Estudio del átomo: 1. Átomos e isótopos 2. Modelos Atómicos 3. Teoría cuántica Ing. Sol de María Jiménez González

1

Núcleo: protones y neutrones

Los electrones se mueven alrededor.

Característica

Partículas

Protón

Neutrón

Electrón

p+

n

e-

Masa (kg)

1,6726 x 10-27

1,6749 x 10-27

9,1094 x 10-31

Masa (u)

1,0073

1,0087

5,5206 x 10-4

1+

0

1-

Símbolo

Carga eléctrica relativa

Ing. Sol de María Jiménez González

2

• El volumen que ocupan los electrones es 1014 veces mayor que el del núcleo, por lo que es prácticamente el volumen del átomo. • La masa de un protón o un neutrón es 2000 veces mayor que la de un electrón, por la masa de los nucleones es prácticamente la masa del átomo.

El núcleo es 108 veces más denso que la región electrónica o nube electrónica.

Ing. Sol de María Jiménez González

3



Es el número de protones



Símbolo: Z



Identifica el elemento al cual pertenece el átomo.

 Todos

los átomos de un mismo elemento tienen idéntico número de protones o número atómico.

Ing. Sol de María Jiménez González

4

NÚMERO ATÓMICO

NOMBRE

SÍMBOLO

MASA ATÓMICA (u)

1

Hidrógeno

H

1,0079

2

Helio

He

4,0026

6

Carbono

C

12,011

7

Nitrógeno

N

14,007

8

Oxígeno

O

15,999

11

Sodio

Na

22,990

12

Magnesio

Mg

24,305

17

Cloro

Cl

35,453

19

Potasio

K

39,098

20

Calcio

Ca

40,078

26

Hierro

Fe

55,845

29

Cobre

Cu

63,546

35

Bromo

Br

79,904

47

Plata

Ag

107,87

Ing. Sol de María Jiménez González

5

• Un átomo es neutro son átomos con igual número de protones o Z pero diferente cantidad de electrones Cl- K+ K

Cl + e-

K+ + e- queda con carga positiva

Cl- queda con carga negativa

Ing. Sol de María Jiménez González

Catión: átomo neutro pierde electrones Anión: átomo neutro gana electrones

6

 Es

el número de nucleones: la suma de protones más neutrones.

 Símbolo:

A Son átomos de un mismo elemento (igual número de p+) que poseen diferente número de neutrones.

En los isótopos A es diferente

Ing. Sol de María Jiménez González

7

Número de neutrones = número de masa – número atómico

Ing. Sol de María Jiménez González

8

Ejercicio: ¿Cuál es el número de protones, el número atómico y el número de electrones de un isótopo de calcio, si su número de masa es 48 y su número de neutrones es 28?

A = 48 n = 28 p+ = ? Z=? e- = ?

A = n + p+ p+ = A – n p+ = 48 – 28 p+ = 20

En un átomo neutro

Z = p+ y p+ = eZ = 20 y e- = 20

A Z Ing. Sol de María Jiménez González

9

Ejercicio: Un isótopo iónico de cloro tiene una carga 1-, su número de masa es 35 y su número atómico es 17. ¿Cuál es su número de protones, neutrones y electrones? Isótopos: Son átomos de un mismo elemento (igual número de protones) que poseen diferente número de neutrones.

A = 35 Z = 17 p+ = ? n=? e- = ?

Z = p+ p+ = 17

A Z

A = p+ + n n = A – p+ n = 35 – 17 n = 18

e- = p+ + 1 e- = 17 + 1 e- = 18 El ion tiene un electrón más que el átomo neutro

Ing. Sol de María Jiménez González

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Elementos: mezcla de isótopos

Isótopos inestables

Núcleos se descomponen en corto tiempo

Isótopos estables

Núcleos no tienden a descomponerse

Ing. Sol de María Jiménez González

11

La masa atómica de un elemento es el promedio ponderado de las masas de los isótopos que lo componen

Masa atómica = masa x abundancia relativa

= (masa del isótopo) x (% abundancia) Ing. Sol de María Jiménez González

12

Ejercicio: Un elemento presenta sólo dos isótopos, cuyas masas son 79,82 uma y 78,73 uma. Si la abundancia relativa del primero es 21,1%, ¿cuál es la masa atómica del elemento?

Isótopo 1 Masa: 79,82 Abundancia: 21,1%

Isótopo 2 Masa: 78,73 Abundancia: ?

% Abundancia Isótopo 2 = 100 – 21,1% = 78,9% Masa atómica= (masa x abundancia)isótopo 1+ (masa x abundancia)isótopo 2

Masa atómica= (79,82 x 0,211) + (78,73 x 0,789) Masa atómica= 78,96 uma Ing. Sol de María Jiménez González

13

Teoría atómica de Dalton Conceptos de electricidad y magnetismo Antecedentes del modelo atómico Descubrimiento y aplicaciones de la cuantificación

Ing. Sol de María Jiménez González

14

1.

El electrón tiene carácter dual: se comporta como partícula y como onda. (Broglie)

2.

Un orbital es la zona del espacio alrededor del núcleo atómico en donde existiría la máxima probabilidad de encontrar un electrón. El orbital no . tiene límites perfectamente definidos. (Heisenberg) Ing. Sol de María Jiménez González

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Los electrones de un átomo se sitúan en orbitales, los cuales tienen capacidad para situar dos de ellos, según el siguiente esquema: · · · ·

1ª capa: 1 orb. “s” (2 e–) 2ª capa: 1 orb. “s” (2 e–) + 3 orb. “p” (6 e–) 3ª capa: 1 orb. “s” (2 e–) + 3 orb. “p” (6 e–) + 5 orb. “d” (10 e–) 4ª capa: 1 orb. “s” (2 e–) + 3 orb. “p” (6 e–) + 5 orb. “d” (10 e–) + 7 orb. “f” (14 e–)

Y así sucesivamente… Los orbitales atómicos tienen distintas formas; así, los orbitales “s” son esféricos; sin embargo el resto de los tipos de orbitales poseen direcciones concretas en el espacio; por ejemplo cada uno de los orbitales “p” se alinea sobre cada uno de los tres ejes de coordenadas.

Ing. Sol de María Jiménez González

16

…..

…..

Ing. Sol de María Jiménez González

17

Los números cuánticos describen el estado atómico:

1. o o o o

Energía Impulso angular Orientación del impulso angular Magnetismo intrínseco del electrón .

La solución de la ecuación de onda brinda información sobre la probabilidad de encontrar un electrón de un átomo en una posición determinada Ing. Sol de María Jiménez González

18

Número cuánticos

Energía, n

Impulso angular, l

Orientación del impulso angular, m

• Número cuántico principal • El estado de más baja energía se llama estado fundamental • Si está en estados de energía más altos se llaman estados excitados • n = 1,2,3,4…

• Se conoce como azimutal o secundario • Movimiento del e- alrededor del núcleo • l = 0,1,2,3… (n-1)

• Se conoce como número cuántico magnético • m = -l … + l (pasando por 0)

Ing. Sol de María Jiménez González

Magnetismo del electrón, ms • Rotación del electrón en su propio eje • Se conoce como orientación del spin • ms = +1/2 o -1/2

19

Los números cuánticos describen el estado de un electrón

Nivel energético o “capa”

(n,l,m,ms)

Tipo de orbital (subnivel)según la distribución de la densidad electrónica: s, p, d, f, g

l=0 l=1 l=2 l=3 l=4

Orbital s Orbital p Orbital d Orbital f Orbital g

3px Ing. Sol de María Jiménez González

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Ejercicio: a) Establezca cuáles de las siguientes series de números cuánticos serían posibles y cuáles imposibles para especificar el estado de un electrón; b) diga en que tipo de orbital atómico estarían situados los que son posibles. n = 1,2,3,4…

l = 0,1,2,3… (n-1)

m = -l … + l (pasando por 0)

I) II) III) IV) V)

ms = +1/2 o -1/2

Imposible. (n < 1) Imposible. (l = n) Posible. Orbital “1 s” Imposible (m: –1,0,1) Posible. Orbital “2 p”

Ing. Sol de María Jiménez González

21

Estudio: 1. 2. 3. 4.

Modelo de los átomos multielectrónicos Representaciones del estado de los átomos Clasificación de elementos en la tabla periódica Propiedades periódicas de los elementos

Ing. Sol de María Jiménez González

22

 Trata

de explicar las características de los átomos que tienen más de un electrón.

 El

modelo asocia cada uno de los electrones con algún orbital (1s, 2s, 2px,…).

.

Principio de exclusión de Pauli El proceso de asociación toma en cuenta que no se puede asignar más de dos electrones a un mismo orbital Ing. Sol de María Jiménez González

23

•

Los electrones se asignan uno por uno a orbitales, siguiendo un orden de energía ascendente. – Los orbitales que comparten el valor del número cuántico principal “n” pertenecen a una misma capa.

•

No puede asignarse más de dos electrones a un mismo orbital.

•

Nivel más bajo de energía 1s

•

Esto implica que los electrones de las capas internas ocultan al núcleo, entonces, los electrones externos no están expuestos a la carga nuclear total, si no a una carga disminuida de la carga nuclear.

• Conjunto de orbitales que comparten n y l • Pueden ser representadas por los símbolos 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 3d… • Estos orbitales tienen igual carga nuclear efectiva, energía y tamaño.

Ing. Sol de María Jiménez González

24

Números cuánticos para cada electrón.

Configuración electrónica del átomo

Diagrama de orbital

Ing. Sol de María Jiménez González

25



Es la distribución de los electrones en las subcapas de un átomo.



Por ejemplo: 3s2



Por ejemplo: 4d6

Subcapa 3s ocupada por dos electrones. Subcapa 4d ocupada por seis electrones.

Ing. Sol de María Jiménez González

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Número atómico

Elemento

Configuración electrónica

1

H

1s1

2

He

1s2

3

Li

1s2 2s1

4

Be

1s2 2s2

5

B

1s2 2s2 2p1

6

C

1s2 2s2 2p2

7

N

1s2 2s2 2p3

8

O

1s2 2s2 2p4

9

F

1s2 2s2 2p5

10

Ne

1s2 2s2 2p6

11

Na

1s2 2s2 2p6 3s1

12

Mg

1s2 2s2 2p6 3s2

13

Al

1s2 2s2 2p6 3s2 3p1

14

Si

1s2 2s2 2p6 3s2 3p2

15

P

1s2 2s2 2p6 3s2 3p3

16

S

1s2 2s2 2p6 3s2 3p4

17

Cl

1s2 2s2 2p6 3s2 3p5

18

Ar

2 2s2 2p 6 3s2 3p6 Ing. Sol de María González 1sJiménez

Las únicas configuraciones en las que todas las subcapas están llenas: He, Be, Ne, Mg y Ar

27

1.

Número de electrones: Si es neutro coincide con Z. Si es un ión hay que sumarle o restarle electrones.

2.

El orden en que se colocan las subcapas: se relaciona con la energía de los orbitales en una misma capa: ns ˂ np ˂ nd ˂nd

Capa (n)

N° máx electrones 2n2

N° Subcapas

1

2

1

1s

2

8

2

2s, 2p

3

18

3

3s, 3p, 3d

4

32

4

4s, 4p, 4d, 4d, 4f

Ing. Sol de María Jiménez González

Subcapas

28

Carbono

2 1s

2 2s

Ing. Sol de María Jiménez González

2 2p

29

Diagrama de orbital • Las flechas son los electrones. • Las rayas horizontales son los orbitales. • El sentido de la flecha es el spin.

Ing. Sol de María Jiménez González

30

Electrón diferenciante • Los números cuánticos que identifican al electrón diferenciante, son los que identifican la subcapa: n y l.

