ATOMO Y ESTRUCTURA ATOMICA

ATOMO Y ESTRUCTURA ATOMICA

Conceptostomo es la porcin ms pequea de la materia. Los tomos estn formados por ncleos, de tamaos reducidos y cargados positivamente, que a su vez, estn compuestos por protones y neutrones, rodeado por una nube de electrones en movimiento, que se encuentran en la corteza. Tanto los protones como los electrones estn cargados elctricamente.

Electrn. Es una partcula elemental con carga elctrica negativa igual a 1,602 * 10-19 Coulomb y masa igual a 9,1093 * 10-28 g, que se encuentra formando parte de los tomos de todos los elementos.Neutrn. Es una partcula elemental elctricamente neutra y masa ligeramente superior a la del protn (mneutrn=1.675 10-24 g), que se encuentra formando parte de los tomos de todos los elementos.Protn. Es una partcula elemental con carga elctrica positiva igual a 1,602 * 10-19 Coulomb y cuya masa es 1837 veces mayor que la del electrn (mprotn=1.673 * 10-24 g). La misma se encuentra formando parte de los tomos de todos los elementos.

ConceptosNumero atmico (Z). Caracteriza cada elemento qumico, es tambin el nmero de protones del ncleo o para un tomo elctricamente neutro el nmero atmico coincide con el nmero de electrones. Los valores del numero atmico de los elementos que se encuentran en la naturaleza van desde 1 para el hidrogeno hasta el 94 para el plutonio.La masa atmica (A) de un tomo especfico se puede expresar como la suma de la masa de los protones y neutrones del ncleo. Aunque el nmero de protones es igual en todos los tomos de un mismo elemento, el nmero de neutrones puede variar.

Peso atmico. Corresponde al peso ponderado de las masas atmicas de los istopos, de acuerdo a la abundancia de cada istopo en la naturaleza. En un mol de una sustancia hay 6,023*10-23 (numero avogadro) tomos o molculas. Estas formas de expresar los pesos atmicos estn relacionadas como se indica: 1 uma/tomo (o molcula)+ 1 g/mol.

MODELO ATOMICO DE LA MECANICA ONDULATORIA

Mecnica cuntica y orbital atmicaEn el ao 1927, E.Schrdinger ( Premio Nobel de Fsica 1933), apoyndose en el concepto de dualidad onda-corpsculo enunciado por L.de Broglie (Premio Nobel de Fsica 1929) formula la Mecnica Ondulatoria, y W. Heisenberg ( Premio Nobel de Fsica 1932) la Mecnica de Matrices. Ambas mecnicas inician un nuevo camino en el conocimiento de la estructura atmica, y ampliadas por Born, Jordan, Dirac y otros han dado lugar a lo que actualmente se denomina Mecnica Cuntica.

El modelo de Schrdinger permite que el electrn ocupe un espacio tridimensional. Por lo tanto requiere tres nmeros cunticos para describir los orbitales en los que se puede encontrar al electrn. La descripcin del tomo mediante la mecnica ondulatoria est basada en el clculo de las soluciones de la ecuacin de Schrdinger (Figura 1); est es una ecuacin diferencial que permite obtener los nmeros cunticos de los electrones.En esta ecuacin:

es la llamada funcin de onda. Contiene la informacin sobre la posicin del electrn. Tambin se denomina orbital, por analoga con las rbitas de los modelos atmicos clsicos.El cuadrado de la funcin de onda | |2 es la llamada densidad de probabilidad relativa del electrn y representa la probabilidad de encontrar al electrn en un punto del espacio (x, y, z). E es el valor de la energa total del electrn.V representa la energa potencial del electrn un punto (x, y, z). Por tanto, E-V es el valor de la energa cintica cuando el electrn est en el punto (x, y, z).

Las soluciones, o funciones de onda, , son funciones matemticas que dependen de unas variables que slo pueden tomar valores enteros. Estas variables de las funciones de onda se denominan nmeros cunticos: nmero cuntico principal, (n), angular (l) y nmero cuntico magntico (ml). Estos nmeros describen el tamao, la forma y la orientacin en el espacio de los orbitales en un tomo.

El nmero cuntico principal (n) describe el tamao del orbital, por ejemplo: los orbitales para los cuales n=2 son ms grandes que aquellos para los cuales n=1. Puede tomar cualquier valor entero empezando desde 1: n=1, 2, 3, 4, etc.

El nmero cuntico del momento angular orbital (l) describe la forma del orbital atmico. Puede tomar valores naturales desde 0 hasta n-1 (siendo n el valor del nmero cuntico principal). Por ejemplo si n=5, los valores de l pueden ser: l= 0, 1 ,2, 3, 4. Siguiendo la antigua terminologa de los espectroscopistas, se designa a los orbitales atmicos en funcin del valor del nmero cuntico secundario, l, como:l = 0 orbital s (sharp), l = 1 orbital p (principal),l = 2 orbital d (diffuse)l = 3 orbital f (fundamental)

El nmero cuntico magntico (ml), determina la orientacin espacial del orbital. Se denomina magntico porque esta orientacin espacial se acostumbra a definir en relacin a un campo magntico externo. Puede tomar valores enteros desde -l hasta +l. Por ejemplo, si l=2, los valores posibles para m son: ml=-2, -1, 0, 1, 2.

