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SEGUNDA UNIDAD
ESTRUCTURA ATMICA DE LOS TOMOS Y TABLA PERIDICA
Estructura atmica de los tomos:
Orbitales atmicos. Nmeros cunticos. Principio de exclusin de
Pauli. Regla de Hund.
Configuraciones electrnicas de los elementos. Principio de
Aufbau. Especies isoelectrnicas. Carga
nuclear efectiva.
Periocidad Qumica:
Tabla peridica de los elementos. Relaciones peridicas.
Propiedades peridicas
Los electrones no se encuentran en un punto fijo en los tomos,
siempre estn en movimiento
encontrndose viajando en rbitas fijas, por lo tanto se cumple el
Principio de Incertidumbre de
Heisemberg que dice; es imposible fijar simultneamente la
posicin y el momento de un electrn
con absoluta exactitud debido a que en cada instante cambia de
posicin y con mayor probabilidad
cuando est cerca del ncleo.
2.1 Orbitales atmicos
Se les considera como una funcin de onda del electrn de un tomo,
es decir es el espacio
probable donde se encuentra el electrn. Los orbitales pueden
tomar distintas formas:
Figura No 2.1
Orbitales s
Figura No 2.2
Orbitales p
-
Figura No 2.3
Orbitales d y f
2.2 Nmeros cunticos
La teora nos permite la probabilidad de encontrar un electrn a
una determinada distancia del
ncleo, siendo Erwing Schrdinger quien present una ecuacin de
onda que describe el
comportamiento de los electrones a partir de sus propiedades
ondulatorias y corpusculares. Al
solucionar esta ecuacin para el tomo de hidrgeno aparecen tres
nmeros cunticos: n, l, y
m como el resultado fue insuficiente Unlenbeck y Goudsmit
atribuyeron al electrn un cuarto
nmero cuntico denominado spin, s.
En el cuadro siguiente se resume los valores permitidos para los
cuatro nmeros cunticos:
Tabla No 2.1
Nmero
Cuntico
Smbolo Valores permitidos
Principal n Cualquier valor entero
1 -
Secundario l Valores enteros entre
0 y (n 1)
Magntico m Valores enteros entre
-l , . 0, .. +l
Spin s Solo dos valores
+1/2 y -1/2
En el cuadro siguiente se describe los cuatro nmeros
cunticos:
Tabla No 2.2
Nmero
Cuntico
Smbolo Descripcin
Principal n - Determina la energa del electrn
- Determina el tamao de la nube electrnica.
- Define el nivel electrnico
Azimutal l - Determina la forma de la nube electrnica.
- Define las subcapas
- Sus valores determinan el movimiento orbital del
electrn.
-
Magntico m - Determina las orientaciones de la nube
electrnica.
- Determina el nmero de orbitales dentro del
subnivel dado.
Spin s - Determina el tipo de electrn
- El sentido de giro del electrn sobre su
Propio eje.
En la siguiente tabla tenemos los tipos de orbitales segn l:
Tabla No 2.3
Nivel (n) l Tipo de orbital Nmero de electrones
1 l = 0 s 2
2 l = 1 p 6
3 l = 2 d 10
4 l = 3 f 14
2.3 Principio de exclusin de Pauli
En base a los estudios de los espectros atmicos se dedujo que no
puede haber dos electrones
de un tomo con los mismos nmeros cunticos, ya que cada electrn
vara en su contenido de
energa total.
2.4 Regla de Hund
Establece que la distribucin electrnica ms estable es cuando
ocupan todos los subniveles
antes de aparearse.
1s 2s 2p 2p 2p
2.5 Configuracin electrnica de los elementos:
Para distribuir los electrones en los estados normales de los
tomos debe considerarse las
siguientes reglas:
1) La energa del tomo debe ser la ms baja posible, la base de la
distribucin de los
electrones es igual al nmero atmico y si se aade un electrn, ste
debe ocupar el orbital en orden creciente de energa
Es decir 1s < 2s < 2p < 3s < 3p < .
1s
2s 2p
3s 3p 3d
4s 4p 4d 4f
5s 5p 5d 5f
6s 6p 6d 6f
7s 7p
-
2) El nivel exterior de un tomo no admite ms de ocho electrones
perifricos.
3) Se presentan anomalas en el llenado de orbitales en las
estructuras exteriores ds, tratndose de completar el orbital s
siguiente antes que el orbital d, y adems se invierten sus
posiciones.
Ejemplo; si Z de Cu es igual a 29 cul es su configuracin
electrnica?
