7. Teoría Cuántica y La Estructura Electrónica de Átomos. Raymond Chang
UNIDAD 1 LA ESTRUCTURA ELECTRÓNICA DE LOS ÁTOMOS
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7/27/2019 UNIDAD 1 LA ESTRUCTURA ELECTRNICA DE LOS TOMOS
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PRIMER SEMESTREUNIDAD I
LEY PERIODICA Y ENLACEQUMICO
INGENIERA AGROPECUARIA
QUMICA INORGNICA
UPSE 2013 - 2014
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QUMICA INORGNICA
Son sustancias minerales, compuestos como elagua, la sal comn, el cido sulfrico, elbicarbonato de sodio, el fosfato de amonio, el gascarbnico.
Se consideran sustancias minerales los elementosqumicos en estado no combinado.
No son compuestos inorgnicos la mayora de los
compuestos del carbono, especialmente aquellosformados por enlaces covalentes.
Son compuestos inorgnicos el gas carbnico, elmonxido de carbono y todos los carbonatos.
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ESTRUCTURAELECTRNICA DE LOS
TOMOS
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Segn Dalton: La materia est formada por tomos.
Los tomos son indivisibles e indestructibles.
Todos los tomos de un mismo elemento tienen lamisma masa y propiedades.
TEORA ATMICA DE DALTON
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Los compuestos estn formados por unacombinacin de dos o ms tipos diferentes
de tomos. Cuando dos o ms tomos distintos se
combinan para formar un compuesto lo
hacen en una relacin de nmeros enterossencillos.
TEORA ATMICA DE DALTON
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En las reacciones qumicas, los tomos slo cambiansu distribucin en las sustancias.
TEORA ATMICA DE DALTON
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Amadeo Avogadro (1800s) sugiri la
posibilidad de que existiesen molculaselemento, hecho que Dalton no habaconsiderado.
H2 N2 O2 Cl2
APORTE DE AVOGADRO A LA TEORAATMICA
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PROPIEDADES DE LAS PARTCULASSUBATMICAS
Nombre Smbolo Carga Masa (u)*
Electrn e- - 1 1/1850
Protn p + 1 1Neutrn n 0 1
*u: unidad de masa atmica (masa del tomo de hidrgeno)
1 unidad de masa atmica = 1,6 x 10-24 gramos
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CARACTERSTICAS DE LOS TOMOS
1. Todos los tomos son neutros, por tanto han de
tener el mismo nmero de cargas positivas que
negativas
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Caractersticas de los tomos
Elemento Nmero de protones Nmero Atmico (Z)
Carbono (C) 6 6
Cobre (Cu) 29 29
Fosforo (P) 15 15
Cloro (Cl) 17 17
El numero de protones en el ncleo de un tomo se denomina
Nmero Atmico (Z). Cada elemento tiene su propio numeroatmico. El nmero atmico caracteriza a cada elemento
qumico.
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CARACTERSTICAS DE LOS TOMOS
El nmero de masa de un tomo se calcula sumandoel nmero de protones con el nmero de neutrones(la masa de los electrones es casi despreciable y la
masa de protones y neutrones es 1). A este numero sele llama Nmero de Masa o Nmero Msico(A).
Nmero Msico = N
protones + N
neutronesA = Z + N
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CARACTERSTICAS DE LOS TOMOS
Representacin de los tomos de un elemento:
Nmero de Masa
AZX Smbolo del elemento
Nmero Atmico
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CARACTERSTICAS DE LOS TOMOS
A travs de esta representacin podemos obtener
mucha informacin:
1. El nombre del elemento
2. Su nmero atmico (nmero de protones y electrones)
3. Su nmero de masa (nmero de protones + neutrones)
4. Su nmero de neutrones
5. La posicin del elemento en la tabla peridica (ordenados
por nmero atmico).
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Caractersticas de los tomos
N neutrones = 10
A = N protones + N neutrones = 19
199F Flor
Z = N protones= 9
N electrones = 9
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MASAS MOLECULARES
La masa de una molcula se calcula sumando lasmasas de los tomos que la forman. Tambin seexpresan en unidades de masa atmica (u).
