2b-Modelo actual del átomo. Configuración electrónica

EL ÁTOMO. MODELO ACTUAL 

1-Concepto de átomo.
Revisión
Un átomo es la unidad constituyente más pequeña de la materia que tiene las propiedades de esta.
Cada sistema material, de una sustancia simple pura (elemento), en estado sólido, líquido, gas y/o plasma, se compone de átomos, ya sea neutros o ionizados (poseen carga eléctrica) que poseen todas las propiedades de la materia que lo constituyen .
Los átomos son muy pequeños; los tamaños típicos son alrededor de 100 pm (picometro, o sea, diez mil millonésima parte de un metro).
En estas dimensiones extrañas se producen fenómenos extraños. Los átomos son lo suficientemente pequeños para que la física clásica dé resultados notablemente incorrectos. Tal es así que la rama de la física que los estudia es totalmente diferente, denominada "física cuántica" (la energía se transfiere en cuantos, dualidad onda partícula, etc) .
En estas dimensiones la materia, es decir los átomos, no tienen límites bien definidos, la masa, el tiempo y el espacio toman características particulares.
A través del desarrollo de la física, los modelos atómicos han incorporado principios cuánticos para explicar y predecir mejor su comportamiento. Desde la concepción original de una partícula invisible, hasta la actual que es un conglomerado de partículas subatómicas con un orden determinado en una porción de espacio definida, se han tratado de explicar los fenómenos que se ven en el átomo. El modelo actual, que ha explicado todos esos fenómenos , es el propuesto por Schròdinger mediante su Ecuación de Onda y los números cuánticos .

Cada átomo se compone de:
-un núcleo en el que están los fermiones: neutrones (0) y protones (+) ,
-orbitales formados por uno o más fermiones denominados electrones (-) . Estas son las partículas mas grandes y estables y son las que vamos a considerar.
En el núcleo hay tantos protones con carga positivas, como girando en orbitales electrones con cargas negativas , por esto un átomo es neutro, salvo situaciones especiales (iones). Los neutrones no tienen carga.
En el núcleo, hay un número variable de neutrones que generalmente es igual al de protones pero no siempre es así. Por esto existen mismos átomos con diferente peso o masa.
En el núcleo, los protones y neutrones poseen el 99,9 % de la masa del átomo.
Si un átomo tiene más o menos electrones que protones, entonces tiene una carga global negativa o positiva, respectivamente, y se denomina ion. El átomo con carga negativa se denomina anión, al que posee carga positiva catión.





2-Representación de un átomo

Cada átomo tiene un determinado número de protones que simbolizaremos con la letra “Z”, y llamaremos número atómico.
Este valor Z es característico, único e irrepetible que identifica a cada átomo.
Además, cada átomo tiene un número de masa simbolizado con la letra “A”. Este número de masa es la suma de protones y neutrones.
Un átomo se representa con el símbolo correspondiente, precedido con el superíndice de su número másico (A) y del subíndice de su número atómico (Z)





En la tabla periódica actual hay 118 átomos determinados y nombrados, pero según el tipo de tabla este número varía (de acuerdo a la antigüedad de la tabla), ordenados por el numero de atómico “Z” (número de protones), comenzando por el Z=1 que corresponde al elemento químico denominado Hidrógeno. Para cada átomo existe un "Z" y cada número "Z" identifica a un solo àtomo.

Esquema de ubicación de las partículas subatómicas

3-Ordenamiento de electrones por sus niveles de energía. Principio de Aufbeau. Regla de las diagonales.

Partimos de tener siempre presente los NÚMEROS CUÁNTICOS.

n: nivel de energìa

l: numero azimutal

m: número magnético

s: spin

El Principio de Aufbau contiene una serie de instrucciones relacionadas a la ubicación de electrones en los orbitales de un átomo, formulado por el físico Niels Bohr, recibió el nombre de Aufbau (del alemán Aufbauprinzip: principio de construcción).

De acuerdo al átomo del que se trate, los electrones se disponen alrededor del núcleo en un orden determinado, que va desde el de menor energía hasta el de mayor energía siguiendo un sistema calculado por la ecuación de onda. Este orden (electrón , nivel energético y forma de la nube en la cuál se encuentra) se puede graficar como la "regla de las diagonales o Principio de Aufbeau".
De la ecuación de onda, considerando con cada número cuántico, propone formas espaciales denominadas "orbitales" . Estas son estructuras espaciales con características de nube donde existe la mayor probabilidad de encontrar al electrón.

4-Forma en que se incorporan los electrones. Regla de Hund.

En los orbitales se incorporan electrones o  'completan un orbital' con 2 (DOS ELECTRONES POR ORBITAL SIEMPRE),  respetando la regla de Hund, siendo el primero en llenarse el orbital 1s (hasta un máximo de dos electrones), esto de acuerdo con el número cuántico l (ele). 

