Tema 1 Estructura Atomica Tabla

Qumica 2 Tema 1 : Estructura atmica. Tabla peridica 1- 1

ESTRUCTURA ATOMICA. TABLA PERIDICA

Vicent Mengual (Dep. Fsica y Qumica CEED-CV)

CONTENIDOS

1.- MODELOS DE THOMSON Y DE RUTHERFORD

1.1. MODELO DE THOMSON (MODELO DE TARTA DE PASAS) 1.2. MODELO DE RUTHERFORD. (MODELO PLANETARIO)

2.- PARTCULAS SUBATMICAS. ISTOPOS 2.1. CONCEPTOS DE MASA ATMICA Y NMERO ATMICO 2.2. ISTOPOS

3.- EL MODELO ATMICO DE BOHR. EL NMERO CUNTICO PRINCIPAL 4.- EL MODELO MECANO-CUNTICO DEL TOMO. ORBITALES

4.1 LOS NMEROS CUNTICOS SECUNDARIO y MAGNTICO 4.2 PRINCIPIOS EN LOS QUE SE BASA EL MODELO MECANO-CUNTICO

5.- EL N CUNTICO DE SPIN Y EL PRINCIPIO DE EXCLUSIN DE PAULI 6. CONFIGURACIN ELECTRNICA

6.1 ORDEN DE LLENADO DE LOS ORBITALES 6.2. DIAGRAMA DE ORBITALES. PRINCIPIO DE MXIMA MULTIPLICIDAD (REGLA DE HUND)

7. LA TABLA PERIDICA y LA CONFIGURACIN ELECTRNICA 8. VARIACIN PERIDICA DE LAS PROPIEDADES ATMICAS. REGLAS GENERALES

8.1. TAMAO DE LOS TOMOS (RADIO ATMICO) 8.2. ENERGA DE IONIZACIN 8.3. AFINIDAD ELECTRNICA 8.4. ELECTRONEGATIVIDAD

9. PROPIEDADES PERIDICAS. AMPLIACIONES 9.1. ALTERACIONES EN LA REGLA DE LA ENERGA DE IONIZACIN 9.2. CONFIGURACIONES ELECTRONICAS ALTERADAS 9.3. ENERGAS DE IONIZACIN SUCESIVAS 9.4. IONES ISOELECTRNICOS

INCLUYE 25 EJEMPLOS RESUELTOS


1.- MODELOS DE THOMSON Y DE RUTHERFORD

Un modelo del tomo es una representacin ideal del tomo para intentar comprenderlo mejor. De un

determinado modelo pueden deducirse propiedades desconocidas; si luego stas se confirman con las

experiencias posteriores, se va dando validez al modelo, si por el contrario se descubren propiedades no

conformes, lo invalidan.

En la poca moderna, el primer cientfico que propuso que la materia estaba formada por tomos, la parte

ms pequea indivisible de los elementos, fue el ingls John Dalton (17661844). Investigaciones posteriores llevaron al descubrimiento de que el tomo no es indivisible, sino que est formado, a su vez

por partculas ms pequeas, las partculas subatmicas. Dalton propuso su teora atmica porque la

existencia de los tomos empezaba a tomar sentido con el descubrimiento de las leyes de las proporciones

constante y las proporciones mltiples, entre otras. Sin embargo, ya en la antigedad clsica, los filsofos

epicreos haban formulado la hiptesis de los tomos en un contexto filosfico. En aquella poca, la

autoridad de un filsofo como Aristteles, opuesto a las ideas del atomismo, prevaleci. Solo con los

modernos mtodos experimentales de la ciencia, el atomismo ha podido ganar la batalla.

La primera partcula que se descubri fue el electrn (e) y tras su descubrimiento, a finales del siglo XIX,

se empez a pensar que los tomos tenan una estructura interna.

1.1. MODELO DE THOMSON (MODELO DE TARTA DE PASAS) Figura 1

1.2. MODELO DE RUTHERFORD. (MODELO PLANETARIO) En 1896, el francs Henry Becquerel (1852-1908) descubri la radiactividad, y pronto se revelaron tres

clases de radiacin: partculas , positivas y de gran masa, partculas , negativas y ligeras y radiacin , la ms penetrante. Pronto se vio que las partculas radiactivas podan usarse para explorar la estructura de los

tomos. La idea era similar a disparar perdigones contra un objeto desconocido al que no pudiramos

acercarnos para examinarlo. Al atravesar el objeto, los perdigones podran experimentar prdidas de

velocidad y desviaciones, cuyo anlisis podra proporcionar informacin sobre la consistencia y estructura

del objeto

Modelo de Thomson

En 1911 el equipo del neozelands Ernest

Rutherford (1871-1937) realizaba

experimentos en Manchester para investigar

cmo estaba distribuida la carga y masa en el

interior del tomo. En sus experiencias hacan

incidir un haz de partculas de alta energa procedentes de una fuente radiactiva sobre

finas lminas de oro.

Rutherford conoca la penetrabilidad de la

materia y tena en mente el modelo de

Thomson. Por ello, y segn sus clculos, todas

las partculas alfa atravesaran la lmina,

sufriendo pequeas desviaciones debido a las

repulsiones elctricas con la carga positiva de

la esfera de los tomos atravesados y a las

atracciones con los electrones incrustados.

En 1904 el britnico Joseph John Thomson (1856-1940) propuso

que los tomos eran esferitas uniformes, homogneas de materia

cargada positivamente y que contenan en su interior los electrones

en nmero suficiente, para que el conjunto fuera neutro, y

posiciones adecuadas que garantice la estabilidad. El modelo se

conoce como tarta de pasas por motivos obvios (figura 1)

Figura 2


Las trayectorias de las partculas alfa, tras atravesar la lmina de oro, se podan deducir por los

centelleos de sus impactos sobre una pantalla fluorescente. Los resultados del experimento fueron

inesperados: la inmensa mayora de partculas alfa atravesaba la lmina sin desviarse

apreciablemente, y solo algunas sufran importantes desviaciones al atravesar la lmina, pero, y esto

fue especialmente inesperado, algunas pocas llegaban incluso a retroceder (figura 2)

Los clculos de Rutherford mostraban que la fuerza de repulsin capaz de hacer retroceder una

partcula alfa, viajando a velocidades altsimas, era una enorme fuerza elctrica entre cargas del

mismo signo. Esta enorme fuerza solo podra originarse si la carga positiva del tomo estuviera

concentrada en un pequesimo ncleo en lugar de repartirse por todo el volumen del tomo, como

en la esfera del modelo de Thomson.

As pues, las partculas alfa que se dirigieran directamente hacia algn ncleo positivo sufririan

retroceso, mientras que las que pasaran muy cerca del ncleo experimentaran grandes desviaciones.

Pero las partculas alfa que no pasaran cerca del ncleo no se desviaran apreciablemente, ya que la

fuerza elctrica disminuye rpidamente al aumentar la distancia entre cargas.

La explicacin que propuso Rutherford a los resultados observados en su experimento es un modelo de

tomo nuclear y muy vacio (modelo planetario). Segn este modelo el tomo est formado por:

1. Un ncleo central donde se concentra la carga positiva y casi toda la masa. Este ncleo es muy pequeo comparado con el tamao total y por ellos las partculas alfa lo atraviesan sin dificultad y

solamente las que inciden sobre el ncleo son desviadas o rechazadas por las fuerzas elctricas

repulsivas.

2. Los electrones, de carga negativa se sitan en la corteza, describiendo rbitas circulares y girando a gran velocidad, como un sistema planetario.

3. La suma de las cargas negativas de los electrones deben ser igual a la carga positiva del ncleo, siempre que el tomo sea neutro.

