UNIDAD 5 TEORIA ATOMICA

Teoría atómica

Varios átomos y moléculas según John Dalton, en su libro A New System of Chemical Philosophy (Nuevo Sistema de Filosofía Química, 1808).

En química y física, la teoría atómica es una teoría de la naturaleza de la materia, que afirma que está compuesta por pequeñas partículas llamadas átomos, en contraposición a la creencia antigua de que la materia se podía dividir en cualquier cantidad arbitrariamente pequeña.

La teoría atómica comenzó hace miles de años como un concepto filosófico, y fue en el siglo XIX cuando logró una extensa aceptación científica gracias a los descubrimientos en el campo de la estequiometría. Los químicos de la época creían que las unidades básicas de los elementos también eran las partículas fundamentales de la naturaleza y las llamaron átomos (de la palabra griega atomos, que significa "indivisible"). Sin embargo, a finales de aquel siglo, y mediante diversos experimentos con el electromagnetismo y la radiactividad, los físicos descubrieron que el denominado "átomo indivisible" era realmente un conglomerado de diversas partículas subatómicas (principalmente electrones, protones y neutrones), que pueden existir de manera separada. De hecho, en ciertos ambientes, como en las estrellas de neutrones, la temperatura extrema y la elevada presión impide a los átomos existir como tales. El campo de la ciencia que estudia las partículas fundamentales de la materia se denomina física de partículas.

Atomismo filosófico

Hasta comienzos del siglo XIX, la teoría atómica era principalmente filosófica y no estaba fundada en la experimentación científica. Las primeras teorías conocidas se desarrollaron en la Antigua India en el siglo VI a. C. por filósofos hindúes y budistas. El primer filósofo que formuló ideas sobre el átomo de una manera sistemática fue Kanada. Otro filósofo indio, Pakudha Katyayana, que también vivió en el siglo VI a. C.

Demócrito y Leucipo, dos griegos del siglo VI a. C. Los griegos creían que todos los átomos estaban hechos del mismo material pero tenían diferentes formas y tamaños, que eran los factores que determinaban las propiedades físicas del material. Por ejemplo, ellos creían que los átomos de un líquido eran lisos, lo que les permitiría deslizarse uno sobre otro.Según esta línea de pensamiento, el grafito y el diamante estarían compuestos por dos tipos diferentes de átomos, si bien hoy sabemos que son dos isómeros del carbono.

Durante el siglo XII (en plena Edad de Oro Islámica), los atomistas islámicos desarrollaron teorías atómicas que eran una síntesis del atomismo griego y el indio. Desarrollaron y profundizaron en las antiguas ideas griegas e indias y aportaron otras nuevas, como la posibilidad de que existiesen partículas más pequeñas que un átomo. Al mismo tiempo que la influencia islámica empezaba a extenderse por Europa, las ideas atómicas islámicas, junto con las griegas e indias, comenzaron a difundirse por toda Europa a finales de la Edad Media.

Teoría atómica moderna

Nacimiento de la teoría atómica moderna

En los primeros años del siglo XIX, John Dalton desarrolló su teoría atómica, en la que proponía que cada elemento químico estaba compuesto por átomos iguales y exclusivos, y que aunque eran indivisibles e indestructibles, se podían asociar para formar estructuras más complejas (los compuestos químicos). Esta teoría tuvo diversos precedentes.

El primero fue la ley de conservación de la masa, formulada por Antoine Lavoisier en 1789, que afirma que la masa total en una reacción química permanece constante. Esta ley le sugirió a Dalton la idea de que la materia era indestructible.

El segundo fue la ley de las proporciones definidas. Enunciada por el químico francés Joseph Louis Proust en 1799, afirma que, en un compuesto, los elementos que lo conforman se combinan en proporciones de masa definidas y características del compuesto.

Dalton estudió y amplió el trabajo de Proust para desarrollar la ley de las proporciones múltiples: cuando dos elementos se combinan para originar diferentes compuestos, dada una cantidad fija de uno de ellos, las diferentes cantidades del otro se combinan con dicha cantidad fija para dar como producto los compuestos, están en relación de números enteros sencillos.

En 1803, Dalton publicó su primera lista de pesos atómicos relativos para cierta cantidad de sustancias. Esto, unido a su rudimentario material, hizo que su tabla fuese muy poco precisa. Por ejemplo, creía que los átomos de oxígeno eran 5,5 veces más pesados que los átomos de hidrógeno, porque en el agua midió 5,5 gramos de oxígeno por cada gramo de hidrógeno y creía que la fórmula del agua era HO (en realidad, un átomo de oxígeno es 16 veces más pesado que un átomo de hidrógeno).

La ley de Avogadro le permitió deducir la naturaleza diatómica de numerosos gases, estudiando los volúmenes en los que reaccionaban. Por ejemplo: el hecho de que dos litros de hidrógeno reaccionasen con un litro de oxígeno para producir dos litros de vapor de agua (a presión y temperatura constantes), significaba que una única molécula de oxígeno se divide en dos para formar dos partículas de agua. De esta forma, Avogadro podía calcular estimaciones más exactas de la masa atómica del oxígeno y de otros elementos, y estableció la distinción entre moléculas y átomos.

