Teoría cuántica y estructura atómica: febrero 2024

Un átomo polielectrónico es aquél que tiene más de un electrón.

• En un átomo con un sólo electrón, en el que se considera al núcleo fijo en el origen de coordenadas, la ecuación de Schrödinger depende de las tres coordenadas, cartesianas o esféricas, del electrón. En un átomo polielectrónico de N electrones, la correspondiente ecuación de Schrödinger contiene 3N coordenadas, tres por cada uno de los electrones presentes en el átomo.

• La ecuación de Schrödinger de un átomo polielectrónico debe tener en cuenta la atracción coulombiana del núcleo hacia todos y cada uno de los electrones, así como las repulsiones de cada uno de los electrones hacia todos los restantes.

• La complejidad de un sistema de esta naturaleza hace inviable la solución analítica de las ecuaciones de Schrödinger correspondientes a estos átomos. No puede resolverse analíticamente la ecuación de Schrödinger ni siquiera para el átomo de helio.

La Tabla Periódica de los Elementos Químicos y las configuraciones electrónicas.

• La Tabla Periódica es una ordenación lógica y racional de todos los elemen químicos conocidos.

• Las primeras versiones se deben a D. I. Mendeleiev y J. L. Meyer, (1869); ambas estaban basadas en las propiedades físicas y químicas de los elementos conocidos en aquella época. La moderna versión de la Tabla Periódica está basada en la configuración electrónica de los elementos químicos.

• La Tabla Periódica está dividida en:

- Filas, denominadas períodos, se numeran en orden creciente de arriba abajo del 1 al 7. (Los diferentes períodos de la tabla no contienen el mismo número de elementos).

- Columnas, llamadas grupos, se numeran en orden creciente de izquierda a derecha desde el 1 hasta el 18.

• Al margen de la clasificación en grupos y períodos, la Tabla Periódica se divide en bloques. Los dos primeros grupos (1 y 2) constituyen el bloque s; los grupos 13 a 18 forman el bloque p; y los grupos 3 a 12, el bloque d. Los elementos de los bloques s y p son los llamados elementos representativos; y los elementos del bloque d, elementos de transición.

• Dentro del bloque de elementos de transición, cada una de las filas se denomina una serie de transición; existen, pues, tres series de transición. Además, las filas correspondientes a los grupos 8, 9 y 10 se denominan corrientemente triadas. La primera triada es la triada del hierro, y las dos últimas son las triadas del platino.

• Aparte se encuentra un conjunto de elementos bien diferenciados que constituye el bloque f, y que está formado por los elementos de las tierras raras o elementos de doble transición o transición interna.

Relación entre la distribución electrónica y la tabla periódica

Hacia los años 1920, el físico danés Niels Bohr comenzó a relacionar la tabla periódica con la configuración electrónica de los elementos. Evidentemente, los elementos pertenecientes al mismo grupo, poseen configuraciones electrónicas diferentes. Atendiendo a este hecho los elementos de los diferentes átomos se han clasificado en 4 diferentes bloques. De esta forma será mucho más fácil recordar la configuración electrónica de todos los elementos.

ELEMENTOS DEL BLOQUE S:

A este bloque de elementos pertenecen todos los átomos de los grupos 1 ( metales alcalinos ) y 2 ( alcalinotérreos ) con la excepción del Helio que no se encuentra en esos dos grupos pero pertenece también al bloque y el hidrógeno que aunque forma parte del grupo 1 y del bloque s no se considera alcalino.

ELEMENTOS DEL BLOQUE P:

Los elementos de este bloque serán aquellos en los que los orbitales p con el nivel más alto de energía están ocupados, A este conjunto pertenecen los elementos de los grupos 13 (térreos),14 (carbonoideos), 15 (nitrogenoideos) (pnictogenos), 16 (calcógenos) (anfígenos), 17 (halógenos) y 18 (gases nobles) con excepción del Helio que pertenece al bloque s. En negrita se señalan los electrones de la última capa o capa más externa (valencia).

ELEMENTOS DEL BLOQUE D:

A este bloque pertenecen los metales de transición, es decir, todos los elementos de los grupos 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 y 12.

ELEMENTOS DEL BLOQUE F:

A este bloque de elementos pertenecen los Lantánidos y Actínidos, su configuración electrónica no es tan fácil de recordar ya que hay numerosas excepciones aunque para describirlas se deben seguir las mismas normas de llenado que se han visto hasta ahora.

La configuración electrónica de los átomos determina su posición en la tabla periódica, sin embargo, su verdadera utilidad es determinar la reactividad de los elementos, es decir, su capacidad de combinarse. En este caso el Fósforo tiene 3 electrones desapareados que marcan su capacidad de combinarse con otros átomos.

El diagrama de Moeller es una guía utilizada en química para calcular la configuración electrónica de un átomo mediante su número atómico (Z). Es aplicable en la mayoría de los elementos, con excepciones en los metales de transición y en elementos de número atómico elevado, ya que incumplen el principio de Aufbau

En la siguiente imagen se muestran algunos ejercicios formados por el diagrama de Moeller o por la Configuración Electrónica y por ultimo se agregan al grupo y periodo de la Tabla periódica.

