Los electrones en los átomos

En el artículo de modelos atómicos he hablado de las distintas teorías sobre el átomo que hubo a lo largo de la historia. Lo que se sabe en líneas generales es que los átomos están formados por un núcleo que está formado por protones y neutrones, está cargado positivamente. Muy alejados del núcleo se encuentran los electrones, que giran alrededor del núcleo (están cargados negativamente). En este artículo vamos a centrarnos en el estudio de los electrones.
 
El modelo de Rutherford no es lo bastante bueno para explicar el átomo. La física clásica no puede explicar ciertos fenómenos como la interacción electromagnética a nivel atómico, sólo la física cuántica puede hacerlo.
 
La física cuántica trata de explicar la interacción de la materia con la radiación electromagnética.
 
-ESTUDIO DE LAS ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS:
 
Toda carga eléctrica crea un campo eléctrico. Si la carga es positiva crea un campo hacia fuera y si es negativa, crea un campo hacia dentro.
 
En la imagen se muestra el campo eléctrico creado por una carga positiva, y el campo eléctrico creado
por una carga negativa
Si la carga está en movimiento, además del campo eléctrico la carga crea un campo magnético, que es perpendicular al campo eléctrico. Este campo generado por una carga en movimiento se denomina campo electromagnético.
 
En la imagen se muestran el campo eléctrico y el campo magnético
Si la velocidad de la carga no varía, su energía permanece constante. Pero si la velocidad de la carga no es constante, esta emite energía en todas las direcciones en forma de ondas electromagnéticas.
 
 
La propagación de los campos eléctrico y magnético variables, que vibran en planos perpendiculares entre sí, creados por una carga eléctrica acelerada, recibe el nombre de onda electromagnética. Estas ondas se propagan con la velocidad de la luz en la dirección de perturbación, por lo que se trata de una onda transversal (una onda transversal es aquella que es perpendicular al medio en que se propaga, en este caso su dirección y sentido de propagación son los del vector ExB, la definición matemática del producto vectorial es un vector perpendicular a dos vectores dados).
 
Una característica importante de las ondas electromagnéticas es la posibilidad de que se produzcan interferencias. Una interferencia es la superposición de dos o más ondas en un punto. Dos ondas al sumarse pueden dar lugar a una onda de mayor amplitud que las iniciales y se dice que la interferencia es constructiva. Si la amplitud resultante es más pequeña que las amplitudes iniciales la interferencia es destructiva.
 
Estas interferencias son la base de la difracción. La difracción se observa en las ondas de un lago o la interacción de la luz visible sobre la superficie de un CD. Todo lo que se difracta tiene naturaleza ondulatoria. Como las ondas electromagnéticas se difractan tienen naturaleza ondulatoria (luz radiante).
 
EL ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO:
 
La luz es una onda electromagnética, no todas ondas electromagnéticas son percibidas por el ojo humano. El espectro electromagnético es el conjunto de todas las ondas electromagnética. Estas abarcan una gama muy amplia de frecuencias (10 Hz-10^23 Hz) constituyendo el llamado espectro electromagnético.

 

 
 
 
FÍSICA NO CLÁSICA: TEORÍA CUÁNTICA:

 La teoría de Max Planck dice lo siguiente: La energía asociada a una radiación electromagnética de una determinada frecuencia solamente puede tener valores que son múltiplos de un cuanto elemental que es proporcional a la frecuencia de la radiación.

La energía de un cuanto de radiación electromagnética viene dada por la expresión E=hf, donde E es la energía (J), h es la constante de Planck (6,6·10^-34 J·s) y f la frecuencia (Hz).

La frecuencia de un cuanto de luz se puede expresar en función de la longitud de onda de la radiación. Así, tenemos f=c/λ; sustituyendo en la expresión de la energía E=h (c/λ).

EFECTO FOTOELÉCTRICO:

El efecto fotoeléctrico consiste en el desprendimiento de electrones de una superficie metálica al incidir luz sobre ella. Eistein dio una explicación a este fenómeno. Llamó fotones a los cuantos de energía que forman la luz. Cuando un fotón incide sobre la superficie metálica, cede su energía a un electrón. Esta energía se invierte en separar el electrón del metal en forma de energía umbral y de energía cinética.