Masa de CO2:Masa Carbono = 12
Masa Oxgeno = 16
Masa Dixido de Carbono:
Masa CO2= 12 + 16 x 2 = 44
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ISTOPOS
No todos los tomos de un elemento tienen el mismonmero msico, aunque todos tienen el mismonmero de protones (Z).
Istopos son tomos de un mismo elemento quetienen distinto nmero de neutrones.
Algunos istopos son radiactivos: 131 I, 14C.
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ISTOPOS DEL HIDRGENO
Tres istopos del hidrgeno.
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ISTOPOS DEL CARBONO
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MODELO ATMICO DE BOHR
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NIVELES DE ENERGA
Existen 7 niveles de energa (n, niveles de
energa de Bohr) o capas donde pueden
situarse los electrones, numerados del 1 al 7.
1 2 3 4 5 6 7
23
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Configuracin electrnica
Hay restricciones que afectan al nmero deelectrones que pueden ocupar una determinadacapa: cuando la tercera tiene 8 electrones,comienza a llenarse la cuarta, a pesar de que latercera admite hasta 18 electrones.
Esta distribucin por capas se conoce como laconfiguracin electrnica del elemento.
A los electrones en la ultima capa se les llamaelectrones de valencia y son los responsables delas propiedades qumicas de las sustancias.
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Como se dibujan los tomos
Capaelectrnica
Numero deelectrones
totales
Orden de ocupacin
n = 1 2 2
n = 2 8 8
n = 3 18 8 10
n = 4 32 2
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COMO SE DIBUJAN LOS TOMOS SEGNBOHR
Configuracin electrnica:
He: 2
Li: 2, 1
G C
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3 REGLA: CANTIDAD DEORBITALES/ SUBNIVEL
271 2 3 4 5 6 7
1 1,3 1,3,5 1,3,5,7 1,3,5,7 1,3,5 1,3
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CANTIDAD DEELECTRONES / SUBNIVEL
28
1 1,3 1,3,5 1,3,5,7 1,3,5,7 1,3,5 1,3
1 2 3 4 5 6 7
2 2,6 2,6,10
2,6,10,14
2,6,10,142,6,10
2,6
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29
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EL ORDEN DE LLENADO DE LOSORBITALES ES:
30
1s
2s 2p
3s 3p
4s 3d 4p5s 4d 5p
6s 4f 5d 6p
7s 5f 6d 7p
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LA CONFIGURACINELECTRNICA DE UN ELEMENTO
QUMICO NOS PERMITE CONOCERSU UBICACIN EN LA T. P. Y
PREDECIR SUS PROPIEDADES
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COLUMNADENTRODELBLOQUE
BLOQUEDE LATABLAPERIDICA
PERODO
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CONFIGURACIN ELECTRNICA
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Nmeros cunticosLas soluciones de la ecuacin de onda depende de cuatro parmetros, n, l, ml y s.
n Nmero cuntico principal (n = 1, 2, 3, )
l Nmero cuntico secundario (m = 0, 1, (n-1))
ml Nmero cuntico magntico (ml = -1, 0, + 1)
s Nmero cuntico de spin ( s = +/- )
El nmero cuntico principal est relacionado con el tamao del orbital y el valor
de la energa.
El nmero cuntico secundario esta relacionado con la forma del orbital, con elmomento angular y con la energa del orbital. Se le asignan las letras:
l = 0 s (sharp, definido); l = 1 p (principal); l = 2 d (difuso); l =3 f(fundamental).
El nmero cuntico magntico est relacionado con la orientacin del orbital en elespacio.
El nmero cuntico de spin est relacionado con la rotacin sobre su eje delelectrn, generando un campo magntico con dos posibles orientaciones segn elgiro.
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n l m s
1s 1 0 0 1/2
2s 2 0 0 1/2
2p 2 1 1,0,1 1/2
3s 3 0 0 1/2
3p 3 1 1,0,1 1/2
3d 3 2 2, 1,0,1,2 1/2
4s 4 0 0 1/2
4p 4 1 1,0,1 1/24d 4 2 2, 1,0,1,2 1/2
4f 4 3 3,2, 1,0,1,2,3 1/2
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Forma de los orbitales
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Configuracin electrnica de los tomos
La distribucin de los electrones de un tomo enorbitales recibe el nombre de configuracin electrnica.
Cuando sta es la de menor energa se trata de la configuracinelectrnica fundamental.
En cualquier otra configuracin electrnica permitida con uncontenido energtico mayor del fundamental se dice que eltomo est excitado.
La configuracin electrnica fundamental se obtiene apartir de tres reglas:
Principio de exclusin de Pauli
Principio de mxima multiplicidad de Hund
Principio de mnima energa o Aufbau
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Principio de mnima energa (aufbau)
La distribucin electrnica de una tomo se realizaen orden creciente a su ER
Los electrones se colocan siguiendo el criterio de
mnima energa. Es decir se rellenan primero los niveles con menor
energa. No se rellenan niveles superiores hasta que no
estn completos los niveles inferiores.
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ORDEN ENERGETICO DE LOS SUB-NIVELES
7P6d5f7S6P5d4f6S5P4d5S4P3d
4S3P3S2P2S
1S Energa
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1 s
2 s
3 s
2 p
3 p
4 f
Energa
4 s
4 p 3 d
5 s
5 p4 d
6s
6 p5 d
n = 1; l = 0; m = 0; s =
n = 1; l = 0; m = 0; s = +
n = 2; l = 0; m = 0; s =
n = 2; l = 0; m = 0; s = +
n = 2; l = 1; m = 1; s =
n = 2; l = 1; m = 0; s =
n = 2; l = 1; m = + 1; s =
n = 2; l = 1; m = 1; s =
+
n = 2; l = 1; m = 0; s = +
n = 2; l = 1; m = + 1; s =
+
n = 3; l = 0; m = 0; s =
n = 3; l = 0; m = 0; s = +
n = 3; l = 1; m = 1; s =
n = 3; l = 1; m = 0; s =
n = 3; l = 1; m = + 1; s =
n = 3; l = 1; m = 1; s =
+
n = 3; l = 1; m = 0; s = +
n = 3; l = 1; m = + 1; s =
+
n = 4; l = 0; m = 0; s =
n = 4; l = 0; m = 0; s = +
n = 3; l = 2; m = 2; s =
n = 3; l = 2; m = 1; s =
n = 3; l = 2; m = 0; s =
n = 3; l = 2; m = + 1; s =
n = 3; l = 2; m = + 2; s =
n = 3; l = 2; m = 2; s =
+
n = 3; l = 2; m = 1; s =
+
n = 3; l = 2; m = 0; s = +
n = 3; l = 2; m = + 1; s =
+
n = 3; l = 2; m = + 2; s =
+
n = 4; l = 1; m = 1; s =
n = 4; l = 1; m = 0; s =
n = 4; l = 1; m = + 1; s =
n = 4; l = 1; m = 1; s =
+
n = 4; l = 1; m = 0; s = +
n = 4; l = 1; m = + 1; s =
+
n = ; l = ; m = ; s =
Principio de mxima multiplicidad (regla
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Principio de mxima multiplicidad (reglade Hund)
Ningn orbital de un mismo subnivel puedecontener dos electrones antes que los demscontengan por lo menos uno.
Cuando un nivel electrnico tenga variosorbitales con la misma energa, los electrones sevan colocando desapareados en ese nivelelectrnico.
No se coloca un segundo electrn en uno dedichos orbitales hasta que todos los orbitales dedicho nivel isoenergtico estn semiocupados.
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Principio de exclusin de Pauli.
En un tomo no pueden existir 2 electrones con
los 4 nmeros cuanticos iguales debendiferenciarse al menos en el spin
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Propiedades magnticas
Si la molcula tiene electrones desapareados paramagntica.
Si la molcula no tiene electronesdesapareados diamagntica.
H2 es diamagntica.
H2+?
DISTRIBUCIN DE LOS ELECTRONES EN
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DISTRIBUCIN DE LOS ELECTRONES ENLA CORTEZA.
Segn modelo
ACTUAL, los
electrones se
distribuyen endiferentes niveles,
que llamaremos
capas. Con un
nmero mximo deelectrones en cada
nivel o capa.
Nivel o capa
n
Numeromximo deelectrones
1 2
2 8
3 18
4 32
5 32
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SUBNIVELES DE ENERGA
Son regiones ms
pequeas, msangostas donde selocalizan loselectrones.
Son parte de losniveles de energa yson nombrados segn
la caracterstica de laslneas espectrales de laemisin atmica
Se llaman tambinnmero qunticosecundario o azimutal.Se representa con la
letra l Son 4 los subniveles:
SUBNIVEL NOMBRE CARACTERSTICA
DEL ESPECTRO
s Sharp,definido
Ntidas pero depoca intensidad
p Principal Lneas intensas
d Difuso Lneas difusas
f Fundamental Lneas frecuentes
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FRMULA PARA DETERMINAR EL No DE e- EN CADASUBNIVEL
Se aplica lafrmula 2( 2l + 1)
Valor cuntico delos subniveles:
s=0, p=1, d=2 yf=3.
SUBNIVEL FRMULA2( 2l + 1)
S 2(2(0)+1)= 2e-
p 2(2(1)+1)= 6e-
d 2(2(2)+1)= 10e-
f 2(2(3)+1)= 14e-
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Dentro de cada
nivel ,existen
adems
subniveles uorbitales con
probabilidad de
encontrarnos
electrones.
NivelMax de
e-Subnivel u orbitales Max de e-
1 2 s 2
2 8s 2
p 6
3 18
s 2
p 6
d 10
4 32
s 2
p 6d 10
f 14
5 32
s 2
p 6
d 10
f 14
6 18
s 2
p 6
d 10
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NIVEL SUB-NIVEL ORBITALES
1 1S 0
2 2S 02P -1,0,+1
3 3S 0
3P -1,0,+13d -2,-1,0,+1,+2
4 4S 0
4P -1,0,+14d -2,-1,0,+1,+2
4f -3,-2,-1,0,+1,+2,+3
-
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REGLA DE MOELLER
Esquema simplificado que ayuda a ubicar los electrones en niveles y
subniveles en orden de energa creciente. Se le conoce tambin comola regla de SARRUS y comnmente denominada regla del serrucho
1s 2s 3s 4s 7s6s5s
2p 3p 4p 7p6p5p
3d 4d 6d5d
4f 5f
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Tipos de Configuracin Electrnica
Desarrollada:
Semidesarrollada:
Abreviada:
2 2 2 2 11 2 2 2 2x y zs s p p p
2 2 51 2 2s s p
2 52 2He s p
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Configuracin electrnica
Configuracin electrnica del 11Na
1s22s22p63s1
Nivel deenerga
Subniveldeenerga
Nmerodeelectrones
Electrndevalencia
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Escribe la configuracin electrnica y la estructura atmica delpotasio en su estado fundamental. Z = 19 , A = 39.
Solucin: Como Z = 19 , quiere decir que en la corteza tenemos 19
electrones;
* Configuracin electrnica 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1
* Estructura atmica Nmero msico (A) = nmerode protones (A) + nmero de neutrones
Ncleo; 19 protones y 20 neutrones ( 39 - 19 ) Corteza ; 19 electrones.
-
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2.- Escribe la configuracin electrnica y la estructuraatmica de las especies siguientes, K+, Cl- .
( K Z = 19 , A = 39 ) , ( Cl Z = 17 , A = 35 ).
Solucin: * K+ : El potasio tiene 19 electrones en la corteza, pero el
K+ tiene un dficit de 1 electrn por estar cargado
positivamente por lo que en la corteza tendr 18electrones.
