Tema 1 - Teoría Atómica

Glosario

A: número másico. Es la cantidad total de nucleones, es decir, de protones y neutrones. Z=A+N

Anión: ión negativo.

Átomo: unidad más pequeña de la materia ordinaria. Formado por un núcleo masivo y de

carga positiva y una corteza electrónica con electrones de carga negativa.

Capa de valencia: última capa ocupada por electrones en un átomo. Casi todas las

propiedades químicas de un átomo vienen determinadas por ella.

Capa: en un átomo, conjunto de orbitales/electrones con mismo número n. A veces, por abuso

del lenguaje, se usa como referencia a un periodo.

Capa K/L/M/N: en un átomo, capa cuyo n es 1, 2, 3, 4, ...

Capas internas: capas llenas de una corteza electrónica. Al estar escondidas por la de valencia

casi no influyen en la química de un átomo.

Catión: ión positivo.

Composición centesimal: % en masa de los diferentes elementos de un compuesta.

Configuración electrónica: conjunto de los orbitales ocupados por los electrones de un átomo.

Se suele representar con la notación de espectroscopia o un diagrama de cajas. En este curso

deduciremos las propiedades químicas de los elementos a partir de ella.

Corteza electrónica: parte periférica del átomo. Está formada por electrones que, más o

menos, orbitan en torno al núcleo.

Degeneración: en cuántica se dice de los estados que tienen la misma energía pero son

diferentes.

Diagrama de cajas: manera gráfica de representar los estados de un átomo con flechas y cajas.

Útil para entender el ppio. de multiplicidad y las valencias esperadas de un átomo.

Electrón: partícula subatómica, carga -1.6·10-19 C, masa 5.485·10-4 u. En los átomos reside en

la corteza electrónica. Su estado se indica mediante 4 números cuánticos.

Estado fundamental: en FyQ, estado de menor energía. En teoría atómica lo mismo y, por

concreción, la configuración posible de menor energía.

Estado posible: en teoría atómica, un estado no prohibido. Es decir que respeta las tres reglas

de configuración electrónica, Pauli/llenado/multiplicidad, pero que podría no ser el

fundamental.

Estado prohibido: en teoría atómica, un estado imposible. O los números cuánticos son

incorrectos o viola las tres reglas de configuración.

Estructura de gas noble: configuración electrónica acabada en xp6 (o 1s2, si es el He). Se suele

usar para resumir las capas internas de un átomo.

Ión: átomo que tiene carga neta, es decir, que no tiene el mismo número de protones que de

electrones. Si la carga es positiva se llama catión, si es negativa anión.

Isótopos: núcleos de un mismo elemento, pero de diferente masa. Es decir, mismo Z pero

distinta A.

l: número cuántico secundario. Indica la forma del orbital y la energía del mismo, efecto

secundario. Puede valer: l=0,1, ..., n-1

m: número cuántico magnético. Indica la orientación espacial del orbital. Puede valer: m=-l, ...,

+l

Masa molar: la masa de un mol de cosas. Se mide en g/mol y coincide numéricamente con la

masa molecular.

Masa molecular: la masa de una única molécula. Se mide en u y coincide numéricamente con

la masa molar.

Mol [de algo]: 6.022·1023 de algo. Es la unidad de cantidad de sustancia. Si hablamos de

átomos o moléculas, esta cantidad pesa en g lo que indique la tabla periódica.

Molécula [provisional]: grupo de átomos.

n: número cuántico principal. Indica la energía, efecto primario, y la distancia de un electrón al

núcleo. Puede valer cualquier entero: n=1,2, ...

N: número de neutrones en un núcleo.

Neutro, átomo: que su carga eléctrica es nula. Es decir, que tiene el mismo número de

protones que de electrones. Si un átomo no es neutro se dice que es un ión.

Neutrón: partícula subatómica, sin carga, masa 1.009u. En los átomos residen en el núcleo.

Notación de espectroscopia: manera de nombrar a electrones, orbitales, etc. Ej.: 1s2, 4f14

Núcleo: parte central del átomo. Contiene la gran mayoría de la masa y es de carga positiva.

Está formado por unas partículas llamadas protones y neutrones.

Nucleón: protón/neutrón. Nombre colectivo para nombrar a las partículas que forman al

núcleo.

Número de Avogadro: 6.022·1023. Esta cantidad de lo que sea es un mol de lo que sea.

Números cuánticos: en nuestro modelo, conjunto de cuatro números, (n,l,m,s) que indican en

qué estado/zona/energía/etc. de la corteza reside un electrón.

