Al comprobar que esto pasaba en todos los gases, se concluyó que los electrones formaban parte del átomo.

Transcripción

1 ESTRUCTURA DEL ÁTOMO Descubrimieto del electró Crookes observó que al itroducir dos electrodos (varillas metálicas) e u tubo de vidrio co u gas a muy baja presió y aplicar etre ellos ua diferecia de potecial elevada, se produce u chorro de rayos que parte del cátodo (electrodo egativo) y va hacia el áodo. Después se recoge al fial del tubo e ua patalla co ua película de sulfuro de cic, produciedo lumiiscecia. Estos rayos se llamaro rayos catódicos. Thomso desvió estos rayos catódicos usado u imá, y demostró que cosistía e ua corriete de partículas que teía carga egativa y masa. Halló su relació carga/masa y los llamó electroes. - Viaja e líea recta: u objeto colocado e la direcció proyecta ua sombra - Tiee carga eléctrica egativa: so desviados por campos eléctricos y magéticos. - Posee masa: Si se itroduce ua rueda de paletas, la hace girar al chocar co ella. Al comprobar que esto pasaba e todos los gases, se cocluyó que los electroes formaba parte del átomo. El experimeto de la gota de aceite fue realizado por Millika para medir la carga del electró. El objetivo de la experiecia era determiar la carga que lleva ua gotita de aceite. La experiecia costaba de dos partes realizadas co la misma gotita.. La determiació de su masa o radio midiedo la velocidad de caída e ausecia de campo eléctrico.. La determiació de su carga midiedo la velocidad e presecia de campo eléctrico. Cada gota cae bajo la acció de su propio peso, pero la fuerza de la gravedad es aulada por la resistecia del aire, por lo que cae co ua velocidad límite costate. Midiedo esta velocidad se determia el radio de la gota. Fr mg

2 Cuado se aplica ua diferecia de potecial a las placas del codesador se establece u campo eléctrico. El setido del campo eléctrico es tal, que la gota se eleva co velocidad uiforme. Midiedo esta velocidad se determia la carga de la gota. Millika comprobó que el valor de la carga de cada gota era múltiplo etero de la catidad C. La carga eléctrica está, por tato, cuatizada. Dicha catidad se deomia catidad fudametal de carga o carga del electró. Fe mg + Fr' Fe Fr + Fr' Millika determió la carga del electró (,6.0-9 C), que es la carga míima que puede trasportar ua partícula. Coocida la carga, se pudo determiar la masa. 9,60.0 C 9,0.0,59.0 C / kg m e kg Como ya se coocía la masa del átomo de H (, kg), se comprobó que el electró era uas dos mil veces meor e masa. Modelo de Thomso Los átomos so eléctricamete eutros, pero como cotiee electroes co carga egativa, el resto del átomo ha de estar cargado positivamete. El modelo de Thomso se basaba e esta hipótesis y supoía que el átomo era ua esfera maciza, formado por electroes que estaba icrustados e la materia cargada positivamete (modelo del budi co pasas) Descubrimieto del protó Goldstei descubrió e u tubo de rayos catódicos co el cátodo perforado uos uevos rayos que atravesaba los orificios o caales. Como viajaba desde el áodo hacia el cátodo, se les llamo rayos caales o positivos. Tambié se propagaba e líea recta, se orietaba ate campos eléctricos y magéticos. La relació carga/masa depedía del gas, a diferecia de la relació costate etre la carga y masa del electró.

