Estructura electrónica de los átomos. unidad i

libro de quimica

1. Ramón Rodríguez
INSTITUTO TECNOLÓGIO DE LOS MOCHIS
DEPARTAMENTO DE ING. QUÍMICA, BIOQUÍMICA Y LIC. EN BIOLOGÍA
ACADEMIA DE INGENIERÍA QUÍMICA
Agosto de 2015

6. �Siglova.C.,elgriego expresólaideadequetodalamateria
estabaformadapormuchaspartículaspequeñaseindivisiblesquellamó
átomos(quesignificaindestructibleoindivisible).
�ApesardequelaideadeDemócritonofueaceptadapormuchosdesus
contemporáneos(entreellosPlatónyAristóteles),éstasemantuvo.
�Lasevidenciasexperimentalesdealgunasinvestigacionescientíficas
apoyaronelconceptodel«atomismo»,loquecondujo,demaneragradual,a
lasdefinicionesmodernasdeelementosycompuestos.

7. �En1808,elcientíficoinglés,profesor (1766-1844).Químico,
matemáticoyfilósofoinglés.
�Ademásdelateoríaatómica,tambiénformulóvariasleyessobrelosgasesy
proporcionólaprimeradescripcióndetalladadelacegueraalcolor,lacual
padecía.
�SehadescritoaDaltoncomounexperimentadorindiferenteconmuypocas
habilidadesenlasáreasdellenguajeylailustración.
�Suúnicopasatiempoeraeljuegodebolosencéspedlosjuevesporlatarde.
�Talvezladivisióndeesosbolosdemanerafueloqueinspirósuideadela
teoríaatómica.
�EltrabajodeDaltonmarcóelprincipiodelaeradelaquímicamoderna.Las
hipótesissobrelanaturalezadelamateria,enlasquesebasalateoríade
Dalton,seresumenydetallanacontinuación:

8. 1.Loselementosestánformadosporpartículasextremadamentepequeñas
llamadasátomos.
2.Todoslosátomosdeunmismoelementosonidénticos,tienenigual
tamaño,masaypropiedadesquímicas.Losátomosdeunelementoson
diferentesalosátomosdetodoslosdemáselementos.
3.Loscompuestosestáformadosporátomosdemásdeunelemento.En
cualquiercompuesto,larelacióndelnúmerodeátomosentredosdelos
elementospresentessiempreesunnúmeroenteroounafracciónsencilla.
4.Unareacciónquímicaimplicasólolaseparación,combinacióno
reordenamientodelosátomos;nuncasuponelacreaciónodestrucciónde
losmismos.

9. �JosephProust.Francés(1799). .Establece
quemuestrasdiferentesdeunmismocompuestosiemprecontienenlos
mismoselementosyenlamismaproporcióndemasa.
� les.Establecequesidoselementospueden
combinarseparaformarmásdeuncompuesto,lamasadeunodelos
elementosquesecombinaconunamasafijadelotromantieneunarelación
denúmerosenterospequeños.
� .Establecequelamaterianosecreanise
destruye.

10. �Eslaunidadbásicadeunelementoquepuedeinterveniren
unacombinaciónquímica.

11. �Enuntuboderayoscatódicos,loselectronesse
desplazandelelectrodonegativo(cátodo)alelectrodo
positivo(ánodo).

12. (a)En un tubo de rayos catódicos, los electrones se desplazan del electrodo negativo
(cátodo) al electrodo positivo (ánodo).
(b)Fotografía de un tubo de rayos catódicos que contiene una pantalla fluorescente para
mostrar la trayectoria de los rayos.
(c) La presencia de un imán desvía la trayectoria de los rayos catódicos.

13. Tuboderayoscatódicosconcamposmagnéticoyeléctricoperpendiculares.Losrayos
catódicos(electrones)seoriginanenlaplacanegativadelaizquierdayseaceleranhaciala
placapositiva,quetieneunagujeroenelcentro.Unhazdeelectronespasaporelagujero,y
sutrayectoriasedesvíaposteriormenteconloscamposmagnéticoyeléctrico.Larelación
carga-masadelelectrónpuededeterminarsemidiendolosefectosdeloscamposmagnético
yeléctricosobreladireccióndelhaz.