Orbital: zona donde, más o menos, esperamos encontrar a un electrón concreto. La corteza

electrónica se estructura en orbitales y en cada uno de ellos caben 2 electrones.

Orbital tipo s/p/d/f: orbital cuyo número secundario, l, es 0, 1, 2 o 3.

Orden de llenado: 2ª regla de configuración electrónica. Tiene varios nombres:

construcción/Auf Bau/construcción/llenado, etc. Se suele recordar con la tabla de Klekowski.

En palabras "Los electrones ocupan orbitales según energía creciente, es decir n+l creciente.

En caso de igualdad, entran los de n menor"

Principio de exclusión de Pauli: 1ª regla de configuración electrónica. "Los electrones no

pueden repetir sus 4 números cuánticos" o "en cada orbital caben un máximo de dos

electrones"

Principio de máxima multiplicidad: 3ª regla de configuración electrónica. "Los electrones

tienden a estar desapareados, es decir, a ocupar el mayor número de orbitales posibles"

Protón: partícula subatómica, carga +1.6·10-19C, masa 1.007u. En los átomos residen en el

núcleo.

s: número cuántico de spin. Indica si el electrón gira dentro de su orbital en uno u otro

sentido. Puede valer: s=±1/2

Subcapa: en un átomo, conjunto de orbitales con un mismo n y l.

u/uma: Unidad de Masa Atómica, 1.661·10-27kg, tradicionalmente es 1/12 de la masa del

Z: número atómico. Es la cantidad de protones de un núcleo e indica de que elemento es. En

un átomo neutro, lo habitual en este tema, coincide con el número de electrones.

Resumen de Teoría

Gramos, Moles, Moléculas y Átomos

Se define como mol, de alguna cosa, a 6.022·1023 de esa cosa. Así tenemos un mol de carbono,

que serían 6.022·1023 átomos de carbono, o un mol de ácido nítrico, que serían 6.022·1023

moléculas de nítrico. De la misma forma podríamos tener un mol de tuercas o de gatitos.

Al número 6.022·1023 se le llama número de Avogadro, NA, y está escogido de manera tal que

un mol de cualquier cosa tenga una masa en gramos igual a la indicada por la tabla periódica.

Es decir, un mol de oxígeno pesa 16g, uno de hidrógeno atómico pesa 1g, etc.

Es importante tener en cuenta que en química manejamos cantidades microscópicas, relativas

átomos, etc., y macroscópicas, relativas a gramos, moles, etc. Siendo una habilidad

fundamental el saber pasar entre ellas.

Ejemplo de Enunciado: si tenemos 100g de (NH4)2SO4, ¿qué moles de sulfato tenemos?, y

cuántas moléculas?, ¿y cuántos átomos de hidrógeno?

Solución: calculamos la masa molar del compuesto

Y usamos factores de conversión

Teoría Atómica

Desde la antigüedad hubo una discusión filosófica entre concepciones continuas de la materia,

ésta se puede dividir sin límite, frente a modelos discontinuos o atomistas, la materia se puede

dividir hasta llegar a unos bloques fundamentales, los átomos. Diversos descubrimientos y el

desarrollo del cuerpo experimental llevo al triunfo completo, ya en el XIX temprano, de las

teorías atómicas con Dalton y Avogadro.

En esos momentos los átomos eran lo que la etimología indicaba, pelotas indivisibles, pero los

descubrimientos de finales del XIX mostraron la existencia de partículas subatómicas y

destrozaron las primeras teorías atómicas de Dalton, Thomson y Rutherford.

El descubrimiento de la mecánica cuántica en el siglo XX solvento algunos problemas con el

modelo de Bohr. Pero éste solo funcionaba para átomos de 1 electrón, el hidrogeno e iones

similares, y fue reemplazado por la versión, MUY SIMPLIFICADA, que estudiaremos en este

tema.

En nuestro modelo, la materia, vista con un gran número de aumentos, es un gran vacío en el

que flotan partículas moviéndose a gran velocidad, los átomos. Conforme aumenta la

temperatura de la materia la velocidad de las partículas aumenta. Esto conduce a

interpretaciones muy útiles de los estados de agregación, pero eso es otro tema.

Aumentando el zoom otra vez, vemos que los átomos no son simples "bolas" sin estructura,

sino que poseen las siguientes características:

Tamaño del orden de 10-10 m

Una zona central llamada núcleo.

o Tamaño ≈ 10-15 m

o Este núcleo está cargado positivamente.

o Posee una mayoría aplastante de la masa atómica.

o Está compuesto, a su vez, de otras partículas llamadas protones y neutrones:

Su masa es muy similar, pero el neutrón es ligeramente más pesado.

