganancia o pérdida de electrones:– Los fenómenos de electrización.Los fenómenos de electrización.– La formación de iones y la corriente eléctrica.La formación de iones y la corriente eléctrica.

Rayos XRayos X Wilheim RöntgenWilheim Röntgen en 1895 observó que durante en 1895 observó que durante

el funcionamiento de los tubos de descarga, si se el funcionamiento de los tubos de descarga, si se introducía una pieza metálica adicional, el choque introducía una pieza metálica adicional, el choque de los rayos catódicos con dicha pieza producía de los rayos catódicos con dicha pieza producía una nueva radiación que tenía las siguientes una nueva radiación que tenía las siguientes propiedades: propiedades:

1.1. Ser capaz de atravesar materiales de gran Ser capaz de atravesar materiales de gran espesor.espesor.

2.2. Ennegrecer placas fotográficas.Ennegrecer placas fotográficas.3.3. No desviarse ante un campo eléctrico o magnético, No desviarse ante un campo eléctrico o magnético,

lo que significa que no contiene carga eléctrica.lo que significa que no contiene carga eléctrica. Debido a la naturaleza desconocida de estos rayos Debido a la naturaleza desconocida de estos rayos

los llamó los llamó rayos Xrayos X. . Hoy sabemos que se trata de radiación Hoy sabemos que se trata de radiación

electromagnética de alta energía, es decir, luz no electromagnética de alta energía, es decir, luz no visible.visible.

RadiactividadRadiactividad Henry A. Becquerel (1852- Henry A. Becquerel (1852-

1908), como consecuencia del 1908), como consecuencia del descubrimiento de los rayos X, descubrimiento de los rayos X, investigó la fluorescencia investigó la fluorescencia producida por una sal de uranio producida por una sal de uranio

En 1896 observó que esta sal y En 1896 observó que esta sal y todos los compuestos que todos los compuestos que contenían uranio emitían una contenían uranio emitían una radiación similar a los rayos X. radiación similar a los rayos X. Había descubierto la Había descubierto la radiactividad.radiactividad.

Marie Curie (1867-1934) y Pierre Marie Curie (1867-1934) y Pierre Curie (1859-1906) descubrieron Curie (1859-1906) descubrieron otros elementos radiactivos: El otros elementos radiactivos: El polonio y el radio. polonio y el radio.

Más tarde se comprobó que la Más tarde se comprobó que la radiación emitida por el radio radiación emitida por el radio estaba formada por tres estaba formada por tres componentes, ya que al componentes, ya que al someterla a campos eléctricos y someterla a campos eléctricos y magnéticos dos haces se magnéticos dos haces se desviaban en sentidos opuestos desviaban en sentidos opuestos y un tercero no se desviabay un tercero no se desviaba

Rutherford les puso nombre a Rutherford les puso nombre a estas radiaciones ( ver figura):estas radiaciones ( ver figura):

Modelo atómico de Modelo atómico de RutherfordRutherford Rutherford y sus colaboradores bombardearon Rutherford y sus colaboradores bombardearon

láminas finas metálicas de oro con radiación láminas finas metálicas de oro con radiación αα.. Si se va girando el microscopio se puede calcular Si se va girando el microscopio se puede calcular

la fracción de partículas alfa que se desvían a la fracción de partículas alfa que se desvían a distintos ángulos:distintos ángulos:– La mayor parte de las partículas atraviesan la La mayor parte de las partículas atraviesan la

lámina sin desviarse.lámina sin desviarse.– Un número relativamente pequeño Un número relativamente pequeño

experimentan desviaciones pequeñas.experimentan desviaciones pequeñas.– Y algunas de ellas, muy pocas, se desviaban Y algunas de ellas, muy pocas, se desviaban

ángulos mayores de 90º, es decir rebotan.ángulos mayores de 90º, es decir rebotan. De lo observado Rutherford concluyó:De lo observado Rutherford concluyó:

1.1. El átomo está prácticamente vacío. Pues la El átomo está prácticamente vacío. Pues la mayor parte de las partículas no se desvíanmayor parte de las partículas no se desvían

2.2. Existe una zona de carga positiva pero de Existe una zona de carga positiva pero de dimensiones reducidas a la que llamó núcleo.dimensiones reducidas a la que llamó núcleo.

