Estrucura Atomica Quimica General 2016

8/17/2019 Estrucura Atomica Quimica General 2016

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Estructura de la materia

• Platón y Aristóteles: la materia es continua.• Demócrito (470-370AC): la materia est !ormada

"or tomos ("art#cula indi$isi%le).

• Dalton (& '00):

- La materia esta formada por átomos.- Elementos diferentes están formados por átomos diferentes.- Los átomos no se crean ni se destruyen en las reaccionesquímicas.- Los átomos se combinan en proporciones diferentes paraformar compuestos.


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Estructura del tomo• *omson ('+,-'40): electrón ('7)• illi/an (',0 '+3): car1a del electrón• 2adiacti$idad (ecuerel).• *omson: modelo del %ud#n.

• 2ut*er!ord ('7'-'37): e5"erimento "articulas al!acontra una "laca de oro. odelo nuclear (''')

• 2ut*er!ord : "rotón• oseley: con di!racción de rayos 6 "rotón y

determina el 8 atómico• C*ad9ic/ ('3): %om%ardeo con "art#culas ;l!a -neutrón.


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Part#culas su%atómicas

Part#cula asa (uma) asa(1ramos)

Car1a<(culom%ios)

Electrón 0=000+4(+=4 '0-4)

='0+ '0- -'=, '0-'

Protón '=007 '=,7, '0-4 '=, '0-'

eutrón '=00,7 '=,7+0 '0-4

0

< '=, '0-' Culom%ios > ' unidad


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ama?o

@cleo


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Radiación electromagnéticaRadiación electromagnética (REM)(REM)

La radiación electromagnética es una clase de

energía que se transmite por el espacio a enormes

velocidades. Adopta muchas formas, siendo las

más fácilmente reconocibles la luz y el calorradiante. Otras menos evidentes son la radiación

gamma, de rayos , !", de microondas y de

radiofrecuencia


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La REM como ondasLa REM como ondas

La radiación electromagnética se representaadecuadamente como una combinación de un

campo eléctrico y otro magnético que están en

fase, con oscilaciones sinusoidales ortogonalesentre sí y respecto a la dirección de la

propagación.

Habitualmente se representa un rayo individual de

una REM polarizada en el plano.


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Ga luF como onda λ

λ: lon1itud deonda

c : $elocidad dela luF

c > =74+ × '0-

υ : !recuencia

υ> cH λ

Unidades


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En el vacío: c =

C= 2,99792 x1!

m"s

En el aire#

$= % x11

&m"s

Frecuencia:

ν= 1/pVelocidad:

vi= i

Nº de onda= 1/

Nº de onda= k

k= 1/v


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EspectroEspectro electromagnéticoelectromagnéticoLa radiación electromagn#tica recibe diferentes nombres de acuerdo a su longitud

de onda. "aría desde los energ#ticos rayos gamma $con del orden de picómetros% hasta las ondas de radio $con del orden de &ilómetros%, pasando

por la luz visible $con en el rango de las d#cimas de micrómetro%. El rango

completo de longitudes de onda es lo que se denomina el espectro

electromagnético.


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GJonda y "art#cula


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'nteracción de la luz con la materia'nteracción de la luz con la materia


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(ualidad onda)corp*sculo(ualidad onda)corp*sculo

(ependiendo del fenómeno estudiado, la radiación electromagn#tica se

puede considerar como una serie de ondas o como una corriente de partículas, llamadas fotones.

+aturaleza Ondulatoria e-plica fenómenos de interferencia y

difracción

+aturaleza orpuscular e-plica fenómenos de emisión y absorción de

energía.