Se denomina energía umbral, a la energía mínima que hay que proporcionarle a un metal para arrancarle electrones.

 
Efotón = Eumbral + Ecinética
 
hf=hfumbral+1/2mv^2

ESPECTROS DE EMISIÓN Y ABSORCIÓN:

Los espectros atómicos de los elementos permiten su identificación, de la misma manera que las huellas dactilares permiten identificar a cada persona.

 
Los espectros de emisión se obtienen de una fuente emisora, mientras que los espectros de absorción son el espectro de la fuente emisora que pasa por una materia que absorbe algunas longitudes de onda, cuyas rayas desaparecen en el espectro.
 
MODELO ATÓMICO DE BOHR:
 
Propone una interpretación de los espectros de emisión y absorción para el átomo de hidrógeno:
 
-El electrón se mueve en órbitas circulares definidas, dentro de las cuales la energía es constante.
 
-La energía del electrón solamente puede tener unos valores permitidos, que corresponden a niveles energéticos que se denominan con un número natural n=1,2,3 ... El nivel de energía más bajo (estado fundamental) es aquel en el que el electrón está más cerca del núcleo (n=1). Si el electrón se encuentra en los otros niveles se habla de estados excitados.
 
-Si un electrón pasa de una órbita a otra con un n superior, se absorbe energía. Si pasa a una órbita con n inferior, se emite energía. La diferencia de energía ΔE entre dos niveles de energía, es la energía de un fotón:
ΔE=hf
 
hf=Enivel final - Enivel inicial
 
 
La longitud de onda λ de la radiación emitida al pasar de un nivel a otro inferior se obtiene de la siguiente expresión:
 


Siendo RH la constante de Rydberg que vale 1,0968·10^-7 m^-1
 
 
Cada salto del electrón de un nivel superior a otro inferior provoca una raya en el espectro. Posteriormente, se comprobó que las líneas espectrales en realidad estaban desdobladas, lo que significa que la energía del electrón no queda determinada solamente por el número n de la órbita.
 
El modelo atómico de Bohr introduce el concepto de la cuantización de la energía a nivel atómico. Predice la existencia de niveles de energía electrónica en el átomo.
 
Sin embargo, sólo es aplicable al átomo de hidrógeno. No explica los espectros de emisión en átomos polielectrónicos, el Efecto Zeeman (desdoblamiento de las líneas del espectro cuando un átomo se somete a un campo magnético) no es explicable en este modelo. Que lo que dice la teoría se cumpla a nivel macroscópico, no quiere decir que se cumpla a nivel microscópico. Se basa en un átomo determinista, en contraposición con el principio de incertidumbre.
LA DUALIDAD ONDA CORPÚSCULO:
 
La luz tiene naturaleza dual: En ocasiones se manifiesta como una onda (fenómenos de difracción) y en otras como un fotón o corpúsculo (efecto fotoeléctrico).
 
De Broglie, fue premio Nobel de física en 1929 por proponer lo siguiente: "Si la luz es a la vez una onda y una partícula, si igualo la energía que obtiene la luz como onda y la energía que tiene la luz como partícula, puedo obtener su longitud de onda λ" y así lo hizo:
 
hf=mc^2
 
Como la longitud de onda es la inversa de la frecuencia, de ahí puedes despejar la frecuencia, llegando a:
 
 
 
La velocidad que introduces en esta ecuación no puede ser superior a la de la luz.
 
Que los electrones se comportan como ondas no fue más que una suposición de De Broglie, pero en 1937 C.J.Davisson y G.P.Thomson compartieron el premio Nobel de física por el descubrimiento experimental de la difracción de electrones, por lo que la hipótesis de De Broglie fue aceptada.
 
PRINCIPIO DE INCERTIDUMBRE:
 
Este principio establece que es imposible medir con exactitud la posición y la cantidad de movimiento de una partícula, de manera que la incertidumbre de la posición y la incertidumbre del momento lineal (cantidad de movimiento) de la partícula están relacionados mediante la expresión:
 
 
Como consecuencia, si se determina con mucha precisión la posición de una partícula tendríamos una incertidumbre infinita del valor de su velocidad y al contrario.
 