El nmero cuntico de espn (s), slo puede tomar dos valores: +1/2 y -1/2

Capas y Subcapas principalesTodos los orbitales con el mismo valor del nmero cuntico principal, n, se encuentran en la misma capa electrnica principal o nivel principal, y todos los orbitales con los mismos valores de n y l estn en la misma subcapa o subnivel.El nmero de subcapas en una capa principal es igual al nmero cuntico principal, esto es, hay una subcapa en la capa principal con n=1, dos subcapas en la capa principal con n=2, y as sucesivamente. El nombre dado a una subcapa, independientemente de la capa principal en la que se encuentre, esta determinado por el nmero cuntico l, de manera que como se ha indicado anteriormente: l=0 (subcapa s), l=1 (subcapa p), l=2 (subcapa d) y l=3 (subcapa f).

El nmero de orbitales en una subcapa es igual al nmero de valores permitidos de ml para un valor particular de l, por lo que el nmero de orbitales en una subcapa es 2l+1. Los nombres de los orbitales son los mismos que los de las subcapas en las que aparecen.Orbitales Sorbitales porbitales dorbitales fl=0l=1l=2l=3ml=0ml=-1, 0, +1ml=-2, -1, 0, +1, +2ml=-3, -2, -1, 0, +1, +2, +3un orbital s en una subcapa stres orbitales p en una subcapa p cinco orbitales d en una subcapa d siete orbitales f en una subcapa f TOMOS MULTIELECTRNICOSConfiguraciones electrnicasEscribir la configuracin electrnica de un tomo consiste en indicar cmo se distribuyen sus electrones entre los diferentes orbitales en las capas principales y las subcapas. Muchas de las propiedades fsicas y qumicas de los elementos pueden relacionarse con las configuraciones electrnicas.

Esta distribucin se realiza apoyndonos en tres reglas: energa de los orbitales, principio de exclusin de Pauli y regla de Hund.

1. Energa de los orbitales. Los electrones ocupan los orbitales de forma que se minimice la energa del tomo. El orden exacto de llenado de los orbitales se estableci experimentalmente, principalmente mediante estudios espectroscpicos y magnticos, y es el orden que debemos seguir al asignar las configuraciones electrnicas a los elementos. La configuracin electrnica de los elementos se rige segn el diagrama de Moeller:

Para comprender el diagrama de Moeller se utiliza la siguiente tabla:

Empezando por la lnea superior, sigue las flechas y el orden obtenido es el mismo que en la serie anterior. Debido al lmite de dos electrones por orbital, la capacidad de una subcapa de electrones puede obtenerse tomando el doble del nmero de orbitales en la subcapa. As, la subcapa s consiste en un orbital con una capacidad de dos electrones; la subcapa p consiste en tres orbitales con una capacidad total de seis electrones; la subcapa d consiste en cinco orbitales con una capacidad total de diez electrones; la subcapa f consiste en siete orbitales con una capacidad total de catorce electrones.

Principio de Aufbau, del alemn Aufbau que significa 'construccin') Puede formularse como: slo se pueden ocupar los orbitales con un mximo de dos electrones, en orden creciente de energa orbital: los orbitales de menor energa se llenan antes que los de mayor energa.As, vemos que se puede utilizar el orden de energas de los orbitales para describir la estructura electrnica de los tomos de los elementos. Un subnivel s se puede llenar con 1 2 electrones. El subnivel p puede contener de 1 a 6 electrones; el subnivel d de 1 a 10 electrones y el subnivel f de 1 a 14 electrones.

Para determinar la configuracin electrnica de un elemento, basta con calcular cuntos electrones hay que acomodar y entonces distribuirlos en los subniveles empezando por los de menor energa e ir llenando hasta que todos los electrones estn distribuidos. Un elemento con nmero atmico mayor tiene un electrn ms que el elemento que lo precede. El subnivel de energa aumenta de esta manera: * Subnivel s, p, d o f: Aumenta el nivel de energa.

2. Principio de exclusin de Pauli.En un tomo no puede haber dos electrones con los cuatro nmeros cunticos iguales.

3. Regla de Hund.Al llenar orbitales de igual energa (los tres orbitales p, los cinco orbitales d, o los siete orbitales f) los electrones se distribuyen, siempre que sea posible, con sus espines paralelos, es decir, desapareados.Ejemplo:La estructura electrnica del N es: 1s2 2s2 2px1 2py1 2pz1