ELEMENTOS Y ESTRUCTURA ATÓMICA

SÍMBOLOS QUÍMICOSDesde los comienzos de la Química ha existido la necesidad de representar los elementos

químicos mediante símbolos.Los símbolos modernos fueron utilizados primeramente por Berzelius, quien los formó

tomando la primera letra del nombre en latín, como letra mayúscula y cuando hubiera dos o más elementos cuyos nombres latinos comenzaran con la misma letra, tomó la segunda o tercera letra en minúscula, por ejemplo:

Elemento Nombre en latín Símbolo químicoOro Aurum AuPlata Argentum Ag

TEORÍAS ATÓMICASLos griegosEl concepto de átomo nació con los griegos Leucipo y su discípulo Demócrito ( siglos V a IV

a. C. ), quienes decían que cada cosa puede dividirse hasta un cierto límite, que llamaron átomo ( sin división ).

DaltonDalton, en 1803, desarrolló la primera teoría atómica que explicaba satisfactoriamente las

leyes químicas enunciadas hasta ese momento.Esta teoría puede resumirse en:a) Todos los elementos están constituidos por átomos, consistentes en partículas

materiales separadas e indestructibles.b) Todos los átomos de un mismo elemento son iguales en masa y en las demás

propiedades.c) Los átomos de elementos distintos son diferentes en masa y en las demás propiedades.d) Los compuestos se forman por la unión de átomos de los correspondientes elementos en

una relación numérica sencilla.ThomsonThomson, en 1898, postuló que el átomo está constituido por una esfera de carga eléctrica

positiva en la cual están incrustadas partículas de carga eléctrica negativa ( electrones ) que neutralizan dicha carga.

Esto explicaba el hecho de que cuando se hacía pasar corriente eléctrica con un elevado voltaje en un tubo de descarga, a baja presión, se observaba luminiscencia en el gas contenido. Esto lo provocaban haces eléctricos que iban del cátodo al ánodo, llamados rayos catódicos, de carga eléctrica negativa. A las partículas elementales constituyentes de esos rayos se les llamó

electrones ( e- ). Posteriormente, Goldstein en 1886, demostró la existencia de rayos positivos, los cuales son diferentes para distintos gases introducidos en los tubos de descarga. A los constituyentes elementales de dichos rayos, cuando se utilizaba hidrógeno, se les llamó protones ( p+ ).

RutherfordPara comprobar la veracidad del modelo atómico de Thomson, Lord Rutherford, en 1911,

realizó experimentos que consistieron en “bombardear” delgadas láminas metálicas con partículas alfa ( +2 ). A pesar de que éstas poseen carga eléctrica positiva, por su gran energía no tendrían mayor inconveniente en atravesar la lámina, porque se suponía que la carga eléctrica positiva estaría uniformemente repartida. La mayoría de las partículas atravesaron la lámina en línea recta, pero hubo algunas que se desviaron bastante de su trayectoria e incluso un pequeño porcentaje “rebotó” en la lámina. Esto sólo podía explicarse suponiendo que toda la carga positiva del átomo estuviera concentrada en un núcleo atómico y los electrones estuvieran girando alrededor de él a distancias relativamente grandes.

BohrPero el modelo atómico de Rutherford no era consistente, porque el electrón para vencer la

atracción electrostática de núcleo, debería girar a gran velocidad, pero como tiene carga eléctrica emitiría energía radiante, lo cual traería como consecuencia un acercamiento cada vez mayor del electrón al núcleo hasta chocar con él.

Para superar esta dificultad, Niels Bohr propuso en 1913 la siguiente teoría atómica:a) Cualquiera sea la órbita descrita por el electrón, éste no emite energía radiante.b) Solamente algunas órbitas son permitidas.c) Cuando un electrón pasa a una órbita más cercana al núcleo, emite energía radiante y

para pasar a una órbita más lejana, debe absorber energía radiante.Sommerfeld, en 1916 propuso que el electrón no solamente describe órbitas circulares, sino

que también elípticas.

Modelo cuántico

La teoría atómica de Bohr-Sommerfeld explica la no-destrucción del átomo y otros fenómenos, pero nuevos hechos trajeron como consecuencia una visión más completa y compleja del átomo.