14. RepresentacióndelaparatoqueMillikanusóparamedirlacargadelelectrón.Elexperimentoconsisteen
dejarcaerpequeñasgotasdeaceite,quehabíancapturadoelectronesdemás,entredosplacascargadas
eléctricamente.Millikanvigilólasgotitas,midiendocómoelvoltajedelasplacasafectabasurapidezde
caída.Conbaseenestosdatos,calculólascargasdelasgotas.Suexperimentodemostróquelascargas
siempreeranmúltiplosenterosde1.60x10
-19
C,cantidadque,segúndedujoél,eralacargadeunsolo
electrón.

16. Comportamientodelosrayosalfa(α),beta(β)ygamma(γ)enuncampoel?ctrico.
En1896,elcient?ficofranc?sHenriBecquerel(1852-1908)alestarestudiandoun
mineraldeuraniollamadopechblenda,descubri?queemit?aespont?neamente
radiaci?ndealtaenerg?a.Estaemisi?nespont?neaderadiaci?nsedenomina
radiactividad.AsugerenciadeBecquerel,MarieCurieysuesposo,Pierre,
iniciaronsusfamososexperimentosparaaislarloscomponentesradiactivosdel
mineral.
Radiactividad:emisi?nespont?neadepart?culasoradiaci?n.

17. Alaumentarlosindiciosdequeelátomosecomponíadepartículasaúnmáspequeñas,la
atenciónsecentróenlarelaciónentredichaspartículas.AprincipiosdelsigloXX,
Thomsonrazonóque,comoloselectronesconstituyenunafracciónmuypequeñadela
masadeunátomo,probablementehabíaunarelaciónconeltamañodelátomo,ypropuso
queelátomoconsistíaenunaesferauniformedemateriapositivaenlaqueestaban
incrustadosloselectrones

18. ModelodeRutherfordqueexplicaladispersióndepartículas.Lalaminilladeorotiene
unoscuantosmilesdeátomosdeespesor.Cuandounapartículachocaconunnúcleo
deoro(opasamuycercadeél),experimentaunafuerterepulsión.Lapartícula,menos
masiva,esdesviadadesutrayectoriaporestainteracciónrepulsiva.

22. Bohrbasósumodeloentrespostulados:
1.Sóloestánpermitidasórbitasconciertosradios,correspondientes
aciertasenergíasdefinidas,paraloselectronesdeunátomo.
2.Unelectrónenunaórbitapermitidatieneunaenergíaespecíficay
estáenunestadodeenergía«permitido».Unelectrónenun
estadodeenergíapermitidonoirradiaenergía,yporlotanto,no
caeenespiralhaciaelnúcleo.
3.Unelectrónsóloemiteoabsorbeenergíacuandopasadeun
estadopermitidodeenergíaaotro.Estaenergíaseemiteo
absorbeenformadefotón,E=hv.

23. �SibienelmodelodeBohrunaexplicacióndelespectrodelíneasdelátomo
dehidrógeno,nopuedeexplicarlosespectrosdeotrosátomos,osólolo
hacedemaneramuyburda.
�Además,describirunelectrónmeramentecomounapartículapequeñaque
davueltaentornoalnúcleopresentaunproblema.
�Comoveremosposteriormente,elelectrónexhibepropiedadesdelasondas,
ynuestromodelodelaestructuraelectrónicadebecontemplaresehecho.
�ElmodelodeBohrsólofueunimportantepasoenelcaminohaciael
desarrollodeunmodelomáscompleto.
�LomásimportantedelmodelodeBohresqueintroducedosideas
fundamentalesqueestánincorporadasennuestromodelovigente:

24. 1.Loselectronessóloexistenenciertosnivelesdiscretosdeenergía,
quesedescribenconnúmeroscuánticos;y
2.Enelmovimientodeunelectróndeunnivelaotrointerviene
energía.Además,unapartedelaterminologíaasociadaanuestro
nuevomodeloseremontaalmodelodeBohr.
3.Porejemplo,todavíausamoslaideadeestadosbasalesyestados
excitadosparadescribirlasestructuraselectrónicasdelos
átomos.

