Tema 2_3. Átomos Polielectronicos y Sistema Periódico

Transcripción

1 Tema 2_3. Átomos Polielectronicos y Sistema Periódico Caso más sencillo: átomo de helio (2 electrones) ĤΨ = EΨ ^ ^ Ĥ = T + V z r 12 x atracción del núcleo (+2e) sobre el electrón 1, a una distancia r 1 del núcleo = 2e 2 2e 2 e + 2 r 1 r 2 r 12 atracción del núcleo (+2e) sobre el electrón 2, a una distancia r 2 del núcleo repulsión entre ambos electrones, a distancia r 12 ecuación Schrödinger ^ ^ T 1 + T 2 2e 2 2e 2 e 2 + r 1 r 2 r 12 Ψ = EΨ

2 APROXIMACIÓN DE ELECTRONES LIBRES Supone que los electrones actúan como partículas independientes Función de onda aproximada Ψ(x 1,y 1,z 1,x 2,y 2,z 2 ) 1s (x 1,y 1,z 1 ) 1s (x 2,y 2,z 2 ) Configuración electrónica del átomo de helio 1s 2

3 PRINCIPIO DE EXCLUSIÓN DE PAULI Átomo de litio (3 electrones) El número máximo de electrones por orbital es de dos y, si existen 2 electrones ocupando el mismo orbital, entonces sus spines deben estar apareados. h Spines paralelos s = 1/2 + 1/2 = 1 h Spines antiparalelos (apareados) 1/2 1/2 = 0 Átomos diamagnéticos: todos sus electrones apareados Átomos paramagnéticos: presentan electrones desapareados En un mismo átomo no pueden existir 2 electrones con sus cuatro números cuánticos iguales (Si dos electrones tienen spines paralelos, están en orbitales distintos; para que ocupen el mismo orbital deben tener sus spines apareados)

4 CARGA NUCLEAR EFECTIVA Contracción de los orbitales de los átomos polielectrónicos en comparación con los del hidrógeno Aproximación del orbital ψ = Ф 1 Ф 2... Ф N Carga nuclear efectiva (Z ef ) carga sin efecto Cantidad de carga positiva del núcleo percibida por un electrón Apantallamiento (σ): reducción de la carga nuclear real (Z) a la carga nuclear efectiva (Z ef ) carga con efecto Z ef = Z σ Los electrones en orbitales externos se encuentran más débilmente enlazados al núcleo apantallamiento

5 PENETRACIÓN DE ORBITALES Electrón 2s del litio Si estuviera fuera de la capa 1s (2 e - ), la carga neta sería 3 (NÚCLEO) - 2 (ELECTRONES 1s) = 1 Experimentalmente se sabe que el electrón está atraído más fuertemente (La carga nuclear efectiva del 2s es mayor que la del 2p) 2s < 2p

6 PENETRACIÓN DE ORBITALES Orden de energías en los átomos polielectrónicos ns < np < nd < nf El apantallamiento rompe la degeneración entre los orbitales de una misma capa (mismo número cuántico principal) El orbital 4s (n=4) tiene menor energía que el 3d (n=3)

7 PENETRACIÓN DE ORBITALES 4s < 3d 3d < 4s 3d 4s

8 CONFIGURACIONES ELECTRÓNICAS El principio de construcción ( aufbau en alemán) conduce a la configuración electrónica del estado fundamental de un átomo polielectrónico. Dos reglas: Los electrones se colocan en los orbitales disponibles de menor energía (orden determinado por el número cuántico principal y los efectos de penetración y apantallamiento): 1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s < < 5d 4f < 6p < 7s < 6d < 5f <... Principio de exclusión de Pauli: no puede haber más de dos electrones en un mismo orbital, teniendo en cuenta el número de orbitales que hay en cada subcapa: 1 orbital s; 3 orbitales p; 5 orbitales d...

9 CONFIGURACIONES ELECTRÓNICAS Configuración electrónica del litio Configuración electrónica del boro Configuración electrónica del berilio Dos posibilidades 1s 2 2s 2 (mayor repulsión electrónica) 1s 2 2s 2p (gran diferencia energética entre orbitales 2s y 2p) energéticamente más favorable

10 CONFIGURACIONES ELECTRÓNICAS Principio de Máxima Multiplicidad o Regla de Hund Si existen varios orbitales con la misma energía, los electrones ocuparán el máximo de dichos orbitales y sus spines serán paralelos (Dos electrones con spines paralelos tienden a permanecer separados uno del otro y disminuir la repulsión entre ellos) Configuración electrónica del carbono Tres formas de distribuir 2 electrones entre 3 orbitales 2p equivalentes:

11 CONFIGURACIONES ELECTRÓNICAS Principio de Máxima Multiplicidad o Regla de Hund Configuración electrónica del nitrógeno Configuración electrónica del oxígeno

12 CONFIGURACIONES ELECTRÓNICAS Gases nobles: configuración electrónica de capa cerrada Configuración electrónica de capa llena o semillena Cromo 3d 5 4s 1 (y no 3d 4 4s 2 ) Cobre 3d 10 4s 1 (y no 3d 9 4s 2 )