Inconvenientes: El modelo de Rutherford tena un fallo fatal. Se contradeca la teora electromagntica

clsica, segn la cual toda carga acelerada (el electrn en rbita lo es por tener aceleracin centrpeta),

debe irradiar energa continuamente en forma de ondas electromagnticas, lo que de acuerdo con el

principio de conservacin de la energa debe suponer la disminucin de velocidad del e y su cada en

espiral hacia el ncleo. Se destruira el tomo cosa que no ocurre.

Adems no se puede explicar con este modelo la

complejidad de los espectros discontinuos de

emisin. Los vapores de los elementos encerrados

en una ampolla de vidrio y sometidos a una

descarga elctrica emiten luz que analizada en un

espectroscopio permite conocer su composicin,

lo que se conoce como su espectro. Para cada

elemento est formado por una serie de longitudes

de onda caractersticas y que son como su huella

dactilar. El modelo de Rutherford no permite

explicar los espectros de los elementos.

Sin embargo tena la virtud de separar el tomo en

dos zonas (ncleo y corteza) que se empezaron a

estudiar por separado, como responsables de

fenmenos diferentes. La corteza es responsable,

por ejemplo, de las reacciones qumicas. El ncleo

es responsable de fenmenos en los que la

cantidad de energa que se pone en juego es

mucho mayor, los procesos nucleares.

Figura 3. Esquema de las cuatro primeras lneas del espectro del hidrgeno, con las longitudes de onda en nanmetros y el color correspondiente

violeta

azul azul-verde

roja


2.- PARTCULAS SUBATMICAS. ISTOPOS

Cuando Rutherford en 1914 identific el protn -que se situ en el ncleo- se consolid el modelo que

haba propuesto adems intuy la existencia del neutrn cuya existencia se descubri aos ms tarde. Las

partculas se identificaron como ncleos de Helio, con dos protones y dos neutrones, la partculas son

electrones que salen despedidos del ncleo en sucesos radiactivos, y los rayos son ondas electromagnticas de longitud de onda muy corta.

Aunque posteriormente se han ido descubriendo ms partculas -como los neutrinos o los positrones-, las

partculas subatmicas fundamentales son las siguientes:

Protones (p+). Partculas de carga elctrica positiva y con masa 1 unidad de masa atmica (1 u).

electrones (e). Partculas de carga elctrica negativa y de masa muy pequea comparada con la del protn

(de masa 1837 veces ms pequea, es decir,

).

Neutrones (n). Partculas sin carga elctrica y de masa igual a la del protn. (1u).

Recordemos que una u.m.a (u) equivale en gramos y kilogramos a:

2.1. CONCEPTOS DE MASA ATMICA Y NMERO ATMICO

Todos los tomos de un elemento dado tienen un mismo nmero de protones. Los tomos de diferentes

elementos se distinguen por ese nmero de protones que llamamos Nmero Atmico y representamos por

Z. El nmero atmico Z es una propiedad fundamental del tomo, sirve para identificar un elemento y

permite ordenar los elementos conocidos en la Tabla Peridica.

Por ejemplo, todos los tomos de hierro tienen 26 protones (Z= 26) en cambio todos los tomos de oxgeno

tienen 8 protones (Z= 8) y los tomos de carbono tienen 6 protones (Z= 6).

Por otro lado, como el tomo es neutro en conjunto, no tiene carga elctrica neta, el nmero de electrones

(que son la carga negativa del tomo) tendr que ser necesariamente igual al nmero de protones (que son

la carga positiva del tomo).

NMERO ATMICO (Z)=n de p+

= n de e

(si el tomo es neutro)

La masa del tomo depender de la suma del nmero de protones Z y de neutrones n que tenga en su

ncleo (recuerda que los electrones apenas tenan masa). Esta suma se llama Nmero Msico y se

representa por A.

NMERO MSICO (A)= n de p+

(Z) + n de n (N)

es decir A = Z + N

Muchas veces los tomos se representan por:

, siendo X es el smbolo del elemento.

Ejemplo 1.- Interpreta el significado de la notacin para el elemento sodio

Esto quiere decir que tiene Z=11 , es decir: 11 p+ y 11 e y como A=23 ; El nmero de neutrones e A-Z= 2311=12 neutrones


Ejemplo 2.- Completa la tabla siguiente: tomos de protones electrones neutrones

Cloro (Z = 17 A = 36)

Plata (Z = 47 A = 108)

Potasio (Z = 19 A = 39)

Calcio (Z = 20 A = 40)

tomos de protones electrones neutrones

Cloro (Z = 17 A = 36) 17 17 3617 = 19

Plata (Z = 47 A = 108) 47 47 108 47= 61

Potasio (Z = 19 A = 39) 19 19 39 19= 20

Calcio (Z = 20 A = 40) 20 20 40 20 = 20

Ejemplo 3.- Explica cmo estn formados los tomos de los siguientes elementos: a) Azufre (Z = 16 y A = 32) ; b) Fsforo (Z = 15 y A = 31) ; c) Platino (Z = 78 y A = 195) a) 16 protones y 16 neutrones en el ncleo, y 16 electrones en la corteza. b) 15 protones y 16 neutrones en el ncleo y 15 electrones en la corteza. c) 78 protones y 117 neutrones en el ncleo y 78 electrones en la corteza.

2.2. ISTOPOS

En cuanto al nmero de neutrones, no todos los tomos de un mismo elemento tienen el mismo nmero

msico (A) . Los distintos tomos del mismo elemento reciben el nombre de istopos, y tendrn

lgicamente diferente masa.

Se llaman istopos a los distintos tomos de un mismo elemento que se diferencian en el

nmero de neutrones. Es decir tienen el mismo Z pero distinto A.

Por ejemplo, el hidrgeno tiene tres istopos en la naturaleza:

Los elementos de la naturaleza estn formados por istopos en proporciones diversas. Se llama abundancia

de un istopo a la proporcin en que forma parte de un elemento. Habrs observado que las masas que

figuran en la Tablas Peridica no son nmeros naturales, esto se debe a que figura la masa media

ponderada de acuerdo con su abundancia.

Ejemplo 4.- El cloro tiene dos istopos uno con 75% de abundancia y A=35 y el otro con A=37. Cul ser la masa atmica del cloro? Es la masa ponderada segn las abundancias relativas de ambos istopos. La abundancia relativa del istopo de A=37 es del 25% (lo que falta hasta el 100%)

n 2 1p :

n 1 1p :

99,985%) abundante ms el (es neutrn ningn y p 1 :

3

1

2

1

1

1

tritioH

deuterioH

protioH


Ejemplo 5.- Determina la constitucin del ncleo de los siguientes istopos del uranio.

UUU 23992236

92

235

92

Los 3 istopos tienen 92 protones pero el U-235 tiene 143 neutrones, el U-236 tiene 144 neutrones y el U-239 tiene 147 neutrones.

3.- EL MODELO ATMICO DE BOHR. EL NMERO CUNTICO PRINCIPAL

El dans Niels Bohr (1885-1962), discpulo de Rutherford estudiando el espectro atmico del hidrgeno

mejor el modelo planetario y nuclear, dando solucin a los inconvenientes que presentaba ste y

manteniendo su principal caracterstica: suponer un ncleo positivo muy pequeo y electrones orbitando a

su alrededor.

