ESTRUCTURA DE LA MATERIA

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1 ESTRUCTURA DE LA MATERIA 1. Naturaleza de la materia (el átomo). 2. Modelos atómicos clásicos. 3. Modelo mecánico cuántico. 4. Mecánica ondulatoria de Schrödinger. 5. Números cuánticos. 6. Orbitales atómicos. 7. Configuraciones electrónicas. 8. Espectros atómicos. Química 2º bachillerato Estructura de la materia 1

2 0. CONOCIMIENTOS PREVIOS Los conocimientos previos que son necesarios dominar y ampliar son: Los átomos y su estructura. Las teorías atómicas. Los números cuánticos. La confuguración electrónica. Química 2º bachillerato Estructura de la materia 2

3 1. NATURALEZA DE LA MATERIA (EL ÁTOMO) Los átomos son partículas infinitamente pequeñas que forman la materia. Un elemento está constituido por átomos de la misma clase (idénticos en masa y propiedades) y un compuesto está constituido por átomos de diferentes clases (correspondientes a los elementos que forman el compuesto). En una reacción química los átomos no cambian, solo varían el modo como están conjugados. Química 2º bachillerato Estructura de la materia 3

4 1. NATURALEZA DE LA MATERIA (EL ÁTOMO) El átomo está constituido por una serie de partículas: Partículas en el átomo Símbolo Electrón e - Protón (nucleón) Neutrón (nucleón) p + nº Carga eléctrica 1, Masa en unidades de masa atómica (u) 1/1840= , kg 1 1, kg 1 1, kg Química 2º bachillerato Estructura de la materia 4

5 1. NATURALEZA DE LA MATERIA (EL ÁTOMO) Los números atómicos son: A X Número atómico (Z = p + ): Z Es el número de protones en el núcleo de un elemento. Es lo que caracteriza a un átomo de un elemento, átomos de un mismo elemento poseen el mismo número atómico (y viceversa). Coincide con el número de electrones en un átomo neutro. Número másico (A = nº + p + ): Es el número de nucleones (partículas que forman parte del núcleo, número de protones más el número de neutrones en el núcleo). El número de neutrones (N) es la diferencia entre el número másico y número atómico (N=A-Z). Química 2º bachillerato Estructura de la materia 5

6 1. NATURALEZA DE LA MATERIA (EL ÁTOMO) Los átomos se relacionan como: Isótopos (=p + y nº): Igual número atómico pero distinto número másico. Son del mismo elemento (=Z y A). A partir de ellos y teniendo en cuenta su abundancia se calcula la masa atómica de un elemento. Isóbaros (=nº y p + ): Distinto número másico y distinto número atómico. Son de distintos elementos (=A y Z). Isoelectrónicos (=e - ): Igual número de electrones. Pueden ser del mismo o de distintos elementos. Química 2º bachillerato Estructura de la materia 6

7 EJERCICIO-EJEMPLO Rellenar la siguiente tabla e indicar la relación de los átomos con el primero de ellos: ELEMENTO Carga Z A p + n 0 e - Relación 12 6 C Química 2º bachillerato Estructura de la materia 7

8 RELACIÓN DE EJERCICIOS NÚMEROS ATÓMICOS Química 2º bachillerato Estructura de la materia 8

9 2. MODELOS ATÓMICOS CLÁSICOS El modelo atómico de Rutherford está basado en la mecánica clásica y se resume en: El átomo posee un núcleo (protones y neutrones) central y pequeño, con carga eléctrica positiva y con casi toda la masa del átomo. Los electrones giran en órbitas circulares a grandes distancias del núcleo para no caer en él (igual las fuerzas centrípetas y eléctricas). El átomo es eléctricamente neutro y está prácticamente vacío. No explica ni que los e- no pierdan energía y caigan ni que la energía no sea continua (explica los espectros). Química 2º bachillerato Estructura de la materia 9

