TEORIA ATOMICA

Teoría atómica de Dalton.

Las leyes ponderales de las combinaciones químicas encontraron una explicación satisfactoria en la teoría atómica formulada por DALTON en 1803 y publicada en 1808. Dalton reinterpreta las leyes ponderales  basándose en el concepto de átomo. Establece los siguientes postulados o hipótesis, partiendo de la idea de que la materia es discontinua:

POSTULADOS

Los elementos están constituidos por átomos consistentes en partículas materiales separadas e indestructibles;

Los átomos de un mismo elemento son iguales en masa y en todas las demás cualidades.

 Los átomos de los distintos elementos tienen diferentes masa y propiedades

Los compuestos se forman por la unión de átomos de los correspondientes elementos en una relación numérica sencilla. Los «átomos» de un determinado compuesto son a su vez idénticos en masa y en todas sus otras propiedades.

Aunque el químico irlandés HIGGINS, en 1789, había sido el primero en aplicar la hipótesis atómica a las reacciones químicas, es Dalton quien le comunica una base más sólida al asociar a los átomos la idea de masa.

Los átomos de DALTON difieren de los átomos imaginados por los filósofos griegos, los cuales los suponían formados por la misma materia primordial aunque difiriendo en forma y tamaño. La hipótesis atómica de los antiguos era una doctrina filosófica aceptada en sus especulaciones científicas por hombres como GALILEO, BOYLE, NEWTON, etc., pero no fue hasta DALTON en que constituye una verdadera teoría científica mediante la cual podían explicarse y coordinarse cuantitativamente los fenómenos observados y las leyes de las combinaciones químicas.

 La teoría atómica constituyó tan sólo inicialmente una hipótesis de trabajo, muy fecunda en el desarrollo posterior de la Química, pues no fue hasta finales del siglo XIX en que fue universalmente aceptada al conocerse pruebas físicas concluyentes de la existencia real de los átomos. Pero fue entonces cuando se llegó a la conclusión de que los átomos eran entidades complejas formadas por partículas más sencillas y que los átomos de un mismo elemento tenían en muchísimos casos masa distinta. Estas modificaciones sorprendentes de las ideas de DALTON acerca de la naturaleza de los átomos no invalidan en el campo de la Química los resultados brillantes de la teoría atómica.

THOMSON

Teoría atómica

Joseph Thomson (1856-1940) partiendo delas informaciones que se tenían hasta ese momento presentó algunas hipótesis en1898 y 1904, intentando justificar deshechos:(a ) La materia es eléctricamente neutra, lo que hace pensar que, además de electrones, debe de haber partículas con cargas positivas.(b)Los electrones pueden extraerse de los átomos, pero no así las cargas positivas. Propuso entonces un modelo para el átomo en el que la mayoría de la masa aparecía asociada con la carga positiva (dada la poca masa del electrón en comparación con la de los átomos) y suponiendo que había un cierto número de electrones distribuidos uniformemente dentro de esa masa de carga positiva (como una especie de pastel o calabaza en la que los electrones estuviesen incrustados como si fueran trocitos de fruta o pepitas).

Modelo atómico

Según el modelo de Thomson el átomo consistía en una esfera uniforme de materia cargada positivamente en la que se hallaban incrustados los electrones de un modo parecido a como lo están las semillas en una sandía. Este sencillo modelo explicaba el hecho de que la materia fuese eléctricamente neutra,

RUTHERFORD

Para Ernest Rutherford, el átomo era un sistema planetario de electrones girando alrededor de un núcleo atómico pesado y con carga eléctrica positiva.

El modelo atómico de Rutherford puede resumirse de la siguiente manera:

El átomo posee un núcleo central pequeño, con carga eléctrica positiva, que con tiene casi toda la masa del átomo.

Los electrones giran a grandes distancias alrededor del núcleo en órbitas circulares.

La suma de las cargas eléctricas negativas de los electrones debe ser igual a la carga positiva del núcleo, ya que el átomo es eléctricamente neutro.

Rutherford no solo dio una idea de cómo estaba organizado un átomo, sino que también calculó cuidadosamente su tamaño (un diámetro del orden de 10^-10 m) y el de su núcleo (un diámetro del orden de 10^-14m). El hecho de que el núcleo tenga un diámetro unas diez mil veces menor que el átomo supone una gran cantidad de espacio vacío en la organización atómica de la materia.

Para analizar cuál era la estructura del átomo, Rutherford diseñó un experimento:

El experimento consistía en bombardear una fina lámina de oro con partículas alfa (núcleos de helio). De ser correcto el modelo atómico de Thomson, el haz de partículas debería atravesar la lámina sin sufrir desviaciones significativas a su trayectoria. Rutherford observó que un alto porcentaje de partículas atravesaban la lámina sin sufrir una desviación apreciable, pero un cierto número de ellas era desviado significativamente, a veces bajo ángulos de difusión mayores de 90 grados. Tales desviaciones no podrían ocurrir si el modelo de Thomson fuese correcto.