El protón tiene carga positiva.

El neutrón no tiene carga neta.

Una periferia llamada corteza electrónica

o Esta periferia se divide en orbitales que son ocupados por los electrones

Los electrones son muy poco masivos y tienen carga eléctrica negativa.

Un orbital es una zona donde, más o menos, esperamos encontrar a

un electrón concreto.

No todos los orbitales son iguales.

La evidencia empírica demuestra que las propiedades químicas de los elementos vienen dadas

por la corteza electrónica. Más aún, casi todas las propiedades solo dependen de las capas más

externas de la corteza.

Esta última cuestión nos lleva a plantearnos cómo se organiza la corteza, esto es, qué

configuración electrónica tiene un elemento dado.

Configuración electrónica

Los avances teóricos y experimentales llevaron a dejar claro que cada orbital viene identificado

por 3 números cuánticos, llamados n, l y m. Esta situación es similar a la que se tiene con las

ondas estacionarias en una cuerda, que dependen de un número entero.

Aparte de eso, el experimento de Stern-Gerlach mostró que en cada orbital caben dos

electrones, uno girando en un sentido y otro en el opuesto, añadiendo un número cuántico

adicional cuando hablamos de electrones, s. En resumen, bastan 3 números (n, l, m) para

nombrar a un orbital y 4 (n, l, m, s) para hacer lo propio con un electrón.

Como un átomo es más complejo que una cuerda en 1D, los tres primeros números son más

complejos de entender que los de una onda plana. Hay dibujos de sobra en la presentación,

pero la interpretación más básica a recordar es que:

n: número cuántico principal

o Indica la distancia de un orbital al núcleo.

o Indica de forma primaria la energía para estar en dicho orbital

Esto lleva a agrupar todos los orbitales con mismo n en "capas"

Si n=1 decimos que es la capa K

Si n=2 decimos que es la capa L

Si n=3 decimos que es la capa M

Si n=4 decimos que es la capa N

o Puede variar entre 1, 2, 3, ... (cualquier entero mayor que cero)

l: número cuántico secundario

o Indica la forma y tipo del orbital

l=0, orbital tipo s, de forma esférica

l=1, orbital tipo p, cuya forma son dos esferas pegadas

l=2, orbital tipo d, cuya forma son 4 esferas

l=3, orbital tipo f, cuya forma son 8 esferas

o Indica de forma secundaria la energía

Se quiere expresar con esto que es n quien tiene más influencia en la

energía del orbital

o Puede variar de 0, 1, ..., n-1

m: número cuántico magnético

o Indica la orientación espacial del orbital

o No tiene influencia en la energía

Todos los orbitales con mismo n y l pero diferente m tienen la misma

energía

Es decir, son degenerados

o Esto último lleva a agrupar a todos los orbitales con mismos n y l en

"subcapas"

En una subcapa s caben 2 electrones, 6 en p, 10 en d y 14 en f

s: número cuántico de spin

o Indica el sentido de giro del electrón sobre sí mismo.

o Solo puede adoptar dos valores, +1/2 o -1/2

Es importante darse cuenta, a nivel teórico, de que los electrones no pueden tener valores

intermedios en energía entre n=1 y n=2. No hay orbitales entre ellos. Ni pueden tener orbitales

con formas intermedias entre s y p, ni orientaciones intermedias entre m=-2 y -1 ni giros con

spin 0.

Esto es totalmente diferente la mecánica clásica: nada te impide tener una órbita planetaria un

5% más aplastada que otra, o un 4% o lo que quisiéramos, y lo mismo con la distancia u otros

parámetros. Este comportamiento es netamente cuántico y viene de resolver la ecuación de

Schrödinger. Por supuesto ha sido comprobado experimentalmente cientos y miles de veces.

Con la compresión de los números cuánticos, que podemos entender como las reglas que ha

de seguir un electrón u orbital si estuviese aislado, solo queda añadir las tres reglas que siguen

los electrones cuando los juntamos para formar una corteza electrónica.

Las reglas son:

Principio de exclusión de Pauli

o "Dos electrones no pueden tener los mismo cuatro números cuánticos"

o "En un orbital caben un máximo de dos electrones, cada uno con spin opuesto

al otro"

o La interpretación de esta regla me parece clara: no repetir números

Orden de llenado

Tiene otros nombres, Aufbau, principio de construcción, etc.

o "Los electrones en su estado fundamental entran según un orden de n + l

creciente. Si esta suma es igual, se escoge el de menor n"

Básicamente decimos que los electrones buscan los estados de menor

energía, como todo en la naturaleza

Se suele resumir con la tabla de Madelung/Klekowski/etc

Muy a tener en cuenta, y pintado en colores en la presentación, es que

esto es equivalente a la tabla periódica.

