Unidad I Estructura atmica

Qumica, conceptos bsicos Modelos atmicos Configuracin electrnica

QumicaEstudio de la composicin, estructura y propiedades de la materia y de los cambios que en ella ocurren. Todos estos energa. cambios involucran

Cmo est conformada la materia?

Materia

Sustancias puras

Mezclas

Sustancias puras

Tienen una composicin o proporcin definida. Tienen el mismo porcentaje de cada uno de sus constituyentes, no importando de dnde se obtuvo.

Agua del deshielo o agua del Ocano Pacfico (una vez purificada). Oro del viejo oeste o de las minas.

Sustancias puras

Las sustancias puras son compuestos o elementos.

Elementos

Son sustancias puras que contienen un solo tipo tomo (ej: Cu, Zn), que puede encontrarse solo o forma de molcula (ej: H2, O2).

de en

No puede descomponerse en otra sustancia por mtodos qumicos simples. Zinc Cobre Plomo Azufre Carbono

Compuestos

Son sustancias constituidas por molculas de dos o mas elementos distintos (ej: H2O) que estn qumicamente unidos. Los compuestos no conservan las propiedades de sus elementos constituyentes.

Sodio Slido suave, brillante Buen conductor de electricidad Muy reactivo

Cloro Gas verdoso Venenoso Ms pesado que el aire

Cloruro de sodio Slido, blanco Soluble en agua Comestible

Compuestos

Cloruro de cobalto (II), Sulfato de hierro (II), Dicromato de potasio, Cromato de potasio, Nitrato de nquel (II), Sulfato de cobre (II)

Mezclas

Es un conjunto de dos o ms sustancias puras (elementos o compuestos), los cuales conservan su identidad y propiedades. Estas sustancias no estn unidas qumicamente y pueden separarse por medios fsicos. Existen mezclas homogneas (ej: soluciones) y heterogneas (ej: rocas).

Modelos Atmicos

Demcrito de Abdera(ca. 460-370 a.C.)

Filsofo griego, formul la idea de una partcula diminuta e indivisible de la cual esta formada la materia. Del griego tomo, indivisible.

tomos y seguir cortando Si tuvieras un pedazo de oro y lo pudieras dividir Oro

y luego cortar estos pedazos en pedazos ms pequeos

tomosy seguir y seguir tomo de oro

Eventualmente terminaras con una pieza de oro que si y seguir pudieras dividirla ya no tendras oro, sino algo ms. Esta pequea pieza de oro es un tomo, la partcula ms pequea de un elemento que conserva sus propiedades.

Teora atmica de Dalton (1766-1844)1. Los elementos estn formados por partculas discretas, diminutas, e indivisibles llamadas tomos, que permanecen inalterables en cualquier proceso qumico. 2. Los tomos de un mismo elemento son todos iguales entre s en masa, tamao y en cualquier otra propiedad fsica o qumica.

Teora atmica de Dalton (1766-1844)3. En las reacciones qumicas, los tomos slo cambian su distribucin en las sustancias.

Ley de las proporciones mltiples4. Cuando dos o ms tomos de diferentes elementos se combinan para formar un mismo compuesto lo hacen siempre en proporciones de masa definidas y constantes.

NaCl

H2O

tomos y molculas

Un tomo es la partcula ms pequea de un elemento que conserva las propiedades del mismo. Una molcula es la unidad mnima de un compuesto, que sigue conservando las propiedades de ste.Tres partculas: 2 tomos de hidrgeno 1 tomo de oxgeno Una partcula: 1 molcula de agua

Modelo atmico de ThomsonEn 1897 J.J. Thomson tuvo la primer pista de que los tomos estn formados por partculas ms pequeas.

Descubrimiento del electrn

Thomson utiliz tubos de rayos catdicos (vidrio con dos placas metlicas sometidas a corriente elctrica en los que encerraba un gas a muy baja presin). Cuando aplicaba voltaje entre las placas se produca una luminosidad en la pared opuesta al electrodo negativo. Dedujo que se emitan partculas cargadas negativamente.

