Teoría cuántica y la estructura electrónica de los átomos
Unidad 5
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Max Planck: Revolucionó el concepto de física
Descubrió que las propiedades de los átomos y de las moléculas no son gobernadas por las mismas leyes físicas que rigen para los objetos
Planck realizó un experimento en donde examinó los datos de la radiación que emitían los sólidos calentados a diferentes temperaturas
Descubrió que los átomos y las moléculas emiten energía solo en cantidade discretas o cuantos
Propiedades de las Ondas
Qué es una onda?Es una alteración vibrátil mediante la cual se transmite energía
Propiedades de las ondas
Longitud de onda () es la distancia entre puntos idénticos de ondas sucesivas.
Amplitud es la distancia vertical de la línea media a la cresta o al vallle de la onda.
7.1
H2
Longitud de Onda
Amplitud Dirección de propagación
de onda
Longitud de onda
Longitud de onda
Amplitud
Amplitud
Propiedades de las ondas
Frecuencia () es el número de ondas que atraviesan un punto particular en 1 segundo (Hz = 1 ciclo/s).
La velocidad o rapidez (u) de la onda = x 7.1
Longitud de onda
Radiación electromagnética
Las ondas electromagnéticas son todas aquellas ondas que componen la luz visible
Onda electromagnétiva
Componente de campo eléctrico
Componente de campo magnético
Misma longitudMisma frecuenciaMisma velocidad
Viajan en planos perpendiculares
Maxwell (1873), propusó que la luz visible consiste en ondas electromagnéticas.
Radiación electromagnética es la emisión y transmisión de energía en la forma de ondas electromagnéticas.
La velocidad de luz (c) en el vacío = 3,00 x 108 m/s
Toda radiación electromagnética * c
7.1
Componente del campo eléctrico
Componente del campo magnético
Rapidez con que viaja la onda electromagnética
7.1
Rayos X Lámparassolares
Hornos de microondas,radar policiaco,estaciones de satélite
Lámparasincandes-centes
TV UHF,teléfonoscelulares
Radio FM.TV VHF
Radio AM
Ondas de radioMicroondasInfrarrojoUltravioletaRayos XRayos
gammaTipo de radiación
Frecuencia (Hz)
Longitud de onda (nm)
Espectro electromagnético
Se debe al movimiento de los electrones en los átomos y moléculas
Se forman durante los cambios ocurridos dentro del núcleo
Se transmiten mediante antenas de telecomunicaciones
x = c = c/ = 3.00 x 108 m/s / 6.0 x 104 Hz = 5.0 x 103 m
onda radiofónica
Un fotón tiene una frecuencia de 6,0 x 104 Hz. Al convertir esta frecuencia en longitud de onda (nm). ¿Hace esta frecuencia caer en la región visible?
= 5.0 x 1012 nm
7.1
Radio FM.TV VHF
Radio AM
onda radiofónica
Teoria cuantica de Planck
Descubrió que cuando los sólidos se someten a calentamiento emiten radiación electromagnética que abarca una aplia gamma de longitudes de onda
Tugsteno, luz blanca
Sodio, Luz amarilla
La energía (luz) es emitida o absorbida en unidades discretas (cuanto). E = h *
Constante de Planck (h)h = 6,63 x 10-34 J•s
7.1
Descubrió que la energía radiante que emitía un objeto a cierta temperatura dependía de su longitud de onda
Asumía que los átomos y moléculas em/ab cualquier cantidad de energía radiante
Los átomos y las moléculas em/ab energía solo en cantidades discretas
Cuanto es la mínima cantidad de energía que puede ser emitida en forma de radiación electromagnética
E = h * c/λ
A mayor longitud, menor energía
Efecto fotoeléctrico Einstein en 1905
7.2
Es un fenómeno en el que los electrones son expulsados desde la superficie de un metal, el cual se ha expuesto a la luz de almenos determinada energía
Los electrones estan unidos por fuezas de atracción en el metal, por lo que para emitirlos se requiere que la luz posee una energía mínima. A esa energía se le conoce como energía umbral
Si la energía que se aplica es igual a la energía de enlace entonces se produce la liberación de electrones
La luz tiene ambos: 1. naturaleza de onda2. naturaleza de partícula
h = KE + w
Efecto fotoeléctrico Einstein en 1905
Fotón es una “partícula” de luz
h
KE e-
7.2
Luzincidente
Fuentede voltaje
Detector
E = h *
E = 6,63 x 10-34 (J•s) x 3,00 x 10 8 (m/s) / 0,154 x 10-9 (m)
E = 1,29 x 10 -15 J
E = h * c /
7.2
Cuando el cobre se bombardea con electrones de alta-energía, se emiten rayos X. Calcule la energía (en joules) asociada con los fotones si la longitud de onda de los rayos X es 0,154 nm.