Pasos para realizar la posición de cada elemento mediante el diagrama de Moeller

Se obtiene el elemento sabiendo sus electrones
se utiliza el diagrama de Moeller (Configuración Electrónica) hasta obtener los números de lo electrones del elemento en caso de que se pase los electrones de un nivel o subnivel se le quitan los electrones sobrantes.
Por último se agrega a la Tabla periódica sabiendo su posición de la suma, el número (nivel) es el periodo y el subnivel (el que se encuentra a lado del nivel) que es el grupo.

En estos otros ejemplos tomaremos de referencia el neón, haciendo la sumatoria de sus electrones mediante el diagrama de Moeller (Configuración Electrónica) se toma la última sumatoria el cual fue 2p*6. El 2 (nivel) es el periodo y el p*6 es el grupo en la Tabla periódica.

Cuando se ganan electrones, se sigue la regla de Hund y el principio de Aufbau. Así se forma un anión negativo. Cuando se pierden electrones, se pierden primero los que están en el nivel de energía más alto; es decir, en orden inverso al de llenado.

Los cationes han perdido electrones en el número que indica la carga positiva. Por ejemplo, +3 indicará que ese átomo ha perdido 3 electrones. Los aniones han ganado electrones, en el número que indica la carga negativa. Por ejemplo, -2 indicará que ese átomo ha ganado 2 electrones.

PRINCIPIO DE PAULI

Wolfgang Ernst Pauli (25 abril 1900 a 15 diciembre 1958), uno de los padres fundadores de la física cuántica. Nacido en Austria, nacionalizado después en suiza y más tarde en EEUU, fue premiado con el Premio Nobel de Física en 1945

Hizo importantes contribuciones a la teoría cuántica y planteó con éxito la hipótesis de la existencia del neutrino. El principio de exclusión de Pauli establece que no puede haber dos electrones con todos los números cuánticos iguales.

Dos electrones en un átomo no pueden tener idéntico número cuántico. Este es un ejemplo de un principio general que se aplica no sólo a los electrones, sino también a otras partículas de espín medio-entero (fermiones). No se aplica a partículas de espín entero (bosones).

El principio de exclusión de Pauli sólo se aplica a fermiones, esto es, partículas que forman estados cuánticos antisimétricos y que tienen espín semientero. Son fermiones, por ejemplo, los protones, los neutrones, y los electrones, los tres tipos de partículas subatómicas que constituyen la materia ordinaria.

PRINCIPIO DE HUND

La regla de Hund establece que los orbitales de igual energía están ocupados cada uno por un electrón antes de que cualquier orbital sea ocupado por un segundo electrón, y que cada uno de los electrones individuales debe tener el mismo giro.

Hund hizo contribuciones fundamentales a la teoría cuántica, especialmente en lo que respecta a la estructura del átomo y a los espectros moleculares.

La regla de Hund establece que cuando hay orbitales atómicos con igual energía, los electrones se colocarán primero de forma separada en cada orbital con sus espines paralelos antes de emparejarse de forma anti paralelas.

La radiactividad

En 1903 le concedieron el Premio Nobel de Física por el descubrimiento de los elementos radiactivos y en 1911 la otorgaron un segundo Nobel, el de Química, por sus investigaciones sobre el radio y sus compuestos. Marie Curie fue nombrada directora del Instituto de Radio de París en 1914 y se fundó el Instituto Curie

La radiactividad es un fenómeno que se produce de manera espontánea en núcleos de átomos inestables emitiendo, mediante su desintegración en otro estable, gran cantidad de energía en forma de radiaciones ionizantes. La radiación es energía que viaja en forma de ondas o partículas de alta velocidad. Puede ocurrir naturalmente o ser creada por el hombre. Existen dos tipos: Radiación no ionizante: Incluye ondas de radio, teléfonos celulares, microondas, radiación infrarroja y luz visible.

Hay tres tipos comunes de radiación y cambios nucleares:

La Radiación Alpha (α) es la emisión de una partícula alpha del núcleo de un átomo. Una partícula α contiene 2 protones y 2 neutrones (y es similar a un núcleo He: ) Cuando un átomo emite una partícula, la masa atómica del átomo disminuirá cuatro unidades (ya que 2 protones y 2 neutrones están perdidos) y el número atómico (z) disminuirá 2 unidades. Se dice que el elemento se 'transmuta' en otro elemento que es 2 z unidades más pequeño.

La Radiación Beta (β) es la transmutación de un neutrón (seguido de la emisión de un electrón del núcleo del átomo: ). Cuando un átomo emite una partícula β, la masa del átomo no cambiará (puesto que no hay cambio en el número total de

La Radiación Gamma (g) incluye la emisión de energía electromagnética (similar a la energía proveniente de la luz) de un núcleo de un átomo. Ninguna partícula es emitida durante la radiación gamma, y por consiguiente la radiación gamma no causa en sí misma la transmutación de los átomos. Sin embargo, la radiación (g )es emitida generalmente durante, y simultáneamente, a la disminución radioactiva α o β Los rayos X, emitidos durante la disminución beta del cobalto-60, son un ejemplo común de la radiación gamma: