04 los modelos atómicos

Los modelos atómicos

Maestro en Ciencias BioquímicasGenaro Matus Ortega

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La edad oscura de la química

• Después de la caída de Grecia amanos de los Romanos eldesarrollo vertiginoso de laCiencia desaceleró su camino.

• Durante la edad media el estudiode las ciencias estaba prohibido. Elde las ciencias estaba prohibido. Elentendimiento de las cosas solopuede venir de Dios”.

• El escolasticismo primitivo asumíacomo cierto cualquier palabrarelacionada con Aristóteles.

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La Edad Media, una época oscura

La Alquimia entorpece losavances reales:

“Tomad cobre, azufre yplomo, Triturad la mezcla conaceite de rábano silvestre.Asadla sobre carbón,Asadla sobre carbón,desulfurizadla y ponedla a unlado. Tomad una parte decobre asado y tres partes deoro. ponedlas en un crisol,calentad y encontrareis eltodo cambiado en oro, con laayuda de Dios”

Hasta el año de 1808 John JosephDalton pone de nueva cuenta elconcepto de átomo en el centrode entendimiento de la materia.w

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John Joseph Dalton

Postulados de Dalton:

•La materia está constituida por partículas mínimasllamadas átomos.

•Los átomos de un elemento son diferentes en Peso yPropiedades a los de otro átomo.

•El átomo no se destruye en una reacción, por enérgicaque esta sea.

•Al combinarse entre sí los átomos forman moléculas.

Estos postulados pueden verse fácilmente en ladescomposición electrolítica de la molécula de agua,donde no se destruye ningún átomo, pero se obtienendos gases (H2 y O2) en una proporción fija 2:1.

2 H2O 2H2 (gas) + O2(gas)molécula (2:1) gases con pesos y

propiedades diferentes.

* Estos postulados fueron modificados y adaptados conlas aportaciones de Gay-Lussac y Avogadro.

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Faraday y el tubo de análisis de gases

1838

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William Crookes (1878)

• Los rayos catódicos:

Poseen masa.

Viajan en línea recta.

Son independientes delmaterialmaterial

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Joseph John Thomson (1897)

• Los rayos catódicos son partículascon carga y masa pequeñísima (quese encuentran en todos los átomos.

• Las partículas de los rayos catódicosno son indivisibles, puedenarrancárseles partículas de carganegativa.negativa.

• A estas partículas que llamóElectrones (nombre propuestooriginalmente por J. Stoney en1874), les asignó la misma masa.

• Los átomos están constituidos porelectrones que se mueven en unaesfera electrificada positivamente.

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El modelo de Budín con pasas

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Los rayos canales (positivos)

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Los rayos canales (positivos)

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Los rayos canales (positivos)

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Thomson recopila los datos de Goldstein

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El modelo de Budín con pasas y nueces

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• Sin embargo, los neutrones no fueron descubiertosexperimentalmente hasta 1932 por James Chadwick.

El modelo de Budín con pasas y nueces

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W. Roetgen y la chispa de suerte

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W. Roetgen y los rayos X

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Pierre y Marie Curie y los elementos radiactivos

Pierre Curie: Físico FrancésMarie Curie: Física y química Polaca

La familia Nobel

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Henry Becquerel

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Enrnest Rutherford (1911)

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El modelo nuclear planetario

Había varias cosas que no encajaban¿Porqué los e- no caen al núcleo?¿Porqué los elementos tienen espectrosde emisión característicos?w

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Espectroscopía de los átomos

ÁnodoÁnodo+-

ÁnodoÁnodo

CátodoCátodo

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El modelo cuántico de Bohr (1913)

Los electrones se mueven a lo largo de órbitasdefinidas por un determinado nivel energético.

Un átomo no emite ni absorbe energía mientras suselectrones se mantienen en sus respectivas órbitas.

Si el átomo es excitado en alguna forma, un electrónpuede saltar a un nivel mayor de energía, mientras queal regresar a la órbita en que se encontraba emiteenergía.

El electrón no puede detenerse entre estos nivelesestacionarios energéticos.

Lo cual explica el hecho de que los electrones no seprecipiten sobre el núcleo.w

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Aportaciones de Bohr

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Energía cuantizada

• En el modelo de Bohr la frecuenciade la radiación emitida esdeterminada por:

f = DE/h

h = constante de Plank =6.63 x 10-34

• El color (la amplitud y energía)• El color (la amplitud y energía)depende de la diferencia de energía(DE) entre los estados excitado ybasal del electrón.

• La transición electrónica en nivelespermitidos de energía condujo aexplicar la serie de Balmer y elespectro atómico de los elementos.

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Completando el espectro de emisión

A mayor distancia entre el Edo excitado y el basal…www.g

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Completando el espectro de emisión

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Arnold Sommerfeld (1916)

• “los electrones pueden moversealrededor del núcleo en órbitascirculares o elípticas”;

• “a partir del segundo nivel energético,existen dos o más subnivelesexisten dos o más subnivelesenergéticos”.