Bohr aadi al modelo elementos ajenos a la fsica clsica. El electromagnetismo clsico resultaba

inadecuado para describir el comportamiento de sistemas del tamao atmico. Esta era esencialmente la

leccin que se extraa de las primeras cuantizaciones que haban aparecido en la fsica en 1900 y 1905 , de

la mano de Plank y Einstein. Bohr se di cuenta de que un modelo atmico satisfactorio deba incluir de

alguna manera el cuanto de energa de Plank-Einstein. Segn Einstein la energa radiante est granulada se emite en forma de cuantos, paquetes de energa cuyo valor se calcula con la ecuacin de Plank

, donde es la constante de Plank ( ) y es la frecuencia de la radiacin

El modelo de Bohr se puede resumir as:

1. El tomo consta de un ncleo central en el que se halla localizada la carga positiva y la casi totalidad de

la masa. Los electrones slo pueden giran alrededor del ncleo en ciertas rbitas circulares permitidas,

llamadas estacionarias, en ellas el electrn ni emite ni absorbe energa.

2. Cada rbita tiene una energa caracterstica y distinta de las dems rbitas. Para irradiar energa el

electrn debe hacerlo mientras disminuye su rbita en el trnsito de una rbita a otra. Las transiciones se

acompaan de un cambio de nivel energtico, y de acuerdo con la teora de Einstein la diferencia de

energa coincide con la energa del fotn emitido o absorbido

Este modelo de Bohr permite explicar el espectro del tomo de hidrgeno. Cada lnea del espectro es

producida por la radiacin emitida al pasar el electrn de una rbita externa a otra ms interna.

aumento de Se absorbe energa de las rbitas un la energa

Se emite la energa

Figura 4

Para el tomo de hidrgeno, Bohr pudo deducir tericamente una frmula para la energa de cada nivel

estacionario. Esta demostracin no la mostraremos en este curso. En electrovoltios la frmula es:

con

n=1

n=2

n=3

Bohr etiquet las rbitas estacionarias con un

nmero natural que puede valer 1, 2, 3, 4 hasta . Se llama nmero cuntico principal, y es el nmero de orden de las rbitas. Cuando el electrn

del hidrgeno est en la rbita con decimos que est en el estado fundamental, el de menor

energa. Las rbitas con se denominan estados excitados.

En un salto hacia energas menores el tomo emite

energa. Para excitar un tomo, llevando un electrn a rbitas de mayor energa, el tomo

necesita absorber energa (figura 4)


Ejemplo 6. Calcula las energas para los niveles n=1, n=2; n=3 y n=4 del tomo de hidrgeno. Qu vale la energa para el nivel n=?

;

;

Para n=

6.2 RELACIN ENTRE LOS NIVELES ENERGTICOS Y LAS LNEAS ESPECTRALES

El mayor xito del modelo de Bohr es que pudo calcular con precisin las longitudes de onda de las series

de Balmer y Paschen que ya se haban descubierto y predecir las series de Lyman, Brackett y Pfund. La

serie de Balmer corresponde a la zona visible del espectro y las cuatro primeras lneas se han representado

en la figura 3.

Segn la teora de Bohr estas lneas se originan porque el electrn del hidrgeno solo puede estar, o bien en

el estado fundamental ( ) o en estados excitados ( ), pero no puede ocupar niveles de energa intermedios. La situacin es similar a lo que ocurre con los peldaos de una escalera: podemos detenernos

en los escalones, pero no en el espacio entre ellos. En una escalera de cinco peldaos solamente podremos

registrar 4 desniveles entre el primer peldao y el quinto (12 ; 13 ; 14 y 15).

El electrn del hidrgeno puede emitir fotones cuya energa corresponda a saltos 21 ; 31 ; 41 ; 51

. , o bien a saltos 32 ; 42 ; 52 ; 62 etc. En la figura 5 se representan las energas de las rbitas de Bohr para el tomo de Hidrgeno en orden creciente de un eje vertical. La figura 5 muestra la

correspondencia entre las series de Lyman, Balmer y Paschen y las transiciones entre los niveles de energa

del tomo del hidrgeno. Debido a la disminucin de la diferencia energtica entre niveles a medida que

crece , las transiciones al nivel 1 son las que tienen los saltos de energa mayores, por tanto, los fotones de la serie de Lyman son los ms energticos y estn en la regin ultravioleta. La figura tambin nos aclara

porque las series de Paschen, Brackett y Pfund con fotones menos energticos, estn en la zona infrarroja.

Figura 5

Ejemplo 7. Calcula la frecuencia y la longitud de onda de una radiacin de de energa. Expresa la longitud de onda en nanmetros (nm) y en angstrom (). Datos: constant de Plank h= 6,6310-34 J.s; velocidad de la radiacin c= 3108 m/s

relacin entre la velocidad, la longitud de onda y la frecuencia : ; . Unidad internacional de frecuencia Herzio (HZ) =

HzssJ

J

h

EffhE 14114

34

20

102,1102,11063,6

108.

;

mmmf

cfc 1097

14

8

1045101045110.51,4102,1

103.

serie transiciones

Lyman De n>1 a n=1 Balmer De n>2 a n=2 Paschen De n>3 a n=3 Brackett De n>4 a n=4 Pfund De n>5 a n=5

451 nm

4510


Ejemplo 8. Calcula, con la teora de Bohr, las longitudes de onda de las cuatro primeras lneas de la serie de Balmer del espectro del hidrgeno. Datos: ; ; Las cuatro primeras lneas corresponden a los saltos 32 , 42 , 52 y 62. Anteriormente ya se ha calculado E2, E3 y E4. Nos hace falta calcular E5 y E6.

;

Calculamos primero las diferencias de energa de cada salto y las expresamos en Julios

Primera lnea

Segunda lnea

Tercera lnea

Cuarta lnea

Ahora usamos combinada con la relacin entre frecuencia, longitud de onda y velocidad de la luz, para hallar las longitudes de onda.

(hemos tenido que expresar los en julios porque y estn en el S.I.)

Primera lnea

Segunda lnea

Tercera lnea

Cuarta lnea

4.- EL MODELO MECANO-CUNTICO DE TOMO. ORBITALES

4.1 LOS NMEROS CUNTICOS SECUNDARIO y MAGNTICO

Posteriormente, al aumentar el poder de resolucin de los espectroscopios, se vio que algunas lneas no

eran nicas, sino que estaban formadas por varias muy prximas, procedentes de saltos de energa muy

cercana. Para justificar los desdoblamientos de de los espectros, Sommerfeld propuso algunas

modificaciones que complicaban el modelo de Bohr. En el lugar de una rbita, Sommerfeld dispona varias

rbitas: una circular y otras elpticas de excentricidad creciente correspondientes al mismo nmero

cuntico principal. Esta idea implicaba la presencia de subniveles con energa muy parecida dentro del

mismo nivel. y justificaba el aumento de lneas espectrales vistas con aparatos mejores.

Para diferenciar los subniveles se introdujo el nmero cuntico secundario que indica la forma de la rbita y cuyo valor depende de n pudiendo tomar los valores comprendidos entre 0 y ( ) que se caracterizaron por diferentes letras: s( ) ; p( ); d( ); f( ). De manera que:

si , slo puede tomar el valor 0. Solamente hay un subnivel que simbolizamos .

si , la puede tomar los valores 0 ( subnivel 2s) y 1 (subnivel ).

si , la puede ser 0 (3s) , (3p ) y (subnivel )

Comprueba la excelente coincidencia con los valores experimentales dados anteriormente


si la puede ser 0 (4s) , (4p) , (4d) y (subnivel )

Posteriormente hubo que corregir este modelo de nuevo al conocerse el efecto Zeeman, un desdoblamiento

de algunas rayas del espectro al someter el hidrgeno a fuertes campos magnticos.

Estos desdoblamiento indicaban que en cada subnivel hay tres valores de energa, cinco en los subniveles y siete en los . Se introdujo el llamado nmero cuntico magntico m, cuyos valores permitidos estn

comprendidos desde:

4.2 PRINCIPIOS EN LOS QUE SE BASA EL MODELO MECANO-CUNTICO

Hiptesis de De Broglie:

Onda asociada a una rbita estacionaria Contiene 3 longitudes de onda

Ejemplo 9. a) Calcula: a) La longitud de onda y la frecuencia de una radiacin cuyos cuantos tienen 3.10-20 J de energa. b) Determina la longitud de onda asociada a un haz de electrones que se mueve a la velocidad de 5.107 m/s.

