04 Los Modelos AtóMicos
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El documento detalla la evolución del concepto de átomo desde la antigüedad hasta el descubrimiento de partículas subatómicas, destacando contribuciones clave como las de Dalton, Thomson y Bohr. Se exploran postulados atómicos, modelos atómicos y la mecánica cuántica, así como la creciente complejidad en la comprensión de la materia y las interacciones subatómicas. Finalmente, se menciona el descubrimiento de nuevas partículas y la propuesta de modelos basados en quarks y otros componentes fundamentales.
04 Los Modelos AtóMicos
- 1. x . m om Los modelos atómicos e .c t Bioquímicas u Ortega Maestro en Ciencias . g Genaro Matus w w Autor: Maestro en Ciencias Bioquímicas Genaro Matus Ortega w genaromatus@excite.com, genaro_matus@hotmail.com
- 2. La edad oscura de la química x • Después de la caída de Grecia a manos de los Romanos el . m desarrollo vertiginoso de la Ciencia desaceleró su camino. om • Durante la edad media el estudio .c de las ciencias estaba prohibido. El entendimiento de las cosas solo t e u puede venir de Dios”. • El escolasticismo primitivo asumía como cierto cualquier palabra . g w relacionada con Aristóteles. w w
- 3. La Edad Media, una época oscura x La Alquimia entorpece los . m avances reales: “Tomad cobre, azufre y om plomo, Triturad la mezcla con aceite de rábano silvestre. .c Asadla sobre carbón, desulfurizadla y ponedla a un t e lado. Tomad una parte de cobre asado y tres partes de g u . oro. ponedlas en un crisol, calentad y encontrareis el todo cambiado en oro, con la ayuda de Dios” w w Hasta el año de 1808 John Joseph Dalton pone de nueva cuenta el w concepto de átomo en el centro de entendimiento de la materia.
- 4. John Joseph Dalton x . m Postulados de Dalton: m •La materia está constituida por partículas mínimas llamadas átomos. o •Los átomos de un elemento son diferentes en Peso y . c Propiedades a los de otro átomo. •El átomo no se destruye en una reacción, por enérgica e que esta sea. ut •Al combinarse entre sí los átomos forman moléculas. Estos postulados pueden verse fácilmente en la g descomposición electrolítica de la molécula de agua, . donde no se destruye ningún átomo, pero se obtienen dos gases (H2 y O2) en una proporción fija 2:1. 2 H2O 2H2 (gas) + O2(gas) w molécula (2:1) gases con pesos y propiedades diferentes. w * Estos postulados fueron modificados y adaptados con las aportaciones de Gay-Lussac y Avogadro. w
- 5. Faraday y el tubo de análisis de gases x . m 1838 om .c t e g u . w w w
- 6. William Crookes (1878) x • . m Los rayos catódicos: om Poseen masa. c Viajan en línea recta. e. Son independientes del material ut . g w w w
- 7. Joseph John Thomson (1897) x • . m Los rayos catódicos son partículas con carga y masa pequeñísima (que om se encuentran en todos los átomos. Las partículas de los rayos catódicos c • e. no son indivisibles, pueden arrancárseles partículas de carga negativa. ut • A estas partículas que llamó Electrones (nombre propuesto . g originalmente por J. Stoney en 1874), les asignó la misma masa. w • Los átomos están constituidos por w electrones que se mueven en una esfera electrificada positivamente. w
- 8. El modelo de Budín con pasas x . m om .c t e g u . w w w
- 9. Los rayos canales (positivos) x . m om .c t e g u . w w w
- 10. Los rayos canales (positivos) x . m om .c t e g u . w w w
- 11. Los rayos canales (positivos) x . m om .c t e g u . w w w
- 12. Thomson recopila los datos de Goldstein x . m om .c t e g u . w w w
- 13. El modelo de Budín con pasas y nueces x . m om .c t e g u . w w w
- 14. El modelo de Budín con pasas y nueces x . m • Sin embargo, los neutrones no fueron descubiertos m experimentalmente hasta 1932 por James Chadwick. o .c t e g u . w w w
- 15. W. Roetgen y la chispa de suerte x . m om .c t e g u . w w w
- 16. W. Roetgen y los rayos X x . m om .c t e g u . w w w
- 17. Pierre y Marie Curie y los elementos radiactivos x . m om . c t e g u . w w w Pierre Curie: Físico Francés Marie Curie: Física y química Polaca La familia Nobel
- 18. Henry Becquerel x . m om .c t e g u . w w w
- 19. Enrnest Rutherford (1911) x . m om .c t e g u . w w w
- 20. El modelo nuclear planetario x . m om .c t e g u . w w Había varias cosas que no encajaban ¿Porqué los e- no caen al núcleo? w ¿Porqué los elementos tienen espectros de emisión característicos?