Seguido se completa el orbital 2s (también con dos electrones como máximo). 

Posteriormente se incorporan electrones en el orbital "p" , en el mismo nivel energético 2. Como según el el número cuántico "m" existen tres orbitales "p" según su orientación tridimensional (2px, 2py, 2pz),  los tres orbitales 2p puede albergar  seis electrones, dos en cada uno. 

De nuevo, de acuerdo con la regla de Hund, deben tener todos por lo menos un electrón antes de que alguno llegue a tener dos. Y así, sucesivamente: "Es un principio empírico formulado en 1927 por el físico alemán Friedrich Hund (1896 – 1997) a partir del estudio de los espectros atómicos y la distribución de elementos en la tabla periódica." Cada uno de los electrones presentes en un orbital, deben tener un numero cuantico "s" diferente ↑ o ↓. 

5-Principio de exclusión de Pauli.

Este principio es una regla de la mecánica cuántica enunciada por Wolfgang Ernst Pauli en 1925. Establece que no puede haber dos electrones con todos sus números cuánticos idénticos (esto es, en el mismo estado cuántico) dentro del mismo sistema cuántico.
Formulado inicialmente como principio, posteriormente se comprobó que era derivable de supuestos más generales: de hecho, es una consecuencia del teorema de la estadística del espín.

El siguiente esquema resume el ordenamiento de todos los electrones que puede tener un átomo, desde el primero (energía mas baja) al último (energía mas alta) .
Se observa la forma del orbital a la izquierda, según el número cuántico "l" o azimutal (s, p, d, f, )
Mas abajo de esquematiza un átomo con los electrones en sus orbitales.
Por último la regla de las diagonales , que se desprende el Principio de Aubeau.

6-Configuración electrónica

En física pero principalmente en química, la configuración electrónica indica la manera en la cual los electrones se ordenan alrededor del núcleo de un átomo, como si fueran capas de electrones , todo de acuerdo a la ecuación de onda.
La disposición de los electrones en los átomos está sujeta a las reglas de la física cuántica, que pueden ser calculado por la ecuación de onda Schrödinger que predice para cada átomo que disposición tendré.
La configuración electrónica es importante porque determina las propiedades químicas de un átomo. Se denomina "configuración electrónica" a la descripción de como se ordenan los electrones alrededor el núcleo. Esta se fundamenta en los números cuánticos, de la "ecuación de onda".

Recordar
n: número cuantico principal. Es el nivel de energía donde probablemente se encontrará el electrón. Se denomina con números del 1 al 7.
l: nunero cuantico azimutal. Es la forma geométrica del orbital donde probablemente se encontrará el electron. Según su forma se denominan con letras: s, p, d, f.
m: numero cuántico magnético. Es la orientación del orbital donde probable encontrará el electrón
s: numero cuantico spin. Además se debe tener en cuenta que el electrón posee un giro sobre si mismo, que puede tener dos sentidos diferentes, denominado "spin" o "s".

Por ejemplo : una configuración electrónica de un átomo se indica asi:

1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p³

Los números arábigos corresponden a "n" o sea el nivel energético y va de 1 a 7, siendo 1 el mas bajo.

Las letras corresponden al azimutal o forma geométrica y puede ser "s", "p", "d", "f" y son las subcapas con diferentes formas geométricas dentro de un mismo nivel energético.

Por ejemplo, el litio tiene tres electrones en total ; dos electrones en la subcapa 1s y uno en la subcapa 2s (de mayor energía), de ahí que su configuración electrónica se escriba 1s2 2s1 (pronunciándose "uno-ese-dos, dos-ese-uno").

Para el fósforo la configuración electrónica es: P :1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p³.

Para átomos con muchos electrones, esta notación puede ser muy larga por lo que se utiliza una notación abreviada, que tiene en cuenta que las primeras subcapas son iguales a las de algún gas noble. Por ejemplo, el fósforo, difiere del argón y neón (1s2 2s2 2p6) únicamente por la presencia de la tercera capa. Así, la configuración electrónica del fósforo se puede escribir respecto de la del neón como: [Ne] 3s2 3p3.

Esquema del número azimutal o número cuántico "l"








¿Cómo se forman los diferentes átomos?

7-Distribución de los electrones

Los electrones que forman los distintos átomos poseen una distribución particular.
Si consideramos que podemos tomar partículas sub atómicas (elect, prot y neut) para incorporarlas de a una formaremos los diferentes átomos.
Recordar que aquí se siguen las reglas de:

1-Principio de Aufbau o principio de construcción, siguiendo la “regla de las diagonales. En el Esquema B, se muestran: la cantidad de electrones por orbital y la cantidad por nivel energético.