3 Modelo de Rutherford Becquerel descubrió la radiactividad e 896, al observar que la pechbleda (mieral de uraio) emitía espotáeamete radiació de alta eergía. Rutherford bombardeó ua lamiilla muy delgada de oro co partículas alfa y midió su dispersió. Muchas de las partículas atravesaba la lámia si desviarse pero alguas se desviaba e icluso regresaba e setido cotrario. Cocluyó que el átomo estaba prácticamete vacío, los electroes giraba a través de órbitas alrededor de ua pequeña regió cetral que llamó úcleo dode estaba cocetrada la mayor parte de la masa y toda la carga positiva del átomo. Para explicar la estabilidad del úcleo establece que los electroes e su giro desarrolla ua fuerza cetrípeta que está equilibrada por la fuerza de atracció electrostática etre el úcleo (cargado positivamete) y los electroes. F F De todas estas experiecias, se dedujo que el radio atómico era aproximadamete del orde de 0 - m, y el úcleo de 0-0 m. Problemas del modelo de Rutherford: Segú las leyes del electromagetismo de Maxwell, toda partícula acelerada debe emitir eergía o radiació electromagética, lo que a su vez collevaría que el electró acabase cayedo e espiral sobre el úcleo. Por otro lado Rutherford o fue capaz de explicar los espectros de emisió y de absorció observados e elemetos como el hidrógeo. Se podía comprobar la emisió de uas rayas espectrales separadas por frajas oscuras a determiadas frecuecias. Balmer obtuvo de forma empírica ua expresió que predecía las frecuecias y logitudes de oda a las que aparecería las líeas. c e Espectros atómicos E el siglo XVII, Newto demostró que la luz blaca visible procedete del sol puede descompoerse e sus diferetes colores mediate u prisma. Este feómeo se cooce co el ombre de dispersió. El espectro que se obtiee es cotiuo y cotiee todas las logitudes de oda desde el rojo al violeta, es decir, etre uos 00 y 00 m ( m 0-9 m). E cambio la luz emitida por u gas icadescete o es blaca sio coloreada y el espectro que se obtiee al hacerla pasar a través de u prisma es bastate diferete. Es u espectro discotiuo que costa de líeas o rayas emitidas a logitudes de oda específicas. Cada elemeto posee u espectro característico que puede utilizarse para idetificarlo. Por ejemplo, e el del sodio, hay dos líeas itesas e la regió amarilla a 589 m y 589,6 m.

4 Uo de los espectros atómicos más secillos, y que más importacia tuvo desde u puto de vista teórico, es el del hidrógeo. Cuado los átomos de gas hidrógeo absorbe eergía por medio de ua descarga de alto voltaje, emite radiacioes que da lugar a 5 líeas e la regió visible del espectro: Espectro electromagético Como se ha cometado ates, cuado a los elemetos e estado gaseoso se les sumiistra eergía (descarga eléctrica, caletamieto...) éstos emite radiacioes de determiadas logitudes de oda. Estas radiacioes se ve como ua serie de rayas, y el cojuto de las mismas es lo que se cooce como espectro de emisió. Igualmete, si ua luz cotiua atraviesa ua sustacia, ésta absorbe uas determiadas radiacioes que aparece como rayas egras e el fodo cotiuo (espectro de absorció).

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6 6 Series espectrales Las diferetes líeas que apareciero e el espectro del hidrógeo se podía agrupa e diferetes series cuya logitud de oda es más parecida: Serie Regió del espectro Lyma,,,5 Ultravioleta Balmer,,5,6 Visible y UV Pasche,5,6, Ifrarrojo Brackett 5,6,,8 Ifrarrojo Pfud 5 6,,8,9 Ifrarrojo Fórmula de Rydberg La relació etre las logitudes de oda de las distitas rayas del espectro del hidrógeo viee dada por la expresió: Dode y so úmeros aturales, cumpliédose siempre que >, co lo que el parétesis queda positivo. R es ua costate llamada costate de Rydberg cuyo valor es: R,0968 x 0 m. Ej.: Cálculo de las líeas espectrales del átomo de H e la regió Visible,,, 5 5,, m R λ λ 6, m 656 m , m R λ λ, m 86 m 080 5, m R λ λ,.0 - m m, 6, m R λ λ,0.0 - m 0 m 586,, m R λ λ,9.0 - m 9 m (Ver la figura de las líeas espectrales del átomo de H)