- 21. Espectroscopía de los átomos x . m om .c + Ánodo t e - Cátodo g u . w w w
- 22. El modelo cuántico de Bohr (1913) x . m om .c t e u Los electrones se mueven a lo largo de órbitas definidas por un determinado nivel energético. . g Un átomo no emite ni absorbe energía mientras sus electrones se mantienen en sus respectivas órbitas. Si el átomo es excitado en alguna forma, un electrón w puede saltar a un nivel mayor de energía, mientras que al regresar a la órbita en que se encontraba emite energía. w El electrón no puede detenerse entre estos niveles estacionarios energéticos. w Lo cual explica el hecho de que los electrones no se precipiten sobre el núcleo.
- 23. Aportaciones de Bohr x . m om .c t e g u . w w w
- 24. Energía cuantizada x • En el modelo de Bohr la frecuencia de la radiación emitida es . m determinada por: f = DE/h om h = constante de Plank =6.63 x 10-34 .c • El color (la amplitud y energía) depende de la diferencia de energía t e basal del electrón. g u (DE) entre los estados excitado y . La transición electrónica en niveles w • permitidos de energía condujo a w explicar la serie de Balmer y el espectro atómico de los elementos. w
- 25. Completando el espectro de emisión x . m om . c t e g u . w w w A mayor distancia entre el Edo excitado y el basal…
- 26. Completando el espectro de emisión x . m om .c t e g u . w w w
- 27. Arnold Sommerfeld (1916) x . m • “los electrones pueden moverse alrededor del núcleo en órbitas om circulares o elípticas”; “a partir del segundo nivel energético, .c e • existen dos o más subniveles energéticos”. u t • eléctrica minúscula”. . g “el electrón es en sí mismo una corriente • (Azimutal). w Propuso el número cuántico secundario w w
- 28. Algunos aspectos centrales x • A medida que aumenta la carga nuclear y se agregan más electrones en los orbitales . m externos, los orbitales internos disminuyen su tamaño por la mayor atracción nuclear. om . c Las interacciones electrostáticas determinan el e • t tamaño (volumen y radio) de los átomos. u • . g Los e- no tienen rutas definidas o espacios únicos, entran y salen de varias regiones de la corteza electrónica, siendo su sitio más probable el orbital. w w w
- 29. Ejercicios prácticos y conceptuales x . m om .c t e g u . w w w
- 30. x ¡Sorpresa! . m om El razonamientoe .c es mejor que u la t memoria . g w w w
- 31. Utiliza la relación x . m om . c t e g u . w w La correcta comprensión de este tema es medular en el desarrollo de este curso. Sus conceptos son clave para entender todos los campos de la química. w
- 32. La Mecánica Cuántica (1920-1940) x . m om . c t e En 1924 Louis de Broglie generó el concepto de “ondas u materiales”, donde proponía que: g . “los electrones si son considerados como materia pueden tener también propiedades de onda al igual que la luz”. w w Planteó que los electrones tienen masa y carga eléctrica determinadas, pero además pueden comportarse como la luz y w tener, por tanto, también un carácter ondulatorio.