En 1784, el botánico británico Robert Brown, observó que las partículas de polvo que flotaban en el agua se movían al azar sin ninguna razón aparente. En 1905, Albert Einstein tenía la teoría de que este movimiento browniano lo causaban las moléculas de agua que "bombardeaban" constantemente las partículas, y desarrolló un modelo matemático hipotético para describirlo.El físico francés Jean Perrin demostró experimentalmente este modelo en 1911, proporcionando además la validación a la teoría de partículas (y por extensión, a la teoría atómica).

Descubrimiento de las partículas subatómicas

El tubo de rayos catódicos de Thomson, en el que observó la desviación de los rayos catódicos por un campo eléctrico.

Hasta 1897, se creía que los átomos eran la división más pequeña de la materia, cuando J.J. Thomson descubrió el electrón mediante su experimento con el tubo de rayos catódicos.1 El tubo de rayos catódicos que usó Thomson era un recipiente cerrado de vidrio, en el cual los dos electrodos estaban separados por un vacío. Cuando se aplica una diferencia de tensión a los electrodos, se generan rayos catódicos, que

crean un resplandor fosforescente cuando chocan con el extremo opuesto del tubo de cristal. Mediante la experimentación, Thomson descubrió que los rayos se desviaban al aplicar un campo eléctrico (además de desviarse con los campos magnéticos, cosa que ya se sabía). Afirmó que estos rayos, más que ondas, estaban compuestos por partículas cargadas negativamente a las que llamó "corpúsculos" (más tarde, otros científicos las rebautizarían como electrones).

Thomson creía que los corpúsculos surgían de los átomos del electrodo. De esta forma, estipuló que los átomos eran divisibles, y que los corpúsculos eran sus componentes. Para explicar la carga neutra del átomo, propuso que los corpúsculos se distribuían en estructuras anilladas dentro de una nube positiva uniforme; éste era el modelo atómico de Thomson o "modelo del plum cake".2

Ya que se vio que los átomos eran realmente divisibles, los físicos inventaron más tarde el término "partículas elementales" para designar a las partículas indivisibles.

Descubrimiento del núcleo

Experimento de la lámina de oroArriba: Resultados esperados: las partículas alfa pasan sin problemas por el modelo atómico de Thomson.Abajo: Resultados observados: una pequeña parte de las partículas se desvía, lo que revela la existencia de un lugar en el átomo donde se concentra la carga positiva.

El modelo atómico de Thomson fue refutado en 1909 por uno de sus estudiantes, Ernest Rutherford, que descubrió que la mayor parte de la masa y de la carga positiva de un átomo estaba concentrada en una fracción muy pequeña de su volumen, que suponía que estaba en el mismo centro.

En su experimento, Hans Geiger y Ernest Marsden bombardearon partículas alfa a través de una fina lámina de oro (que chocarían con una pantalla fluorescente que habían colocado rodeando la lámina).3 Dada la mínima masa de los electrones, la elevada masa y momento de las partículas alfa y la distribución uniforme de la carga positiva del modelo de Thomson, estos científicos esperaban que todas las partículas alfa atravesasen la lámina de oro sin desviarse, o por el contrario, que fuesen absorbidas. Para su asombro, una pequeña fracción de las partículas alfa sufrió una fuerte desviación. Esto indujo a Rutherford a proponer el modelo planetario del átomo, en el que los electrones orbitaban en el espacio alrededor de un gran núcleo compacto, a semejanza de los planetas y el Sol.4

Descubrimiento de los isótopos

En 1913, Thomson canalizó una corriente de iones de neón a través de campos magnéticos y eléctricos, hasta chocar con una placa fotográfica que había colocado al otro lado. Observó dos zonas incandescentes en la placa, que revelaban dos trayectorias de desviación diferentes. Thomson concluyó que esto era porque algunos de los iones de neón tenían diferentes masas; así fue como descubrió la existencia de los isótopos.5

Descubrimiento de las partículas nucleares

En 1918, Rutherford logró partir el núcleo del átomo al bombardear gas nitrógeno con partículas alfa, y observó que el gas emitía núcleos de hidrógeno. Rutherford concluyó que los núcleos de hidrógeno procedían de los núcleos de los mismos átomos de nitrógeno.6 Más tarde descubrió que la carga positiva de cualquier átomo equivalía siempre a un número entero de núcleos de hidrógeno. Esto, junto con el hecho de que el hidrógeno —el elemento más ligero— tenía una masa atómica de 1, le llevó a afirmar que los núcleos de hidrógeno eran partículas singulares, constituyentes básicos de todos los núcleos atómicos: se había descubierto el protón. Un experimento posterior de Rutherford mostró que la masa nuclear de la mayoría de los átomos superaba a la de los protones que tenía. Por tanto, postuló la existencia de partículas sin carga, hasta entonces desconocidas, de donde provendría este exceso de masa.

En 1928, Walther Bothe observó que el berilio emitía una radiación eléctricamente neutra cuando se le bombardeaba con partículas alfa. En 1932, James Chadwick expuso diversos elementos a esta radiación y dedujo que ésta estaba compuesta por partículas eléctricamente neutras con una masa similar la de un protón.7 Chadwick llamó a estas partículas "neutrones".

Modelos cuánticos del átomo

El modelo planetario del átomo tenía sus defectos. En primer lugar, según la fórmula de Larmor del electromagnetismo clásico, una carga eléctrica en aceleración emite ondas electromagnéticas, y una carga en órbita iría perdiendo energía y describiría una espiral hasta acabar cayendo en el núcleo. Otro fenómeno que el modelo no explicaba era por qué los átomos excitados sólo emiten luz con ciertos espectros discretos.