3.3. Pudo calcular el radio del núcleo y su carga Pudo calcular el radio del núcleo y su carga determinando la fracción de partículas alfa determinando la fracción de partículas alfa que se desvían a distintos ángulosque se desvían a distintos ángulos

A partir de estos resultados propuso un modelo A partir de estos resultados propuso un modelo llamado “llamado “modelo nuclear del átomomodelo nuclear del átomo”:”:– Un átomo está formado por núcleo y corteza.Un átomo está formado por núcleo y corteza.– En el núcleo se encuentra la carga En el núcleo se encuentra la carga

positiva y casi toda la masa del átomo.positiva y casi toda la masa del átomo.– El resto del átomo está prácticamente El resto del átomo está prácticamente

vacío y a gran distancia del núcleo se vacío y a gran distancia del núcleo se encuentra la corteza electrónica.encuentra la corteza electrónica.

Descubrimiento del protónDescubrimiento del protón Cuando se emplean tubos de descarga con el cátodo Cuando se emplean tubos de descarga con el cátodo

perforado, se observa detrás de él, un haz de luz perforado, se observa detrás de él, un haz de luz producido por determinados rayos que atraviesan los producido por determinados rayos que atraviesan los orificios. (Rayos canales o rayos positivos).orificios. (Rayos canales o rayos positivos).

Los estudió Thomson en 1911 y obtuvo la relación q/m Los estudió Thomson en 1911 y obtuvo la relación q/m cuando el gas residual era hidrógeno. El valor obtenido cuando el gas residual era hidrógeno. El valor obtenido coincidía con el que se calculó en la electrólisis para los coincidía con el que se calculó en la electrólisis para los iones hidrógeno. Si el gas residual era otro la relación iones hidrógeno. Si el gas residual era otro la relación q/m siempre era menor.q/m siempre era menor.

En 1919 Rutherford bombardeó con partículas alfa gas En 1919 Rutherford bombardeó con partículas alfa gas nitrógeno y observó que algunas daban lugar a nitrógeno y observó que algunas daban lugar a oxígeno -17 y otra partícula cuyas propiedades oxígeno -17 y otra partícula cuyas propiedades coincidían con las observadas por Thomson en los rayos coincidían con las observadas por Thomson en los rayos positivos, cuando el gas residual era hidrógeno:positivos, cuando el gas residual era hidrógeno:

Posteriormente Rutherford observó que esta partícula Posteriormente Rutherford observó que esta partícula se producía en otras reacciones nucleares, con lo que se producía en otras reacciones nucleares, con lo que dedujo que era una partícula elemental a la que llamódedujo que era una partícula elemental a la que llamó protónprotón..

pON 11

178

147

42

Descubrimiento del neutrónDescubrimiento del neutrón Pero Rutherford se dio cuenta de que la Pero Rutherford se dio cuenta de que la

masa del núcleo no era la suma de la de los masa del núcleo no era la suma de la de los protones que conteníaprotones que contenía

Así una partícula alfa (núcleos de helio) Así una partícula alfa (núcleos de helio) tenía una carga de dos protones pero su tenía una carga de dos protones pero su masa era aproximadamente cuatro veces la masa era aproximadamente cuatro veces la del protón.del protón.

Por eso Por eso supuso supuso que en el núcleo tenía que que en el núcleo tenía que existir otra partícula de masa similar pero existir otra partícula de masa similar pero sin cargasin carga

En 1932En 1932 James Chadwick James Chadwick (1891-1974) (1891-1974) descubrió el neutrón descubrió el neutrón en la siguiente en la siguiente reacciónreacción nuclear:nuclear: nCBe 1

0126

94

42

No obstante había una dificultad: No obstante había una dificultad: Si los electrones (partículas Si los electrones (partículas cargadas) giraran, debían de emitir cargadas) giraran, debían de emitir energía según la teoría energía según la teoría electromagnética clásica, con lo electromagnética clásica, con lo que se precipitarían en el núcleo y que se precipitarían en el núcleo y el átomo sería inestable.el átomo sería inestable.