25. �La eslaclavedetodoenquímica.
�Laspropiedadesdeunasustanciadependendelosátomosquecontieneydelaforma
enqueéstosesténconectados.
�Loqueesmenosobvio,peromuyimportante,eslaideadequealguienquesabede
químicapuedeobservarlafórmulaestructuraldeunasustanciaydecirmuchosobresus
propiedades.
�Esteestudiode empiezaconelenfoquedeLewisacercadela
.
�Alaplicarestosprincipios,sereconocelospatronesestructuralesquesonmás
ysedesarrollahabilidadparalacomunicacióndeinformaciónestructuralqueseusará
durantetodoeltiempoqueseestudiequímicaorgánica.
�Esimportanteaprenderlosfundamentosdela desdeuna
perspectivaestructuralpararelacionarloesencialentrelaestructuraylaspropiedades
químicasdeuncompuestoorgánico.

27. �,queeselnúmeroatómico,elcualesigualalnúmerodeprotones
ensunúcleo.
�Un tieneigualnúmerodeprotones,loscualestienen
cargapositiva,deelectrones,loscualestienencarganegativa.

30. http://www.iupac.org/

32. �Desdeelmomentodesudescubrimiento,en1887,sepensóqueloselectroneseran
partículas,peroen1924elfísicofrancésLouisdeBrogliesugirióquetambiéntenían
comportamientodeonda.
�Dosañosdespués,ErwinSchrödingerdioelsiguientepasoycalculólaenergíadeunelectrón
enunátomodehidrógenousandoecuacionesquetratabanalelectróncomosifueraunaonda.
�Enlugardeunasolaenergía,Schrödingerobtuvounaseriedenivelesdeenergía,cadaunode
loscualescorrespondíaaunadescripciónmatemáticadiferentedelaondaelectrónica.
�Estasdescripcionesmatemáticassellamanfuncionesdeondaysesimbolizanconlaletra
griegaψ(psi).
�Deacuerdoconel ,nosepuededeterminarcon
exactituddóndeestáunelectrón,perosísepuededeterminardóndeesmásprobableque
esté.
�Laprobabilidaddeencontrarunelectrónenunpuntoparticularenrelaciónconelnúcleode
unátomoestádadaporelcuadradodelafuncióndeonda(ψ²)enesepunto.
�Lasiguientefigurailustralaprobabilidaddeencontrarunelectr?nenvariospuntosenelestadodemenor
energ?a(m?sestable)deun?tomodehidr?geno.
�Cuantomásoscuroeselcolorenunaregión,serámayorlaprobabilidad.
�Laprobabilidaddeencontrarunelectrónenunpuntoparticularesmayorcercadelnúcleoy
disminuyeconelaumentodeladistanciadelnúcleo,peronuncasevuelvecero.
�Porlocomúnsedescribeenlafiguracomouna“nubeelectrónica”parahacerhincapiésobrela
naturalezaextendidadelaprobabilidaddelelectrón.
�Sinembargo,sedebesercuidadoso.La“nubeelectrónica”deunátomodehidrógeno,aunque
sedibujecomounaseriedemuchospuntos,representasólounelectrón.

35. �LasolucióndelaecuacióndeSchrödingerparaelátomodehidrógenoproduceun
conjuntodefuncionesdeondaconsuscorrespondientesenergías.Estasfuncionesde
ondasedenominan .Cadaorbitaldescribeunadistribuciónespecíficade
densidadelectrónicaenelespacio,dadaporsudensidaddeprobabilidad.Portanto,
cadaorbitaltieneunaenergíayunaformacaracterísticas.Porejemplo,elorbitaldemás
bajaenergíadelátomodehidrógenotieneunaenergíade-2.18x10
-18
Jylaformaque
seilustraenlasiguientediapositiva.Cabeseñalarqueun (
)noeslomismoqueuna ( ).Elmodelodelamecánica
cuánticanohabladeórbitasporquenoesposiblemedirniseguirconprecisiónel
movimientodelelectrónenunátomo( deHeisenberg).
�ElmodelodeBohrintrodujounsolonúmerocuántico,n,paradescribirunaórbita.
�Elmodelodelamecánicacuánticaempleatresnúmeroscuánticos,,y,para
describirunorbital.Consideremosquéinformaciónseobtienedecadaunodeéstosy
cómoestánrelacionadosentresí.