El modelo de Bohr

La teoría cuántica revolucionó la física de comienzos del siglo XX, cuando Max Planck y Albert Einstein postularon que se emite o absorbe una leve cantidad de energía en cantidades fijas llamadas cuantos. En 1913, Niels Bohr incorporó esta idea a su modelo atómico, en el que los electrones sólo podrían orbitar alrededor del núcleo en órbitas circulares determinadas, con una energía y un momento angular fijos, y siendo proporcionales las distancias del núcleo a los respectivos niveles de energía.8 Según este modelo, los átomos no podrían describir espirales hacia el núcleo porque no podrían perder energía de manera continua; en cambio, sólo podrían realizar "saltos cuánticos" instantáneos entre los niveles fijos de energía.9 Cuando esto ocurre, el átomo absorbe o emite luz a una frecuencia proporcional a la diferencia de energía (y de ahí la absorción y emisión de luz en los espectros discretos).9 Arnold Sommerfeld amplió el átomo de Bohr en 1916 para incluir órbitas elípticas, utilizando una cuantificación de momento generalizado.

El modelo de Bohr-Sommerfeld ad hoc era muy difícil de utilizar, pero a cambio hacía increíbles predicciones de acuerdo con ciertas propiedades espectrales. Sin embargo, era incapaz de explicar los átomos multielectrónicos, predecir la tasa de transición o describir las estructuras finas e hiperfinas.

En 1924, Louis de Broglie propuso que todos los objetos —particularmente las partículas subatómicas, como los electrones— podían tener propiedades de ondas. Erwin Schrödinger, fascinado por esta idea, investigó si el movimiento de un electrón en un átomo se podría explicar mejor como onda que como partícula. La ecuación de Schrödinger, publicada en 1926,10 describe al electrón como una función de onda en lugar de como una partícula, y predijo muchos de los fenómenos espectrales que el modelo de Bohr no podía explicar. Aunque este concepto era matemáticamente correcto, era difícil de visualizar, y tuvo sus detractores.11 Uno de sus críticos, Max Born, dijo que la función de onda de Schrödinger no describía el electrón, pero sí a muchos de sus posibles estados, y de esta forma se podría usar para calcular la probabilidad de encontrar un electrón en cualquier posición dada alrededor del núcleo.12

En 1927, Werner Heisenberg indicó que, puesto que una función de onda está determinada por el tiempo y la posición, es imposible obtener simultáneamente valores precisos tanto para la posición como para el momento de la partícula para cualquier punto dado en el tiempo.13 Este principio fue conocido como principio de incertidumbre de Heisenberg.

Los cinco orbitales atómicos de un átomo de neón, separados y ordenados en orden creciente de energía. En cada orbital caben como máximo dos electrones, que están la mayor parte del tiempo en las zonas delimitadas por las "burbujas".

Este nuevo enfoque invalidaba por completo el modelo de Bohr, con sus órbitas circulares claramente definidas. El modelo moderno del átomo describe las posiciones de los electrones en un átomo en términos de probabilidades. Un electrón se puede encontrar potencialmente a cualquier distancia del núcleo, pero —dependiendo de su nivel de energía— tiende a estar con más frecuencia en ciertas regiones alrededor del núcleo que en otras; estas zonas son conocidas como orbitales atómicos.

Importancia

La importancia de esta teoría no puede ser exagerada. Se ha dicho (por ejemplo el premio Nobel Richard Feynman) que la teoría atómica es la teoría más importante en la historia de la ciencia. Esto se debe a las implicaciones que ha tenido, tanto para la ciencia básica como por las aplicaciones que se han derivado de ella.

Toda la química y bioquímica modernas se basan en la teoría de que la materia está compuesta de átomos de diferentes elementos, que no pueden transmutarse por métodos químicos. Por su parte, la química ha permitido el desarrollo de la industria farmacéutica, petroquímica, de abonos, el desarrollo de nuevos materiales, incluidos los semiconductores, y otros avances.

Unidad de masa atómicaPara otros usos del término UMA,.

Una unidad de masa atómica, cuyo símbolo es u (antiguamente era uma), equivale a una duodécima (1/12) parte de la masa de un átomo de carbono-12.

Por ejemplo, cuando decimos que el Li tiene una masa de 6,94u queremos decir que un átomo de Li tiene la misma masa que 6,94 veces la masa de 1/12 parte de un átomo de carbono-12.

1 g equivale a la masa 1 mol (NA) de u. Así pues, un mol de átomos de carbono-12 tendrían una masa de 12 g.

Las masas atómicas de los elementos químicos dadas en u son calculadas con la media ponderada de las masas de los distintos isótopos de cada elemento.

Por ejemplo, la masa molecular del NO2 se calcularía de la siguiente forma:

Masa ponderada del átomo de N ≈ 14,00 u → 14·1=14 u

Masa ponderada del átomo de O ≈ 16,00 u → 16·2=32 u

Masa de una molécula de NO2 = 14 + 32 = 46 u

Entonces, na moléculas de NO2, los cuales componen un mol de moléculas de NO2, tendrían una masa de 46 g. Entonces la masa molecular del NO2 es 46 g/mol.

Erróneamente se tiende a utilizar el término peso atómico o molecular, pero el término correcto es masa.