De Broglie en 1924, estableció que las partículas atómicas tenían carácter ondulatorio.Heisenberg en 1927, formuló el principio de incertidumbre o indeterminación, según el cual

es imposible determinar simultáneamente la posición y velocidad de una partícula con absoluta precisión.

Con estos hechos y otros más, se llega a la visión cuántica del átomo.La mecánica cuántica no describe al electrón como un corpúsculo, sino más bien como una

densidad de carga y masa. Esta densidad no es homogénea.Finalmente el descubrimiento del neutrón en 1932, hace más completa la visión del núcleo

atómico. Esta partícula no posee carga eléctrica.Para concluir, se dice que el átomo está constituido por un núcleo de carga eléctrica

positiva, conformado por protones ( eléctricamente positivos ) y neutrones ( eléctricamente neutros ). Y alrededor de ese núcleo existe una densidad de carga y masa, eléctricamente negativa, compuesta por electrones.

ESTRUCTURA NUCLEARNúcleo atómicoEl núcleo es el constituyente central del átomo y posee casi la totalidad de la masa de éste.

Diámetro: del orden de 10-13 a 10-12 cm Densidad: del orden de 10 14 g / ml Carga eléctrica: positiva, del orden de 10-19 a 10-17 C Masa: del orden de 10-24 a 10-22 g

Sus componentes principales son los protones y los neutrones.Protón ( p+ )El protón es una partícula elemental cuya masa en reposo es 1,67×10 -24 g. Posee carga

eléctrica positiva de 1,6×10-19 C. Es el causante de la carga eléctrica del núcleo. Neutrón ( nº )El neutrón es una partícula elemental cuya masa en reposo es prácticamente igual a la del

protón. No posee carga eléctrica.El número de estas partículas identifica al átomo de un elemento, para lo cual se han

definido los siguientes dos números:Número atómico ( Z )El número atómico de un átomo es el número de protones que posee en su núcleo.Número másico o de masa ( A )El número másico de un átomo es el número de protones y neutrones que posee en su

núcleo. ( También se usa M en vez de A para representar a éste número ).Por ejemplo, el átomo más abundante de litio posee en su núcleo 3 protones y 4 neutrones,

por lo tanto su número atómico es 3 ( Z = 3 ) y su número másico es 7 ( A = 7 ) y simbólicamente se representa así:

En un átomo eléctricamente neutro, el número de protones y de electrones es el mismo, por lo tanto en el ejemplo anterior el número de electrones es 3.

Todos los átomos de un mismo elemento poseen el mismo número de protones, pero el de neutrones generalmente varía. Esto conduce a los conceptos de isótopos e isóbaros.

Isótopos

Los isótopos son átomos de un mismo elemento que poseen distinto número de neutrones, es decir igual Z , pero distinto A, por ejemplo:

IsóbarosLos isóbaros son átomos de distintos elementos que tienen igual número másico, es decir

distinto Z, pero igual A, por ejemplo:

Masa atómica relativaPara los cálculos químicos es necesario asignarle una masa atómica a cada elemento.

Debido a la existencia de isótopos, esta masa es un promedio donde la masa de cada isótopo se pondera según su porcentaje de abundancia.

Se mide en unidades de masa atómica ( uma ). 1 uma es 1/12 de la masa del isótopo de carbono -12, al cual se le asigna una masa de 12 uma.

1 uma = 1,66 × 10-24 g.

CONFIGURACION ELECTRONICAElectrónEl electrón es una partícula elemental, extranuclear, cuya masa en reposo es 9,1×10 -28 g.

Posee carga eléctrica negativa de magnitud –1,6×10-19 C , igual a la del protón, pero de signo contrario. Por esto el átomo eléctricamente neutro posee el mismo número de protones y electrones.

La Mecánica Cuántica Relativista no describe al electrón como una partícula que gira alrededor del núcleo describiendo una cierta órbita, sino más bien, como una densidad de carga y masa distribuida en una cierta región espacial llamada orbital.

Cada electrón de un átomo tiene asociado 4 números cuánticos que describen su nivel energético.

