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Principal / Qumica Inorgnica
EL TOMO
Antecedentes histricosEl conocimiento de la estructura atmica esfundamental para poder entender elcomportamiento qumico de las sustancias.El descubrimiento de las partculassubatmicas como los protones, loselectrones y los neutrones, a finales del sigloXIX, impuls a los qumicos de la poca aproponer modelos para explicar cmoestaban constituidos los tomos.
E l primer modelo atmico fue propuesto por Thompson a finales del siglo XIX. SegnThompson, los tomos eran esferas macizas, cargadas positivamente, en las que seencontraban embebidos los electrones. Aos ms tarde, en 1911, un estudiante dedoctorado de Thompson, llamado Rutherford, estableci el siguiente modelo atmico.Este modelo est basado en el experimento que se muestra en la figura.
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El experimento de Rutherford
Rutherford hizo pasar un haz de partculas a (cargadas positivamente y que eranemitidas por un elemento radiactivo como el polonio, Po) por una rendija, hacindoloincidir en una lmina de oro muy delgada, de unos 400 tomos de oro de espesor. Losresultados del experimento se visualizaban en una placa fotogrfica. La gran mayora delas partculas a no sufran desviacin alguna en su trayectoria. Algunas eran desviadas uncierto ngulo y otras, muy pocas, eran fuertemente desviadas al atravesar la lmina deoro. De los resultados obtenidos en este experimento Rutherford propuso que el tomo
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era esfrico y en su centro se concentraba toda la carga positiva y casi la totalidad de lamasa atmica. Alrededor de dicho centro o ncleo giraban los electrones, de manera queel nmero de electrones era igual al de protones. El ncleo ocupaba, segn Rutherford,un espacio muy pequeo comparado con el volumen total ocupado por el tomo, de talsuerte que ste podra considerarse prcticamente hueco. Ello explicara que la mayorade las partculas a no se desviaran al atravesar la lmina de oro mientras que las quesufran desviacin eran aquellas que se aproximaban al ncleo de los tomos de oro. Sinembargo, este modelo era inconsistente con los postulados de la Fsica Clsica: todapartcula en movimiento emite energa, por lo que la propuesta de Rutherford supondrala existencia de tomos inestables, que emitiran una radiacin continua en todas laslongitudes de onda.
En 1885, Balmer haba demostrado que los tomos cuando emiten radiacin lo hacen deforma discontinua, es decir, se obtiene un espectro discreto. Cualquier modelo atmicotendra que explicar este hecho, y el de Rutherford no estaba en concordancia con ello
Espectro de emisin del hidrgeno
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En 1913, Niels Bohr propone un nuevo modelo atmico para poder explicar ladiscontinuidad de los espectros atmicos y solucionar los problemas que planteaba elmodelo de Rutherford. El modelo de Bohr constaba de una serie de postulados:
El tomo est constituido por una zona central o ncleo donde se concentra toda lamasa y la carga positiva del tomo.
Los electrones giran entorno al ncleo en rbitas circulares estacionarias, de modo queFc = Fa. (Fc = fuerza centrfuga; Fa = fuerza centrpeta).
Los electrones slo se mueven en rbitas estables, que son aquellas cuyomomento angular presenta un valor que es un mltiplo entero de la constante dePlank:
H = mvr = nh/2, donde n = 1, 2, 3,... (n, nmero cuntico).
El tomo de hidrgeno de Bohr
Es decir, para Bohr el radio de las rbitas est cuantizado, de forma que el electrn nopuede ocupar cualquier rbita sino aquellas que cumplan la condicin sealada arriba (r =(n h /mZe ) ) . Obviamente, si las rbitas estn cuantizadas las energascorrespondientes a las mismas tambin lo estarn:
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E = Ec+Ep = -(mZ e /2h )(1/n )
Los electrones que giran en rbitas estacionarias no absorben ni emiten energa durante sumovimiento. Los electrones pueden absorber o emitir energa cuando saltan de unarbita a otra de distinto radio.
L a teora atmica de Bohr explica bien la estructura del tomo de hidrgeno y suespectro electrnico, pero posee varios inconvenientes, como son, su aplicabilidadexclusiva a tomos hidrogenoides (de un slo electrn) y el suponer una mezcla, untanto arbitraria, de la fsica clsica y de la fsica cuntica. Por otra parte, este modelotampoco explica el efecto Zeeman, o desdoblamiento de las lneas espectrales cuando elespectro atmico se realiza bajo la accin de un campo elctrico. Para poder explicarestos efectos se ampli la teora de Bohr y dando lugar al modelo de Bohr-Sommerfeld,en el que las rbitas de los electrones no slo son circulares sino tambin elpticas y enellas aparecen los nmeros cunticos l y m.