Sol: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s1
[Ar] 3d10 4s1 simplificando
[Ar] Z = 18
4) Segn el nivel principal de energa n la cantidad mxima de
electrones es la siguiente:
Tabla No 2.4
Nivel de energa Nmero de electrones
n = 1 2
n = 2 8
n = 3 8
n = 4 18
n = 5 18
n = 6 32
n = 7 32
2.6 Principio de Aufbau
Se refiere a que si el nmero atmico aumenta habr mayor
empaquetamiento de electrones
haciendo ms complejas las configuraciones electrnicas.
2.7 Especies isoelectrnicas.-
Son aquellas que tienen igual nmero de electrones en su
configuracin ya sea por
transferencia o comparticin de electrones, comnmente los
elementos tratan de adquirir las
configuraciones electrnicas de los gases nobles, ya que estos
elementos son estables.
2.8 Carga nuclear efectiva
Algunas propiedades de los elementos presentan variaciones
peridicas conforme aumenta su
nmero atmico, ya que los electrones internos y cercanos al ncleo
reducen la fuerza
electrosttica que existe entre ellos y los protones del ncleo,
entonces los electrones externos
experimentan menor carga positiva del ncleo. La carga positiva
neta que atrae al electrn se
llama carga nuclear efectiva y se incrementa en un periodo
movindose de izquierda a
derecha, siendo la responsable de variaciones peridicas de los
elementos.
2.9 Periocidad qumica
El descubrimiento de los rayos X abri un nuevo campo de estudio,
Moseley fotografi el
espectro de rayos X de 12 elementos, corrigi la tabla peridica
con la introduccin del nmero
-
atmico, una cantidad que identifica el nmero de protones del
ncleo atmico y que aumenta
de forma regular al pasar de un elemento a otro eliminando los
problemas pendientes en la
disposicin de los elementos. La radiactividad entr en accin no
solo con el descubrimiento del
polonio, del radio y los istopos.
Se enunci entonces la ley de la periocidad que dice: Las
propiedades de los elementos y de
sus compuestos son funciones peridicas del nmero atmico de los
elementos.
2.10 Tabla peridica de los elementos
El ordenamiento de los elementos en la tabla peridica agrupo a
los elementos en 18
columnas verticales llamada GRUPOS y formaron 7 filas
horizontales llamados PERIODOS; se
llama tabla peridica debido a que cada cierto numero de
elementos las propiedades qumicas
se repiten; entonces los elementos que pertenecen al mismo grupo
tienen propiedades
similares en cambio los elementos que pertenecen al mismo
periodo tienen propiedades
diferentes pero mantienen el mismo nmero de niveles.
Del nmero total de elementos en la tabla peridica el 78.6%
presenta propiedades metlicas,
el 15.5% se comporta como no metal y el 5.9% como gas noble.
Los elementos metlicos presentan las siguientes propiedades:
- Con algunas excepciones como el Hg, Ga, Fr etc, todos existen
en estado slido.
- Conducen con facilidad el calor y la electricidad.
- An en estado lquido presentan brillo metlico. - Presentan
maleabilidad y ductilidad.
- Al formar compuestos con los no metales siempre pierden parte
de su densidad electrnica
adquiriendo cargas positivas (cationes).
Los elementos no metlicos presentan las siguientes
propiedades:
- Son malos conductores del calor y la electricidad.
- Con excepcin del grafito son aislantes elctricos o a lo mas
son semiconductores. - Los tomos no metlicos se unen qumicamente
por comparticin de electrones.
- Cuando los tomos no metlicos reaccionan con tomo metlicos
reciben densidad
electrnica de los tomos metlicos adquiriendo cargas negativas
(aniones).
Algunos elementos suelen comportarse segn las condiciones como
metales o como no
metales, a estos se les conoce como metaloides.
Los elementos se dividen a su vez en dos categoras A y B. Los
elementos A son los
representativos, es decir su estructura electrnica exterior
presenta un nmero de electrones
que coincide con el nmero del grupo al cual pertenece.
Los elemento B son los elementos de transicin incluyendo el
grupo VIII, estos son metales y
los orbitales ds son anomalas que presentan en la distribucin
externa de sus electrones.
Los elementos se clasifican en:
a) Metales alcalinos
b) Metales alcalinotrreos
c) Metales de transicin. d) Metales
e) No metales
f) Gases nobles g) Metales lantnidos
h) Metales Actnidos
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FIGURA 2.4
2.11 Relaciones peridicas
Los elementos estn agrupados por Grupos, cuyas caractersticas
son:
Grupo I A; son los metales alcalinos, de los cuales el Na y el K
son los ms abundantes en las
rocas gneas de la tierra. En este grupo el hidrgeno se
diferencia de los metales alcalinos
porque no tiene tendencia a perder su electrn sino
aparearlo.
Grupo I B; no son muy abundantes en la tierra pero se presentan
en depsitos concentrados.