Datos: h=6,63.10-34

J; c= 3.108m/s

a) Hzh

EhE 13

34

20

1052,41063,6

103.

;

mc

c 613

8

1064,61052,4

103.

b) Ecuacin de De Broglie mvm

h

e

11

731

34

1046,1105101,9

1063,6

Principio de Indeterminacin de Heisenberg: En el mundo macroscpico el movimiento de una partcula se define conociendo su posicin y su

velocidad en un instante determinado, ahora bien en el mundo subatmico, el movimiento de las partculas

est gobernado por el principio de indeterminacin que nos dice que hay una imposibilidad fsica de

conocer al mismo tiempo la posicin y la velocidad de una partcula. Si conocemos una de las magnitudes,

la otra vendr afectada de una gran imprecisin. Esta imposibilidad hace que las rbitas de Bohr dejen de

tener significado.

Ecuacin de ondas de Schrdinger. Es una ecuacin que tiene en cuenta el carcter corpuscular y el carcter ondulatorio de los electrones. En

su solucin aparece la funcin de ondas cuyo cuadrado proporciona la probabilidad matemtica de

encontrar el electrn en determinada zona del espacio. Al solucionar la ecuacin de ondas aparecen como

consecuencia de ella, los nmeros cunticos y . Tambin se deriva, de una forma natural, la cuantizacin de la energa permitida para los electrones

El modelo de Bohr no daba una razn de la cuantizacin de las

rbitas. De Broglie introduce la hiptesis de que todas las

partculas en movimiento llevan asociada una onda cuya

longitud de onda viene dada en funcin de la masa m y la velocidad de la partcula v, siendo su expresin matemtica:

vm

h

.

As los electrones en su rbita, deberan tener asociada una

onda cuya longitud de onda vendra dada por la ecuacin de De

Broglie y habr una relacin entre la longitud de la rbita y la

longitud de la onda asociada al movimiento del electrn.

Solamente son admitidas las rbitas que contienen un nmero

entero de longitudes de onda (figura 6)

Figura 6


Concepto de orbital atmico. El principio de Incertidumbre nos impide conocer el desplazamiento del electrn en un tomo, as ya no

podemos hablar de rbitas, pero la ecuacin de ondas nos permite conocer la probabilidad de encontrar un

electrn en una zona del espacio, esta probabilidad existe en cualquier punto pero es alta en las cercanas

del ncleo, aqu surge el concepto de ORBITAL. Un orbital atmico es la zona del espacio alrededor del ncleo donde es mxima la probabilidad de encontrar al electrn. Un subnivel tiene tantos orbitales

como valores adquiera el nmero magntico ( ).

Figuras 7 rbita orbital

Las figuras 7 tratan de distinguir entre los conceptos de rbita y orbital. Un electrn en una rbita de radio

R tiene determinada su distancia al ncleo. Sin embargo, los orbitales no representan la posicin concreta

de un electrn en el espacio, que no puede conocerse (dada su naturaleza mecano-cuntica), sino que

representan una regin del espacio en torno al ncleo atmico en la que la probabilidad de encontrar al

electrn es elevada. En el orbital de arriba se representa, mediante punteado de densidad decreciente, la

disminucin de probabilidad de encontrar el electrn, a medida que aumenta la distancia al ncleo.

Los orbitales atmicos (s) y (p)

Como ejemplo se muestran las representaciones grficas de los orbitales (s) y (p) en las figuras 8 y 9. Los

orbitales son aquellos para los que el valor del nmero cuntico secundario ( ) es . Para los orbitales , .

Abajo se representan los orbitales ( ) , ( ) y ( ). Tienen simetra esfrica y la superficie de las esferas limita la zona donde la probabilidad de encontrar el electrn

es del . Ms all del lmite de la esfera la probabilidad es muy baja.

Orbital 1s Orbital 2s Orbital 3s Figura 8

Respecto de los orbitales p, las soluciones de la ecuacin de Schrdinger predicen tres orbitales cuya forma geomtrica es la de dos esferas achatadas hacia el punto de contacto (el ncleo atmico) y orientadas

segn los ejes de coordenadas y que se denominan, respectivamente , y

Figura 9

Las soluciones de la ecuacin de Schrdinger tambin predicen cinco orbitales y 7 orbitales cuya forma es ms compleja y no se muestran en este texto.

R


5.-EL N CUNTICO DE SPIN Y EL PRINCIPIO DE EXCLUSIN DE PAULI

An se necesit una tercera correccin introduciendo un cuarto nmero cuntico de spin relacionado con

el sentido de giro del electrn alrededor de su eje y que puede tomar dos valores segn sea la

rotacin del electrn.

El problema que llev a la propuesta del nmero cuntico de spin consista en saber cmo se disponen los

electrones en los niveles de energa. Por ejemplo, un tomo con 20 electrones puede tener los 20

electrones en el primer nivel ( )? , Puede tener 5 electrones en el nivel y 15 en el nivel ?

La solucin vino con el PRINCIPIO DE EXCLUSIN DE PAULI que afirma que NO PUEDEN

EXISTIR EN UN TOMO DOS ELECTRONES CON LOS CUATRO NMEROS CUNTICOS

IGUALES. Como el nmero de spin solo puede tener dos valores, en cada orbital solamente caben dos

electrones , el que tiene spin y el que tiene spin .

En la tabla 1 se aplican las reglas para los cuatro nmeros cunticos y se calculan los electrones que caben

en cada nivel de energa.

Tabla 1

Valores de n

Valores de l

Valores de m

Nmero de orbitales y su nombre

N de electrones

por subnivel

N de electrones

en cada nivel

1 0 0 1 orbital (1s) 2 2

2

0 0 1 orbital (2s) 2

8 1 1, 0, +1 3 orbitales (2p) 6

3


18 1 1, 0. +1 3 orbitales (3p) 6

2 2, 1, 0, +1, +2 5 orbitales (3d) 10

4


32

1 1, 0. +1 3 orbitales (4p) 6

2 2, 1, 0, +1, +2 5 orbitales (4d) 10

3 3, 2, 1, 0, +1, +2, +3 7 orbitales (4f) 14

Resumiendo: el nmero cuntico principal ( ) determina el nivel de energa del electrn dentro del tomo, pero dentro de cada nivel hay subniveles que se diferencian con el nmero cuntico secundario ( ). Estos subniveles, que se distinguen por diferentes letras( ) contienen un nmero diferente de electrones. As los subnivel contiene hasta 2 electrones, los hasta 6 electrones, los hasta 10 electrones y los hasta 14 electrones.

Cada electrn viene determinado por un conjunto de 4 nmeros cunticos: ( ) que se denomina su notacin electrnica. Los tres primeros determinan cada orbital, y el cuarto sirve para diferenciar a cada uno de los dos electrones

que puede haber en un orbital.