36. � Estenúmerocuánticoestárelacionadotantoconla
energíacomoconladistanciamedianentreelnúcleoyelelectrón,medidaenniveles
energéticos.
Puedetenervaloresenterospositivosde1,2,3,etc.Alaumentarn,elorbitalsehace
másgrande,yelelectrónpasamástiempolejosdelnúcleo.
,yportanto,estáunidomenosfirmemente
alnúcleo.Enelcasodelátomodehidrógeno,
igualqueenelmodelodeBohr.
�
Puedetenervaloresenterosde0an-1paracadavalorden.Estenúmerocuántico
definelaformadelorbital.Elvalordelparaunorbitaldadogeneralmentesedesigna
conlasletrass,p,dyfquecorrespondenavaloresdelde0,1,2y3,respectivamente,
comoseresumeaquí:

37. � Subórbita"s" (forma circular) →proviene de harp(nítido)
� Subórbita"p" (forma semicircular achatada) →proviene de rincipal
� Subórbita"d" (forma lobular, con anillo nodal) →proviene de ifuse(difuso)
� Subórbita"f" (lobulares con nodos radiales) →proviene de undamental

38. � Indicalaorientaciónespacialdelsubnivelde
energía.
Puedetenervaloresenterosentrely-l,loqueincluyecero.Estenúmerocuántico
describelaorientacióndelorbitalenelespacio,comovemosenlasiguientetabla:

39. �Lasletrass,p,dyfprovienendelaspalabrasinglesassharp(agudo),
principal,diffuse(difuso)yfundamental,queseusabanparadescribirciertas
característicasdelosespectrosantesdequesedesarrollaralamecánica
cuántica.
�Elconjuntodeorbitalesqueposeenelmismovalordesedenomina
Porejemplo,decimosquetodoslosorbitalesquetienenn=3estánenla
terceracapa.
Además,elconjuntodeorbitalesquetienenlosmismosvaloresdenylse
llama
Cadasubcapasedesignaconunnúmero(elvalorden)yunaletra(s,p,do
f,quecorrespondealvalordel).
Porejemplo,losorbitalesquetienenn=3yl=2sedenominanorbitales3d
yestánenlasubcapa3d.

40. �Lasfuncionesdeondatambiénseconocencomo .Porconveniencia,los
químicosusaneltérmino“orbital”devariasformas.Confrecuenciasedicequeun
dibujocomoeldelafiguraanteriorrepresentaunorbital.Severánotrasclasesde
dibujosenestasección,ytambiénseusarálapalabra“orbital”paradescribirlos.
�Losorbitalessedescribenalespecificarsutamaño,formaypropiedadesdireccionales.
Losquesonsimétricosenformaesférica,comoelquesemuestraenlafiguraanterior,
sellamanorbitaless.Laletrasesprecedidaporel n(n=1,
2,3,etc.),elcualespecificael yserelacionaconlaenergíadelorbital.Esprobable
queunelectrónenunorbital1sseencuentremáscercadelnúcleo,tengamenos
energíaysesostengaconmásfuerzaqueunelectrónenunorbital2s.
�Enlugarderepresentarlosorbitalescondistribucionesdeprobabilidad,esmáscomún
representarlosporsus ,comosemuestraenlasiguientefigura
paralosorbitales1sy2s.Elcontornodesuperficieencierrelaregióndondela
probabilidaddeencontrarunelectrónesalta,delorden Aligualqueel
gráficodedistribucióndeprobabilidaddelquesederiva,unailustracióndeuncontorno
desuperficie,porlogeneral,sedescribecomoeldibujodeunorbital.

42. �Unátomodehidrógeno(Z=1)tieneunelectrón;unátomodehelio(Z=2)tienedos.
�Elelectrónúnicodelhidrógenoocupaunorbital1s,aligualquelosdoselectronesde
helio.
�Suconfiguracioneselectrónicasseescribencomo:
�Ademásdetenercarganegativa,loselectronesposeenlapropiedadde .
� deunelectrónpuedetenerunvaloryaseade o .
�Deacuerdoconel ,doselectronespuedenocuparel
mismoorbitalsólocuandotienenespinesopuestos,oespines“apareados”.
�Porestarazón,ningúnorbitalpuedecontenermásdedoselectrones.
�Debidoaquedoselectronesllenanelorbital1s,eltercerelectrónenellitio(Z=3)debe
ocuparunorbitaldemayorenergía.
�Despuésdelorbital1s,elsiguientedemayorenergíaeselorbital2s.
�Porconsiguiente,eltercerelectrónenellitioocupaelorbital2s,ylaconfiguración
electrónicadellitioes:

43. �El (o )delatablaperiódicaenqueapareceunelemento
correspondealnúmerocuánticoprincipalmásaltoenelquehayunorbital
ocupado(n=1enelcasodelhidrógenoyelhelio).Elhidrógenoyelhelio
sonelementosdelaprimerafila;ellitio(n=2)esunelementodelasegunda
fila.
�Enelcasodelberilio(Z=4)sellenaelnivel2sylossiguientesorbitalesque
seocuparánson2p
x,2p
yy2p
z.
�Estostresorbitalesquesemuestranenlasiguientefiguratienenlamisma
energíaysecaracterizanporrepresentacionesdecontornodesuperficieque
porlogeneralsedescribencon“formadepesas”.
�Losejesdelostresorbitales2pestánenángulorectoentresí.Cadaorbital
constadedos“lóbulos”,representadosenlasiguientefiguraporregionesde
tonosazules.Lasregionesdeunsoloorbital,enestecasocadaorbital2p,
puedensepararseporsuperficiesnodalesdondelafuncióndeondacambia
designoylaprobabilidaddeencontrarunelectrónescero.
�Tambiénseusanotrosmétodosparaindicarlasregionesdeunorbital
dondelossignosdelafuncióndeondasondiferentes.
�Algunosmarcanunlóbulodeunorbitalpoco+yelotro-.
�Otrossombreanunlóbuloydejanelotroenblanco.Cuandonoesnecesario
esteniveldedetalle,nosehaceningunadiferenciaciónentrelosdoslóbulos.

45. �Enlasiguientetablasemuestranlasconfiguracioneselectrónicasdelosprimeros12
elementos,dehidrógenoamagnesio.Observeque,enelllenadodelosorbitales2p,
cadaunoseocupaporunsoloelectrónantesquecualquieraseocupeenformadoble.
�Esteprincipiogeneralparalosorbitalesdelamismaenergíaseconocecomo
,lacualestableceque“
”.
�Sondeparticularimportanciaenestatala,el , , y .
�Innumerablescompuestosorgánicostienennitrógeno,oxígenooambos,ademásde
carbono,elelementoesencialdelaquímicaorgánica.Lamayoríadeellostambién
contienenhidrógeno.

46. �Confrecuenciaesconvenientehablardelos deunátomo.
�Éstossonloselectronesexternos,aquellosquetienenmásprobabilidaddeestar
implicadosen .
�Paraloselementosdelassegundafilaéstossonloselectrones2sy2p.
�Debidoaqueestánimplicadoscuatroorbitales(2s,2p
x,2p
yy2p
z),
.
�Elneón,contodossusorbitales2sy2pocupadosdoblemente,tieneochoelectronesde
valenciaycompletalasegundafiladelatablaperiódica.
�
.
�Unavezqueestánllenoslosorbitales2sy2p,elsiguientenivelesel3s,seguidoporlos
orbitales3p
x,3p
yy3p
z.Loselectronesenestosorbitalesestánmáslejosdelnúcleoque
aquéllosenlosorbitales2sy2p,ysondemayorenergía.

47. �Elneón,enelsegundoperiodo,yelargón,eneltercero,tienenocho
electronesensucapadevalencia;sedicequetienenun completode
electrones.
�Elhelio,elneónyelargónpertenecenalaclasedeelementosconocidos
como o .( )
�Losgasesnoblessecaracterizanportenerconfiguracioneselectrónicasde
“ ”estableenextremoysonmuypocoreactivos.
�
.
�Todoslosprotonesdeunelementoestánensunúcleo,peroloselectrones
delelementoestándistribuidosenorbitalesdediferenteenergíaya
distanciasvariablesdelnúcleo.
�Cuandosedeseaentendercómosecomportaunelemento,másque
cualquierotracosa,seobservasuconfiguraciónelectrónica.

48. �1. El número cuántico principal, n.
�2. El número cuántico azimutal, l.
�3. El número cuántico magnético, m
l.
�4. El número cuántico de espín.

51. Ejercicio: mencionar las propiedades de la Tabla Periódica, nombrar
los grupos, enumerarlos, clasificarlos, poner las valencias comunes de
los iones.

53. �Que es un material vítreo
�Que es un material tipo gel
�Que es un material cristalino
�Importancia económica, industrial y ambiental en la región y el país
de los siguientes elementos: Na, Mg, K, Ca, Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Ni,
Cu, Zn, Ag, Pd, Pt, Au, Hg, Al, C, N, O, Cl, H, I.

54. ���������������������������������������������������������������������������
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