2-Regla de Hund, ningún orbital puede tener dos orientaciones del giro del electrón sin antes de que los restantes números cuánticos magnéticos de la misma subcapa tengan al menos uno.

3-Principio de exclusión de Pauli: no puede haber dos electrones con todos sus números cuánticos idénticos 

4-Regla del octeto: un nivel electrónico se completa con 8 electrones, excepto el hidrógeno, que se completa con 2 electrones. Para que un átomo sea "estable" debe tener todos sus niveles energéticos u orbitales llenos o completos según esta regla. 

En química se denomina orbital a la zona del espacio que rodea a un núcleo atómico donde la probabilidad de encontrar un electrón es máxima. 

Ejemplo :

Ne: 1s2, 2s2, 2p6

Na: (Ne) 3s1 = 1s2, 2s2, 2p6, 3s1


Esquema A                                  Esquema B





Esquema C

8-Isotopos

Se denomina isótopos a los átomos de un mismo elemento, cuyos núcleos tienen una cantidad diferente de neutrones, y por lo tanto, difieren en número másico.
La palabra isótopo (igual forma) se usa para indicar que todos los tipos de átomos de un mismo elemento químico (isótopos) se encuentran en el mismo sitio de la tabla periódica, SON LOS MISMOS ÁTOMOS.
Los isótopos tienen igual número atómico (número de protones en el núcleo, o sea igual cantidad de electrones en los mismos orbitales), pero diferente número de neutrones , o sea en su número másico (suma de neutrones y de protones en el núcleo).
La mayoría de los elementos químicos tienen más de un isótopo. Solamente 21 elementos (por ejemplo berilio o sodio) poseen un solo isótopo natural. En contraste, el estaño es el elemento con más isótopos estables, 10.
Algunos elementos tienen isótopos inestables, como el uranio, cuyos isótopos pueden transformarse en otros isótopos más estables, emitiendo en el proceso radiación, por lo que decimos que son radiactivos.
Los isótopos inestables son útiles para estimar la edad de variedad de muestras naturales, como rocas y materia orgánica. Esto es posible, siempre y cuando, se conozca el ritmo promedio de desintegración de determinado isótopo, en relación a los que ya han decaído. Gracias a este método de datación, se conoce la edad de la Tierra.

Se puede estimar cuantos neutrones tiene un átomo , restando el número atómico de la masa atómica sin decimales que figura en las tablas periódicas de los elementos, dándonos el número de neutrones del isotopo mas abundante  del elemento 

No confundir Masa Atómica con Numero Másico.

La masa atómica se encuentra fundamentalmente en los protones y neutrones, restar el número de protones (por ejemplo el número atómico) de la masa atómica dará el valor calculado del número de neutrones en el átomo.

9-Unidad de masa atómica "uma" y "Peso atómico o Masa atómica". 

La unidad de masa atómica "uma" (medida en Dalton, símbolo «Da»), es una unidad de masa y se define como "la doceava parte (1/12) de la masa de un átomo neutro de carbono 12, en su estado fundamental eléctrico y nuclear." Equivale a 1,660 × 10 ^-24g . 

La masa de 1 mol de unidades de masa atómica equivale a 1 gramo. 

Para expresar la masa de átomos (masa o peso atómico) y la masa de moléculas (masa o peso molecular) se utiliza uma. Se calculan de esta forma: " es la razón del promedio de las masas de los átomos de un elemento con respecto a la doceava parte de la masa de un átomo de carbono12 (unidad de masa atómica).Por lo tanto es una medida física adimensional, o sea que no tiene unidades ya que es la división de dos medidas de masa (uma)

Aplicación:

Veamos al isótopo ¹⁰⁹ ₄₇ Ag , cuya masa atómica es 1,808 x 10 ^-22

Como no se puede trabajar usando un número tan pequeño , se estableció la relación con la UMA. Por ejemplo:

1,660 × 10 ^-24g ---------1uma

1,808 x 10 ^-22g -----------X

X= 108,91 uma (o sea que el isotopo 109 de la Plata es 108, 91 veces mas pesada que la uma. Igual que podría decir que un martillo pesa 5 Kg, es 5 veces mas pesado que 1 Kg)

Ahora debemos pensar que la plata que encontramos en la naturaleza, es una mezcla de los isotopos que existen (¹⁰⁷Ag y ¹⁰⁹Ag) y ademas estos se encuentran en diferente proporción . Tomando en cuenta esto, se hace un clálculo y se saca que la masa atómica o peso atómico, de la plata es 107,87 uma.

10-Iones 

Son partículas o átomos cargados eléctricamente, ya sea positivos o negativos. 

Iones: Cationes --- con carga eléctrica positiva 

Aniones --- con carga eléctrica negativa 

Para entender la formación de iones se debe tener presente la regla del octeto, ya que se obtienen electrones o se pierden estos para alcanzar la configuración del gas noble más cercano.