Descubrimientos Fundamentales en la Estructura Atómica

El Protón y los Rayos Canales

La nueva radiación recibió el nombre de rayos canales. Las características de esta radiación son las siguientes:

• Está formada por partículas con carga positiva.
• Los rayos catódicos chocan con el gas enrarecido encerrado en el tubo y lo despojan de algún electrón. El resto positivo que queda se mueve atraído por el cátodo hasta chocar con él, o bien lo atraviesa si se le practica algún orificio o canal.
• La relación entre la carga y la masa (Q/m) es diferente según el gas empleado en el tubo. Esto explica que sean diferentes de un gas a otro.

La razón Q/m de los rayos canales, originados cuando el gas era hidrógeno, resultó ser la mayor de las observadas. Al tratarse del átomo más ligero, si suponemos igualdad de carga, la carga positiva de la partícula debía de ser la menor de las aisladas hasta el momento, lo que llevó al descubrimiento del protón.

Isótopos

Los átomos que forman un elemento no son iguales en todo, sino que puede haber átomos con las mismas propiedades químicas pero diferente masa. Estos átomos se denominan isótopos.

El Neutrón

La masa isotópica determinada con el espectrógrafo de masas no concordaba con la masa de los protones que constituyen el número atómico. La masa del átomo debía explicarse de alguna otra forma, lo que llevó al descubrimiento del neutrón. Esta nueva característica de los átomos, el número atómico, tuvo dos importantes consecuencias:

• Si se ordenan los elementos en orden creciente de número atómico, se eliminan las anomalías que aparecen en la Tabla Periódica, basada en el orden creciente de masas atómicas.
• La masa del átomo se explica por la presencia de neutrones, además de protones.

Magnitudes Atómicas y Teoría Cuántica Temprana

Magnitudes Atómicas

Así pues, cada átomo queda definido por dos características: su número atómico y su número másico.

• El número atómico indica el número de protones del núcleo y determina el elemento de que se trata. Se representa por la letra Z.
• El número másico indica el número de nucleones, es decir, neutrones y protones, que componen el núcleo y determina el isótopo del elemento. Se representa con la letra A.

Llamamos espectro de emisión de un elemento a la radiación emitida por este, en estado gaseoso, cuando se le comunica suficiente energía.

Teoría Cuántica de Planck

Los cuerpos emiten o absorben la energía en forma de paquetes o cuantos de energía. La energía de cada cuanto se calcula mediante la expresión E = hν.

Fenómenos Cuánticos y Modelos Atómicos

Efecto Fotoeléctrico

El efecto fotoeléctrico se produce si la frecuencia de la radiación es superior a una cierta frecuencia llamada frecuencia umbral. El valor de ν₀ depende del metal utilizado. Los electrones emitidos tienen una energía cinética que aumenta a medida que aumenta la frecuencia de la radiación. Al aumentar la intensidad de la radiación, no cambia la energía de los electrones emitidos, pero aumenta su número por unidad de tiempo.

Modelo Atómico de Bohr

La energía del electrón dentro del átomo está cuantizada; es decir, el electrón solo ocupa unas posiciones o estados estacionarios alrededor del núcleo con unos valores determinados de energía. El electrón se mueve siguiendo órbitas circulares alrededor del núcleo. Cada una de estas órbitas corresponde a un estado estacionario o nivel de energía permitido y se asocia con un número natural. Los niveles de energía permitidos al electrón son aquellos en los que su momento angular es un múltiplo entero de h/(2π), donde h es la constante de Planck. Solo se absorbe o emite energía cuando un electrón pasa de un nivel de energía a otro. Si llamamos E_i a la energía del nivel de partida y E_f a la energía del nivel de llegada, la variación de energía correspondiente y su frecuencia serán:

Limitaciones del Modelo de Bohr

• Al aumentar la resolución de los espectrógrafos se observó que algunas líneas del espectro eran en realidad dos.
• Al efectuar el espectro al mismo tiempo que se sometía la sustancia a un intenso campo magnético, se observó que algunas líneas espectrales se desdoblaban en varias (efecto Zeeman).

Modelo Mecánico-Cuántico del Átomo

Dualidad Onda-Partícula

En 1924, el físico francés L. de Broglie propuso que las partículas materiales tienen propiedades ondulatorias y que, por ello, toda partícula en movimiento lleva una onda asociada. Con la precisión de los aparatos actuales, estas ondas de materia solo pueden detectarse en partículas subatómicas.