10 2. MODELOS ATÓMICOS CLÁSICOS El modelo atómico de Bohr mezcla la mecánica clásica con la mecánica cuántica y fue perfeccionado posteriormente por Sommerfeld. Se basa en los siguientes postulados: Los electrones giran alrededor del núcleo en órbitas circulares estacionarias sin emitir energía. Solo son posibles las órbitas donde el electrón posea como momento angular un múltiplo entero de h / 2π (mvr=n h / 2π ). Cuando un electrón pasa de una órbita superior a una inferior la diferencia de energía entre ambas órbitas se emite como radiación electromagnética en forma de fotón (E i -E f =hν) y viceversa. Química 2º bachillerato Estructura de la materia 10

11 2. MODELOS ATÓMICOS CLÁSICOS Cada nivel tiene un valor permitido (y específico) de energía. Para pasar a una órbita mayor el electrón necesita absorber energía y para pasar a una órbita menor necesita desprenderse de energía (en ambos casos lo hace mediante fotones). Química 2º bachillerato Estructura de la materia 11

12 2. MODELOS ATÓMICOS CLÁSICOS Las series espectrales son conjuntos de transiciones electrónicas, se agrupan a partir del nivel inferior (todas las que acaban en el mismo nivel pertenecen al mismo grupo). Ej: series espectrales del hidrógeno. Química 2º bachillerato Estructura de la materia 12

13 3. MODELO MECÁNICO CUÁNTICO El modelo mecánico cuántico parte de dos principios: Principio de incertidumbre (o indeterminación) de Heisenberg: Es imposible medir simultáneamente y con precisión absoluta el valor de dos variables conjugadas. No impide conocer la realidad del universo, sino que indica que la precisión para medir es limitada. incertidumbre de la posición x h x px incertidumbre del impulso px 4 Dualidad onda corpúsculo (principio de De Broglie): Las ondas electromagnéticas pueden comportarse como partículas, según el fenómeno que estudiamos usamos una naturaleza u otra: Naturaleza ondulatoria: interferencia, difracción, Naturaleza corpuscular: efecto fotoeléctrico, efecto compton, La luz tiene una doble naturaleza (ondulatoria y corpuscular) que no se manifiesta simultáneamente. Posteriormente fue postulada al revés, las masas en movimiento se comportan como ondas. Química 2º bachillerato Estructura de la materia 13

14 3. MODELO MECÁNICO CUÁNTICO Hay dos fenómenos experimentales que no podían ser explicados por la mecánica clásica y necesitaban de la cuántica: Efecto fotoeléctrico: Al irradiar un material con fotones con una determinada longitud de onda, esta energía se utilizaba una parte como un trabajo de extracción (energía umbral) para arrancar un e- y el resto para suministrarle una energía cinética. Hay un valor umbral por debajo del cual no se da este efecto. Efecto Compton: Determinadas radiaciones al atravesar la materia pierden energía (aumenta su longitud de onda). Química 2º bachillerato Estructura de la materia 14

15 3. MODELO MECÁNICO CUÁNTICO Existen dos modelos: Modelo de Heisenberg: Presenta un modelo atómico describiendo los niveles energéticos de los electrones en términos puramente numéricos (sin esquemas ni gráficos). Sus sistemas se denominan mecánica matricial ya que las magnitudes mecánicas (posición, velocidad, ) se representan mediante matrices. Modelo de Schrödinger: Presenta el modelo atómico describiendo el electrón como una onda que vibra alrededor del núcleo (estando al mismo tiempo en todos los puntos de la órbita) Su sistema se denomina mecánica ondulatoria. Aunque ambos llegan a las mismas conclusiones y son equivalentes matemáticamente, el modelo de Schrödinger es el preferido por ser más intuitivo. Química 2º bachillerato Estructura de la materia 15

16 4. MECÁNICA ONDULATORIA DE SCHRÖDINGER La mecánica ondulatoria se basa en la ecuación de Schrödinger: m E V o x y z h Función de onda u orbital 2 Densidad de probabilidad relativa del electrón Contiene información sobre la posición del electrón Probabilidad de encontrar el elctrón en un punto del espacio E = energía totasl del electrón energía cinética del electrón V = energía potencial del electrón E V Al solucionar las funciones de onda (Ψ) las soluciones son funciones matemáticas que dependen de unas variables designadas como números cuánticos. Química 2º bachillerato Estructura de la materia 16