Interacciones de la radiación Interacciones de la radiación con la materiacon la materia

El espectro El espectro electromagnéticoelectromagnético

El espectro El espectro electromagnéticoelectromagnético El sol y los cuerpos incandescentes El sol y los cuerpos incandescentes

emiten luz de todas las frecuencias. emiten luz de todas las frecuencias. Esto es el llamado Esto es el llamado espectro continuoespectro continuo..

Newton, mediante un prisma óptico Newton, mediante un prisma óptico obtuvo el espectro del sol.obtuvo el espectro del sol.

El prisma óptico descompone los rayos El prisma óptico descompone los rayos solares en los distintos colores de la luz.solares en los distintos colores de la luz.

Hoy se sabe que el visible es solo una Hoy se sabe que el visible es solo una parte del llamado espectro parte del llamado espectro electromagnético.electromagnético.

El El espectroespectro es el conjunto de valores es el conjunto de valores de las frecuencias de radiación que de las frecuencias de radiación que emite un cuerpo.emite un cuerpo.

EspectroscopioEspectroscopio

Joseph von Fraunhoffer Joseph von Fraunhoffer (1787 – 1826) inventó (1787 – 1826) inventó el espectroscopioel espectroscopio y y con él analizó la luz con él analizó la luz emitida por el sol y las emitida por el sol y las estrellas. Detectó estrellas. Detectó líneas oscuras en estos líneas oscuras en estos espectros y pudo ver espectros y pudo ver con claridad la más con claridad la más brillantes.brillantes.

Espectros atómicosEspectros atómicos

Espectros atómicosEspectros atómicos Johan Balmer en 1885 dedujo una fórmula empírica que Johan Balmer en 1885 dedujo una fórmula empírica que

calculaba las longitudes de onda de las nueve líneas de la calculaba las longitudes de onda de las nueve líneas de la serie del espectro del hidrógeno ( las conocidas hasta serie del espectro del hidrógeno ( las conocidas hasta entonces):entonces):

Johannes R. Rydberg (1854 – 1919) intentó obtener Johannes R. Rydberg (1854 – 1919) intentó obtener fórmulas similares para otros átomos y puso la fórmula de fórmulas similares para otros átomos y puso la fórmula de Balmer en función del inverso de la longitud de onda:Balmer en función del inverso de la longitud de onda:

)10(4

3646 102

2

mAn

n o

etc. verdosa,-azul línea

la a 4n roja, línea la a ecorrespond 3n

77,10973731R y vale hidrógeno el

para Rydberg de constante la es R

5,... 4, 3, n donde 1

2

11

1 H

H

22

m

nRH

Espectros atómicosEspectros atómicos El que los espectros atómicos estén El que los espectros atómicos estén

formados por un conjunto de líneas formados por un conjunto de líneas lleva a pensar que los átomos de los lleva a pensar que los átomos de los gases excitados deben tener un gases excitados deben tener un número limitado de valores de energía.número limitado de valores de energía.

Pero la física clásica y el modelo Pero la física clásica y el modelo atómico nuclear eran incapaces de atómico nuclear eran incapaces de explicar los espectros atómicos.explicar los espectros atómicos.

Había que buscar un nuevo modelo Había que buscar un nuevo modelo atómico…atómico…

Hipótesis de PlanckHipótesis de Planck Max Planck (1858 – 1947) presento el 14/12/1900, la teoría que explica la Max Planck (1858 – 1947) presento el 14/12/1900, la teoría que explica la

radiación térmica de los cuerpos.radiación térmica de los cuerpos. Había nacido “Había nacido “la mecánica cuánticala mecánica cuántica”.”. Planck introducía en su trabajo una hipótesis que estaba en contra de un Planck introducía en su trabajo una hipótesis que estaba en contra de un

principio básico de la Física clásica: “Ésta suponía que la energía, igual que principio básico de la Física clásica: “Ésta suponía que la energía, igual que cualquier otra magnitud física podía tener un valor cualquiera y aumentar o cualquier otra magnitud física podía tener un valor cualquiera y aumentar o disminuir de una forma contínua”.disminuir de una forma contínua”.