- 33. Werner Heisenberg (1926 ) x . m om . c t e g u • Formuló el “Principio de Incertidumbre”: . w • “sólo se puede determinar la probabilidad de que un electrón se localice en una región del espacio o atmósfera electrónica”, pues… w • “entre más se conoce la velocidad de una partícula cualquiera, menos se conoce su posición”. w
- 34. Erwin Schrödinger (1927) x . m om .c t e g u Orbital = REEMPE . w Spin (P. A. M. Dirac) w w
- 35. Orbitales s y p x . m om .c t e g u . w w w
- 36. Orbitales d x . m om .c t e g u . w w w
- 37. Orbitales f (7 orientaciones) x . m om . c t e g u . w w w Orbital: Descripción probabilística, espacial, geométrico energética de los e-
- 38. Los números cuánticos x Número Indica Valores . m Cuántico Principal (n) El Tamaño del orbital. Entre más grande es n, más extenso om Puede tener valores numéricos 1, 2, 3... Todos los orbitales con el mismo número cuántico principal forman una c es el orbital y mayor la distancia al capa electrónica o nivel principal que se denomina con una letra, núcleo. principiando con la letra K. Orbital (l) La forma del orbital. Los “s” son esféricos. e. Cuando el número cuántico principal vale n, el número cuántico orbital puede valer 0, 1, 2... n-1. Por razones históricas el número l se indica con t Los “p” son alargados y tienen dos letras, la equivalencia es la siguiente: lóbulos. 0 = s ; 1 = p; 2 = d; y 3 = f u Los “d” y “f”, poseen formas más “El conjunto de orbitales con el mismo valor de l de un nivel principal se complejas. *Los orbitales híbridos llama subnivel..” poseen formas intermedias. Magnético (m) . g La orientación del orbital respecto a Puede tomar los valores – l ...-1, 0, 1 ... l. Ejemplo: en los orbitales s, solo un posible campo magnético hay un valor posible para m, m = 0 pues una esfera solo tiene una w orientación. De Giro Se interpreta visualizando al w (s) electrón como una esfera que gira Si el giro propio del electrón tiene la misma dirección que el giro alrededor sobre sí, además de moverse del núcleo, entonces el giro vale ½, en caso contrario vale – ½. alrededor del núcleo. w Ejercicios con elementos de bloque s y p
- 39. El número cuántico de giro x . m om .c t e g u . w w w
- 40. El spin sólo se presenta en un campo magnético x . m om + Ánodo . c - Cátodo t e g u . w w Este desplazamiento de las líneas espectrales observadas por Zeeman son asociadas a cambios en los spin de los e-. w
- 41. ¿Qué explica este cambio en el espectro de emisión del H? x . m om . c t e g u . w w w
- 42. ¿Qué es el spin? x . m om Es una propiedad intrínseca de todas . c las partículas subatómicas que se presenta cuando existe un campo t e electromagnético: g u Suposiciones: . 1.- Consideremos al e- como una w partícula con un campo magnético propio. w 2.- Evaluemos su orientación dentro de w un campo magnético
- 43. ¿Qué es el spin? x . m om . c t Fotón e g u . w w El e- siempre tiene una carga negativa, pero se le asocia un momento angular de spin. A la transición energética de una orientación a otra se w le denomina energía de spin.
- 44. Conceptos derivados de la M. C. x • 1926: Principio de exclusión de Wolfgang Pauli: . m “En un átomo no puede haber dos electrones con los mismos números cuánticos”. om • Configuración Electrónica basada en . c el principio de Aufbau (edificación progresiva) que se sustenta en: t e g u a) Principio de Mínima Energía b) Principio de Máxima Sencillez (primero se . w ocupan todos los electrones con s = + ½ (↑), que se van colocando en los orbitales vacíos de menor energía, y luego se completan con electrones s = - ½ (↓) para formar parejas). w c) Principio de Máxima Multiplicidad (“ningún orbital se llena antes que todos los orbitales precedentes del w subnivel estén ocupados”.
- 45. Conceptos derivados de la M. C. x • Kernel: toma como referencia la . m configuración del gas noble más cercano al elemento en cuestión om que exhiba un número atómico menor, y le añade los números . c cuánticos restantes para concluir con el llenado de los orbitales. t e • Ejemplo: S16 g = (Ne u) 10 3s2,3p4 . w Ejercicios… w • w
- 46. A menos que sean disciplinados y revisen el disco periódicamente conviene anotar esta tabla en la libreta. Tabla integrativa x Leucipo y Aportación Principal Concepto de átomo Conceptos derivados: Parte indivisible . m Demócrito Dalton Primera Teoría atómica moderna. om Molécula binaria. Peso específico. Crookes Rayos catódicos . c Poseen masa y viajan en línea recta Thomson Primer modelo atómico (budín con pasas → pasas y nueces) t e Electrón como primer partícula sub-atómica Rutherford u Modelo nuclear planetario El átomo es casi vacío, posee núcleo pequeño de protones y orbitas de electrones Bohr Sommerfeld NCP) . g Número cuántico principal (n, Número cuántico secundario (l, Tamaño, energía y distancia definidas. Existen subniveles de energía . Transición al Scrödinger w NCS) azimutal Modelo de la Mecánica concepto de orbital orbital. Orbital definido por n, l, s y m. w Cuántica Pauli w Principio de exclusión. Todo electrón tendrá números cuánticos diferentes.