• “el electrón es en sí mismo una corrienteeléctrica minúscula”.

• Propuso el número cuántico secundario(Azimutal).

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Algunos aspectos centrales

• A medida que aumenta la carga nuclear y seagregan más electrones en los orbitalesexternos, los orbitales internos disminuyen sutamaño por la mayor atracción nuclear.

• Las interacciones electrostáticas determinan eltamaño (volumen y radio) de los átomos.tamaño (volumen y radio) de los átomos.

• Los e- no tienen rutas definidas o espaciosúnicos, entran y salen de varias regiones de lacorteza electrónica, siendo su sitio másprobable el orbital.

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Ejercicios prácticos y conceptuales

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¡Sorpresa!

El razonamientoEl razonamientoes mejor que la

memoria

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Utiliza la relación

La correcta comprensión de este tema es medular en el desarrollo de estecurso. Sus conceptos son clave para entender todos los campos de laquímica. w

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La Mecánica Cuántica (1920-1940)

En 1924 Louis de Broglie generó el concepto de “ondasmateriales”, donde proponía que:

“los electrones si son considerados como materia pueden tenertambién propiedades de onda al igual que la luz”.

Planteó que los electrones tienen masa y carga eléctricadeterminadas, pero además pueden comportarse como la luz ytener, por tanto, también un carácter ondulatorio.w

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Werner Heisenberg (1926 )

• Formuló el “Principio de Incertidumbre”:

• “sólo se puede determinar la probabilidad de que un electrón selocalice en una región del espacio o atmósfera electrónica”, pues…

• “entre más se conoce la velocidad de una partícula cualquiera,menos se conoce su posición”.

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Erwin Schrödinger (1927)

Orbital = REEMPE

Spin (P. A. M. Dirac)

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Orbitales s y p

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Orbitales d

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Orbitales f (7 orientaciones)

Orbital: Descripción probabilística, espacial, geométrico energética de los e-www.g

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Los números cuánticos

NúmeroCuántico

Indica Valores

Principal(n)

El Tamaño del orbital.Entre más grande es n, más extensoes el orbital y mayor la distancia alnúcleo.

Puede tener valores numéricos 1, 2, 3...Todos los orbitales con el mismo número cuántico principal forman unacapa electrónica o nivel principal que se denomina con una letra,principiando con la letra K.

Orbital

(l)La forma del orbital.Los “s” son esféricos.Los “p” son alargados y tienen dos

Cuando el número cuántico principal vale n, el número cuántico orbitalpuede valer 0, 1, 2... n-1. Por razones históricas el número l se indica conletras, la equivalencia es la siguiente:Los “p” son alargados y tienen dos

lóbulos.Los “d” y “f”, poseen formas máscomplejas. *Los orbitales híbridosposeen formas intermedias.

letras, la equivalencia es la siguiente:0 = s ; 1 = p; 2 = d; y 3 = f

“El conjunto de orbitales con el mismo valor de l de un nivel principal sellama subnivel..”

Magnético

(m)La orientación del orbital respecto aun posible campo magnético

Puede tomar los valores – l ...-1, 0, 1 ... l. Ejemplo: en los orbitales s, solohay un valor posible para m, m = 0 pues una esfera solo tiene unaorientación.

De Giro(s)

Se interpreta visualizando alelectrón como una esfera que girasobre sí, además de moversealrededor del núcleo.

Si el giro propio del electrón tiene la misma dirección que el giro alrededordel núcleo, entonces el giro vale ½, en caso contrario vale – ½.

Ejercicios con elementos de bloque s y pwww.g

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El número cuántico de giro

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El spin sólo se presenta en un campo magnético

+-

ÁnodoÁnodo

CátodoCátodo- CátodoCátodo

Este desplazamiento de las líneas espectrales observadas porZeeman son asociadas a cambios en los spin de los e-.

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¿Qué explica este cambio en el espectro de emisión del H?

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¿Qué es el spin?

Es una propiedad intrínseca de todaslas partículas subatómicas que sepresenta cuando existe un campoelectromagnético:

Suposiciones:1.- Consideremos al e- como unapartícula con un campo magnéticopropio.2.- Evaluemos su orientación dentro deun campo magnético

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¿Qué es el spin?

FotónFotón

El e- siempre tiene una carga negativa, pero se le asocia un momentoangular de spin. A la transición energética de una orientación a otra sele denomina energía de spin.w

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Conceptos derivados de la M. C.

• 1926: Principio de exclusión deWolfgang Pauli:“En un átomo no puede haber dos electrones con losmismos números cuánticos”.