Modelo atmico de Thomson

Supuso que las cargas negativas provenan de los tomos neutros, por lo que el tomo era divisible y contena partculas subatmicas a las que denomin corpsculos (ahora electrones). Calcul la relacin carga/masa del electrn. Tambin supuso que dado que el gas era neutro, el resto del tomo debera tener carga positiva y la mayor parte de la masa del tomo.

Experimento de Rutherford

En 1908, Rutherford realiz un experimento disparando un haz de partculas ( cargadas positivamente) a una hoja de oro muy delgada.

De acuerdo al modelo de Thompson, esperaba que las partculas sufrieran una pequea desviacin. Lo que observ fue que la mayora de las partculas positivas no sufrieron desviacin, algunas sufrieron una gran desviacin y algunas incluso rebotaban hacia la fuente.

Modelo atmico de Rutherford

El tomo es espacio fundamentalmente vaco formado por: Electrones girando a gran distancia del ncleo de masa muy pequea y carga elctrica negativa Ncleo que contiene casi toda la masa del tomo, de carga positiva. Rutherford postul la existencia de protones y neutrones. Determin que el tamao de radio del ncleo es 10000 veces mas pequeo que el del tomo.

Partculas subatmicasUn tomo consiste de un ncleo, constituido a su vez de protones y neutrones, y al rededor del ncleo se encuentran los electrones. Nube electrnica Ncleo

Partcula Protn (p+)

Masa (g) 1,673 x 10 1,675 x 10 9,110 x 10-24 -24 -28

Masa (UMA) 1 1 0 (5,486 x 10-4)

Carga elctrica +1,6 x 10-19 C 0 -1,6 x 10-19 C

Unidad de carga relativa 1+ 0 1-

Neutrn (n) Electrn (e-)

Nmero de masa y nmero atmico A Nmero de masa Z Nmero atmico A = p+ + n Z = p+ = e-

Smbolo del elemento

19

K :

N Protones 19 N Electrones 19 N Protones 17

1723 11

Cl :A = 23 Z = 11

N Electrones 17 A= p+ + n

Na

N Protones = 11 N Electrones =11 N Neutrones =12

24 12

Mg Cu

Protones 12 Protones 29

Neutrones 12 Neutrones 34

Electrones 12 Electrones 29

63 29

195 78107 47

Pt

Protones78 Protones 47

Neutrones117 Neutrones 60

Electrones78 Electrones 47

Ag

Pero, el modelo de Rutherford no puede funcionar La teora electromagntica clsica establece que, una carga elctrica acelerada irradia energa continuamente, luego la energa del electrn contina disminuyendo y el radio r se va haciendo cada vez menor

Hasta que el electrn cae sobre el ncleo!!!

Modelo atmico de Niels Bohr (1885-1962)

Discpulo de Rutherford Observ que, al pasar corriente elctrica a travs de hidrgeno, los tomos absorban y luego emitan energa, hechos que se observaban con un espectrmetro. El espectro resultante slo contena lneas discretas y no un espectro continuo.

Alto voltaje

H2

Espectro atmico

Propuso un nuevo modelo atmico, los electrones giran alrededor del ncleo en niveles energticos definidos. Las rbitas que describen los electrones son circulares.

1

2

3 4

Niveles de Energa n(Nmero cuntico principal)

Electrones externos: Tienen ms energa

Electrones internos: Tienen menos energa

Los electrones se encuentran en un estado basal o estacionario.

Cuando el tomo absorbe energa los electrones pasan a un estado excitado (a un mayor nivel energtico).

ABSORCIN de energa

Cuando el tomo emite o libera energa los electrones regresan a su estado basal (a un menor nivel energtico). Los electrones liberan o absorben energa slo en pequeos paquetes (cuantos o fotones), cantidades especficas, segn lo planteado por Planck.