• Por ejemplo: He (helio) el electrón diferenciante es uno de los electrones del orbital 1s. En el O (oxígeno) es uno de los cuatro electrones en 2p. Ing. Sol de María Jiménez González

31

Todos los orbitales de una subcapa semillena están ocupados por electrones solitarios y con un espín paralelo. Todos los orbitales de una subcapa llena o una capa llena están ocupados por pares de electrones con espín opuesto.

La diferencia entre el diagrama de orbital de un átomo y el del átomo que le antecede es una flecha que está en el extremo derecho. Este electrón se llama electrón diferenciante. Ing. Sol de María Jiménez González

32

Carbono 1s2 2s2 2p2 Se dibujan cinco rayas: 1 para la subcapa 1s, 1 para la subcapa 2s y 3 para la subcapa 2p.

1s

2s

2p

Se dibuja un par de flechas sobre cada una de las rayas de las subcapas 1s y 2s porque están llenas

1s

2s

2p

Se distribuyen los electrones restantes entre los orbitales de la subcapa 2p

Ing. 1sSol de María Jiménez 2s González

2p

33

Carbono 1s2 2s2 2p2 • Indique un par de conjuntos de números cuánticos que pueden ser asignados a los dos electrones de la subcapa externa del carbono • La subcapa externa es 2p • n=2, l=1 • Entonces m = -1, 0 y 1 y ms= +1/2 o -1/2 (2,1,-1,1/2) y (2,1,1,1/2) Ing. Sol de María Jiménez González

34

Carbono 1s2 2s2 2p2 Indique un par de conjuntos de números cuánticos que pueden ser asignados a los dos electrones de la subcapa 2s del carbono

• La subcapa es 2s • n=2, l=0 • Entonces m = 0 y ms= +1/2 o -1/2 (2,0,0,1/2) y (2,0,0,-1/2) Ing. Sol de María Jiménez González

35

Clasificación de los elementos de la tabla periódica • Los elementos están organizados según algunas de sus propiedades. • Periodos: son las filas horizontales de la tabla. • Grupo o familia: líneas verticales o columnas LA INFORMACIÓN DE LA CONFIGURACIÓN ELECTRÓNICA ESTÁ CONTENIDA EN LA TABLA PERIÓDICA Ing. Sol de María Jiménez González

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Configuración simplificada • Los elementos del grupo 8A son los gases nobles. • Se escribe el símbolo del gas noble entre corchetes [ ] y se indican las subcapas faltantes He 1s2 Ne [He]2s22p6 Ar [Ne]3s23p6 Ing. Sol de María Jiménez González

37

Estudiar Conjuntos de elementos en la tabla periódica Pág. 194-200

Ing. Sol de María Jiménez González

38

Propiedades periódicas: Radio atómico • Tamaño de los átomos. En un periodo (fila) disminuye al aumentar Z (número atómico) y en un grupo crece al aumentar Z

Aumenta radio atómico

Aumenta radio atómico

Ing. Sol de María Jiménez González

39

Propiedades periódicas: Energía de ionización (EI) Es el grado de dificultad para remover un electrón

Ing. Sol de María Jiménez González

40

Ing. Sol de María Jiménez González



Es la energía necesaria para extraer un electrón.



Cuanto mayor sea la AE, más tendencia tiene el átomo a formar el ion negativo.

41

Radio iónico • Los elementos con AE muy alta tienden a formar aniones. Por ejemplo los del grupo 6A tienden a formar iones con carga 2-. • Los elementos con EI muy baja tienden a formar iones positivos. Por ejemplo los del grupo 1A forman iones con carga 1-. • El tamaño de los átomos varía cuando pierden o ganan electrones. • La variación es la misma que el radio atómico. Ing. Sol de María Jiménez González

42

• Son átomos de elementos diferentes (distinto número de protones), en estado neutro y iónico, que poseen el mismo número de electrones

N3- O2- F- Ne Na+ Mg2+ Al3+

Ing. Sol de María Jiménez González

43



Indica la tendencia que presentan los átomos para atraer electrones de un átomo de otro elemento cuando se unen para formar un compuesto.

Ing. Sol de María Jiménez González

44