Pero Plank supuso:Pero Plank supuso:- Que los átomos que emiten la radiación se comportan como osciladores Que los átomos que emiten la radiación se comportan como osciladores

armónicos.armónicos.- Cada oscilador absorbe o emite energía de la radiación en cantidad Cada oscilador absorbe o emite energía de la radiación en cantidad

proporcional a su frecuencia de oscilaciónproporcional a su frecuencia de oscilación : :

Los paquetes de energía se llaman “Los paquetes de energía se llaman “cuantos”cuantos”, de manera que la , de manera que la energía de los osciladores está “energía de los osciladores está “cuantizada”cuantizada” y “ y “n”n” es un número cuántico. es un número cuántico.

f

hfE 0

nhfnEE 0.oscilación de frecuencia la ,

y .6,626.10:es valor cuyo

Plank de constante la esh Donde34-

f

sJ

hfE 0

Modelo atómico de BöhrModelo atómico de Böhr Niels Böhr (1885 – 1962) propuso en 1913 un modelo que explicaba el Niels Böhr (1885 – 1962) propuso en 1913 un modelo que explicaba el

espectro del hidrógeno.espectro del hidrógeno. Los postulados en los que se fundamenta este modelo son:Los postulados en los que se fundamenta este modelo son:

1.1. El electrón se mueve en una órbita circular alrededor del núcleo, El electrón se mueve en una órbita circular alrededor del núcleo, debido a la atracción eléctrica de éste:debido a la atracción eléctrica de éste:

2.2. Para el electrón sólo son posibles órbitas para las que se cumple:Para el electrón sólo son posibles órbitas para las que se cumple:

3.3. Mientras el electrón se mueve en una de las órbitas permitidas no Mientras el electrón se mueve en una de las órbitas permitidas no radia energía, la energía es constante (órbita estacionaria).radia energía, la energía es constante (órbita estacionaria).

4.4. Si el electrón está inicialmente en una órbita de energía ESi el electrón está inicialmente en una órbita de energía E1 1 y pasa y pasa a una órbita de energía Ea una órbita de energía E2 2 (E(E22<E<E11), emite una radiación ), emite una radiación electromagnética de frecuencia:electromagnética de frecuencia:

Por el contrario para pasar del nivel de energía EPor el contrario para pasar del nivel de energía E2 2 al Eal E1 1 debe debe absorber una radiación electromagnética de la misma frecuencia absorber una radiación electromagnética de la misma frecuencia anterior.anterior.

2

22

2

22

2

2

mv

Ker:sería r, orbita, la de radio el donde de ,

r

v

r

Ke:sea o ,

v m

rmma

r

KeF ne

1,2,3,... n ,2

vr h

nm

h

EEf 21

Modelo atómico de BohrModelo atómico de Bohr Del segundo postulado se deduce que el electrón Del segundo postulado se deduce que el electrón

solo puede tener determinados valores de la solo puede tener determinados valores de la energía que vienen dados en función de energía que vienen dados en función de n, el n, el número cuántico:número cuántico:

Cuando el electrón se encuentra en el nivel u órbita Cuando el electrón se encuentra en el nivel u órbita de más baja energía (n=1), está en de más baja energía (n=1), está en el estado el estado fundamental.fundamental.

Si absorbe energía y pasa a un nivel superior, el Si absorbe energía y pasa a un nivel superior, el átomo se encuentra enátomo se encuentra en un estado excitado un estado excitado. Al . Al cabo de cierto tiempo emite energía en forma de cabo de cierto tiempo emite energía en forma de radiación electromagnética , pasando al estado radiación electromagnética , pasando al estado fundamentalfundamental (Espectros de emisión). (Espectros de emisión).

J 10.18,22

18

nE

Modelo atómico de BohrModelo atómico de Bohr

Estructura electrónica de los Estructura electrónica de los átomosátomos

Pero el modelo de Böhr no sirve para explicar los espectros Pero el modelo de Böhr no sirve para explicar los espectros de átomos polielectrónicos.de átomos polielectrónicos.