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(ifracción de la radiación(ifracción de la radiación

La difracción es una propiedad ondulatoria. ualquier tipo de radiación

electromagn#tica manifiesta difracción. /s un procesos por el cual un haz

paralelo de radiación se curva cuando pasa por un obstáculo puntiagudo o unaabertura estrecha.

uandouando λ λ 0A la difracción es intensa0A la difracción es intensa


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Refracción de la RadiaciónRefracción de la Radiación

uando la radiación incide con un ángulo en la interfase entre

dos medios transparentes que tienen densidades diferentes, seobserva un cambio brusco de la dirección, del haz $refracción%,

como consecuencia de una diferencia de velocidades de la

radiación en estos dos medios.

grado de extensión

senθ 1 /senθ 2 = η 2 / η 1η 2 / η 1 = v1 /v2

Ley de 1nell


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2efle-ión de la 2adiación2efle-ión de la 2adiación


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Cuando la radiación electromagnética se

absorbe o se emite, ocurre una

transferencia permanente de energa al

medio absorbente o procedente del ob!etoemisor.

"ara describir estor fenómenos, #a$ que

tratar a la REM como un flu!o de

partculas discretas denominadas 'otones o

&uantos.

"ropiedades mec%nico & cu%nticas de la REM

)( )


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(ot)n(ot)n

El fotón tiene masa in'ariable igual a cero, $ se mue'e en el 'aco a la

'elocidad constante &. En presencia de materia la partcula puede ser

absorbida, transfiriendo energa $ momento proporcional a sufrecuencia.

La energía de un fotón depende solo de su frecuencia o, lo que es

equivalente de su longitud de onda .

/ 3hν = hc λ


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ependiendo del fenómeno estudiado, la radiación

electromagnética se puede considerar como una serie de

ondas o como un c#orro de partculas (fotones).

Esta dualidad ondacorp*sculo #ace que cada fotón tenga

una energa proporcional a la frecuencia de la onda

asociada, dada por la relación de "lanc+ E = * . E = * .

"ropiedades mec%nico & cu%nticas de la REM

h es la constante de Planck (6.626 × 10-34 J.s)


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/fecto fotoel#ctrico/fecto fotoel#ctrico

45ara cada sustancia hay una frecuencia mnima o umbral de la

radiación electromagn#tica por deba6o de la cual no se producenfotoelectrones por más intensa que sea la radiación.4La emisión electrónica aumenta cuando se incrementa la intensidad

de la radiación que incide sobre la superficie del metal, ya que hay

más energía disponible para liberar electrones.

/l proceso por el cual se liberan electrones de un material por la

acción de la radiación, se denomina efecto fotoeléctrico oemisión fotoel#ctrica. 1us características esenciales son


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Mediante una fuente de

potencial 'ariable, podemos

medir la energa cinética

m%-ima de los electronesemitidos.

plicando un diferencia∆$

entre las placas $ C se

frena el mo'. de losfotoelectrones emitidos.

"ara un 'olta!e $ determinado, el ampermetro no marca el paso de

corriente, lo que significa que ni a*n los electrones m%s r%pidos llegan ala placa C.

En ese momento, la energa potencial de los electrones se #ace igual a la

energa cinética.


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"ariando la frecuencia f , $o λ de

la radiación que ilumina la placa%

obtenemos un con6unto de valores

del potencial de detención V .Llevados a un gráfico obtenemos

una serie de puntos que se

apro-iman a una línea recta.

La ordenada en el origen mide la energía de arranque en electrón)voltios φ /e.

7 la pendiente de la recta es !/e. 8idiendo el ángulo de dicha pendiente yusando el valor de la carga del electrón e3 9.: 9;)9


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Absorción y /misión de /nergíaAbsorción y /misión de /nergía

E/ # ν

En & Em/ #ν

Absorción

En & Em/ #ν

/misión


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En & Em/ #ν

/misión estimulada

'nteracción entre un fotón y un átomo en estado de e-citación. /l átomo

pasa a su estado fundamental emitiendo en el proceso un fotón que tiene

las mismas características de dirección y de fase que el fotón primario.


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Espectros atómicosEspectros atómicos

1e llama espectro atómico de un elemento químico al

resultado de descomponer una radiación electromagn#ticacomple6a en todas las radiaciones sencillas que la componen,

caracterizadas cada una por un valor de longitud de onda, λ.