Principio de máxima multiplicidad

o "Los electrones, dentro una misma subcapa, tienden a estar desapareados"

En un diagrama de cajas, véase más abajo, los electrones tienden a

entrar primero todos arriba.

Lo de empezar por arriba o abajo es convencional.

Armados con el conocimiento de estas reglas podemos averiguar la configuración electrónica,

que en temas posteriores usaremos para deducir las propiedades de los elementos y, luego, de

las moléculas.

Ejemplo de Enunciado: cuál es la configuración electrónica del uranio, cuyo Z es igual a 92.

Dibuja el diagrama de cajas de su capa de valencia

Solución: en un planteamiento en papel se empezaría por dibujar el diagrama de

Madelung/llenado/etc

Ahora nuestra faena es ir rellenando subcapas (recordando que en s caben 2 e-, en p 6, etc)

hasta llegar a los 92 e- que posee el uranio. Es decir, si cogemos los dos primeros electrones

1s2

Este notación, de espectroscopia, nos da el número principal como primer número, el

secundario como letra (s → l=0) y el número de electrones ocupados en dicha subcapa. El

número de spin está implícito y para obtener hemos de dibujar el diagrama de cajas.

Ya no podemos repetir estos dos, 1ª regla de configuración, y nos quedarían 90 por configurar.

Siguiendo el proceso tenemos:

1s2 2s2 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10 6p6 7s2 5f4

Daos cuenta de que:

El diagrama de la imagen está incompleto, para llegar al 7s se ha tenido que ampliar

siguiendo la lógica

En el 5f caben 14 electrones, pero al llegar a él solo quedan 4 disponibles.

OJO: si consultáis en manuales avanzados o internet, la configuración electrónica REAL

es 7s2 5f3 6d1

o En todo caso, aquí o en las PAU, habéis de responder lo que dice nuestro

modelo simple, aunque no se suelan preguntar casos con ambigüedad o

dificultad.

Sobre esto último, tened en cuenta que estamos viendo un modelo simplificado en el que, por

tiempo y requisitos previos, no vemos el 100% de las cosas. Nuestro modelo de este tema y los

dos siguientes funcionan muy bien para elementos que acaben su configuración en una

subcapa s o p, pero no lo hacen tan bien para los acabados en d o f. En esos casos, la influencia

de la forma de los orbitales, por decir un factor, gana importancia y hay diferencias.

La configuración electrónica de este elemento es muy larga y la podemos ver en libros o en

problemas de forma resumida, dejando solo la capa de valencia y sustituyendo las capas

internas por un gas noble.

Para encontrar la capa de valencia hemos de buscar la primera aparición del mayor número

cuántico principal. Eso marca la frontera entre las capas internas, a la izquierda, y la de

valencia, a la derecha. Marcando en subrayado:

1s2 2s2 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d10 6p6 7s2 5f4

Vemos que la última capa interna es la 6ª, por tanto podemos sustituir los subrayado por el 6º

gas noble:

[Rn] 7s2 5f4

Con su capa de valencia clara1 podemos dibujar el diagrama de cajas. Para ello:

Cada orbital se representa por una caja.

o Cada una de estas cajas indica los posibles valores de m para la combinación

de n y l dada.

o Por tanto una subcapa s tiene 1 caja

s → l=0 → m = 0

o Por tanto una subcapa p se representa por 3 cajas

p → l=1 → m = -1,0,1

o Por tanto una subcapa p se representa por 5 cajas

d → l=2 → m = -2,-1,0,1,2

o Por tanto una subcapa p se representa por 7 cajas

f → l=3 → m = -3,-2,-1,0,1,2,3

En cada caja caben dos electrones (exclusión de Pauli)

Cada uno se representa por una flecha hacia arriba o hacia abajo, según su número s

Se rellenan las subcapas enteras antes de pasar a otras

En cada subcapa, intentamos poner el mayor número de electrones "hacia arriba" que

podamos, yendo de izquierda a derecha

En este caso. Construimos las cajas:

Añadimos los 7s2 y los 5f4 de acuerdo con las reglas:

1 En general abuso del lenguaje. La capa de valencia en sentido totalmente estricto sería solo 7s

2, es

decir, la última capa ocupada. Lo que se indica aquí es el último periodo. En general no distinguiré entre ellos.

7s 5f

7s 5f