BOHR

TEORIA:

En el estudio de la física, el modelo (o teoría atómica) de Bohr, es el que describe al átomo como un núcleo pequeño y cargado positivamente, el cual se encuentra rodeado por electrones que viajan en órbitas circulares alrededor del núcleo. Esto, en estructura, sería similar a la estructura del sistema solar que habitamos, con la diferencia de que las fuerzas electroestáticas que causan atracción en lugar de gravedad.

Este modelo de Borh significó una gran mejora con respecto a los modelos anteriores (modelo cúbico, Saturniano, etcétera); aunque hay quienes relacionan al modelo de Bohr con el de Rutherford, por lo cual en algunos sitios figura como "modelo Rutherford-Bohr".

En los comienzos del siglo 20 hubo ciertos experimentos realizados por Ernest Rutherford, los cuales lo llevaron a la conclusión de que los átomos consisten de una nube de electrones cargados negativamente que rodean un núcleo cargado positivamente.

Gracias a estos datos, tomados por Rutherford como meramente experimentales, fue que este científico luego pudo llegar a la conclusión de un modelo planetario del átomo; o sea, electrones que orbitan alrededor de un núcleo.

Sin embargo, este modelo tenía un problema: no encajaba con las leyes mecánicas clásicas (de hecho, si este modelo hubiese descripto correctamente a los átomos, significaría que absolutamente todos los átomos son inestables).

Luego de todos los experimentos llevados a cabo por Rutherford, Bohr continuó con sus investigaciones agregando algunos de los datos obtenidos por Rutherford. Gracias a estos datos iniciales es que Borh pudo desarrollar su teoría: un modelo primitivo del átomo de hidrógeno.

De todos modos, hoy en día esta teoría podría ser considerada obsoleta científicamente, pero gracias a su simplicidad es que este modelo sigue siendo enseñado a estudiantes para introducirlos en el área de la física cuántica.

La teoría de Bohr, si bien ya no se considera como exacta, es importantísima a nivel histórico, ya quefue el primer modelo en incluir y postular una cuantización, la cual explica cómo los electrones pueden tener órbitas estables (al contrario de lo que explica la teoría de Rutherford) alrededor del núcleo del átomo.

CUANTICOS

TEORIA:

 Modelo de Bohr es determinista, pero funcionaba muy bien para el átomo de hidrógeno. En los espectros realizados para otros átomos se observaba que los  electrones de un mismo nivel energético tenían distinta energía. Algo andaba mal. La conclusión fue que dentro de un mismo nivel energético existían subniveles.

En 1916, Arnold Sommerfeld modifica el modelo atómico de Bohr, en el cual los electrones sólo giraban en órbitas circulares, al decir que también podían girar enórbitas  elípticas.

Esto dio lugar a un nuevo número cuántico: "El número cuántico azimutal o secundario", que determina la forma de los orbitales, se lo representa con la letra "l" y toma valores que van desde 0 hasta n-1.

 Los modelos atómicos de Bohr y de Sommerfeld nacieron de la combinación de aspectos de la mecánica clásica newtoniana con aspectos de la teoría cuántica de Planck, constituyendo la teoría cuántica antigua.

La imposibilidad de abordar el mundo subatómico con los principios de la mecánica clásica condujo al fracaso de ambos modelos y al desarrollo, en la segunda década del siglo XX, de una nueva mecánica cuántica.

El modelo atómico actual llamado "modelo orbital" o "cuántico - ondulatorio" se basa en:

 La dualidad onda-corpúsculo: Louis de Broglie.(1924) postula que el electrón y toda partícula material en movimiento tienen un comportamiento ondulatorio. Las propiedades ondulatorias y corpusculares de la materia se relacionan mediante:

Siendo h la constante de Planck y p el momento lineal de la partícula

 El principio de incertidumbre de Heisenberg (1927) establece la imposibilidad de determinar simultáneamente y con precisión la posición y el momento lineal de una partícula en un momento dado. Ya no se po­dría decir dónde se encontraría con exactitud una partícula, como máximo se podría llegar a precisar el punto en dónde se hallaría con mayor probabilidad. "Es imposible determinar simultáneamente y con exactitud, la posición y la velocidad del electrón".

El producto de las imprecisiones de esas magnitudes e ve afectado por la restricción dada por la ecuación:

 La naturaleza ondulatoria del electrón permite que este sea descrito por una ecuación de ondas. Schrödinger (1926) formuló una ecuación (ecuación de ondas de Schrödinger) que describe el comportamiento y la energía de las partículas subatómicas. Esta ecuación incorpora tanto el comportamiento de partícula, en términos de la masa m, como el de onda, en términos de una función de onda Ψ, que depende de la ubicación del sistema en el espacio.