Cuando se obtienen espectros de hidrógeno con Cuando se obtienen espectros de hidrógeno con espectroscopios de alta resolución aparecen líneas espectroscopios de alta resolución aparecen líneas desdobladas (estructura fina).desdobladas (estructura fina).

Para interpretar esta estructura fina, Sommerfeld (1865- Para interpretar esta estructura fina, Sommerfeld (1865- 1951) supuso que el electrón del átomo de hidrógeno podía 1951) supuso que el electrón del átomo de hidrógeno podía girar también en órbitas elípticas. Esto le llevó a introducir girar también en órbitas elípticas. Esto le llevó a introducir otro número cuántico, relacionado con la forma de las otro número cuántico, relacionado con la forma de las órbitas.órbitas.

Por tanto la energía del electrón en las distintas órbitas viene Por tanto la energía del electrón en las distintas órbitas viene determinada por el valor de esos dos números cuánticos.determinada por el valor de esos dos números cuánticos.

De esta forma pudo interpretarse la estructura fina.De esta forma pudo interpretarse la estructura fina. En 1896 Peter Zeeman (anterior a la teoría de Böhr) observó En 1896 Peter Zeeman (anterior a la teoría de Böhr) observó

que cuando los átomos de un elemento se excitan en que cuando los átomos de un elemento se excitan en presencia de un campo magnético las líneas del espectro se presencia de un campo magnético las líneas del espectro se desdoblan, lo que obligó a introducir un tercer número desdoblan, lo que obligó a introducir un tercer número cuántico.cuántico.

Con tanto añadido la teoría de Böhr-Sommerfield perdía Con tanto añadido la teoría de Böhr-Sommerfield perdía elegancia, era necesario un cambio conceptual brusco, LA elegancia, era necesario un cambio conceptual brusco, LA TEORÍA CUÁNTICATEORÍA CUÁNTICA

Estructura electrónica de los átomos. Teoría Estructura electrónica de los átomos. Teoría cuántica.cuántica.

Erwin SchrödingerErwin Schrödinger (1887-1961) y (1887-1961) y Werner Werner HeisenbergHeisenberg (1901 – 1976) crearon la nueva teoría (1901 – 1976) crearon la nueva teoría cuántica de la que surgen como consecuencia de cuántica de la que surgen como consecuencia de un tratamiento matemático los números cuánticos un tratamiento matemático los números cuánticos que caracterizan los estados energéticos posibles que caracterizan los estados energéticos posibles de los electrones en los átomos:de los electrones en los átomos:1. 1. Número cuántico principal(n)Número cuántico principal(n)::Puede Puede

tomar los valores 1, 2, 3, …y es el que más tomar los valores 1, 2, 3, …y es el que más influye en la energía. Caracteriza influye en la energía. Caracteriza los niveles los niveles de energía.de energía.

2. 2. Número cuántico secundario o del Número cuántico secundario o del momento angular (l):momento angular (l): Afecta en menor Afecta en menor medida a los valores de energía y toma los medida a los valores de energía y toma los valores siguientes para un valor de valores siguientes para un valor de nn dado: l=0, dado: l=0, 1, 2, … n-1. Caracteriza 1, 2, … n-1. Caracteriza los subniveles de los subniveles de energía. energía. Cada subnivel corresponde a un tipo Cada subnivel corresponde a un tipo dede orbital atómico. A los distintos valores orbital atómico. A los distintos valores se les asignan letras: 0(s), 1(p), 2(d), 3(f)…se les asignan letras: 0(s), 1(p), 2(d), 3(f)…

Estructura electrónica de los átomos. Estructura electrónica de los átomos. Teoría cuántica.Teoría cuántica.