Lo mismo sucede con la energía de una partícula y el tiempo transcurrido para su variación:
 
El principio de incertidumbre impone un límite a la precisión con la que podemos obtener estas magnitudes físicas.
 
MECÁNICA ONDULATORIA:
 
-ONDAS ESTACIONARIAS:
Son la consecuencia de la interferencia de dos ondas iguales, pero que se propagan en dos sentidos distintos:
Es importante destacar que λ=2L/n donde n=1,2,3 ... y el número total de nodos es n+1. L es lo que mide "la cuerda".
 
Las ondas estacionarias tienen que tener un número entero de longitudes de onda.
 
-PARTÍCULA EN UNA CAJA: ONDAS ESTACIONARIAS, PARTÍCULAS CUÁNTICAS Y FUNCIONES DE ONDA:
 
El modelo actual se basa en que los electrones tienen propiedades ondulatorias y que es imposible conocer con exactitud simultáneamente su velocidad y su posición. Se puede establecer que una ecuación de onda del movimiento de los electrones que describe zonas de probabilidad de encontrar el electrón.
 
La función de onda es una ecuación que se designa mediante la letra griega ψ. Esta ecuación la propuso Schrödinger y fue propuesta con la idea de que el comportamiento de cualquier partícula puede ser descrito mediante esta ecuación, pero todo ello dentro de los límites de un sistema. Si suponemos que nuestro sistema es una caja podemos saber la función de onda de la partícula en cada punto de la caja.
 
Las funciones de onda se denominan orbitales atómicos y dependen del valor de tres números, que se denominan números cuánticos; n,l y ml (m). Estas funciones de onda tienen valores propios.
 
Un orbital es la zona del espacio alrededor del núcleo en la cual hay una gran probabilidad de encontrar el electrón. En esta región del espacio, el electrón tiene una energía característica.
 
Números cuánticos:
-Número cuántico principal n: Designa el nivel de energía y el tamaño del orbital (ambos aumentan con n). Puede tomar cualquier valor entero positivo n=1,2,3 ...
 
-Número cuántico secundario l: Determina la forma del orbital y la energía dentro de cada nivel. Toma los valores enteros de 0 a n-1.
  • l=0 corresponde a un orbital s
Representación de la parte angular de la función de onda de los orbitales s
 
  • l=1 corresponde a un orbital p
Representación de la parte angular de la función de onda de los orbitales d
 
  • l=2 le corresponde a un orbital d:
Representación de la parte angular de la función de onda de los orbitales d
 
  • l=3 le corresponde a un orbital f:
Representación de la parte angular de la función de onda de los orbitales f (probabilidad 75 %)
 
-Número cuántico magnético ml (m): Determina la orientación del orbital en el espacio. Toma valores enteros de -l a +l.
 
-Número cuántico de spin ms(s): Aunque para definir un orbital sólo nos hacen falta los tres primeros números cuánticos, cuándo lo que queremos es definir el electrón necesitamos este cuarto número cuántico, que nos indica el sentido de giro del electrón y toma valores de +/-1/2. Dos electrones con espines contrarios se llaman electrones desapareados.


 
CONFIGURACIONES ELECTRÓNICAS:
 
Es la forma de representar y ordenar los electrones de un átomo.
 
 
Para ello existen unas reglas:
 
-Regla de Klechrtkowski (diagrama de Möller): En el los niveles de energía están ordenados de menos a mayor energía, para hacer la configuración electrónica hay que seguir las flechas.
 
 
 
-Principio de Aufbau o de construcción: Los electrones ocupan orbitales de forma que la energía del átomo sea mínima.
 
 
-Principio de exclusión de Pauling: Es imposible encontrar, en un mismo átomo, dos electrones con el mismo estado energético; dicho de otro modo, no existen en un mismo átomo dos electrones con sus cuatro números cuánticos iguales, como máximo hay dos electrones en un mismo orbital.
 
-Regla de Hund: Cuando hay orbitales de la misma energía (degenerados), los electrones no se aparean y ocupan orbitales distintos con espines paralelos. También se denomina regla de la máxima multiplicidad del espín.
 
Descubrirlaquimica. Estudiante de química en la USC



05/03/2015
 
Esta entrada participa en el XLV Carnaval de Química alojado en el blog conCIENCIAte ahora de @honey_eyes1405.
 


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