17 5. NÚMEROS CUÁNTICOS Los números cuánticos son: Número cuántico principal (n = 1,2,3, ) Indica el nivel de energía del orbital (se representa con el tamaño). Número cuántico secundario o azimutal (l = 0,1,2,3,,n-1 Ξ s,p,d,f): Indica el subnivel de energía del orbital (se representa con la forma). Número cuántico magnético (m = -l,,-2,-1,0,+1,+2,..,+l): Indica la orientación espacial del orbital frente a un campo magnético. Número cuántico de spin (s ó m s = - 1 / 2,+ 1 / 2 ): Indica el sentido de giro del electrón sobre sí mismo. Química 2º bachillerato Estructura de la materia 17

18 5. NÚMEROS CUÁNTICOS n 1 0 l n 1 l m l s 1, Química 2º bachillerato Estructura de la materia 18

19 5. NÚMEROS CUÁNTICOS Organización de llenado de los primeros niveles de energía de un átomo. En un mismo nivel (n) tengo n 2 orbitales posibles. Química 2º bachillerato Estructura de la materia 19

20 5. NÚMEROS CUÁNTICOS n l m s 1s /2 2s /2 2p 2 1 1,0,1 1/2 3s /2 3p 3 1 1,0,1 1/2 3d 3 2 2, 1,0,1,2 1/2 4s /2 4p 4 1 1,0,1 1/2 4d 4 2 2, 1,0,1,2 1/2 4f 4 3 3, 2, 1,0,1,2,3 1/2 Química 2º bachillerato Estructura de la materia 20

21 EJERCICIO-EJEMPLO Indicar cuales de las siguientes relaciones de números cuánticos es errónea y su motivo: a) (0,0,0, 1 / 2 ) b) (3,-2,0,- 1 / 2 ) c) (5,2,3, 1 / 2 ) d) (4,2,-1,- 3 / 2 ) Química 2º bachillerato Estructura de la materia 21

22 RELACIÓN DE EJERCICIOS NÚMEROS CUÁNTICOS Química 2º bachillerato Estructura de la materia 22

23 6. ORBITALES ATÓMICOS Un orbital señala el volumen donde es más probable encontrar al electrón. Es una representación gráfica (tridimensional) de la solución a la ecuación de Schrödinger, es otra función. Las soluciones a la ecuación de Schrödinger son funciones que describen una distribución espacial con una energía característica donde es más probable encontrar el electrón (no indica ni la trayectoria ni la posición del electrón). Hay una probabilidad del 90% de encontrar al electrón en esta región del espacio. El orbital indica una distribución de densidad electrónica en el espacio (los lóbulos son las zonas de mayor densidad-probabilidad y el centro es nulo ya que es donde está el núcleo). Química 2º bachillerato Estructura de la materia 23

24 6. ORBITALES ATÓMICOS Los tipos de orbitales vienen definidos por los números cuánticos n-l-m (indicando tamaño, forma y orientación respectivamente). Para caracterizar un e- necesito, además, el número cuántico s. Química 2º bachillerato Estructura de la materia 24

25 6. ORBITALES ATÓMICOS Química 2º bachillerato Estructura de la materia 25

26 6. ORBITALES ATÓMICOS El orden de energía de un orbital viene dada por la suma de los números cuánticos n+l (en casa de empate se mira solo n). Dos orbitales con la misma energía (pero distinta m) se dice que están degenerados y se diferencian en su orientación espacial. Química 2º bachillerato Estructura de la materia 26

27 EJERCICIO-EJEMPLO Ordenar los siguientes conjuntos de números cuánticos en función de su energía: a) (4,1,0, 1 / 2 ) b) (4,3,-2,- 1 / 2 ) c) (5,1,0, 1 / 2 ) d) (3,2,-1,- 1 / 2 ) Indicar las diferencias y similitudes entre sus orbitales. Química 2º bachillerato Estructura de la materia 27

28 RELACIÓN DE EJERCICIOS ORBITALES Química 2º bachillerato Estructura de la materia 28

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