- 47. Evolución del concepto de átomo y elemento x . m om .c t e g u . w w w
- 48. El modelo atómico actual x . m om . c t e g u . w w w ¿Qué pasa con las otras partículas sub-atómicas?
- 49. El modelo atómico actual x . m om .c t e g u . w w w
- 50. Los isotopos x . m om .c t e g u . w w w
- 51. El isótopo más pesado tiene más neutrones x . m om .c t e g u . w w w
- 52. No confundir términos x . m om .c t e g u . w w w Fusión nuclear vs Fisión nuclear
- 53. x . m om . c t e g u Hasta aquí lo de tu examen de ingreso a la unam, pero… . LOS MODELOS NO TERMINAN ALLÍ w w w
- 54. Más allá de la Mecánica Cuántica x • El uso de cámaras de burbuja condujo al . m descubrimiento de un impresionante de partículas sub- atómicas. zoo om . c • Las partículas subatómicas con carga t e pueden estudiarse a través del análisis g u de su trayectoria a través de fluídos que producen burbujas en presencia de un Historia: En 1934 los esposos Joliot-Curie campo eléctrico. . producen núcleos radiactivos. En 1937 se descubre el muón (m), una w especie de electrón inestable. En 1947 se encuentran 2 piones w inestables cargados. • Las partículas podían generarse a través En 1953 se descubre el Barion Ʌ y el de colisiones entre núcleos, neutrones w Mesón K. o protones. En 1956 se confirma la existencia del electrón neutrino.
- 55. Más allá de la Mecánica Cuántica x • En la década de 1950, 60 y 70 se establecen . m gran cantidad de bariones, hadrones, neutrinos y mesones. om los 6 Quarkz nucleares y se descubre además . c • Las nuevas partículas muestran propiedades t están hechas de algo más pequeño. e periódicas, lo que conduce a plantear que grandes W± y Z0. g u • En 1983 se encuentran los bosones más . • En 1995 se observa finalmente la existencia w del sexto Quark (top). w • En 1998 , se propone que los Rhizons (primario en Jidihs) componen los Quarkz y w por tanto son las partículas fundamentales.
- 56. En 1962 Gell Mann propone el modelo x atómico basado en Quarkz . m om .c t e g u . w w w
- 57. El modelo atómico de Gell Mann x . m om . c t e g u . w w A = masa o peso atómico = masa o peso nuclear = p+ + n w Z = número atómico = e- = p+
- 58. El modelo atómico actual x . m om .c t e g u . w w w
- 59. El modelo atómico actual x . m om .c t e g u . w w w ¿Notas que hay anti-quarks?
- 60. ¿Antimateria? ¿Existe? ¡Si! x . m om . c t e g u . w w w ¿Te interesa saber más? R = Estudia Química o Física.
- 61. Materia oscura ¿Existe? ¡Si! x • Se denomina materia oscura a al 90 % de la materia que forma el . m universo. om • Es toda aquella que tiene un comportamiento atípico a la materia .c conocida. t e • g u Sólo sabemos algo de ella en base a su interacción materiales. con . cuerpos w • w Hoyos negros, vacíos espectrales, materia desconocida. w
- 62. La Química es una ciencia viva x . m Al igual que la biología, la física, la matemática… la Química es perfectible om . c t e g u . w La pregunta con que comenzaron los griegos acerca de la existencia de w partículas fundamentales, mínimas o irrompibles sigue en el aire. w ¿Existen los átomos como partículas realmente fundamentales o la ciencia nos limita y las particiones de la materia no dejarán de terminar?