7 Tamaño del úcleo La carga del úcleo determia su posició e el sistema periódico. Rutherford calculó el tamaño del úcleo, a través del estudio de dispersió de partículas alfa al icidir e úcleos de átomos metálicos, cuyo radio era del orde de 0 - m. El radio uclear ha sido calculado posteriormete, siedo del orde de 0-5 m y resultado ser proporcioal al úmero másico A R r r 0 valor costate para todos los úcleos,.0-5 m. / o. A Por tato, si se cosidera la forma esférica, el volume de u úcleo es proporcioal al úmero de ucleoes, A. ρ m V A,6x0 π ro A,6x0 π r 0 kg / m 0,8 0 5 kg / dm La desidad uclear es del orde de 0 veces mayor que la desidad de la Tierra (5,5 g/cm ), lo que da ua idea de la gra compacidad de los ucleoes detro de u úcleo. Postulados de Bohr E 9 Bohr publicó ua explicació teórica para el espectro atómico del hidrógeo. Basádose e las ideas previas de Max Plak, que e 900 había elaborado ua teoría sobre la discotiuidad de la eergía (Teoría de los cuatos), Bohr supuso que el átomo solo puede teer ciertos iveles de eergía defiidos. Primer Postulado Asume el modelo de Rutherford. Los electroes gira a través de órbitas alrededor del úcleo e el que reside los protoes y la mayor parte de la masa del úcleo. Segudo Postulado Los electroes sólo puede girar e ciertas órbitas llamadas permitidas o estacioarias, dode su eergía se matiee costate. Tercer Postulado Cuado u electró salta de ua órbita de meor radio a otra de mayor radio lo hace absorbiedo eergía que es proporcioal a la frecuecia de la radiació electromagética (fotoes de luz). E el caso iverso, se produce ua emisió de eergía. E hν Si embargo el modelo atómico de Bohr tambié tuvo que ser abadoado al o poder explicar los espectros de átomos más complejos. La idea de que los electroes se mueve alrededor del úcleo e órbitas defiidas tuvo que ser desechada. Las uevas ideas sobre el átomo está basadas e la mecáica cuática, que el propio Bohr cotribuyó a desarrollar. Descubrimieto del eutró Años después, e 9 Chadwick descubre la existecia del eutró, al detectar por bombardeo del berilio la emisió de ua partícula que o se orietaba ate campos eléctricos i magéticos y de masa similar a la del protó. 9 Be + He 6 C + 0

8 Número másico. Nucleidos U úcleo está costituido por u º de eutroes y u º de protoes, llamados ucleoes, cuya suma recibe el ombre de º másico y se represeta por A. A N + Z N º de eutroes Z º de protoes Número atómico A Número másico Notació de u úcleo A Z X Nucleido: es u átomo co u º determiado de protoes y eutroes. La fuerza uclear o requiere ua proporció fija de protoes y eutroes e el úcleo. E los úcleos liviaos, el úmero de protoes y eutroes es el mismo, mietras que e los úcleos más pesados aumeta el úmero de eutroes frete al de protoes, lo que produce u efecto estabilizador compesado la repulsió electrostática de los protoes etre sí. He, 08 6 C, Pb 8 U úcleo se cosidera estable si o se trasmuta e 0 años. Hay 8 elemetos químicos de los cuales 9 existe e la aturaleza y el resto ha sido obteido artificialmete e laboratorios como el GSI (Darmstadt, Alemaia), dode, desde 98, se ha descubierto seis uevos elemetos: bohrio, hassio, meiterio, darmstadtio, roetgeio y copericio. Se cooce hoy e día uos 000 ucleidos, de los cuales, so estables uos 80. Uos 0 ucleidos existe e la Naturaleza y el resto so producidos e el laboratorio. Por tato, la mayoría de los ucleidos so radiactivos. Los úcleos radiactivos so iestables y se trasforma espotáeamete co el tiempo formado otros ucleidos. Ej: 8 U Th He ó bie U Th + α Th Pa+ e ó bie Th Pa + β Isótopos de u elemeto: So átomos que tiee el mismo úmero de protoes (mismo úmero atómico) y distito úmero de eutroes (distito úmero másico). Ej: H, H ó D (deuterio), H ó T (tritio) Partícula Carga Masa Electró -,60 x 0-9 C 9,0 x 0 - kg Protó,60 x 0-9 C,6 x 0 - kg Neutró 0,65 x 0 - kg 8