Recogemos a continuacin las cuatro reglas para determinar los cuatro nmeros cunticos es


Ejemplo 10.- Indica qu conjuntos de nmeros cunticos (n, l, m) identifican los siguientes orbitales: 3s, 3d, 2p y 4f y di cuantos orbitales hay de cada tipo. 3s (3,0, 0) 1 orbital 2p (2, 1, 1) ; (2, 1, 0) ; (2, 1, +1) 3 orbitales 3d (3, 2, -2) ; (3, 2, -1) ; (3, 2, 0) ; (3, 2, +1) ; (3, 2, +2) 5 orbitales 4f (4,3, -3) ; (4,3, -2) ; (4,3, -1) ; (4,3, 0) ; (4,3, +1) ; (4,3, +2) ; (4,3, +3) 7 orbitales

Ejemplo 11.- a) Seala cules de las siguientes series de nmeros cunticos seran posibles y cules imposibles para especificar el estado de un electrn; b)di en qu tipo de orbital atmico estaran situados los que son posibles. a) (0, 0, 0, +) ; b) (1,1,0, +) ; c) (1,0,0. -) ; d) (2,1,-2, +) ; e) (2,1,-1, +) y f) (2,1,0,0) a) no es posible porque . (n < 1) (revisa la regla para el nmero n) b) no es posible porque . ( ) . Recuerda la regla del nmero (mximo valor ). En este caso solo puede valer cero c) Si es posible, se cumplen todas las reglas. El electrn , con spin -1/2 est en un orbital s d) No posible porque (m solo puede valer aqu: 1,0,1 , y sin embargo han escrito -2) e) Si es posible, se cumplen todas las reglas. El orbital es p f) No es posible. El cuarto nmero cuntico es cero y solo puede tomar los valores +1/2 y 1/2

Ejemplo 12.- Escribe la notacin electrnica de los dos electrones del orbital 4s Para el orbital 4s: n=4 ; l=0 : m=0 , por lo tanto los dos electrones tendrn una notacin electrnica:

( 4 , 0 , 0 , +1/2) y (4 , 0 ,0 , -1/2)

6.- CONFIGURACIN ELECTRNICA

6.1 ORDEN DE LLENADO DE LOS ORBITALES.

La distribucin de los electrones de un tomo da lugar a la llamada configuracin electrnica del tomo y

es muy importante porque, sobre todo, del nmero de electrones que el tomo tenga en su ltima capa

dependern su comportamiento qumico y sus propiedades.

Los electrones ocupan primero los orbitales de menor energa y siguen luego un orden creciente de energa.

Ese orden de energa se dedujo experimentalmente a partir del anlisis de los espectros de los elementos.

El orden es el siguiente:

Como vemos, la secuencia NO SIGUE EL ORDEN ESTRICTO del nmero cuntico principal n, es decir,

etc. A partir del nivel 3 (el subnivel est entre y ) los subniveles empiezan a estar intercalados.


El motivo de esto tiene relacin con la disminucin de la diferencia energtica entre niveles a medida que

crece ,. Si a esto aadimos el nmero de subniveles por nivel aumenta con el nmero se comprende la intercalacin que se produce. En figura 10(a) se han dibujado los niveles de energa 3,4 y 5. En la figura

10 (b) se han desdoblado en los subniveles para mostrar las intercalaciones.

n=5

n=4

n=3

Figura 10 (a) Figura 10 (b)

Ejemplo 13.- Escribe las configuraciones electrnicas de los siguientes elementos: O (Z=8) , S (Z=16) ; Se (Z=34) y Xe (Z=54). Como dato tenemos los nmeros atmicos (Z), es decir, los nmeros de protones que hay en sus ncleos, pero como los tomos son neutros, hay el mismo nmero de electrones. [O] (hay que disponer 8 electrones)= 1s2 2s2 2p4 [S] = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p4 (para un total de 16 elect.) [Se] = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p4 [Xe]= 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6

6.2. DIAGRAMA DE ORBITALES. PRINCIPIO DE MXIMA MULTIPLICIDAD (REGLA DE HUND) La ltima de las reglas que se necesitan saber es la que se refiere al procedimiento de situar en orbitales los

electrones. Efectivamente en la notacin p2 p

3 p

4 o p

5 no hay informacin acerca de la distribucin de los

electrones en los orbitales. La regla que da respuesta a estadesitribucin se denomina PRINCIPIO DE

MXIMA MULTIPLICIDAD o REGLA DE HUND.

Al llenarse los orbitales de energa equivalente, como son los que tienen los mismos valores de n y l (por

ejemplo los 3 orbitales p , o los 5 orbitales d), los espines de los electrones se mantienen desapareados

mientras sea posible.

La manera de mostrar las consecuencias de esta regla es mediante los diagramas de orbitales. En este tipo

de diagramas representamos cada orbital con una casilla. Un electrn con spin +1/2 se representa con una

flecha hacia arriba y un electrn con spin 1/2 con una flecha hacia abajo. El diagrama de orbitales es importante para los electrones del ltimo nivel (los ms externos) porque nos informa del nmero de

electrones desapareados que tiene un tomo.

Por ejemplo, la configuracin electrnica de un elemento con Z=7 es 1s2 2s

2 2p

3.

Una regla nemotcnica que facilita el recuerdo del orden de

llenado es el llamado diagrama de Moeller (figura 11)

En cada fila se escriben los orbitales de cada nivel (no hace

falta escribir 6f , 7d, 7f porque no hay tomos que lleguen

a rellenarlos. El orden de llenado de los orbitales sigue el

orden de las flechas, empezando por la de abajo. Figura 11

Diagrama de Moeller

El diagrama de orbital

del nivel 2 es con tres electrones desapareados con

3p

4s

3d

4p

5s

4d

5p


Ejemplo 14.- Seala cuales de los siguientes diagramas de orbitales son posibles o no lo son dando las razones a) b) c) 1s2 2s1 1s2 2s1 1s3 d) e) 2s2 2p4 2s2 2p4 a) No, no cumple regla de Pauli pues hay dos electrones en el mismo orbital con el mismo spin b) Si, se cumplen todas las reglas c) No, no pueden haber 3 electrones en el mismo orbital (principio de exclusin de Pauli) d) No es posible , pues no respeta el principio de mxima multiplicidad e) Si es posible, respeta todas las reglas.

7. LA TABLA PERIDICA y LA CONFIGURACIN ELECTRNICA

En la antigedad se conocan algunos elementos qumico tales como el oro, la plata, el cobre, el azufre y

algunos ms, luego se fueron descubriendo ms hasta llegar a los 110 elementos que se conocen hoy,

aproximadamente. La mayora son naturales y el resto se obtienen artificialmente. De todos estos

elementos, alrededor de 80 son metales, 15 no metales tpicos y el resto elementos intermedios.

En este enlace encontrars fotografas de los elementos qumicos

http://www.educaplus.org/play-81-Elementos-qu%C3%ADmicos.html

A pesar de la sorprendente diversidad de propiedades y comportamientos que tienen los elementos, es

posible reconocer la existencia de ciertas relaciones y analogas entre ellos. Esto anim a los investigadores

a buscar alguna forma de ordenacin de los elementos con el fin de simplificar el estudio de la Qumica.

La tabla peridica actual tiene su origen en los trabajos del ruso Mendeleiev, que us las masas atmicas

como criterio de ordenacin. Fue el germano Moseley el que se dio cuenta de que la propiedad

fundamental en que se basa la ordenacin peridica es el nmero atmico y propuso que la ordenacin de

los elementos deba hacerse en orden creciente de los nmeros atmicos de los elementos. En cualquier

caso, el orden creciente de nmero atmico coincide con el orden creciente de masas atmicas excepto en

dos casos: el nquel y el yodo tiene menor masa atmica que el cobalto y el telurio respectivamente.

En este enlace (http://cea.quimicae.unam.mx/estru/tabla/06_Mendeleiev.htm) puedes ver la tabla original

de Mendeleiev, de aspecto bastante diferente al actual. Mendeleiev puso en los grupos en filas, y

posteriormente se dispusieron en columnas. Adems, en 1869 solamente se conocan 63 elementos y el xito de Mendeleiev (aunque en un primer momento fue tratado como un visionario) fue dejar huecos con

elementos que , segn l, se llegaran a descubrir, para respetar que los elementos alineados en una fila

(hoy en da una columna) tuviesen propiedades similares.