En 1924 De Broglie presenta su teora denominada dualidad onda-partcula: una partculalleva asociada siempre una onda. La longitud de onda (distancia entre dos mximosconsecutivos de la onda) es inversamente proporcional al momento lineal p de lapartcula, de acuerdo con la siguiente expresin:
= h/p p = h/
De esta relacin se deduce que cuanto mayor sea el momento lineal de la partcula menorser la longitud de onda que lleva asociada. Una consecuencia ms importante de lanaturaleza dual de la materia es el principio de incertidumbre de Heisemberg, enunciadoen 1927. Dicho principio sostiene q u e es imposible especificar, simultneamente y conexactitud, la posicin y el momento lineal de una partcula, y se expresa matemticamente de laforma siguiente:
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(p)(x) h/4
Segn este principio no es posible atribuir al electrn rbitas precisas alrededor delncleo, porque ello implicara el conocer exactamente la posicin y la velocidad delelectrn en cada instante. En consecuencia, para discutir el movimiento del electrn, conuna energa dada o velocidad conocida, alrededor del ncleo es necesario hablar entrminos de probabilidad de encontrar a dicho electrn en una determinada posicin.
La aproximacin mecnico-cuntica
El concepto fundamental en el que se basa la mecnica cuntica es que la materia tienepropiedades ondulatorias. Este atributo no es evidente para objetos macroscpicos perodomina la naturaleza de partculas subatmicas como el electrn. En esta aproximacin,el comportamiento de una partcula microscpica puede explicarse en trminos de unafuncin de onda, , que es una funcin matemtica que depende de las coordenadasespaciales (x, y, z). Esta funcin de onda slo describe a dicha partcula si se obtiene alsolucionar la ecuacin de Schrdinger, que en su forma simplificada puede escribirsecomo H = E. El trmino H es el operador Hamiltoniano, y engloba varios trminosdependientes de cada sistema, mientras que el trmino E es la energa de la partcula. Aspues, cuando se aplica el Hamiltoniano a una funcin de onda, se obtiene la mismafuncin de onda multiplicada por un valor E, que corresponde a la energa de la partculadefinida mediante el Hamiltoniano. En realidad, el Hamiltoniano contiene dos operadoresque representan la energa cintica [(-h /8p m) ] y la energa potencial (V) delsistema:
H = (-h /8 m) + V
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Funcin de onda y densidad de probabilidad
Es muy importante destacar la inexistencia de significado fsico alguno de la funcin deonda Y. Sin embargo, el cuadrado de la funcin de onda es proporcional a la probabilidadde encontrar la partcula en un volumen infinitesimal del espacio. Esto se conoce como lainterpretacin de Born (no confundir con Bohr). En la figura anterior se representagrficamente la funcin de onda as como la denominada funcin de densidad deprobabilidad, . De acuerdo con esta interpretacin, existe una elevada probabilidad deencontrar a la partcula cuando es grande y la partcula no ser encontrada si escero. La consecuencia ms importante de la interpretacin de Born es la introduccin delconcepto de probabilidad, frente al concepto clsico de posicin.
La funcin de onda presenta regiones de amplitud positiva y negativa. Aunque estossignos de la amplitud no tienen un significado fsico directo, si resultan de granimportancia cuando funciones de onda pueden interaccionar. En este caso, las partespositivas de ambas funciones se sumarn originando un aumento de la amplitud en esazona. Este fenmeno se conoce como interferencia constructiva. Por otra parte, si lasdos funciones de onda presentan distintos signos, la parte positiva de una de ellas puedeser anulada por la parte negativa de la otra dando lugar a lo que se conoce como una
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interferencia destructiva. Las interferencias entre las funciones de onda suponen la basede la explicacin mecano-cuntica del enlace qumico.
Interferencia de ondas: constructiva (izquierda) y destructiva (derecha).
SB, 07/01/2006 - 14:18
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Origen de los elementos arriba El tomo de Hidrgeno
El tomo de Hidrgeno
Forma de los orbitales atmicos
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