Principio de Indeterminación de Heisenberg

Este principio, enunciado por W. Heisenberg en 1927, estableció que existe un límite en la precisión con que se pueden determinar simultáneamente la posición y la cantidad de movimiento de una partícula.

Configuración Electrónica y Números Cuánticos

Números Cuánticos

Los números cuánticos describen el estado de un electrón en un átomo:

• El número cuántico principal, n, designa el nivel de energía. Puede asumir cualquier valor entero positivo. El primer nivel es el de menor energía y los siguientes, cada vez más alejados del núcleo, tienen energías mayores.
• El número cuántico del momento angular orbital, l, determina la forma del orbital y la energía dentro de cada nivel. Toma los valores comprendidos entre 0 y n-1, ambos inclusive.
• El número cuántico magnético, m_l, describe la orientación del orbital en el espacio y explica, entre otras cosas, el desdoblamiento de líneas espectrales al aplicar un campo magnético externo. Toma los valores comprendidos entre +l y –l.
• El número cuántico magnético del espín del electrón, m_s, nos da el valor de una propiedad intrínseca del electrón y de otras partículas elementales, el espín.

Configuraciones Electrónicas

Principio de Exclusión de Pauli

Dos electrones de un mismo átomo no pueden tener los cuatro números cuánticos iguales. Así, en cada orbital solo puede haber dos electrones, uno con espín +1/2 y el otro -1/2. Los orbitales se llenan según sus energías relativas, empezando por los de menor energía.

Regla de Hund

Dos orbitales con los mismos números cuánticos n y l tienen la misma energía; para llenarlos, primero se coloca un electrón en cada orbital; a continuación, se completan con el segundo electrón.

La Tabla Periódica y las Propiedades de los Elementos

Clasificación Periódica de los Elementos

Cuando los elementos se colocan en orden creciente de su número atómico, tiene lugar una repetición periódica de muchas propiedades físicas y químicas de aquellos.

Estructura Electrónica y Tabla Periódica

• Los elementos de un mismo período tienen todos el mismo número de niveles electrónicos, completos o no. Este número coincide con el número del período.
• Los elementos de un mismo grupo presentan la misma estructura electrónica en su nivel más externo o capa de valencia.

Radio Atómico

• Dentro de un grupo, el radio atómico aumenta conforme crece el número atómico; al descender de un período a otro, aumenta el número de niveles electrónicos, lo que provoca un aumento del tamaño del átomo.
• Dentro de un período, el radio atómico aumenta conforme disminuye el número atómico; cuando aumenta el número atómico, se incrementa la carga del núcleo, manteniéndose constante el número de niveles electrónicos.

Radios Iónicos

Cuando un átomo se ioniza, modifica su volumen. Si pierde electrones, se convierte en un catión y su radio disminuye. Si gana electrones, se convierte en un anión y su radio aumenta.

Energía de Ionización

La energía involucrada en el proceso por el que un átomo neutro de un elemento X, en estado gaseoso, cede un electrón de su nivel externo y se convierte en un ion monopositivo X⁺, también en estado gaseoso, se denomina energía de ionización, I.

• Dentro de un grupo, la I suele aumentar al disminuir el número atómico, es decir, aumenta al subir en un grupo.
• Dentro de un período, por lo general, la I aumenta al aumentar el número atómico, es decir, aumenta al avanzar en el período.

Afinidad Electrónica

La energía intercambiada en el proceso por el que un átomo neutro de un elemento X, en estado gaseoso, recibe un electrón y se convierte en un ion mononegativo X^–, también en estado gaseoso, se denomina afinidad electrónica, A.

• Dentro de un grupo, la A aumenta al aumentar el número atómico.
• Dentro de un período, aunque con muchas excepciones, la A aumenta conforme disminuye el número atómico.

Electronegatividad

La electronegatividad de un elemento es la capacidad de un átomo de este para atraer electrones de la molécula de la que forma parte.

• Dentro de un grupo, los átomos más electronegativos son los de menor número atómico, es decir, los de menor tamaño.
• Dentro de un período, los átomos más electronegativos son los de mayor número atómico, es decir, los de menor tamaño.