En el enlace http://tablaperiodica.educaplus.org/ tienes tablas peridicas interactivas con multitud de

informacin. En la tabla actual se pueden observar una serie de columnas y de filas:

El siguiente diagrama es incorrecto

porque hemos apareado dos electrones en la

primera casilla antes de que todas las casilla tuviesen 1 electrn con


Los elementos colocados en la misma columna constituyen los grupos, caracterizados por estar formados por elementos de propiedades fsicas y qumicas semejantes que se les llaman tambin familias. Hay 18

grupos.

Los elementos situados en la misma fila constituyen los perodos. Hay 7 periodos, de ellos el 1 es muy corto, el 2 y el 3 son cortos, el 4 y el 5 son largos y 6 y el 7 son muy largos.

La estructura de la TP tiene mucho que ver con la configuracin electrnica de la ltima capa o capa de

valencia. Todos los elementos situados en el mismo grupo o familia tienen la configuracin electrnica

externa similar, de ah que se comporten qumicamente de forma semejante. En la siguiente tabla se

presenta la estructura de la tabla peridica. Es interesante resaltar que la tabla contiene los nmeros

importantes que han salido en el estudio de los nmeros cunticos y sus reglas y que podemos deducir la

configuracin electrnica de una elemento a partir de su posicin en la tabla, y viceversa. Ver figura 12.

a) El bloque s est formado por dos columnas. Recuerda que en el subnivel caben 2 electrones. Los elementos situados en el bloque acaban su configuracin electrnica con s1 o s2 .

b) El bloque est formado por seis columnas. Recuerda que en el subnivel caben 6 electrones. Los elementos de ese bloque acaban su configuracin con p

1 hasta p

6.

c) El bloque tiene 10 columnas, tantas como electrones caben en el subnivel . Los elementos de ese bloque acaban su configuracin con d

1 hasta d

10.

d) Tambin el bloque tiene 14 columnas, tantas como electrones caben en el subnivel f.

e) El nmero de electrones que caben en los cuatro primeros niveles de energa (2 , 8, 18, 32) coincide con

el nmero de elementos de los periodos (muy corto, cortos, largos, muy largos)

1 18

2 Figura 12 13 14 15 16 17

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

O

S

Se

Bloque s Bloque d (10 columnas) Bloque p (6 columnas)

(2 columnas)

Bloque f (14 columnas)

La tabla se abre por aqu, en la forma larga, para intercalar el bloque f

Adems los nmeros 2 , 8 , 18 , 32 que aparecan en la tabla 1 como n de electrones que caben en las

cuatro primeras rbitas (para n=1,2,3,4), aparecen tambin en la tabla peridica como nmero de columnas

de cada periodo. En el primer periodo hay 2 columnas, en el segundo y tercer periodos hay 8 columnas, en

el 4 y 5 periodos hay 18 columnas , y si intercalamos las 14 columnas del bloque f, en los periodos 6 y 7

hay 32 columnas.

LA TABLA PERIDICA TAMBIN SIRVE COMO REGLA NEMOTCNICA PARA RECORDAR EL

ORDEN DE LLENADO AL ESCRIBIR LAS CONFIGURACIONES ELECTRNICAS, como en el

siguiente ejemplo, y sustituye con ventaja al diagrama de Moeller.


Ejemplo 15.- Escribe las configuraciones electrnicas de los siguientes elementos: O, S y Se. Ahora supondremos que no conocemos sus nmeros atmicos Z pero conocemos su posicin en la tabla (ver tabla de arriba). El O est en la cuarta columna del grupo p, por lo tanto acabar p4 y como est en el 2 periodo los electrones mas externos estn en el nivel 2. or tanto acabar 2p4. Si transitamos desde la primera casilla de grupo 1, periodo 1 hasta la casilla del oxgeno pasamos sucesivamente por: bolque s periodo 1 ( escribimos 1s2). Cabiamos de periodo y llegamos al periodo 2 bloque s (escribimo 2s2 ). Finalmente llegamos al bloque p del periodo 2 , columna 4 (escribimos 2p4) [O] = 1s2 2s2 2p4 El S est en el periodo 3 , columna 4 del bloque p . Su configuracin acabar 3p4 . Si transitamos desde la primera casilla hasta la que ocupa el S escribiremos [S] = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p4 El Se est en el periodo 4 , bloque p, su configuracin acabar 4p4 . Si hacemos el mismo recorrido que antes veremos que despus de pasar por bloque s , periodo 4 , antes de llegar al bloque p del mismo periodo hay que TRANSITAR por el bloque d por primera vez, y como el primer nivel que tiene subnivel d es el 3, escribiremos 3d10 antes de pasar a 4p4 . El resultado ser [Se] = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p4

Los elementos de los bloques s y p , que suman 8 columnas en total, se denominan ELEMENTOS

REPRESENTATIVOS porque son los que ms fielmente representan la ley peridica relativa a que los elementos de la misma columna se asemejan en propiedades. Los elementos del bloque d se llaman

ELEMENTOS DE TRANSICIN porque hay que transitar por ellos para pasar de un lado a otro de los

elementos representativos (como ha pasado con el selenio)

Algunos grupos se conocen con un nombre especial (adems de por su nmero de orden) : alcalinos (1 ),

alcalinotrreos (2), trreos (13), grupo del carbono (14 ), grupo del nitrgeno, (15) , anfgenos o grupo del

oxgeno (16), halgenos (17) y gases nobles (18).

Ejemplo 16.- Escribe las configuraciones electrnicas de los tres primeros halgenos (grupo 17) y de los tres primeros alcalinos (grupo 1)

Ejemplo 17.- Cmo ser la configuracin externa del calcio, del cromo y del antimonio? En la tabla peridica vemos que el calcio est en el bloque s (2 columna), periodo 4 , por tanto acabar 4s2 El cromo ocupa la 4 columna del bloque d (periodo 4). Su configuracin acabar 4s2 3d4 los electrones que nos encontramos al transitar por el periodo donde est el cromo) El estao ocupa la 2 columna del bloque p (periodo 5). Al transitar por el periodo 5 hasta el estao encontramos 5s2 4p10 5p3

Ejemplo 18. Escribe las configuraciones electrnicas de los elementos: Na, Mg, Fe, Ni, Cl Cules son representativos? [Na] = 1s2 2s2 2p6 3s1 [Mg] = 1s2 2s2 2p6 3s2 [Fe] = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d6 [Ni] = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d8 [Cl] = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5 Son elementos representativos el sodio, magnesio y cloro, ya que tienen su ltimo electrn en un orbital

F (Z=9): 1s2 2s2 2p5 Cl (Z=17): 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5 Br (Z=35) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p5

Li (Z=3): 1s2 2s

1

Na (Z=11): 1s2 2s

2 2p

6 3s

1

K (Z=19): 1s2 2s

2 2p

6 3s

2 3p

6 4s

1


Ejemplo 19. Dados los elementos de configuraciones electrnicas: [W] = 1s2 2s2 2p4

[X] = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p4 [Y] = 1s2 2s2 2p6 2s2 3p6 4s2 3d10 4p4

Razona la validez de las afirmaciones: a) Pertenecen al mismo periodo. b) Pertenecen al mismo grupo c) Y pertenece al 4 periodo d) El nmero atmico de X es 14. a) Falsa. La ltima capa con electrones no es la misma en ninguno de ellos. Pertenecen a perodos distintos. b) Verdadera. La configuracin de todos ellos es similar : ns2 np4

c) Verdadera. La ltima capa ocupada es la 4. d) Falsa. X es un tomo neutro y posee 16 e-, por tanto su ncleo tendr 16 protones y su Z es 16.