13 CONFIGURACIONES ELECTRÓNICAS Electrones de valencia Ejemplos:

14 TABLA PERIÓDICA Ordenación de los 63 elementos conocidos según sus pesos atómicos. Periodicidad aparente de sus propiedades químicas (ordenación en función de las valencias) (Li, Be, Ba, C, N, O, Sn) Dmitry Ivanovich Mendeleev Elementos con propiedades químicas parecidas pesos atómicos similares (Pt, Ir, Os) o que crecen de forma regular (K, Rb, Cs) VENTAJAS: Se predijo el descubrimiento y las propiedades de elementos nuevos: eka-silicio (germanio) eka-aluminio (galio) eka-boro (escandio) The Dependence Between the Properties INCONVENIENTES: No se contemplan los isótopos de los elementos No se incluyen los gases nobles (sin descubrir). Cuando se incorporaron como grupo 0 por Sir William Ramsay, no se alteró la esencia de la tabla periódica and the Atomic Weights of the Elements, presentación en la Russian Chemical Society (3 de marzo de 1869)

15 TABLA PERIÓDICA ACTUAL En 1913, Henry Moseley ordenó los elementos de la tabla periódica en función del número atómico. Enunció la ley periódica: Si los elementos se colocan según aumenta su número atómico, se observa una variación periódica de sus propiedades físicas y químicas metales alcalinos metales alcalinotérreos anfígenos nitrogenoideos carbonoideos halógenos gases nobles metales de transición térreos lantánidos actínidos

16 TABLA PERIÓDICA: Bloques alcalinos y alcalinotérreos metales ligeros grupos 1 y 2 capa de valencia ns 1 ó ns 2 metales de transición grupos 3-12 llenado de orbitales d lantánidos y actínidos llenado de orbitales f metales de post-transición y no metales grupos llenado de orbitales p

17 TABLA PERIÓDICA: Base electrónica de la clasificación periódica Todos los elementos de un mismo período (fila) tienen el mismo valor del número cuántico n en su capa de valencia. Todos los elementos de un mismo grupo (columna) tienen en su capa de valencia el mismo número de electrones en orbitales con el mismo valor del número cuántico l.

18 TABLA PERIÓDICA A partir de la tabla periódica se pueden deducir las configuraciones electrónicas

19 Capa cerrada y estabilidad química Configuración electrónica de capa cerrada gran estabilidad química Los gases nobles son elementos muy estables (estado de oxidación 0) Los restantes elementos tienden a adoptar la configuración de capa cerrada del gas noble más cercano en el sistema periódico Los METALES (izquierda del sistema periódico) tienden a perder electrones Los NO METALES (derecha del sistema periódico) tienden a captar electrones Adoptan estados de oxidación positivos y forman CATIONES Adoptan estados de oxidación negativos y forman ANIONES

20 Capa cerrada y estabilidad química

21 Combinación de un metal y un no metal: CLORURO SÓDICO e - Na + Cl -

22 Variación de Zef en la Tabla Periódica Varía poco al aumentar Z en los electrones de valencia de un mismo grupo, pues aunque hay una mayor carga nuclear, también hay un mayor apantallamiento. Crece hacia la derecha en los elementos de un mismo período, debido al menor apantallamiento de los electrones de la última capa y al mayor valor de Z. CARGA NUCLEAR EFECTIVA aumenta

23 Carga nuclear efectiva y reactividad Atracción de electrones de valencia Carga nuclear efectiva Distancia del electrón al núcleo Reactividad de los átomos METALES: Más reactivos cuanto menor Zef y mayor distancia al núcleo (los electrones se pierden con mayor facilidad). NO METALES: Más reactivos cuanto mayor Zef y menor distancia al núcleo (los electrones capturados son más atraídos). REACTIVIDAD METALES NO METALES

24 PROPIEDADES PERIÓDICAS

25 PROPIEDADES PERIÓDICAS: Radio atómico y radio iónico Radio atómico: La mitad de la distancia de dos átomos iguales enlazados entre sí En función del tipo de enlace: RADIO METÁLICO RADIO COVALENTE RADIO IÓNICO mitad de la distancia entre los núcleos de átomos vecinos de un sólido mitad de la separación internuclear de átomos vecinos del mismo elemento en una molécula radio de un átomo cuando ha perdido o ganado electrones

26 Radio atómico En un período, disminuye al aumentar la carga nuclear efectiva (los electrones de la última capa estarán más atraídos). En un grupo, aumenta al aumentar el período (existen más capas de electrones).

27 Radio iónico CATIONES son menores que los átomos neutros: Mayor carga nuclear efectiva (menor apantallamiento) volumen más compacto cationes alcalinos > cationes alcalinotérreos mismo apantallamiento mayor carga nuclear ANIONES son mayores que los átomos neutros: Menor carga nuclear efectiva (mayor apantallamiento) mayores repulsiones interelectrónicas expansión de la nube electrónica mayor volumen aniones anfígenos > aniones halógenos mismo apantallamiento mayor carga nuclear

28 PROPIEDADES PERIÓDICAS: Energía de ionización Energía mínima necesaria para separar un electrón del átomo en fase gaseosa Primera energía de ionización: Energía necesaria para arrancar el electrón más débilmente unido al átomo neutro. Varía igual que la carga nuclear efectiva energía de ionización baja

29 PROPIEDADES PERIÓDICAS: Energía de ionización Segunda energía de ionización: Energía necesaria para arrancar un electrón de un catión. Mayor que la primera energía de ionización. Cuanto mayor es la carga positiva de una especie, mayor energía se necesita para arrancar un electrón. I 1 5,3 ev I 2 75,6 ev

30 PROPIEDADES PERIÓDICAS: Afinidad electrónica Cambio de energía asociado a la ganancia de un electrón por un átomo en fase gaseosa Primera afinidad electrónica: Crece al avanzar en un período y en un grupo. Varía igual que la carga nuclear efectiva N (1s 2 2s 2 2p 3 ) capa semillena Segunda afinidad electrónica: Es siempre positiva. Las repulsiones interelectrónicas > > fuerzas de atracción por el núcleo