EMISIN de energa

Serie Lyman hasta n=1: aparece en la zona ultravioleta del espectro. Serie Balmer hasta n=2: aparece en la zona visible del espectro. Serie Paschen n=3 Serie Bracket Aparecen en la zona infrarroja n=4 del espectro Serie Pfund n=5

Modelo atmico de Bohr

n=4 n=3 n=2E = Ef - Ei

Energa

n=1

Valor de los niveles energticosBohr estim una ecuacin con base al tomo de hidrgeno para calcular la energa de un nivel dado.En = -13.6 eV n2 Ejemplo: Para el nivel de energa 4, n =4 Para el nivel de energa 3, n = 3 E4 = -13.6 eV 42 E3 = -13.6 eV 32

Modelo cunticoPrincipio de Dualidad de De Broglie Los electrones, al igual que los fotones (cuantos de energa) se comportan como partculas (masa) y ondas (energa).

Principio de incertidumbre de Heisenberg.

..no se puede conocer la velocidad y posicin del electrn simultneamente..

Modelo cuntico

La ecuacin de onda, presentada en 1926 por Erwin Schrdinger, establece la relacin entre la energa de un electrn y la distribucin de ste en el espacio.

Modelo cunticoEste modelo es una solucin matemtica que estima la probabilidad de encontrar un electrn en cierta regin denominada orbital. El ncleo del tomo se encuentra dentro de una nube electrnica difusa.

Tarea No 1

Haz un resumen que explique los modelos atmicos (Grecia/Thompson/Rutherford/Bohr/cuntico), puedes utilizar dibujos/grficas. En tu resumen incluye semejanzas y diferencias entre los modelos y que experimento (si lo hubo) se us para llegar al modelo. Puedes hacerlo a mano o computadora, pero las grficas/dibujos tienes que hacerlos t mismo. Fecha de entrega: prxima clase (2/10). Mnimo 2 pginas, puedes usar papel de reciclaje (0.5/10). Se revisar ortografa y redaccin (0.5/10). Cita, al menos, 2 fuentes bibliogrficas (1/10).

Los nmeros cunticosPara determinar la posicin probable de un electrn en un tomo dependemos de la funcin de onda u orbital de Schrdinger que tiene cuatro variables.

Las variables de la funcin son Los NUMEROS CUANTICOS

Principal,

nIndica la energa de los orbitales

Secundario o azimutal,

Magntico,

Spin,

lIndica la forma de los orbitales

mIndica la orientacin espacial de los orbitales

sIndica el sentido de rotacin del electrn

Nmero cuntico principal, n

Indica el nivel principal de energa en el que se encuentra el electrn y toma los valores: n = 1, 2, 3, 4 Indica la distancia del electrn al ncleo del tomo Se puede visualizar como capas alrededor del ncleo

Nmero mximo de electrones por nivelNo mximo de electrones por nivel = 2(n)2 n = the principal quantum numberNmero mximo de electrones permitidos por nivel de energa principal Nivel de energa principal , n 1 2 3 4 5 Nmero mximo de electrones, 2n 2 2 ( 1 )2 = 2 2 ( 2 )2 = 8 2 ( 3 )2 = 18 2 ( 4 )2 = 32 2 ( 5 )2 = 50

Nmero mximo de electrones por nivelIndica el nmero de electrones presentes en cada nivel de energa principal de los elementos siguientes: a) Al

b) Cl c) N d) Mg e) S

Los subniveles de energa y el nmero cuntico

l

Schrdinger y Bohr, plantearon las Regiones espacio energticas de manifestacin probabilstica electrnica (REEMPE), que son subniveles de energa para cada nivel dado. El numero cuntico l determina la forma de la REEMPE.

l = 0, 1, 2, 3 (n-1)cada valor, representa una forma diferente de orbital y stas son s, p, d, f

Nmero cunticon1 2 3Orbital

l2n2

l

Valor (n 1)

l

N de electrones N de electrones Por orbital. Por nivel de energa 2(2

l + 1)2 2 6

s s ps P d s P d f

0 0 1

2 8

4

Orbital s

Orbitales p

Orbitales d

Nmero cuntico m

Es el nmero cuntico de orientacin o de impulso magntico. Se relaciona con el nmero de orientaciones espaciales del subnivel, toma los valores: m=