Número cuántico principal ( n )El número cuántico principal de un electrón es un entero positivo y da una medida de su

energía en un orbital dado. A medida que aumenta el valor de n, también aumenta el valor de la energía.

n = 1, 2, 3, 4, 5,.............. Número cuántico secundario ( )El número cuántico secundario es un entero no negativo menor o igual a n: = 0, 1, 2,.........., n - 1 Este número da una medida del momento angular clásico del electrón.A cada valor de está asociado una forma orbital simbolizada por una letra minúscula:

= 0 orbital s

= 1 orbital p

= 2 orbital d

= 3 orbital f

= 4 orbital g

= 5 orbital h

Cada orbital se simboliza con un número y una letra minúscula, donde el número es el valor de n y la letra minúscula indica el de . Por ejemplo:

1 ) n = 1 = 0 orbital 1s

2 ) n = 2 = 0, 1 orbitales 2s y 2p

3 ) n = 3 = 0, 1, 2 orbitales 3s , 3p y 3d

4 ) n = 4 = 0, 1, 2, 3 orbitales 4s , 4p , 4d y 4f

Número cuántico magnético ( m ) ( m )El número cuántico magnético es un entero mayor o igual a – y menor o igual a , por

ejemplo:1 ) = 0 m = 0

2 ) = 1 m = –1, 0, 1

3 ) = 2 m = –2, –1, 0, 1, 2

4 ) = 3 m = –3, –2, –1, 0, 1, 2, 3

El número de valores que puede tomar m para cada valor de , indica el máximo número de orbitales, por ejemplo:

= 0 m puede tomar un valor como máximo hay un orbital 4s

= 1 m puede tomar 3 valores como máximo hay 3 orbitales 4pn = 4

= 2 m puede tomar 5 valores como máximo hay 5 orbitales 4d

= 3 m puede tomar 7 valores como máximo hay 7 orbitales 4f

Para n = 4 hay como máximo 16 orbitales, en general:

para cada valor de n hay como máximo n

2

orbitales

Spin del electrón ( s ) ( ms )Este cuarto y ultimo número cuántico toma solamente dos valores: + ½ y – ½ .Según el modelo clásico se asocia al sentido de giro del electrón.

PRINCIPIOS QUE RIGEN LA CONFIGURACION ELECTRONICALa distribución en orbitales de los electrones de un átomo, está regida por los siguientes

principios:Principio de exclusión ( Pauli )Dos o más electrones de un mismo átomo no pueden tener iguales sus cuatro números

cuánticos, respectivamente. De acuerdo con esto, cada orbital está formado por uno o dos electrones como máximo,

porque un tercer electrón coincidiría en su valor de spin con algunos de los otros dos. Por lo tanto:

para cada valor de n hay como máximo 2 n

2

electrones

Por ejemplo. para n = 1, como máximo hay 2 electrones y sus números cuánticos son:Electrón (1) n = 1 = 0 m = 0 s = + ½

Electrón (2) n = 1 = 0 m = 0 s = – ½ Un tercer electrón debe estar en otro orbital, por ejemplo:Electrón (3) n = 2 = 0 m = 0 s = + ½

Esto explica la configuración electrónica del Litio:

Li: 1s

2

2s

1

Principio de máxima multiplicidad ( Regla de Hund )Si dos o más electrones de un mismo átomo tienen los mismos valores en sus números

cuánticos principales ( n ) y en sus números cuánticos secundarios ( ), entonces tendrán iguales valores de spin ( s ) siempre y cuando no se transgreda el principio de exclusión.

Por ejemplo, en las configuración del Nitrógeno:

N: 1s

2

2s

2

2px1

2py1

2pz1

Los electrones tienen igual valor de spin en los orbitales 2p

CONFIGURACIONES ELECTRONICAS Z = 1 Hidrógeno H: 1s1

Z = 2 Helio He: 1s2

Z = 3 Litio Li: 1s22s1

Z = 4 Berilio Be: 1s22s2

Z = 5 Boro B: 1s22s22p1

Z = 6 Carbono C: 1s22s22p2

Z = 7 Nitrógeno N: 1s22s22p3

Z = 8 Oxígeno O: 1s22s22p4

Z = 9 Flúor F: 1s22s22p5

Z = 10 Neón Ne: 1s22s22p6

Z = 11 Sodio Na: 1s22s22p63s1

Z = 12 Magnesio Mg: 1s22s22p63s2

Z = 13 Aluminio Al: 1s22s22p63s23p1

Z = 14 Silicio Si: 1s22s22p63s23p2

Z = 15 Fósforo P: 1s22s22p63s23p3

Z = 16 Azufre S: 1s22s22p63s23p4

Z = 17 Cloro Cl: 1s22s22p63s23p5

Z = 18 Argón Ar: 1s22s22p63s23p6

Z = 19 Potasio K: 1s22s22p63s23p64s1

Z = 20 Calcio Ca: 1s22s22p63s23p64s2

Z = 21 Escandio Sc: 1s22s22p63s23p63d14s2

Z = 22 Titanio Ti: 1s22s22p63s23p63d24s2

Z = 23 Vanadio V: 1s22s22p63s23p63d34s2

Z = 24 Cromo Cr: 1s22s22p63s23p63d54s1

Z = 25 Manganeso Mn: 1s22s22p63s23p63d54s2

Z = 26 Hierro Fe: 1s22s22p63s23p63d64s2

Z = 27 Cobalto Co: 1s22s22p63s23p63d74s2

Z = 28 Níquel Ni: 1s22s22p63s23p63d84s2

Z = 29 Cobre Cu: 1s22s22p63s23p63d104s1

Z = 30 Cinc Zn: 1s22s22p63s23p63d104s2

Z = 31 Galio Ga: 1s22s22p63s23p63d104s24p1

Z = 32 Germanio Ge: 1s22s22p63s23p63d104s24p2

Z = 33 Arsénico As: 1s22s22p63s23p63d104s24p3

Z = 34 Selenio Se: 1s22s22p63s23p63d104s24p4

Z = 35 Bromo Br: 1s22s22p63s23p63d104s24p5

Z = 36 Kriptón Kr: 1s22s22p63s23p63d104s24p6

Z = 37 Rubidio Rb: 1s22s22p63s23p63d104s24p65s1 Z = 38 Estroncio Sr: 1s22s22p63s23p63d104s24p65s2

Z = 39 Itrio Y: 1s22s22p63s23p63d104s24p64d15s2

Z = 40 Circonio Zr: 1s22s22p63s23p63d104s24p64d25s2

Z = 41 Niobio Nb: 1s22s22p63s23p63d104s24p64d45s1

Z = 42 Molibdeno Mo: 1s22s22p63s23p63d104s24p64d55s1

Z = 43 Tecnecio Tc: 1s22s22p63s23p63d104s24p64d55s2

Z = 44 Rutenio Ru: 1s22s22p63s23p63d104s24p64d75s1

Z = 45 Rodio Rh: 1s22s22p63s23p63d104s24p64d85s1

Z = 46 Paladio Pd: 1s22s22p63s23p63d104s24p64d10

Z = 47 Plata Ag: 1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s1

Z = 48 Cadmio Cd: 1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s2

Z = 49 Indio In: 1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p1

Z = 50 Estaño Sn: 1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p2

Z = 51 Antimonio Sb: 1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p3

Z = 52 Telurio Te: 1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p4

Z = 53 Yodo I: 1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p5

Z = 54 Xenón Xe: 1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p6

Z = 55 Cesio Cs: [Xe]6s1 Z = 56 Bario Ba: [Xe]6s2

Z = 57 Lantano La: [Xe]5d16s2

Z = 72 Hafnio Hf: [Xe]4f145d26s2

Z = 73 Tántalo Ta: [Xe]4f145d36s2

Z = 74 Volframio W: [Xe]4f145d46s2

Z = 75 Renio Re: [Xe]4f145d56s2

Z = 76 Osmio Os: [Xe]4f145d66s2

Z = 77 Iridio Ir: [Xe]4f145d76s2

Z = 78 Platino Pt: [Xe]4f145d96s1

Z = 79 Oro Au: [Xe]4f145d106s1

Z = 80 Mercurio Hg: [Xe]4f145d106s2

Z = 81 Talio Tl: [Xe]4f145d106s26p1

Z = 82 Plomo Pb: [Xe]4f145d106s26p2

Z = 83 Bismuto Bi: [Xe]4f145d106s26p3

Z = 84 Polonio Po: [Xe]4f145d106s26p4

Z = 85 Astato At: [Xe]4f145d106s26p5

Z = 86 Radón Rn: [Xe]4f145d106s26p6

Z = 87 Francio Fr: [Xe]4f145d106s26p67s1

Z = 88 Radio Ra: [Xe]4f145d106s26p67s2

Z = 89 Actinio Ac: [Xe]4f145d106s26p66d17s2

Autor: NELSON LILLO TERANhttp://www.eneayudas.cl