Espectros de emisión: Son espectros contínuos o de líneas de radiante emitida por las sustancias
Espectros de emisión de los sólidos
Espectros de emisión de los átomos en estado gaseoso
7.3
Línea del espectro de emisión de átomos de hidrógeno
Placa fotográfica
Colimador
PrismaEspectro
delíneas
Luz separada envarios
componentes
Tubo de descarga
Altovoltaje
Teoría de Bohr: Explicación del espectro de emisión del átomo de hidrçogeno
Átomo: Una unidad donde los electrones giran alrededor del núcleo a gran velocidad en orbitales circulares
La aceleración del electrón hacia el núcleo provocaría la destrucción del electrón y del protón
Bohr: La energía del electrón esta cuantizada
Se produce la emisión de radiación de un átomo energizado debido a la caída del electrón de una orbita superior a una orbita inferior
7.3
Pectro de líneas brillantes
Metalesalcalinos
(monovalentes)
Elementosalcalino-térreos
(divalentes)
Metales(divalentes)
Litio(Li)
Sodio (Na)
Potasio(K)
Calcio(Ca)
Estroncio (Sr)
Bario(Ba)
Cadmio(Cd)
Mercurio(Hg)
Hidrógeno(H)
Helio(He)
Litio(Li)
1. e- sólo puede tener valores de energía específicos (cuantizadas)
2. la luz se emite como movimientos de e- de un nivel de energía a una energía de más bajo nivel
Modelo del átomo de Bohr (1913)
En = -RH ( )1n2
n (número cuántico principal) = 1,2,3,…
RH (constante de Rydberg) = 2.18 x 10-18J7.3
Fotón
E = h
E = h
7.3
La energía radiante que absorbe el átomo hace que su elección pase de un estado de energía más bajo a otro estado de mayor energía
Efotón = E = Ef - Ei
Ef = -RH ( )1n2
f
Ei = -RH ( )1n2
i
i fE = RH( )
1n2
1n2
nf = 1
ni = 2
nf = 1
ni = 3
nf = 2
ni = 3
7.3
Series de Brackett
Series de Paschen
En
erg
ía
La cantidad de energía necesaria para mover un electrón depende del estado inicial y del estado final
Efotón = 2.18 x 10-18 J x (1/25 - 1/9)
Efotón = E = -1.55 x 10-19 J
= 6.63 x 10-34 (J•s) x 3.00 x 108 (m/s)/1.55 x 10-19J
= 1280 nm
Calcule la longitud de onda (en nm) de un fotón emitido por un átomo de hidrógeno durante la transición de su electrón del estado n = 5 al estado n = 3 .
Efotón = h x c /
= h x c / Efotón
i fE = RH( )
1n2
1n2
Efotón =
7.3
Efotón = E = Ef - Ei
Ef = -RH ( )1n2
f
Ei = -RH ( )1n2
i
i fE = RH( )
1n2
1n2
nf = 1
ni = 2
nf = 1
ni = 3
nf = 2
ni = 3
7.3
Series de Brackett
Series de Paschen
En
erg
ía
La cantidad de energía necesaria para mover un electrón depende del estado inicial y del estado final
De Broglie (1924) razonó que el e- es partícula y onda.
2r = n = h/mu
u = velocidad del e-
m = masa del e-
¿Por qué es cuantizada la energía del e-?
7.4
= h/mu
= 6.63 x 10-34 / (2.5 x 10-3 x 15.6)
= 1.7 x 10-32 m = 1.7 x 10-23 nm
¿Cuál es la longitud de onda de De Broglie (en nm) relacionada con una pelota de Ping-pong de 2.5 g viajando a 15.6 m/s?
m en kgh en J•s u en (m/s)
7.4
¿Cómo se podía predecir la posición de una onda?
7.5
Heisenberg: Formuló una teoría, que se le conoce como el principio de incertidumbre de Heisenberg
Es imposible conocer con certeza el momento (m*v) y la posición de la partícula simultáneamente
Electrón no viaja en una órbita alrededor del núcleo con una trayectoria bien definida (Bohr)
Ecuación de la onda de SchrodingerEn 1926 escribió una ecuación que describió el comportamiento la partícula y naturaleza de la onda del e –
La función de la onda () describe: 1. la energía del e- con un dado2. la probabilidad de encontrar el e- en un volumen del espacio
Densidad electrónica: Da la probabilidad de encontrar un electrón en cierta región del átomo .