-l

hasta +l

Ejemplo: Para l =1,m puede tomar los valores -1, 0, 1

Nmero cuntico m

Para el caso de = 0 (orbital s), el numero m slo puede valer 0, es decir, slo una orientacin espacial. Para el caso de = 1 (orbital p ), m puede valer -1, 0 o 1, o sea tres posiciones espaciales: z x z x y y z x

l

l

y

m = -1

m=0

m=1

Nmero cuntico m

Para l = 2 (orbital d ), m vale -2, -1, 0, 1 2, es decir cinco posiciones espaciales:z x y z x y z x y z x y z x y

m = -2

m = -1

m=0

m=1

m=2

Nmero cuntico m

Para = 3 (orbital f ), m vale -3, -2, -1, 0, 1, 2 3, es decir siete posiciones espaciales:

l

m = -3

m = -2

m = -1

m =0

m =1

m =2

m =3

Nmero cuntico s

Describe la probabilidad de aceptacin de un electrn en un orbital, est relacionado con el giro del electrn, y adquiere slo dos valores: y .

Videos

http://www.youtube.com/watch?v=0UW90luAJE0

http://www.gobiernodecanarias.org/educacion/3/Usrn/lentiscal/1-CDQuimica-

Configuracin electrnicaEs la distribucin de los electrones dentro de un tomo, segn principios que la regulan :

Principio de Aufbau Principio de Exclusin de Pauli Principio de Mxima multiplicidad de Hund

Principio de AufbauLos electrones irn ocupando los niveles de ms energa en forma creciente, es decir, del ms bajo al ms alto.

Principio de mxima multiplicidad de HundDeber existir el mayor nmero de electrones desapareados posible.

Principio de exclusin de Pauli

No puede haber dos electrones con los mismos nmeros cunticos.

Ejemplos, configuraciones electrnicas11

Na

Configuracin electrnica para 11 electrones1s2 2s2 2p6 3s1

1s 2s

2p

3s

Ejemplos, configuraciones electrnicas11

Na

Configuracin electrnica para 11 electrones1s2 2s2 2p6 3s1

(1, 0, 0, +1/2) (2, 0, 0, -1/2)

1s 2s

(2, 1, -1, +1/2)

2p

3s

(2, 1, +1, -1/2) (3, 0, 0, +1/2)

Ejemplos, configuraciones electrnicasTitanio - 22 electrones 1s22s22p63s23p64s23d2

Bromo - 35 electrones 1s22s22p63s23p64s23d104s24p5

Ejemplos, configuraciones electrnicas

Z = 6 Z = 17 Z = 20 Z = 26 3d 6 Z = 35

Carbono Cloro Calcio Hierro Bromo

C: Cl : Ca:

1s 2 2s 2 2p 4 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 Fe: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s2

Br:

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 5

Solamente hay dos excepciones:

Z = 24 Z = 29

Cromo Cobre

Cr: Cu:

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 5 4s 1 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 1

http://www.dayah.com/periodic/

Referencias

Carolyn A. Lucas, Chemistry - Matter Unit, Yorktown, IL. Neil Rapp, Chemistry I, Atoms, Elements, and Ions, Chemistrygeek.com. J. Doblecki, History of the Atomic Model, Belmont Public Schools. Roman Garca, Teora Atmica, CIMAV. Anthony Pitucco, The Structure of the Atom. Magnolia Avils, Teora Atmica de Dalton. Investigating Atoms and Atomic Theory, Science Activities for Teachers, Jefferson Lab.

Coyle, The Bohr model and the Quantum Mechanical model, Tenafly Public Schools. Alcide De Gasrperi, Nmeros Cunticos, La Serena, Scuola Italiana. Gaurang Yodh, Our Quantum World, Wave Particle Duality of Nature, Physics and Astronomy, University of California Irvine