Las propiedades de los tomos dependen, principalmente, de la configuracin electrnica del nivel mas

externo. Es por ello que las configiuraciones se pueden escribir simplificadamente agrupando los

electrones internos con el smbolo del gas noble con que acaba el periodo anterior a aqul en que se

encuentra el elemento. Por ejemplo, las cuatro configuraciones del ejemplo 13 simplificadas seran: [O] = 1s2 2s2 2p4 [S] = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p4 = [He] 2s2 2p4 (como es corta no se obtiene = [Ne] 3s2 3p4 Simplificacin) [Se] = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p4 [Xe]= 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6

= [Ar] 4s2 3d10 4p4 = [Kr] 5s2 4d10 5p6

Ejemplo 20. Escribe las configuraciones electrnicas SIMPLIFICADAS de los elementos: Na, Mg, Fe, Ni, Cl. [Na] = [Ne] 3s1 [Mg] = [Ne] 3s2 [Fe] = [Ar] 4s2 3d6 [Ni] = [Ar] 4s2 3d8 [Cl] = [Ne] 3s2 3p5 Son elementos representativos el sodio, magnesio y cloro, ya que tienen su ltimo electrn en un orbital

Puedes practicar configuraciones electrnicas con esta animacin para ordenador que encontrars en este

enlace: http://www.educaplus.org/play-73-Configuraci%C3%B3n-electr%C3%B3nica.html


8. VARIACIN PERIDICA DE PROPIEDADES ATMICAS (REGLAS GENERALES)

Son propiedades peridicas de los elementos aquellas propiedades tanto fsicas como

qumicas que varan de modo regular con el nmero atmico al ser consecuencia de la

forma en que se distribuyen los electrones en el tomo.

8.1. TAMAO DE LOS TOMOS (RADIO ATMICO)

En un grupo el tamao aumenta a medida que descendemos debido a que el tomo se hace mayor al

aumentar el nmero de capas. A lo largo de un mismo perodo el volumen disminuye al avanzar a la

derecha ya que aunque aumenta el nmero de electrones, todos los que se van aadiendo estn en el mismo

nivel. Al mismo tiempo aumenta tambin la carga positiva del ncleo, producindose una atraccin mayor

de los ncleos sobre los electrones, que tiene como consecuencia una disminucin del tamao. Se puede

establecer un smil gravitatorio de esta situacin pensando que en la misma rbita de la Tierra hubiese dos

planetas Tierra mas, para un total de tres Tierras. Si el Sol no cambiase de masa la rbita de todas estas

Tierras sera la misma que la que tiene la nica Tierra que tenemos (despreciando la interaccin

gravitatoria entre las tres Tierras). Pero si por cada Tierra aadida la masa del Sol experimentase un

aumento, La rbita de las Tierras experimentara una contraccin debida al aumento de la fuerza

gravitatoria del Sol sobre cada Tierra.

Tabla 2: radios atmicos de los elementos representativos en pm(picometros)

Ejemplo 21. Ordena en orden creciente del tamao de sus tomos a los elementos: C(Z=6); F(Z=9); Si(Z=14) Si situamos a los elementos en el tabla peridica. podremos observar que: El C y el F son del mismo periodo por tanto a mayor Z Menor radio El C y el Si son del mismo grupo por tanto a mayor Z Mayor radio Se cumplir que el orden creciente de los radios es F < C < Si

Figura 13. Aumento del radio atmico

El tamao se relaciona con el radio

de los tomos y se mide de forma

indirecta mediante la medida de las

longitudes de los enlaces. Las

tendencias generales de variacin en

la Tabla peridica se resumen en la

figura.


8.2. ENERGA DE IONIZACIN

En un grupo la energa de ionizacin disminuye a medida que bajamos porque los electrones perifricos

estn ms alejados y ms dbilmente retenidos.

Dentro del perodo aumenta hacia la derecha, ya que a medida que aumenta el nmero atmico, la

atraccin del ncleo sobre los electrones es mayor, por lo que cuesta ms energa arrancar un electrn, pero

hay pequeas irregularidades que corresponden a tomos con niveles llenos o semillenos que al gozar de

mayor estabilidad tienen una EI algo mayor. La regla general se resume en la figura 14.

Ejemplo 22. Ordena en orden creciente de su 1 energa de ionizacin los elementos: C(Z=6); F(Z=9); Si(Z=14) Si realizamos la configuracin electrnica y situamos a los elementos en el S.P. podremos observar que: El C y el F son del mismo periodo por tanto a mayor Z Mayor EI El C y el Si son del mismo grupo por tanto a mayor Z Menor EI Se cumplir que el orden creciente de su EI Si < C < F

8.3. AFINIDAD ELECTRNICA

La afinidad electrnica o electroafinidad de un elemento es la energa liberada cuando un tomo de un

elemento en estado gaseoso adquiere un electrn y se convierten en anin (in negativo):

X + e X + AE

La afinidad electrnica es una propiedad difcil de determinar experimentalmente y hay elementos para los

que no se ha podido determinar de forma experimental debido a la gran inestabilidad del anin (los gases

nobles). Como norma general, en un perodo, la afinidad electrnica aumenta hacia la derecha, ya que

desprenden ms energa los elementos que ms tendencia tienen a ganar electrones, (los no metales del

grupo 17). En un grupo, la AE aumenta hacia arriba.

Observa que la energa de ionizacin y la afinidad electrnica varan de igual manera (figura 14) y los

elementos de la zona superior derecha de la Tabla peridica, tienen las mayores energas de ionizacin y

afinidades electrnicas. Son elementos que con gran tendencia a ganar electrones y, por el mismo motivo,

oponen mucha resistencia a que les sean extrados sus propios electrones.

Tambin conviene darse cuenta, para entender las reglas de variacin, que las variaciones de EI y AE son

contrarias a las del radio atmico. Por ejemplo, en el grupo alcalinos todos los tomos tienen 1 electrn s1

(2s1 , 3s

1 , 4s

1 , etc). A medida que bajamos en el grupo ese electrn est ms lejos del ncleo positivo y

repelido por ms electrones de capas internas. Por ello est ms dbilmente retenido y la EI disminuye.

Otro ejemplo es el de la variacin en un periodo. El mismo argumento que usbamos para decir que al

avanzar en un periodo el radio atmico disminuye, lo podemos usar para justificar el aumento de la EI. Si

el tamao del tomo se contrae debido al aumento de la fuerza atractiva del ncleo sobre los electrones,

tambin aumenta la resistencia a que esos electrones sean arrancados.

Figura 14 Aumento de la EI y la AE

La energa de ionizacin es la

energa que se necesita para extraer

de un tomo el electrn ms

dbilmente ligado cuando se

encuentra en estado gaseoso. Se

trata del proceso atmico:

X + EI X+ + e

El tomo X se convierte en un in

positivo (catin)


Ejemplo 23. Ordena en orden creciente de sus afinidad electrnica : N(Z=7) ; Mg (Z=12) ; Al(Z=13) y P (Z=15) El Mg, el Al y el P son del mismo periodo y por tanto a mayor Z Mayor AE El N y el P son del mismo grupo y por tanto a mayor Z Menor AE Se cumplir que el orden creciente de la electroafinidad es: Mg < Al < P


Ejemplo 24 Razona qu elementos tendrn mayor electronegatividad a) litio o oxgeno b) nitrgeno o nen. a) el oxgeno es un no metal de grupo 16 tiene tendencia a ganar electrones, mientras que el litio es un metal y su tendencia ser perder electrones. El oxgeno tiene mayo electronegatividad. b) El nitrgeno es un no metal por tanto es ms electronegativo que el nen que es un gas noble y no tiene tendencia ni a ganar ni a perder electrones por tener el octeto completo.