7.5
Se dió inicio a la nueva era de la física y la química, ya que dió inicio a un nuevo campo: La mecánica cuantica
Ecuación de la onda de Schrodinger
fn(n, l, ml, ms)
7.6
Describen la distribución de los electrones en los átomos
Son 4
Principal
Momento angular
Magnético
Espín
Describen orbitales
Identifican electrones
Comportamiento del electrón
Ecuación de la onda de Schrodinger
número cuántico principal n
n = 1, 2, 3, 4, ….
n=1 n=2 n=3
7.6
distancia del e- de los núcleos y la energía del orbital
la densidad del e- (orbital 1s) cae rápidamente al aumentar la distancia del núcleo
Donde 90% de la densidade- se encuentra por el orbital 1s
7.6
Distancia delnúcleo
Den
sida
d de
l ele
ctró
n
= fn(n, l, ml, ms)
número cuántico del momento angular l
Depende del valor de n, l = 0, 1, 2, 3, … n-1
n = 1, l = 0n = 2, l = 0 o 1
n = 3, l = 0, 1, o 2
La forma del “volumen” de espacio que ocupa el e-
l = 0 orbital sl = 1 orbital pl = 2 orbital dl = 3 orbital f
Ecuación de la onda de Schrodinger
7.6
l = 0 (orbitales s)
l = 1 (orbitales p)
7.6
l = 2 (orbitales d)
7.6
= fn(n, l, ml, ms)
número cuántico magnético ml
Depende de lml = -l, …., 0, …. +l
Describe la orientación del orbital en el espacio
Sí l = 1 (orbital p ), ml = -1, 0, 1Sí l = 2 (orbital d ), ml = -2, -1, 0, 1, 2
Ecuación de la onda de Schrodinger
7.6
2l + 1; número posible de orbitales
= fn(n, l, ml, ms)
número cuántico del spin msPeq imanes, giran dependiendo del campo magnético que se le aplique
ms = +½ o -½
Ecuación de la onda de Schrodinger
ms = -½ms = +½
7.6
HornoRayo de átomos
Pantalla colimadora
Imán
Pantalla detectora
La mitad de los e- giran a favor y la otra mitad en contra
Configuración electrónica
7.6
En el átomo de hidrógeno, el electrón puede ocupar el orbital 1s (estado fundamental) o encontrarse en algún orbital de mayor energía (estado excitado)
1s< 2s=2p< 3s=3p=3d< 4s=4p=4d=4f
El núcleo atrae con más fuerza al electrón del orbital 1s que al del 4s.
H la energía del electrón depende de nÁtomos polielectrónicos la energía del electrón depende de n y l
Configuración electrónica
7.6
La manera en que están distribuidos los electrones entre los distintos orbitales atómicos
Se pueden utilizar dos sistemas
Sistema nlx Diagrama de orbitáles
Principio de exclusión de Pauli: dos electrones en un átomo no pueden tener los mismos cuatro números cuánticos.
7.6
O sea que sólo dos electrones pueden coexistir en el mismo orbital atómico y deben tener espines opuestos
Ej. He configuración 1s2
____ _____ _____ 1s2 1s2 1s2
Diamagnético: Contienen espines apareados y son repelidos ligeramente por un imán
7.6
Ej. Li configuración 1s2 2s1
___ ____ 1s2 2s1
Paramagnético: Contienen espines no apareados y son atraídos por un imán
NOTA: Cualquier átomo que tiene un número impar de elctrones es paramagnético
Efecto pantalla en los átomos polielectrónicos
2s se encuentra en un nivel de energía menor que el 2p
El orbital 2s es más penetrante que el orbital 2 p, el cual esta menos apantallado por los electrónes de los orbitales 1s
Para el mismo número cuantico principal n, el poder de penetración disminuye con el aumento del número cuantico del momento angular l
Resumen
Cada nivel n tiene x subniveles. N=2 l = 0 y 1
Cada subnivel l tiene 2l+1 orbitales p=l=1, 3 orbitales
Cada orbital admite un máximo de 2e-
El número de electrones que puede tener el nivel principal es 2n2
¿Cuántos orbitales 2p están ahí en un átomo?