El valor de 1u en gramos se obtiene dividiendo 12 gramos entre 12 por el número de Avogadro: 12 / (12 · 6,022 141 99 · 1023)

De ésta forma averiguamos que:

1 u = 1,660 737 86 · 10-27 kg

CARGA ELECTRICA E IONIZACION.

Solución de sal común en agua, la sal se descompone en iones sodio y cloruro

Ion Amonio

Se define al ion o ión, del griego ión (ἰών), participio presente de ienai "ir", de ahí "el que va", como una especie química, ya sea un átomo o una molécula, cargada eléctricamente. Esto se debe a que ha ganado o perdido electrones de su dotación, originalmente neutra, fenómeno que se conoce como ionización.

Los iones cargados negativamente, producidos por la ganancia de electrones, se conocen como aniones (que son atraídos por el ánodo) y los cargados positivamente, consecuencia de una pérdida de electrones, se conocen como cationes (los que son atraídos por el cátodo).

"Anión" y "catión" significan:

Anión:"El que va hacia arriba". Tiene carga eléctrica negativa.

Catión:"El que va hacia abajo". Tiene carga eléctrica positiva.

"Ánodo" y "cátodo" son:

Ánodo:"El camino hacia arriba".

Cátodo:"El camino hacia abajo".

(odos: camino, vía).

Energía de Ionización

La energía necesaria para separar completamente el electrón más débilmente unido de la corteza electrónica de un átomo en su estado fundamental, y de tal manera que en el electrón arrancado no quede ninguna energía residual (ni potencial ni cinética) se denomina primera energía de ionización y el potencial eléctrico equivalente (es decir, la energía dividida por la carga de un único electrón) se conoce como el potencial de ionización. Estos términos también se emplean para describir la ionización de las moléculas y los sólidos, pero los valores no son constantes debido a que la ionización puede estar afectada por factores como: la temperatura, la química y la geometría superficial.

Las unidades del sistema internacional, (SI) para la energía de ionización son los J/mol, aunque se usan con más frecuencia los KJ/mol, cuando se refiere a cantidades molares y eV (electrón-voltio) cuando se refiere a átomos individuales.

Clases de iones

Aniones

En los iones negativos, aniones, cada electrón, del átomo originalmente neutro, está fuertemente retenido por la carga positiva del núcleo. Al contrario que los otros electrones del átomo, en los iones negativos, el electrón adicional no está vinculado al núcleo por fuerzas de Coulomb, lo está por la polarización del átomo neutro. Debido al corto rango de esta interacción, los iones negativos no presentan series de Rydberg,1 pero sólo unos pocos, de los que hay, son estados excitados asociados.

Cationes

Iones positivos. Son especialmente frecuentes e importantes los que forman la mayor parte de los metales.

Otros iones

Dianión: un dianión es una especie que tiene dos cargas negativas sobre ella. Por ejemplo: el dianión del pentaleno es aromático.

Zwitterion: Un Zwitterion es un ion con una carga neta igual a cero pero que presenta dos cargas aisladas sobre la misma especie, una positiva y otra negativa.

Radicales iónicos: Son iones que contienen un número irregular de electrones y presentan una fuerte inestabilidad y reactividad.

Radical Cumeno

Plasma

Se denomina así a un fluido gaseoso de iones. Incluso, se puede hablar de plasma en muestras de gas corriente que contengan una proporción apreciable de partículas cargadas. Se puede considerar a un plasma como un nuevo estado de la materia, (a parte de los estados sólido, líquido y gaseoso), concretamente el cuarto estado de la materia, puesto que sus propiedades son muy distintas a los estados usuales. Los plasmas de los cuerpos estelares contienen, de manera predominante, una mezcla de electrones y protones, estimándose que su proporción es del 99,9% del universo visible.2

Algunas aplicaciones de los iones

Los iones son esenciales para la vida. Los iones sodio, potasio, calcio y otros, juegan un papel esencial en la biología celular de los organismos vivos, en particular en las membranas celulares. Hay multitud de aplicaciones basadas en el uso de iones y cada día se descubren más. Desde detectores de humo a motores iónicos. Los iones inorgánicos disueltos son un componente de los sólidos (sólidos totales disueltos) presentes en el agua e indican la calidad de esta.

Iones frecuentes

Cationes Frecuentes

Nombre Común Fórmula Nombre Tradicional

Cationes Simples

Aluminio Al3+ Aluminio

Bario Ba2+ Bario

Berilio Be2+ Berilio

Cesio Cs+ Cesio

Calcio Ca2+ Calcio

Cromo(II) Cr2+ Cromoso

Cromo(III) Cr3+ Crómico

Aniones Frecuentes

Nombre Formal Fórmula Nombre Alternativo

Aniones simples

Arseniuro As3−

Azida N3−

Bromuro Br−

Cloruro Cl−

Fluoruro F−

Hidruro H−

Yoduro I−

Cromo(VI) Cr6+ Cromato

Cobalto(II) Co2+ Cobaltoso

Cobalto(III) Co3+ Cobáltico

Cobre(I) Cu+ Cuproso

Cobre(II) Cu2+ Cúprico

Galio Ga3+ Galio

Helio He2+ (partícula α)

Hidrógeno H+ (Protón)