Configuracin electrnica 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6
Estructura atmicaNcleo; 19 protones y 20 neutronesCorteza; 18 electrones
-
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* Cl- : El cloro tiene 17 electrones en la corteza, pero el Cl-tiene un exceso de 1 electrn por estar cargadonegativamente por lo que en la corteza tendr 18
electrones.
Configuracin electrnica 1s2 2s2 2p6 3s2 3p
Estructura atmica
Ncleo; 17 protones y 18 neutronesCorteza; 18 electrones
A las especies que poseen el mismo nmero de electronesse les denomina isoelectrnicas.
Ejemplo: a) Establezca cules de las
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Ejemplo: )siguientes series de nmeros cunticos seran
posibles y cules imposibles para especificar el estado de
un electrn;b) diga en que tipo de orbital atmicoestaran situados los que son posibles
Imposible. (n < 1) Imposible. (l = n)
Posible. Orbital 1 s
Imposible (m -1,0,1)
Posible. Orbital 2 p
Series n l m s
I 0 0 0 +
II 1 1 0 +
III 1 0 0
IV 2 1 2 + V 2 1 1 +
-
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TAREA
Realizar la distribucin electrnica de los siguienteselementos:Bromo, estroncio, telurio, cobre, zinc, estao, yodo,plomo, potasio, francio, calcio, criptn, vanadio,
germanio, mercurio, fsforo, helio, plata, bario, oro,fluor, nquel, boro, arsnico, americio, xenn, fierro,carbono, hidrgeno, azufre,platino, radio.
-
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TABLA PERIDICA__________________________
Propiedades peridicas
Configuracin electrnica y propiedades qumicas
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Elemento Configuracin electrnicaConfiguracinms externa
Litio Z=3
Sodio Z=11
Potasio Z=19
Rubidio Z=37
Cesio Z=55
1s2
2s1
1s2 2s2 2p6 3s1
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s1
1s2 2s2.. 4p6 5s2 4d10 5p6 6s1
ns1
Las propiedades qumicas de un elemento dependen principalmentede los electrones situados en el ltimo nivel energtico (electrones de
valencia).
Todos los elementos de un mismo grupo tienen en su capa de valenciael mismo nmero de electrones en orbitales del mismo tipo. Por esto
todos los elementos de un mismo grupo tienen unas propiedadesqumicas semejantes
Grupo 1: ALCALINOS
Configuracin electrnica y propiedades qumicas
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PROPIEDADES PERIDICAS
Las propiedades fsicas y qumicas varan de forma regular a lolargo de los grupos y periodos de la tabla peridica.
Los elementos de un periodo (fila) tienen el mismo nmero decapas electrnicas, por lo que tienen similares propiedades
fsicas.
(Li: 1s22s1; Be: 1s22s2; Ne: 1s22s22p6)
Los elementos de un grupo (columna) tienen el mismo nmero
de electrones en su ltima capa, por lo que tienen similarespropiedades qumicas.
(Be: 1s22s2; Mg: 1s22s22p63s2; Ca: 1s22s22p63s23p64s2)
BLOQUES Y GRUPOS
-
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d10d8d7 d9d6d4d3 d5d2d1
p5p4 p6p3p1p2
s2
f10f8f7 f9f6f4f3 f5f2f1 f14f12f11 f13
p
s2
s1
sns2 npx
nsx n = 4 y 5 ns2 (n-1)dx
ns2 (n-2) fx
f
BLOQUES Y GRUPOS
Elementos representativos
Elementos de transicin
Elementos de transicin intern
n=6 y 7 ns2 (n-2)f14 (n-1)dx
d
-
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VARIACIN PERIDICA DEL RADIO ATMICO
Li (1,23 )
Na (1,57 )
K (2,03 )
Rb (2,16 )
Variacin del radio atmico a lo largo de un grupo.
A medida que descendemos en un grupo va aumentando elnmero de capas (niveles de energa) en las que sedistribuyen los electrones, lo que provoca un aumento deltamao del tomo.
-
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Variacin del radio atmico a lo largo de un periodo.