2p
n=2
l = 1
Si l = 1, entonces ml = -1, 0, o +1
3 orbitales
¿Cuántos electrones pueden colocarse en el subnivel 3d?
3d
n=3
l = 2
Si l = 2, entonces ml = -2, -1, 0, +1, o +2
5 orbitales que pueden admitir un total de 10 e-
7.6
“Llenar” electrones en orbitales de energía más baja (Principio de Aufbau)
H 1 electrón
H 1s1
He 2 electrones
He 1s2
Li 3 electrones
Li 1s22s1
Be 4 electrones
Be 1s22s2
B 5 electrones
B 1s22s22p1
C 6 electrones? ?
7.7
Ene
rgía
C 6 electrones
La distribución de electrones más estable en los subniveles es la que tiene el mayor número de espines paralelos (regla de Hund).
C 1s22s22p2
N 7 electrones
N 1s22s22p3
O 8 electrones
O 1s22s22p4
F 9 electrones
F 1s22s22p5
Ne 10 electrones
Ne 1s22s22p6
7.7
Ene
rgía
El orden de (llenando) de orbitales en un átomo polielectrónico
1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s7.7
¿Cuál es la configuración electrónica del K?
¿Cuál es la configuración electrónica del Ar?
Configuración electrónica abreviada, se representa por el núcleo del gas noble
¿Cuál es la configuración electrónica del Mg?
Mg 12 electrones
1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s
1s22s22p63s2 2 + 2 + 6 + 2 = 12 electrones
7.7
Abreviado como [Ne]3s2 [Ne] 1s22s22p6
¿Cuáles son los números cuánticos posibles para el último (externo) electrón en Cl?
Cl 17 electrones 1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s
1s22s22p63s23p5 2 + 2 + 6 + 2 + 5 = 17 electrones
En último electrón sumado al orbital 3p
n = 3 l = 1 ml = -1, 0, o +1 ms = ½ o -½
Subnivel externo que se llena con electrones
7.8
¿Cuál es la configuración electrónica del Cr?
¿Cuál es la configuración electrónica del Cu?
Irregularidades
Hay una mayor estabilidad al tener los subniveles d casi llenos o llenos
Para los elementos A (Z = 45) y B (Z = 98) indica la posición que ocupan en la tabla periódica, grupo y periodo, y cuáles son sus configuraciones electrónicas fundamentales.
Para los elementos A (Z = 45) y B (Z = 98) indica la posición que ocupan en la tabla periódica, grupo y periodo, y cuáles son sus configuraciones electrónicas fundamentales.
Configuraciones electrónicas de cationes y aniones
de elementos representativos
La reactividad química de los elementos está determinada en gran parte por sus electrones de valencia
Son los electrones que ocupan el nivel de energía externo
Electrones internos
+1
+2
+3 -1-2-3
Cationes y aniones de elementos representativos
8.2
Configuraciones electrónicas de cationes y aniones
Na [Ne]3s1 Na+ [Ne]
Ca [Ar]4s2 Ca2+ [Ar]
Al [Ne]3s23p1 Al3+ [Ne]
Los átomos pierden electrones para que el catión tenga la configuración electrónica externa de un gas noble.
H 1s1 H- 1s2 or [He]
F 1s22s22p5 F- 1s22s22p6 o [Ne]
O 1s22s22p4 O2- 1s22s22p6 o [Ne]
N 1s22s22p3 N3- 1s22s22p6 o [Ne]
Los átomos ganan electrones para que el anión tenga una configuración electrónica externa de un gas noble.
de elementos representativos
8.2
Na+: [Ne] Al3+: [Ne] F-: 1s22s22p6 o [Ne]
O2-: 1s22s22p6 o [Ne] N3-: 1s22s22p6 o [Ne]
Na+, Al3+, F-, O2-, y N3- son todos isoelectrónicos con Ne
¿Qué átomo neutral es isoelectrónico con H- ?
H-: 1s2 La misma configuración electrónica que He
8.2
Tienen igual número de electrónes y la misma configuración electrónica en estado fundamental
Configuración electrónica de cationes de metales de transición
8.2
Cuando un catión se forma de un átomo de un metal de transición, los electrones que siempre se pierden primero son los del orbital ns y después los de los orbitales (n–1)d.
Fe: [Ar]4s23d6
Fe2+: [Ar]4s03d6 o [Ar]3d6
Fe3+: [Ar]4s03d5 o [Ar]3d5
Mn: [Ar]4s23d5
Mn2+: [Ar]4s03d5 o [Ar]3d5