/l espectro consiste en un con6unto de líneas paralelas, que

corresponden a cada longitud de onda.

5odemos analizar la radiación que absorbe un elemento

$espectro de absorción% o la radiación que emite $espectro de

emisión%. ada elemento tiene un espectro característico= por

tanto, un modelo atómico debería ser capaz de 6ustificar el

espectro de cada elemento


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Kirchhoff en sus investigaciones llegó a la deducción que


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Kirchhoff, en sus investigaciones llegó a la deducción, que

en las muestras de los espectros que brillaban

intensamente, era factible identificar a los elementos que

representaban y que las líneas oscuras de los espectros

estelares correspondían a componentes químicos del gasque rodea a las estrellas.

Kirchoff. Todo elemento absorbe radiación en las

mismas longitudes de onda en las que la emite.


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Espectro 'isible

Espectro de emisión del %tomo de #idrógeno en el 'isible

Espectro de absorción del %tomo de #idrógeno en el 'isible


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Es"ectros de l#neas

• 1885. Balmer encontró ue las l#neas en la re1ión $isi%le deles"ectro del hidr!eno res"onden a la si1uiente ecuación:

• Posteriormente Gyman 1eneraliFó esta e5"resión:

• Donde 2K es la constante de 2yd%er1 (3= '0'+ KF)• n' y n son n@meros naturales y distintos de cero (n L n').

)

n

1 -

2

1(R-

22H=ν

)n

1 -

n

1(R

22

21

H=ν )22n

1 -

21n

1( HR-=E


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"s#ectro de emisin de di$erentes %tomos

Gos es"ectros y el modelo atómico de o*r


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Gos es"ectros y el modelo atómico de o*r(''3)

• 2ut*er!ord asumió ue los electrones estn en ór%itasalrededor del n@cleo (modelo "lanetario). Este modelo noe5"lica los es"ectros de l#neas.

• o*r considerando el conce"to de cuantiFación dela ener1#a "ro"one un nue$o modelo:

- los electrones descri%en ór%itas circularesalrededor del [email protected] solamente estn "ermitidas ciertas ór%itas.- los electrones no emiten ni a%sor%en radiación

mientras se encuentren en una ór%ita "ermitida.Bólo *ay emisión o radiación cuando el electróncam%ia de una ór%ita a otra "ermitida.


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Emisión de ener1#a

/9

/>

/?

Cam%io de ener1#a en el tomo∆E > EMnal - Einicial > E'-E

∆E N 0El tomo "ierde ener1#a

Ener1#a del !otón emitido

E!otón > O ∆EO > *υ

A%sorción de ener1#a

/9

/>

/?

Cam%io de ener1#a en el tomo

∆E > EMnal - Einicial > E3-E∆ E L 0El tomo 1ana ener1#a

Ener1#a del !otón a%sor%ido

E!otón > ∆E > *υ

QuI "asa si E!otón ≠ ∆ ER

.ayores

ta%ilidad

.ayorener1#a


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• Como la ener1#a est cuantiFada= la luFemitida o a%sor%ida "or un tomo a"arece

en el es"ectro como una l#nea.• Bi1uiendo una deducción matemtica o*rlle1a a la conclusión ("ara *idró1eno):

• n es el n@mero de ór%ita (n@mero cuntico

"rinci"al).n es natural (n>'= = 3= S)

( ) ×−= −

>9@ 99;9@.>

n E


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• Ga "rimer ór%ita en el modelo de o*r

corres"onde a la ór%ita con n>'. Es la mscercana al n@cleo.• Gos electrones en el modelo de o*r sólo se

"ueden mo$er entre ór%itas emitiendo o

a%sor%iendo ener1#a (cuantiFada)• Como se mencionara= la cantidad de ener1#aa%sor%ida o emitida durante el mo$imientode un electrón entre ór%itas est dada "or:

ν=−=∆ ! E E E i f


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T entonces:

Bi ni L nf = emisión de ener1#a.Bi nf L ni= a%sorción de ener1#a

( )