9 Modelo de Schrödiger. Orbitales atómicos. Números cuáticos Fue desarrollado e 90. El cocepto de órbita es sustituido por el de orbital. U orbital atómico es ua regió del átomo dode la probabilidad de que se ecuetre u electró es máxima. Cada orbital tiee ua forma geométrica y tiee asociado u valor de la fució de oda y u cierto valor de eergía. Es u modelo de gra complejidad matemática, que explica muy bie las observacioes experimetales. Schrödiger propuso ua ecuació de oda, cuya solució ecesita la itroducció de uos úmeros llamados cuáticos. º cuático pricipal: Está relacioado co el tamaño del orbital e idica el ivel de eergía del electró e dicho orbital.,,,,... l º cuático secudario: Está relacioado co la forma del orbital e idica el subivel de eergía. l 0,,., (-) si bie cuado l 0,,,. l 0 orbital s (º máximo de electroes: e - ) l orbital p (º máximo de electroes:6 e - ) l orbital d (º máximo de electroes:0 e - ) l orbital f (º máximo de electroes: e - ) orbital s orbitales p m l º cuático magético: Describe la orietació espacial del orbital e idica el úmero de orbitales presetes e u subivel determiado y puede teer todos los valores desde - l hasta + l pasado por cero. m -l,.,0,.,+l m s o s º cuático spi: Para explicar determiadas características de los espectros de emisió se cosideró que los electroes podía girar e toro a u eje propio, bie e el setido de las agujas del reloj, bie e el setido cotrario. Para caracterizar esta doble posibilidad se itrodujo el º cuático de espí (m s ) que toma los valores de + ½ o - ½. 9

10 E resume: (, l, m l ) Defie u orbital (, l, m l, m s ) Defie a u electró e u orbital determiado E el estado fudametal de u átomo, los electroes ocupa orbítales atómicos de tal modo que la eergía global del átomo sea míima. Pricipio de costrucció (Aufbau): procedimieto para deducir la cofiguració electróica de u átomo que cosiste e seguir u orde para llear los diferetes orbítales, basado e los diferetes valores de la eergía de cada uo de ellos. Para recordarlo se utiliza el diagrama de Möller o de las diagoales, así como la regla de la míima eergía (+l) - Pricipio de costrucció - - Diagrama de Möller- 0

11 Además del pricipio de costrucció hay que teer e cueta: Pricipio de exclusió de Pauli: establece que o es posible que dos electroes de u átomo tega los mismos cuatro úmeros cuáticos iguales. Esto implica que e u mismo orbital atómico sólo puede coexistir dos electroes co espies opuestos. Regla de Hud o de máxima multiplicidad: establece que si hay más de u orbital e u mismo subivel, los electroes está lo más desapareados posibles, ocupado el mayor úmero de ellos. Ejemplo: l 0 m 0 s + ½, - ½ orbital s l m s s ½ ½ º máximo de e - que ocupa este orbital: e l 0, si y l 0 m 0 s + ½, - ½ orbital s l m s s ½ ½ º máximo de e - que ocupa este orbital: e si y l m -, 0, + s + ½, - ½ orbital p l m s p p x, p y, p z - + ½ - - ½ 0 + ½ 0 - ½ º máximo de e - que ocupa este orbital: 6 e + + ½ + - ½

12 Ejemplo : Determiació del úmero de electroes e u orbital f y l m -, -, 0, +, + s + ½, - ½ l m s orbital f - + ½ - - ½ - + ½ - - ½ - + ½ - - ½ 0 + ½ 0 - ½ º máximo de e - que ocupa este orbital: e ½ + - ½ + + ½ + - ½ + + ½ + - ½