La ecuación de onda de Schrödinger,  toma la forma:

                 

Donde H es un operador matemático llamado Hamiltoniano y E es la energía de los niveles permitidos. La función de onda Ψ carece de significado físico en si misma. pero su cuadrado en una determinada región del espacio Ψ² es un indicador de la probabilidad de encontrar el electrón en dicha región espacial.

Cada solución de la ecuación de ondas de Schrödinger describe un posible estado del electrón, que se denomina orbital atómico, concepto análogo al de órbita en el modelo de Bohr.

El valor tan bajo de la constante de Planck h=6,626·10^-34 J·s  impide percibir el comportamiento ondulatorio de la materia en objetos grandes o cotidianos, ya que la longitud de onda asociada es tan pequeña que dicho comportamiento resulta indetectable.

 Aunque con la mecánica cuántica queda claro que no se puede saber dónde se encuentra un electrón, sí define la región en la que puede encontrarse en un momento dado. El cuadrado de la función de onda, Ψ², define la distribución de densidad electrónica alrededor del núcleo. Este concepto de densidad electrónica da la probabilidad de encontrar un electrón en una cierta región del átomo, llamada orbital. Las regiones de alta densidad electrónica representan la mayor probabilidad de localizar un electrón, mientras que lo contrario se aplica a regiones de baja densidad electrónica.

 En la descripción de un átomo en el contexto de la mecánica cuántica, se sustituye el concepto de órbita por el de orbital atómico. Un orbital atómico es la región del espacio alrededor del núcleo en el que la probabilidad de encontrar un electrón es máxima. Cada orbital tiene asociado un valor de Ψ2y un cierto valor de energía.  [E=f(n+l)] Aunque con la mecánica cuántica queda claro que no se puede saber con certeza dónde se encuentra un electrón, sí define la región en la que puede encontrarse en un momento dado. El cuadrado de la función de onda, Ψ2, define la distribución de densidad electrónica alrededor del núcleo. Este concepto de densidad electrónica da la probabilidad de encontrar un electrón en una cierta región del átomo, llamada orbital. Las regiones de alta densidad electrónica representan la mayor probabilidad de localizar un electrón, mientras que lo contrario se aplica a regiones de baja densidad electrónica. Los diagramas de superficie límite encierran el 90 % de probabilidad de localizar  el electrón. Los diagramas  de contorno de probabilidad como los representados en la figura, son curvas que encierran diferentes porcentajes de probabilidad electrónica.

 La solución matemática de la ecuación de Schrödinger precisa de tres números cuánticos. Cada trío de valores de estos números describe un orbital.

Nº cuántico principal (n): puede tomar valores enteros (1, 2, 3...) y coincide con el mismo nº cuántico introducido por Bohr. Está relacionado con la distancia promedio del electrón al núcleo en un determinado orbital y, por tanto, con el tamaño de este e indica el nivel de energía. Nº cuántico secundario (ℓ): puede tener todos los valores desde 0 hasta n – 1. Está relacionado con la forma del orbital e indica el subnivel de energía. Nº cuántico magnético (mℓ): puede tener todos los valores desde - ℓ hasta + ℓ pasando por cero. Describe la orientación espacial del orbital e indica el número de orbitales presentes en un subnivel determinado.

 Para explicar determinadas características de los espectros de emisión se consideró que los electrones podían girar en torno a un eje propio, bien en el sentido de las agujas del reloj, bien en el sentido contrario. Para caracterizar esta doble posibilidad se introdujo el nº cuántico de espín (m_s) que toma los valores de + ½ o - ½.

 (n, ℓ, m_ℓ)  Definen un orbital

   (n, ℓ, m_ℓ, m_s)  Definen a un electrón en un orbital determinado

 La configuración electrónica de un átomo es la manera en que están distribuidos los electrones entre los distintos orbítales atómicos.

 El conocimiento de las configuraciones electrónicas es fundamental para entender y predecir las propiedades de los elementos.

 En el estado fundamental de un átomo, los electrones ocupan orbítales atómicos de tal modo que la energía global del átomo sea mínima.

 Se denomina principio de construcción (Aufbau) al procedimiento para deducir la configuración electrónica de un átomo, y consiste en seguir un orden para el llenado de los diferentes orbítales, basado en los diferentes valores de la energía de cada uno de ellos. Para recordarlo se utiliza el diagrama de Möller o de las diagonales, así como la regla de la mínima energía (n+l)..

 Además del principio de construcción hay que tener en cuenta:

el principio de exclusión de Pauli: establece que no es posible que dos electrones de un átomo tengan los mismos cuatro números cuánticos iguales. Esto implica que en un mismo orbital atómico sólo pueden coexistir dos electrones con espines opuestos.

 la regla de Hund: establece que si hay más de un orbital en un mismo subnivel, los electrones están lo más desapareados posibles, ocupando el mayor número de ellos.