3. 3. Número cuántico magnético (mNúmero cuántico magnético (m ll):): Aparece como consecuencia del Aparece como consecuencia del desdoblamiento de los subniveles en desdoblamiento de los subniveles en presencia de un campo magnético. Indica presencia de un campo magnético. Indica las posibles orientaciones que puede tomar las posibles orientaciones que puede tomar un orbital dado. Para un valor de l toma los un orbital dado. Para un valor de l toma los valores: mvalores: ml = -l, -l+1,…0,….l-1,l

4. 4. Número cuántico de espín (mNúmero cuántico de espín (mss):): Cada electrón posee uno de estos valores: Cada electrón posee uno de estos valores: +1/2 y -1/2 y están relacionados con una +1/2 y -1/2 y están relacionados con una propiedad magnética propia de los propiedad magnética propia de los electrones.electrones.

Valores de los números Valores de los números cuánticoscuánticos

Estructura electrónica. Orden de Estructura electrónica. Orden de llenadollenado

Regla de Möller:Regla de Möller: La energía de un La energía de un

orbital es tanto orbital es tanto menor cuanto más menor cuanto más baja sea la suma de baja sea la suma de los valores los valores nn y y ll (n+l)(n+l)

En caso de igualdad En caso de igualdad para la suma de para la suma de n+ln+l, tiene manos , tiene manos energía el orbital energía el orbital con menor valor de con menor valor de nn

Estructura electrónica. Orden de Estructura electrónica. Orden de llenadollenado

Principio de construcción progresivaPrincipio de construcción progresiva: La : La configuración de un elemento se obtiene a partir de la del configuración de un elemento se obtiene a partir de la del elemento anterior añadiendo un nuevo electrón, llamado elemento anterior añadiendo un nuevo electrón, llamado electrón diferenciador.electrón diferenciador.

Principio de exclusión de Pauli:Principio de exclusión de Pauli: E Establece que en stablece que en un átomo polielectrónico no puede haber dos electrones un átomo polielectrónico no puede haber dos electrones que tengan los cuatro números cuánticos iguales.que tengan los cuatro números cuánticos iguales.

Principio de Hund:Principio de Hund: Nos indica que cuando en un Nos indica que cuando en un subnivel energético existen varios orbitales subnivel energético existen varios orbitales disponibles, los electrones tienden a ocupar el disponibles, los electrones tienden a ocupar el máximo número de ellos, y, además, con espines máximo número de ellos, y, además, con espines paralelos.paralelos.

La configuración electrónica que se refiere al nivel La configuración electrónica que se refiere al nivel energético más externo ocupado de un elemento, se energético más externo ocupado de un elemento, se denomina denomina configuración electrónica de la capa de valenciaconfiguración electrónica de la capa de valencia

Sistema periódicoSistema periódicoBreve historia de la Tabla Periódica (1)Breve historia de la Tabla Periódica (1)

Es una agrupación en la que aparecen ordenados todos Es una agrupación en la que aparecen ordenados todos los elementos químicos conocidos.los elementos químicos conocidos.

Se distribuyen en filas y columnas, llamadas Se distribuyen en filas y columnas, llamadas respectivamente respectivamente períodosperíodos y y grupos.grupos.

Joham W. Döbereiner (1780-1849), en 1817 hizo uno de Joham W. Döbereiner (1780-1849), en 1817 hizo uno de los primeros intentos de clasificación:los primeros intentos de clasificación:– Indicó que muchos elementos podían agruparse por tener Indicó que muchos elementos podían agruparse por tener

propiedades similares en tríadas (Lítio, Sodio, Potasio), (cloro, propiedades similares en tríadas (Lítio, Sodio, Potasio), (cloro, bromo y yodo) etc. En cada tríada el elemento central tiene una bromo y yodo) etc. En cada tríada el elemento central tiene una masa atómica aproximadamente igual a la media de los otros masa atómica aproximadamente igual a la media de los otros dos.dos.

En 1864, A. R. Newlands propuso En 1864, A. R. Newlands propuso la ley de las octavasla ley de las octavas: : Al Al ordenar los elementos en orden creciente de masas atómicas, cada ordenar los elementos en orden creciente de masas atómicas, cada uno tenía propiedades similares al que estaba ocho lugares antes y uno tenía propiedades similares al que estaba ocho lugares antes y al que se encontraba ocho lugares después.al que se encontraba ocho lugares después.