Y llegado este punto podemos anticipar cul es el mvil que lleva a los elementos a formar compuestos:

Los gases noble tiene una configuracin que acaba s2p6 (excepto el helio cuya configuracin es 1s2). Los gases nobles forman raramente algn compuesto (solamente los de mayor paso atmico) porque su

configuracin electrnica es estable. La configuracin de los dems elementos es inestable y en la

formacin de compuesto tratan de ganar estabilidad adquiriendo la configuracin de gas noble, para ello

pueden ganar, perder o compartir electrones.

9. PROPIEDADES PERIDICAS. AMPLIACIONES

9.1. ALTERACIONES EN LA REGLA DE LA ENERGA DE IONIZACIN

EI (eV/tomo)

Figura 16 Nmero atmico (Z)

Analicemos primero las primeras alteraciones escribiendo las configuraciones electrnicas de Be, B y de

Mg, Al y el diagrama de orbital del nivel 3

El B y el Mg son del grupo alcalinotrreos y su configuracin acaba con un subnivel lleno s2 que confiere

cierta estabilidad a la estructura y ofrece ms resistencia a ser destruida. Extraer un electrn de esa

configuracin supone aportar un extra de energa que justifica la alteracin observada en la tabla

[Be] = 1s2 2s2 [Mg] = 1s2 2s2 2p6 3s2

[B] = 1s2 2s2 2p1 [Al] = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p1

En este apartado justificaremos las anomalas

de la regla general de variacin de la energa

de ionizacin al avanzar en un periodo

recogida en el apartado 8.2. La regla general

dice que la EI aumenta a medida que nos

desplazamos hacia la derecha en un periodo.,

Sin embargo los datos de las EI de los

periodos 2 y 3 recogidos en la figura 16

muestran dos disminuciones en cada periodo.

Las primeras disminuciones se da al pasar del

Be al B y del Mg al Al y las segundas al

pasar de del N al O y del P al S. La

explicacin la encontraremos, como en todas

las propiedades atmicas, en las

configuraciones electrnicas


El N y el P pertenecen al tercer grupo dentro del bloque p y su configuracin acaba con un subnivel

semilleno p3 que tambin es una estructura que presenta cierta estabilidad (aunque menor que la

estabilidad de subnivel lleno) y tambin ofrece una resistencia extra a ser modificada. Extraer un electrn

de esa configuracin supone aportar tambin un extra de energa que justifica la alteracin observada en la

tabla

9.2. CONFIGURACIONES ELECTRONICAS ALTERADAS En relacin a lo que se ha apuntado arriba sobre la estabilidad extra que presenta el subnivel lleno d

10 o

semilleno d5 se aade este apartado para explicar algunas excepciones a las reglas de llenado estudiadas

para escribir las configuraciones electrnicas.

Por ejemplo las configuraciones electrnicas del Cromo y del Cobre, segn las reglas son

[Cr] = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d4 [Cu] = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d9

Sin embargo, las configuraciones deducidas analizando los espectros de ambos elementos que, recordemos,

son consecuencia de las transiciones de electrones excitados hasta el nivel fundamental son:

[Cr] = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 3d5 [Cu] = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 3d10

Adems, estas configuraciones alteradas y el nmero de electrones desapareados que contienen explican la

valencia 6 del cromo y la valencia 1 del cobre.

9.3. ENERGAS DE IONIZACIN SUCESIVAS

X(g) + EI1 X+(g) + 1 e

X+(g) + EI2 X

2+(g) + 1 e

X2+

(g) + EI3 X3+

(g) + 1 e

Sea un tomo con varios electrones en el nivel ms externo. Cuando se extrae un electrn externo de un

tomo el in positivo resultante tiene la misma carga nuclear pero un electrn menos. Los electrones del

nivel externo ejercen repulsin sobre los otros electrones de ese nivel, y cuando queramos arrancar un

segundo electrn, ste est repelido por un electrn menos que los que influan sobre el primero de los

electrones arrancados. Como consecuencia, para arrancar el segundo electrn hay que aportar ms energa

que para extraer el primero. Para extraer el tercer hay que aportar ms energa que para arrancar el

segundo, y as sucesivamente.

Adems de estas consideraciones, las energas de ionizacin sucesivas experimentan tambin saltos cuando

para arrancar un electrn haya que destruir una configuracin de gas noble o una configuracin de subnivel

lleno.

[N] = 1s2 2s2 2p3 [P] = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p3

[O] = 1s2 2s2 2p4 [S] = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p4

A la izquierda se muestran los procesos de ionizacin sucesiva

de un tomo X. EI1 , EI1 , EI1 son las tres primeras energas

de ionizacin del elemento X


Ejemplo 25 La tabla siguiente tiene las EI sucesivas para el Li, Be y B. Explica los valores a partir de las configuraciones electrnicas. EI1 EI2 EI3 EI4

Las configuraciones electrnicas son: [Li] = 1s2 2s1 [Be] = 1s2 2s2 [B] = 1s2 2s2 2p2

La EI1 aumenta al avanzar hacia la derecha en un periodo, pero al pasar del Be al B hay una disminuacin que ya se ha comentado y explicado en el apartado 8.5. Respecto de las energas de ionizacin sucesivas para un mismo elemento aumentan en elorden EI1 , EI2 , EI3 , EI4 tal y como se explica en este apartado. Se han indicado con flechas tres escalones bruscos en la tabla. Las configuracin correspondiente al Li+ , Be2+ y B3+ es la misma : 1s2 , que es la del gas noble Helio. Arrancar un electrn de esa configuracin corresponde a EI2 en el Litio, a EI3 en el Be y a EI4 en el B. Precisamente esos son las Energas de Ionizacin en cada elemento, para los que se observan los saltos indicados con las flech.as

9.4. IONES ISOELECTRNICOS

Los tomos pierden o ganan electrones para formar iones positivos o negativos, respectivamente. Pero

Cul es la carga ms estable para los iones que forman los tomos?. La respuesta ya se apunt ms arriba.

La carga de los iones que forman los tomos es la que tienen cuando el tomo ha adquirido la

configuracin del gas noble ms cercano. As , por ejemplo los tomos de oxgeno, Fluor, Sodio y

Magnesio forman respectivamente los iones O= , F , Na+ y Mg2+ y tienen la misma configuracin electrnica.

Z= 8 , El O tiene 8 e en su corteza , su configuracin electrnica es 1s2 , 2s2 2p4 El in O= tiene 8 + 2= 10 e en su corteza, su configuracin es 1s2 , 2s2 2p6 Z= 9 , El F tiene 9 e en su corteza , su configuracin electrnica es 1s2 , 2s2 2p5 El in F tiene 9 + 1= 10 e en su corteza, su configuracin es 1s2 , 2s2 2p6 Z= 11 , El Na tiene 11 e en su corteza , su configuracin electrnica es 1s2 , 2s2 2p4 ; 3s1

El in Na+ tiene 11 - 1= 10 e en su corteza, su configuracin es 1s2 , 2s2 2p6 Z= 12 , El Mg tiene 12 e en su corteza , su configuracin electrnica es 1s2 , 2s2 2p4 ; 3s2

El in Mg2+ tiene 12 - 2= 10 e en su corteza, su configuracin es 1s2 , 2s2 2p6

Los cuatro iones tienen la misma configuracin electrnica (son isoelectrnicos) que es la configuracin electrnica del gas noble Nen. 1s2 , 2s2 2p6 Y cul ser el tamao relativo de los cuatro iones? . Los cuatro tienen la misma configuracin electrnica. Por tanto ser ms pequeo el in que tenga mas carga nuclear y mas grande el que tenga menos carga nuclear. El orden creciente de tamaos ser.

O= < F < Na+ < Mg2+

Tema 1 Estructura Atomica Tabla

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