Hierro(II) Fe2+ Ferroso

Hierro(III) Fe3+ Férrico

Plomo(II) Pb2+ Plumboso

Plomo(IV) Pb4+ Plúmbico

Litio Li+ Litio

Magnesio Mg2+ Magnesio

Manganeso(II) Mn2+ Hipomanganoso

Manganeso(III) Mn3+ Manganoso

Manganeso(IV) Mn4+ Mangánico

Nitruro N3−

Óxido O2−

Fosfuro P3−

Sulfuro S2−

Peróxido O22−

Oxoaniones

Arseniato AsO43−

Arsenito AsO33−

Borato BO33−

Bromato BrO3−

Hipobromito BrO−

Carbonato CO32−

Hidrógeno Carbonato HCO3− Bicarbonato

Clorato ClO3−

Perclorato ClO4−

Clorito ClO2−

Hipoclorito ClO−

Manganeso(VII) Mn7+ Permangánico

Mercurio(II) Hg2+ Mercúrico

Niquel(II) Ni2+ Niqueloso

Niquel(III) Ni3+ Niquélico

Potasio K+ Potasio

Plata Ag+ Plata

Sodio Na+ Sodio

Estroncio Sr2+ Estroncio

Estaño(II) Sn2+ Estannoso

Estaño(IV) Sn4+ Estánico

Zinc Zn2+ Zinc

Cationes Poliatómicos

Amonio NH4+

Hidronio H3O+

Nitronio NO2+

Mercurio(I) Hg22+ Mercurioso

Cromato CrO42−

Dicromato Cr2O72−

Yodato IO3−

Nitrato NO3−

Nitrito NO2−

Fosfato PO43−

Hidrógeno Fosfato HPO42−

Dihidrógeno Fosfato H2PO4−

Permanganato MnO4−

Fosfito PO33−

Sulfato SO42−

Tiosulfato S2O32−

Hidrógeno Sulfato HSO4− Bisulfato

Sulfito SO32−

Hidrógeno Sulfito HSO3− Bisulfito

Aniones de Ácidos Orgánicos

Acetato C2H3O2−

Formiato HCO2−

Oxalato C2O42−

Hidrógeno Oxalato HC2O4− Bioxalato

Otros Aniones

Hidrógeno Sulfuro HS− Bisulfuro

Teleruro Te2−

Amiduro NH2−

Cianato OCN−

Tiocianato SCN−

Cianuro CN−

Hidróxido OH−

Notas

1. ↑ Un átomo de Rydberg es un átomo excitado con uno o más electrones que tienen un número cuántico principal muy elevado. Estos átomos tienen una serie de propiedades peculiares incluyendo una respuesta exagerada a los campos eléctricos y magnéticos, periodos de decaimiento bastante largos y la función de ondas del electrón se puede aproximar, bajo ciertas condiciones, a una órbita clásica alrededor del núcleo.

Tabla Periódica Moderna

La tabla periódica moderna está relacionada con la configuración electrónica de los átomos. En ella se encuentran todos los elementos químicos conocidos, tanto los 92 que se encontraron en la Naturaleza como los que se obtuvieron en el laboratorio por medio de reacciones nucleares.

Los elementos están ordenados por su número atómico creciente, de izquierda a derecha. Comienza por el 1H, sigue con el 2He, 3Li, 4Be, 5B, 6C, 7N, 80, etcétera.

A cada elemento le corresponde un casillero, donde figuran el correspondiente símbolo y otros datos, tales como el número atómico, la masa atómica, la distribución de los electrones, etcétera.

Las filas horizontales se denominan períodos y las columnas verticales reciben el nombre de grupos.

Períodos

En total existen siete períodos, numerados del 1 al 7 de arriba hacia abajo.

En el primer período sólo hay dos elementos: Hidrógeno y Helio. Sus átomos tienen un solo nivel de energía y sus configuraciones electrónicas son l y 2, respectivamente.

Período 1 = una órbita = 2 elementos

En el segundo período hay ocho elementos: Li, Be, B, C, N. O, F y Ne. Todos ellos tienen completo su primer nivel (2) y van completando el segundo nivel del siguiente modo: Li = 2-1, Be = 2-2, B = 2-3, C = 2-4, N = 2-5, 0 = 2-6, F = 2-7, Ne = 2-8.

Periodo 2 = dos órbitas = 8 elementos

En el tercer periodo también hay ocho elementos: Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl y Ar. Presentan sus dos primeras órbitas completas (2-8) y los electrones van llenando la tercera órbita. El último elemento es el Ar cuya configuración electrónica es 2-8-8.

Período 3 = tres órbitas = 8 elementos

El cuarto período es más largo, está formado por dieciocho elementos.

Período 4 = cuatro órbitas = 18 elementos

El quinto período es análogo al anterior y también cuenta con dieciocho elementos.

Período 5 = cinco órbitas = 18 elementos

El sexto período es el más largo de todos, pues tiene 32 elementos.

Período 6 = seis órbitas = 32 elementos

El período séptimo es análogo al sexto aunque no se ha producido la cantidad necesaria de elementos para completarlo.

Período 7 = siete órbitas = ? elementos

El número del período indica la cantidad de niveles energéticos (órbitas) que tienen los átomos de los elementos que se ubican en dicho período. Así, el H y el He que están en el período 1 tienen una sola órbita; el Li al estar en el período 2 cuenta con dos órbitas, etcétera.

Grupos

Hay en total 18 grupos, numerados del 1 al 18 de izquierda a derecha.