Sistema periódicoSistema periódicoBreve historia de la Tabla Periódica (2)Breve historia de la Tabla Periódica (2)

En 1869, Lothar Meyer y Dimitri I. Mendeleiev propusieron dos En 1869, Lothar Meyer y Dimitri I. Mendeleiev propusieron dos tablas muy parecidas:tablas muy parecidas:– Mendeliev ordenó los 63 elementos conocidos entonces bajo el criterio Mendeliev ordenó los 63 elementos conocidos entonces bajo el criterio

de masas atómicas crecientes, con lo que logró que los elementos con de masas atómicas crecientes, con lo que logró que los elementos con propiedades químicas similares quedaran en la misma columna, propiedades químicas similares quedaran en la misma columna, aunque en algunos casos para conseguir esto, invirtiera la colocación aunque en algunos casos para conseguir esto, invirtiera la colocación de ciertas parejas de elementos y cuando no se correspondían las de ciertas parejas de elementos y cuando no se correspondían las propiedades dejaba un hueco (elemento no descubierto). De esta propiedades dejaba un hueco (elemento no descubierto). De esta forma predijo la existencia de cinco elementos: Sc, Ge, Ga, Tc y Re.forma predijo la existencia de cinco elementos: Sc, Ge, Ga, Tc y Re.

En 1894 Ramsay y Rayleigh descubrieron el argón y durante los años siguientes se descubrieron otros cuatro elementos.A los cinco se les llamó gases nobles: Parecían mantenerse al margen del resto de los elementos y no se combinaban con ellos. Para incorporarlos a la tabla hubo que añadir una columna más.

La Ley PeriódicaLa Ley Periódica A partir de 1913 con la introducción del A partir de 1913 con la introducción del

concepto de número atómico, el criterio concepto de número atómico, el criterio ordenador del sistema periódico cambió y ordenador del sistema periódico cambió y pasó a ser el de número atómico creciente pasó a ser el de número atómico creciente ( nº de protones). Con esto desaparecía el ( nº de protones). Con esto desaparecía el problema de la inversión de colocación de problema de la inversión de colocación de ciertas parejas que tuvo que hacer ciertas parejas que tuvo que hacer Mendeleiev para mantener la periodicidad Mendeleiev para mantener la periodicidad de propiedades.de propiedades.

La siguiente pregunta fue: ¿a qué se debía La siguiente pregunta fue: ¿a qué se debía la periodicidad de propiedades?. La la periodicidad de propiedades?. La respuesta la dio el conocimiento de la respuesta la dio el conocimiento de la estructura electrónica de los elementos: estructura electrónica de los elementos: ““Los elementos situados en el mismo Los elementos situados en el mismo grupo tenían la misma estructura grupo tenían la misma estructura electrónica en la última capa.”electrónica en la última capa.”

Hoy se sabe que el número de elementos Hoy se sabe que el número de elementos que puede haber en cada período viene que puede haber en cada período viene determinado por el número de electrones determinado por el número de electrones que pueden entrar en orbitales que pueden entrar en orbitales pertenecientes a la misma capa o nivel de pertenecientes a la misma capa o nivel de energía: Periodo 1 (Primera capa), Período energía: Periodo 1 (Primera capa), Período 2 (segunda capa), etc..2 (segunda capa), etc..

La Ley PeriódicaLa Ley Periódica

La Ley PeriódicaLa Ley Periódica

Algunas observaciones sobre la Algunas observaciones sobre la estructura electrónicaestructura electrónica

Propiedades periódicas (1)Propiedades periódicas (1) Para resaltar la importancia Para resaltar la importancia

del sistema periódico del sistema periódico analizaremos la variación de analizaremos la variación de algunas propiedades, algunas propiedades, llamadas periódicas a lo largo llamadas periódicas a lo largo de los grupos y períodos:de los grupos y períodos:– Radio atómicoRadio atómico: Se toma : Se toma

como radio atómico la mitad como radio atómico la mitad de la distancia entre los de la distancia entre los núcleos cuando se forma un núcleos cuando se forma un enlace sencillo entre dos enlace sencillo entre dos átomos iguales:átomos iguales:

En un En un grupo aumentagrupo aumenta al al descender en él, pues al descender en él, pues al pasar de un elemento al pasar de un elemento al siguiente tenemos una capa o siguiente tenemos una capa o nivel de energía más.nivel de energía más.

En un En un período disminuyeperíodo disminuye en en términos generales al términos generales al avanzar hacia la derecha avanzar hacia la derecha pues la carga nuclear es cada pues la carga nuclear es cada vez mayor y sin embargo los vez mayor y sin embargo los nuevos electrones entran en nuevos electrones entran en el mismo nivel, siendo el mismo nivel, siendo atraídos cada vez con más atraídos cada vez con más fuerza por el núcleo, lo que se fuerza por el núcleo, lo que se traduce en una disminución traduce en una disminución del radio del radio Los radios atómicos están en picómetros

Propiedades periódicas (2)Propiedades periódicas (2) Energía de ionizaciónEnergía de ionización:Es la energía :Es la energía

necesaria para convertir un átomo necesaria para convertir un átomo aislado neutro, en estado gaseoso, en un aislado neutro, en estado gaseoso, en un ion monopositivo:ion monopositivo:

– En un En un grupogrupo la energía de ionización la energía de ionización disminuyedisminuye al descender en él, pues al descender en él, pues cuanto más abajo se encuentra el cuanto más abajo se encuentra el elemento, más alejado del núcleo elemento, más alejado del núcleo está el electrón externo y mas capas está el electrón externo y mas capas de electrones intermedias existen.de electrones intermedias existen.

– En un En un períodoperíodo, en líneas generales , en líneas generales la energía de ionización la energía de ionización aumentaaumenta hacia la derecha, pues aumenta la hacia la derecha, pues aumenta la carga nuclear y por tanto el electrón carga nuclear y por tanto el electrón está más cerca y más atraído por el está más cerca y más atraído por el núcleo.núcleo.

ionización de energía la Ey

gaseoso estadoen aislado átomoun esA donde

,)(

I

eAEgA I

Propiedades periódicas (3)Propiedades periódicas (3) La afinidad electrónica o La afinidad electrónica o

electroafinidad es la energía electroafinidad es la energía que se desprende cuando que se desprende cuando un átomo neutro gaseoso un átomo neutro gaseoso capta un electrón y se capta un electrón y se convierte en un ión convierte en un ión negativo:negativo:

– Disminuye al descender en los Disminuye al descender en los grupos.grupos.

– Aumenta en líneas generales Aumenta en líneas generales al avanzar hacia la derecha en al avanzar hacia la derecha en los períodos.los períodos.

AEAegA )(

Propiedades periódicas (4)Propiedades periódicas (4) Carácter metálico y no metálicoCarácter metálico y no metálico::

– A los elementos que tienen valores bajos de la energía A los elementos que tienen valores bajos de la energía de ionización y de la afinidad electrónica se les llama de ionización y de la afinidad electrónica se les llama metales metales y tienen tendencia por tanto a perder y tienen tendencia por tanto a perder electrones (formar iones positivos o cationes).electrones (formar iones positivos o cationes).

– A los elementos que tienen valores altos de la energía A los elementos que tienen valores altos de la energía de ionización y de la electroafinidad y por lo tanto de ionización y de la electroafinidad y por lo tanto tienen tendencia a convertirse en aniones se les llama tienen tendencia a convertirse en aniones se les llama no metales.no metales.

– La mayor parte de los elementos tienen carácter La mayor parte de los elementos tienen carácter metálico más o menos marcado, excepto los que se metálico más o menos marcado, excepto los que se encuentran en la parte derecha de la tabla.encuentran en la parte derecha de la tabla.

– Lógicamente el carácter metálico es tanto mayor cuanto Lógicamente el carácter metálico es tanto mayor cuanto más hacia abajo y hacia la izquierda se encuentre el más hacia abajo y hacia la izquierda se encuentre el elemento (menor Eelemento (menor EI y EA).

Propiedades periódicas (5)Propiedades periódicas (5)