• Configuración Electrónica basada enel principio de Aufbau (edificaciónel principio de Aufbau (edificaciónprogresiva) que se sustenta en:

a) Principio de Mínima Energíab) Principio de Máxima Sencillez (primero se

ocupan todos los electrones con s = + ½ (↑), que se van colocando en losorbitales vacíos de menor energía, y luego se completan con electrones s =- ½ (↓) para formar parejas).

c) Principio de Máxima Multiplicidad(“ningún orbital se llena antes que todos los orbitales precedentes delsubnivel estén ocupados”.w

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Conceptos derivados de la M. C.

• Kernel: toma como referencia la

configuración del gas noble máscercano al elemento en cuestiónque exhiba un número atómicomenor, y le añade los númeroscuánticos restantes para concluircuánticos restantes para concluircon el llenado de los orbitales.

• Ejemplo: S16 = (Ne10)3s2,3p4

• Ejercicios…www.g

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Tabla integrativaAportación Principal Conceptos derivados:

Leucipo yDemócrito

Concepto de átomo Parte indivisible

Dalton Primera Teoría atómicamoderna.

Molécula binaria.Peso específico.

Crookes Rayos catódicos Poseen masa y viajan en línea recta

Thomson Primer modelo atómico (budíncon pasas → pasas y nueces)

Electrón como primer partícula sub-atómica

A menos que sean disciplinados y revisen el discoperiódicamente conviene anotar esta tabla en la libreta.

Thomsoncon pasas → pasas y nueces)

Rutherford Modelo nuclear planetario El átomo es casi vacío, posee núcleo pequeñode protones y orbitas de electrones

Bohr Número cuántico principal (n,NCP)

Tamaño, energía y distancia definidas.

Sommerfeld Número cuántico secundario (l,NCS) azimutal

Existen subniveles de energía . Transición alconcepto de orbitalorbital.

Scrödinger Modelo de la MecánicaCuántica

Orbital definido por n, l, s y m.

Pauli Principio de exclusión. Todo electrón tendrá números cuánticosdiferentes.w

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Evolución del concepto de átomo y elemento

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El modelo atómico actual

¿Qué pasa con las otras partículas sub-atómicas?www.g

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El modelo atómico actual

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Los isotopos

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El isótopo más pesado tiene más neutrones

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No confundir términos

Fusión nuclear vs Fisión nuclearwww.g

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LOS MODELOS NO TERMINAN ALLÍHasta aquí lo de tu examen de ingreso a la unam, pero…

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Más allá de la Mecánica Cuántica

• El uso de cámaras de burbuja condujo aldescubrimiento de un zooimpresionante de partículas sub-atómicas.

• Las partículas subatómicas con carga• Las partículas subatómicas con cargapueden estudiarse a través del análisisde su trayectoria a través de fluídos queproducen burbujas en presencia de uncampo eléctrico.

• Las partículas podían generarse a travésde colisiones entre núcleos, neutroneso protones.

Historia:En 1934 los esposos Joliot-Curieproducen núcleos radiactivos.En 1937 se descubre el muón (m), unaespecie de electrón inestable.En 1947 se encuentran 2 pionesinestables cargados.En 1953 se descubre el Barion Ʌ y elMesón K.En 1956 se confirma la existencia delelectrón neutrino.w

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Más allá de la Mecánica Cuántica

• En la década de 1950, 60 y 70 se establecenlos 6 Quarkz nucleares y se descubre ademásgran cantidad de bariones, hadrones,neutrinos y mesones.

• Las nuevas partículas muestran propiedadesperiódicas, lo que conduce a plantear queperiódicas, lo que conduce a plantear queestán hechas de algo más pequeño.

• En 1983 se encuentran los bosones másgrandes W± y Z0.

• En 1995 se observa finalmente la existenciadel sexto Quark (top).

• En 1998 , se propone que los Rhizons(primario en Jidihs) componen los Quarkz ypor tanto son las partículas fundamentales.w

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En 1962 Gell Mann propone el modeloatómico basado en Quarkz

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El modelo atómico de Gell Mann

A = masa o peso atómico = masa o peso nuclear = p+ + nZ = número atómico = e- = p+w

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El modelo atómico actual

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El modelo atómico actual

¿Notas que hay anti-quarks?www.g

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¿Antimateria? ¿Existe? ¡Si!

¿Te interesa saber más? R = Estudia Química o Física.www.g

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Materia oscura ¿Existe? ¡Si!

• Se denomina materia oscura a al 90% de la materia que forma eluniverso.

• Es toda aquella que tiene uncomportamiento atípico a la materiaconocida.conocida.

• Sólo sabemos algo de ella en base asu interacción con cuerposmateriales.

• Hoyos negros, vacíos espectrales,materia desconocida.

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La Química es una ciencia viva

Al igual que la biología, la física, la matemática… la Química es perfectible

La pregunta con que comenzaron los griegos acerca de la existencia departículas fundamentales, mínimas o irrompibles sigue en el aire.

¿Existen los átomos como partículas realmente fundamentales o la ciencia noslimita y las particiones de la materia no dejarán de terminar?w

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