Se les conoce como metales de acuacin.
Grupo II A; llamados tambin el grupo de los alcalinotrreos,
donde el Ca y el Mg son los ms
abundantes de la tierra. Son poderosos agentes reductores, son
menos reactivos que los
metales alcalinos, pero lo suficiente para no existir libres en
la naturaleza. Conducen bien la
electricidad y cuando se calientan arden fcilmente al aire.
Grupo II B; se les conoce como los de la familia del Zn, son
metales frgiles con bajo punto de
fusin.
Grupo III A; son tambin conocidos como los de la familia del
Boro, siendo los ms
abundantes el B y el Al. El Boro tambin presenta propiedades no
metlicas.
Grupo III B, IV B y V B; son familias individuales de los
metales de transicin, son poco
abundantes pero son fuertemente electropositivos.
Grupo VI B; el cromo es el ms abundante del grupo y del Grupo
VIIB es el Mn, siendo muy
til en la industria del acero, estos elementos tambin son
elementos de transicin.
Grupo VIII; formado por tres triadas de metales, siendo llamados
metales ferrosos, son
componentes del ncleo de la tierra. El Fe y el Ni son los
elementos ms abundantes en
cambio el Co es el ms raro. Los metales del grupo del Pt son
raros pero se caracterizan por
su nobleza comparndose fuertemente con el Au.
Grupo IV A; son los llamados los de la familia del carbono,
donde todos son escasos en la
corteza de la tierra a excepcin del Si. El carbono es el
componente principal de los vegetales
y animales.
Grupo V A; llamados como los de la familia del nitrgeno, todos
son relativamente comunes
siendo el P, el ms abundante de la tierra y el N en la atmsfera
con el 78.09% en volumen.
s p
d
4f
5f
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Grupo VI A; son los de la familia del oxgeno y los ms abundantes
son el O y el S, los otros
elementos son raros.
Grupo VII A; son los elementos de la familia de los halgenos,
estos son los elementos ms no
metlicos y se encuentran en yacimientos concentrados.
Grupo VIII A; estos elementos conforman la familia de los gases
inertes y se encuentran en la
atmsfera.
2.12 Propiedades peridicas
a) Volumen atmico.- es la relacin entre el peso atmico y la
densidad, se expresa en cm3
dependiendo de las condiciones en que son tomadas las densidades
de presin y
temperatura.
Ejemplo: Zn = 9.2 ml Sc = 15.0 ml
Pt = 9.1 ml
b) Radio atmico.- estos valores se basan en los modelos de Bohr
por lo tanto son de acuerdo a las rbitas que tiene cada tomo, donde
entre el electrn y el ncleo existe una fuerza
electrosttica de atraccin y una fuerza opuesta llamada fuerza
centrfuga, adems debe
considerarse que este electrn tiene velocidad.
Ej. H = 0.529 Cr = 1.27
Rb = 0.98
c) Radio inico.- cuando formamos compuestos se forman cristales
inicos donde los iones de diferente identidad comparten el espacio
de la red.
Ej. Mn = 0.47 (7) Al = 0.5 (3)
d) Energa de ionizacin.- es la energa necesaria para arrancar un
electrn de un tomo neutro en estado gaseoso.
Ej. Li EI1 = 124 kcal/mol EI2 = 1744 kcal/mol
e) Afinidad electrnica.- es el cambio de energa que acompaa a la
adicin de un electrn a
un tomo neutro en estado gaseoso.
Ej. Cl + 1 e- Cl- EA = 3.61 ev
f) Electronegatividad.- los potenciales de ionizacin y las
electroafinidades son expresiones cuantitativas, de ambas se resume
una propiedad cualitativa que se conoce como
electronegatividad, es decir la tendencia de un tomo a atraer
electrones hacia s. De
forma general los tomos pequeos y los que tienen sus orbitales
casi completos ejercen mayor atraccin que los tomos grandes por
tanto son ms electronegativos. Segn
Pauling la electronegatividad se mide segn la energa requerida
para disociar los tomos
de un enlace qumico ya que es la misma que los mantiene unidos
cuando forman un compuesto, entonces los valores de la
electronegatividad de los metales son bajos y en
cambio de los no metales son elevados.
Ej. F = 4.0 S = 2.5 Sr = 1.0
Resumiendo algunas de las propiedades peridicas ms importantes
de los elementos en la
tabla peridica lo observaremos en la Figura N 2.5.
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FIGURA 2.5
ELEMENTOS
Energa de Ionizacin
Afinidad Electrnica
Radio atmico
Carcter metlico
ELEMENTOS
Energa de Ionizacin
Afinidad Electrnica
Radio atmico
Carcter metlico