Todos los elementos de un mismo grupo presentan igual configuración electrónica externa. Por ejemplo, todos los elementos del grupo 1 tienen 1 e" en su última órbita.

Los elementos ubicados en un mismo grupo tienen propiedades químicas similares y sus propiedades físicas están relacionadas.

En el grupo 18 se encuentran los gases inertes (He, Ne, Ar, Kr, Xe, y Rn), también conocidos como gases raros o nobles, que se caracterizan por su inactividad química.

A los elementos ubicados en el grupo 1 se los suele denominar metales alcalinos, con excepción del hidrógeno. Los elementos del grupo 17, reciben también el nombre de halógenos.

El número del grupo (para los elementos representativos) indica:

Para los elementos de los grupos 1 y 2, la cantidad de electrones en su última órbita.

Para los elementos de los grupos 13 al 17, ocurre lo mismo que los anteriores pero con la segunda cifra del número. Por ejemplo, los del grupo 13 tienen 3 electrones en su última órbita, los del 14 tienen 4, y así sucesivamente.

Observaciones generales

Al hidrógeno no se lo ha encontrado una ubicación satisfactoria, pues por su estructura electrónica le corresponde el grupo 1, pero sus propiedades se asemejan más al grupo 17.

Los metales se encuentran a la izquierda de la tabla. El primer elemento de cada periodo (Li, Na, K, etc.) presenta carácter metálico muy evidente, el cual disminuye a medida que se avanza horizontalmente hacia la derecha, mientras se van manifestando las características propias de los no metales. Los elementos del grupo 17 son francamente no metales.

Una línea quebrada que pasa entre el boro y el aluminio y desciende hasta el polonio y el astato señala la separación entre metales y no metales. Esta separación no debe ser considerada como un limite absoluto entre metales y no metales: cerca de este límite arbitrario, hay elementos que presentan características tanto de los metales como de los no metales, y por ello a veces reciben el nombre de metaloides (Al, Si, Ge, As, etc.)

Tabla I: En ROJO se muestran los METALES, en VERDE los NO METALES y en AMARILLO los GASES INERTES

A partir de su ubicación en la tabla, se puede deducir la estructura atómica del elemento.

Los elementos situados después del uranio, reciben el nombre de transuránidos. Estos elementos no existen en la Naturaleza y han sido obtenidos artificialmente por reacciones nucleares.

Clasificación de los elementos según su configuración electrónica

Sobre la base de su configuración electrónica, los elementos químicos se pueden clasificar en cuatro grupos:

Gases inertes: presentan su órbita electrónica externa completa con ocho electrones, con excepción del He, que tiene dos electrones. Ocupan el grupo 18 de la Tabla Periódica.

Elementos representativos: son aquellos que tienen su órbita externa incompleta. Comprende a los elementos que ocupan los grupos 1, 2, 13, 14, 15, 16 y 17 de la Tabla Periódica.

Elementos de transición: se caracterizan por presentar su dos últimas órbitas incompletas. Corresponden a esta clase los elementos de los grupos 3 al 12 de la Tabla.

Elementos de transición interna: son los que presentan sus tres últimas órbitas incompletas. Constituyen las denominadas tierras raras (lantánidos y actínidos) ubicadas generalmente al pie de la Tabla.

Tabla II: En VERDE se muestran los ELEMENTOS REPRESENTATIVOS, en AMARILLO los ELEMENTOS DE TRANSICIÓN, en AZUL los GASES INERTES y en ROJO los ELEMENTOS DE

TRANSICIÓN INTERNA

Propiedades periódicas

En la Tabla Periódica, donde los elementos están ordenados por sus números atómicos (Z) crecientes, se observa una repetición periódica de las propiedades. Algunas de las propiedades en las que se muestra dicha periodicidad son el radio atómico, el radio iónico, el potencial de ionización y la afinidad electrónica.

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Radio atómico

El radio atómico es la distancia existente entre el centro del núcleo y la órbita electrónica externa del átomo.

Al comparar los radios atómicos de los elementos en la Tabla Periódica se observa:

a) En un mismo período de la Tabla Periódica el radio atómico disminuye de izquierda a derecha.

Así, en el segundo período se tiene:

Z 3 4 5 6 7 8 9

Elemento Li Be B C N O F

Radio atómico (A) 1,52 1,11 0,88 0,77 0,70 0,66 0,64

El modo como varía el radio atómico se atribuye al aumento de la carga nuclear que, en este período, va de +3 en el Li a +9 en el F. Al ser mayor la carga nuclear, los electrones que están en la misma órbita son atraídos con mayor intensidad por el núcleo y entonces el radio disminuye.

Los gases inertes constituyen una excepción a este comportamiento, pues al tener un número mayor de electrones en su última órbita, la repulsión eléctrica que se establece entre ellos produce un incremento del radio atómico. Así, el 10Ne, que completa el segundo período, tiene un radio atómico de 1,12 A.

b) En un mismo grupo de la Tabla Periódica, el radio atómico aumenta de arriba hacia abajo.

En el caso del grupo 1 se observa:

Período 1 2 3 4 5 6 7

Z 1 3 11 19 37 55 87

Elemento H Li Na K Rb Cs Fr

Radio atómico (A) 0,30 1,52 1,86 2,31 2,44 2,62 2,70

El incremento del radio atómico es consecuencia del aumento del número de órbitas. Si bien la carga nuclear aumenta de +l en el H a+87 en el Fr, las capas electrónicas producen un "efecto pantalla" que reduce la atracción que ejerce sobre los electrones el núcleo positivo.

La variación del radio atómico de los elementos en la Tabla Periódica puede esquematizarse así:

Radio iónico

Se entiende por radio iónico a la distancia entre el centro del núcleo y la órbita electrónica externa del ion.

Cuando un átomo neutro cede electrones, transformándose en catión, su radio disminuye. Así en el caso del átomo de sodio, cuyo radio es de 1,86 A, al convertirse en catión reduce su radio a 0,95 A.

Por el contrario, si un átomo gana electrones, completando su última órbita con ocho electrones, se transforma en anión y su radio aumenta. Esto se explica por la repulsión eléctrica entre los electrones, de modo similar a lo antes señalado para los gases inertes. En el flúor, por ejemplo, el radio atómico es de 0,64, mientras que el radio iónico de su anión aumenta a 1,36 A.

Potencial de ionización

Cuando a un átomo neutro se le quita un electrón se ioniza, transformándose en un catión. Así, si a un átomo de litio se le arrebata un electrón se convierte en un catión de litio con una carga positiva, lo cual puede expresarse de este modo:

El proceso para arrancar un electrón requiere cierta cantidad de energía que se denomina potencial de ionización y que se puede definir así:

Potencial de ionización es la energía necesaria para arrancar un electrón de la capa externa de un átomo aislado.

Para expresar el potencial de ionización se suele utilizar una unidad muy pequeña, denominada electrón-volt, que es equivalente a 1,6.10-9 joule.

Así, en el caso del litio, se necesita una energía de 5,4 electrón-volt para quitarle un electrón.

El potencial de ionización también resulta ser una función periódica del número atómico, observándose lo siguiente:

a) En general, dentro de cada período de la Tabla Periódica, el potencial de ionización aumenta de izquierda a derecha.

En el caso del 2° período se observa:

Z 3 4 5 6 7 8 9 10

Elemento Li Be B C N O F Ne

Pot. De ionización (eV) 5,4 9,3 8,3 11,3 14,5 13,6 17,4 21,6

Los metales tienen un potencial de oxidación inferior a los no metales.

El incremento que se observa en el potencial de ionización se relaciona con el aumento del número atómico, o sea, de la carga nuclear positiva que atrae más a los electrones negativos.

b) En un mismo grupo de la Tabla Periódica, el potencial de ionización disminuye de arriba hacia abajo.

Así, en el Grupo 1, se observa:

Z 3 11 19 37 55

Elemento Li Na K Rb Cs

Período 2 3 4 5 6

Pot. De ionización (eV) 5,4 5,1 4,3 4,2 3,9

Al aumentar el número atómico se incrementa el número de órbitas y, por lo tanto, se reduce la atracción entre el núcleo y los electrones externos.

Como se observa, el potencial de ionización varía de modo inverso a como lo hace el radio atómico.

En forma esquemática se puede expresar la variación del potencial de ionización en la Tabla Periódica de la siguiente forma:

Afinidad electrónica

En las propiedades químicas de los elementos, ejerce una considerable influencia la tendencia de un átomo neutro a capturar electrones para transformarse en anión. Esta cualidad se mide por la denominada afinidad electrónica, que puede definirse así:

Energía que se libera cuando un átomo neutro gana un electrón.

Esta afinidad se mide en electrón-volt (eV).

Los no metales, en particular los del grupo 17, tienen una gran afinidad electrónica. A modo de ejemplo se pueden señalar los siguientes valores en eV: Flúor 3,6, Cloro 3,75, Bromo 3,53, Yodo 3,2, Oxígeno 2,2.

En general, la afinidad electrónica varia en la Tabla Periódica de modo análogo al potencial de ionización.

CONFIGURACION ELECTRONICA.

En Química, la configuración electrónica es el modo en el cual los electrones están ordenados en un átomo. Como los electrones son fermiones están sujetos al principio de exclusión de Pauli, que dice que dos fermiones no pueden estar en el mismo estado cuántico a la vez. Por lo tanto, en el momento en que un estado es ocupado por un electrón, el siguiente electrón debe ocupar un estado mecanocuántico diferente.

En el átomo, los estados estacionarios de la función de onda de un electrón (los estados que son función propia de la ecuación de Schrödinger HΨ = EΨ en donde H es el hamiltoniano) se denominan orbitales, por analogía con la clásica imagen de los electrones orbitando alrededor del núcleo. Estos estados tienen cuatro números cuánticos: n, l, m y s, y, en resumen, el principio de exclusión de Pauli quiere decir que no puede haber dos electrones en un mismo átomo con los cuatro valores de los números cuánticos iguales. Los más importantes de estos son el n y el l.

Valores de los números cuánticos

El primer número cuántico ¨n¨(llamado a veces número cuántico principal) corresponde a los diferentes niveles de energía permitidos o niveles cuánticos; los valores que toma son 1, 2, 3, 4,... Para n=1 se tiene el nivel de menor energía. En algunos casos (por ejemplo en espectroscopia de rayos X) también se denotan como K, L, M, N,... El segundo número cuántico l corresponde al momento angular del estado. Estos estados tienen la forma de armónicos esféricos, y por lo tanto se describen usando polinomios de Legendre. A estos subniveles, por razones históricas, se les asigna una letra, y hacen referencia al tipo de orbital (s, p, d, f).

Los valores que puede tomar l son: 0, 1,2,..., (n-1), siendo n el número cuántico principal. El tercer número cuántico, m, puede tomar los valores desde -l a l, y por lo tanto hay un total de 2l+1 estados posibles. Cada uno de estos puede ser ocupado por dos electrones con espines opuestos, lo que viene dado por el número cuánticos (spin), que puede valer +1/2 o -1/2. Esto da un total de 2(2l+1) electrones en total (tal como se puede ver en la tabla anterior). En resumen, estos son los valores que pueden tomar los números cuánticos cuando entran en función:

Valor de l Letra Máximo númerode electrones

0 s 2

1 p 6

2 d 10

3 f 14

Número cuántico Valores posibles

n 1, 2, 3,...

l 0,..., (n-1)

m -l,..., 0,...,+l (2l+1)

s -1/2, +1/2

Bloques de la tabla periódica

Las propiedades químicas de un átomo dependen mucho de cómo están ordenados los electrones en los orbitales de más energía (a veces llamados de valencia), aparte de otros factores como el radio atómico, la masa atómica, o la accesibilidad de otros estados electrónicos.

Conforme se baja en un grupo de elementos, desde el más ligero al más pesado, los electrones más externos, en niveles del carbono y el plomo tienen cuatro electrones en sus orbitales más externos. Debido a la importancia de los niveles energéticos más exteriores, las distintas regiones de la tabla periódica se dividen en bloques, llamándolas según el último nivel ocupado: bloque s, bloque p, bloque d y bloque f, tal como se ve en el diagrama.

Regla de exclusión de Pauli

Esta regla nos dice que en un orbital o spin solo lo puede ocupar un electrón es en este caso en donde sale lo de los valores del spin o giro de los electrones en el que son +1/2, - 1/2. También de que en una orientación deben de caber dos electrones excepto cuando el número de electrones se han acabado por lo cual el orden que deben de seguir este ordenamiento es primero los de espin positivo (+1/2) y luego los negativos, esto es en cada nivel.

Regla del octeto

Para que un átomo sea estable debe tener todos sus orbitales llenos (cada orbital con dos electrones, uno de spin +1/2 y otro de spin -1/2) Por ejemplo, el oxígeno, que tiene configuración electrónica 1s², 2s², 2p4, debe llegar a la configuración 1s², 2s², 2p6 con la cual los niveles 1 y 2 estarían llenos. Recordemos que la Regla del octeto, justamente establece que el nivel electrónico se completa con 8 electrones, excepto el Hidrógeno, que se completa con 2 electrones. Entonces el oxígeno tendrá la tendencia a ganar los 2 electrones que le faltan, por esto se combina con 2 átomos de hidrógenos (en el caso del agua, por ejemplo), que cada uno necesita 1 electrón (el cual recibe del oxígeno) y otorga a dicho átomo 1 electrón cada uno. De este modo, cada hidrógeno completó el nivel 1 y el oxígeno completó el nivel 2.

En química se denomina orbital a la zona del espacio que rodea a un núcleo atómico donde la probabilidad de encontrar un electrón es máxima, cercana al 90%. Ejemplo de ello: 10Ne: 1s2, 2s2, 2p6 regla del octeto: 11Na:(Ne)10, 1s2, 2s2, 2p6, 3s1

Distribución electrónica

Es la distribución de los electrones en los subniveles y orbitales de un átomo. La configuración electrónica de los elementos se rige según el diagrama de Moeller:

1s/ 2s 2p/ 3s 3p/ 4s 3d 4p/ 5s 4d 5p/ 6s 4f 5d 6p/ 7s 5f 6d 7p

Ahora ya podemos utilizar el orden de energías de los orbitales para describir la estructura electrónica de los átomos de los elementos. Un subnivel s puede acomodarse 1 o 2 electrones. El subnivel p, puede acomodarse 1 a 6 electrones; el subnivel d de 1 a 10 electrones y el subnivel f de 1 a 14 electrones. Ahora es posible describir la estructura electrónica de los átomos estableciendo el subnivel o distribución orbital de los electrones. Los electrones se colocan, primero, en los subniveles de menor energía, y cuando estos están completamente ocupados, se usa el siguiente subnivel de energía más alto. El único electrón del átomo de hidrogeno se localiza en el subnivel S del primer nivel de energía. Un método abreviado para indicar la configuración electrónica es:

A esto se le llama notación de orbitales o subniveles e indica que hay electrón en el subnivel s del primer nivel de energía. El núcleo de electrones en el subnivel se indica con el superíndice a la derecha del subnivel. Los 2 electrones del helio se encuentran en la posición de energía más baja, esto es, el subnivel s del primer nivel de energía.

Para determinar la configuración electrónica de un elemento, solo hay que decidir cuantos electrones hay que acomodar y entonces distribuirlos en los subniveles empezando con los de menor energía e ir llenando hasta que todos los electrones estén distribuidos. Un elemento con número atómico más grande tiene un electrón más que el elemento que lo precede. El subnivel de energía aumenta de esta manera:

Subnivel S, P, D ó F: Aumenta el nivel de energía.

Sin embargo, existen excepciones como ocurre en los elementos de transición al ubicarnos en los grupos del cromo y del cobre, en los que se promueve el electrón dando así una configuración fuera de lo común.