−×−===∆ −22

18 11J1018.2

i n

f n

hchE

λ ν


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Gimitaciones del modelo deo*r

• Bólo e5"lica satis!actoriamente el es"ectrodel *idró1eno (e iones *idro1enoides= 'electrón).

l i d l i


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El com"ortamiento ondulatoriodel electrón

• Considerando las ecuaciones de Einstein y Planc/=Gouise de ro1lie ('4) demostró:

de ro1lie re@ne los conce"tos de onda y de "art#cula

"v

!=λ

El "rinci"io de incertidum%re


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El "rinci"io de incertidum%re

• Al considerar "art#culas con masas muy "eue?as(escalas atómicas) no es "osi%le determinar consuMciente "recisión y simultneamente su "osición ysu $elocidad (Keisem%er1 '7).

o tiene sentido descri%ir el com"ortamiento delelectrón

en torno al n@cleo con las leyes de la mecnicaclsica.

Kay ue considerar su com"ortamiento como onda.

π 4·

hmv x

≥∆∆

Ga ecuación de Bc*rUdin1er


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Ga ecuación de Bc*rUdin1er• Es una ecuación ue incluye las com"onentes

ondulatorias. Elmo$imiento deuna onda se descri%ematemticamente mediante una ecuación ue sedenomina ecuación de onda.

• Bc*rUdin1er descri%ió el com"ortamiento del electrón1irando alrededor deln@cleo como una onda y "lanteó la

ecuación de onda.• Al resol$er matemticamente esta ecuación se o%tienen

distintas soluciones (estados del sistema).

• Para el tomo de *idró1eno e5isten inMnitas soluciones de

la ecuación de onda (inMnitos estados o estadoselectrónicos del sistema). Cada estado electrónico estcaracteriFado "or 4 n@meros= los n@meros cunticos:

n= l= ml= ms


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@meros cunticos

r%ital

Gos n@meros cunticos estn relacionados don distintas "ro"iedadesde los estados electrónicos.

Ga solución de la ecuación de Bc*rUdin1er muestra ue "ara el tomode *idró1eno el estado caracteriFado "or el conVunto (n= l= ml= ms)tiene una ener1#a dada "or:

•n: "rinci"al '= = 3=...= ∞.•l: aFimutal 0= '=...= n-'.•ml: ma1nItico l= -lW'=...= l-'= l.•ms: s"in 'H= W'H.

hidrógeno)el(paranR-E

2

H=


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r%itales

s (l>0)

%it l (l ')


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r%itales " (l>') ml (-'X 0X ')

r%itales d


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l

ml


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( ) ×−= −

2

1 11!1.2n

E J


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Ytomos "olielectrónicos

• odelo del cam"o medio: car1a nucleare!ecti$a.

• Ga car1a nuclear e!ecti$a es la car1a

e5"erimentada "or un electrón en untomo "olielectrónico.• Ga car1a nuclear e!ecti$a no es la misma

ue la car1a del n@cleo "or el e!ecto de losotros electrones.

• Gos electrones estn atraidos "or el n@cleo=


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""ero re"elidos "or otros electrones.

• Ga car1a nuclear e!ecti$a e5"erimentada "or

un electrón de"ende de su distancia al n@cleoy del n@mero de electrones del core.

Elemento

e!ecti$o<('s)

e!ecti$o<(s)

e!ecti$o<

(")

K (>') '=00

Ke

(>)

'=,

Gi (>3) =,' '=7

(>+) 4=,0 =+7, =4'< Calculado "or re1las de Blater


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ConM1uración electrónica

&on'!racin electrnicaindica en uI or%itales se encuentran los electrones.Princi#io de Pali

Zen un tomo no "uede *a%er dos electrones con los

4 n@meros cunticos i1uales[.e!la de *nd Zcuando se a1re1an electrones a una su%ca"a a

medio llenar= la conM1uración ms esta%le esauella ue tiene el mayor n@mero de e-

desa"areados[.


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