Para todos los elementos de un mismo periodo el nmero de
capas (niveles de energa) en las que se distribuyen loselectrones es el mismo. Cuanto mayor es el nmero atmicodel elemento, mayor es la carga positiva del ncleo y, por lotanto, mayor la fuerza con la que el ncleo atrae a los
electrones; esto provoca que disminuya el tamao del tomo.
(1,23 )
Li(0,89 )
Be(0,80 )
B(0,70 )
N(0,66 )
O(0,77 )
C
VARIACIN DEL RADIO ATMICO
-
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El sentido de las flechas indica elaumento del radio atmico
VARIACIN DEL RADIO ATMICO
ENERGA DE IONIZACIN
-
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ENERGA DE IONIZACINLa energa de ionizacin (EI1) es la energa necesariapara arrancar un electrn (el electrn ms externo) de
un tomo en estado gaseoso:X(g) + EI1 X
+(g) + 1 e
-
Variacin de la EI a lo largo de un grupo.
Al descender en un grupo aumenta el tamao del tomo, loselectrones de valencia se encuentran ms lejos del ncleo, lafuerza con la que atrae el ncleo a estos electrones disminuyey se necesita menos energa para arrancar un electrn.
Variacin de la EI a lo largo de un periodo.
Al avanzar en un periodo disminuye el tamao de los tomosy aumenta la carga del ncleo, los electrones son atrados porel ncleo con una fuerza mayor y por lo tanto se necesita
mayor energa para arrancar un electrn
-
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1Energadeionizaci
n(kJ/mol)
2500
2000
1500
1000
500
10 20 30 40 50 Nmeroatmico
XeCd
Kr
Rb
Zn
K
Ar
NaLi
H
N
Ne
He
P
Cs
Las sucesivas energas de ionizacin van en aumento:
EI1 < EI2 < EI3
VARIACIN DE LA ENERGA DE IONIZACIN
-
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El sentido de las flechas indica elaumento de la energa de ionizacin
VARIACIN DE LA ENERGA DE IONIZACIN
-
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ELECTRONEGATIVIDAD
La electronegatividad de un elemento es la tendencia quetienen sus tomos a atraer hacia s los electrones de enlacecuando se combinan con tomos de otros elementos.
La electronegatividad es un nmero sin unidades. En laescala de Pauling, al flor (elemento ms electronegativo)
se le asigna un valor de electronegatividad de 4,0 y al Cs(elemento menos electronegativo) un valor de 0,7.
Escala de Pauling
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Valores de la electronegatividad para
algunos elementos
H
2,1
Li
1,0
Na
0,9
K
0,8
Be
1,5
Mg
1,2
Ca
1,0
B
2,0
C
2,5N
3,0
O
3,5
F
4,0
Al
1,5
Si
1,8P
2,1
S
2,5
Cl
3,0
Ga
1,6
Ge
1,8
As
2,0
Se
2,4
Br
2,8
Variacin
en ungrupo
Variacin en un periodo
El sentido de las flechas indica elaumento de la energa de ionizacin
g
-
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Los elementos con altas electronegatividadestienen tendencia a captar electrones y formariones de carga negativa (aniones).
Los elementos con electronegatividades bajastienen tendencia a ceder electrones y formariones de carga positiva (cationes)
Electronegatividad
-
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METALES:son elementos que tienen bajas energasde ionizacin y bajas electronegatividades. Es decir,muestran mucha tendencia a ceder electrones y formar
iones de carga positiva (cationes)
NO METALES: son elementos que tienen altas energas
de ionizacin y altas electronegatividades. Es decir,muestran mucha tendencia a captar electrones y formariones de carga negativa (aniones)
CARCTER METLICO
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SEMIMETALES: son elementos que tienen propiedadesintermedias entre los metales y los no metales.
GASES NOBLES: la configuracin electrnica de estoselementos es la ms estable (la de menor energa), por
ello estos elementos difcilmente forman enlaces.
El resto de elementos cuando forman enlaces tienentendencia a adquirir la configuracin electrnica de un gasnoble. Para ello captan o ceden electrones (enlace inico)o comparten pares de electrones (enlace covalente)
VARIACIN DE LAS PROPIEDADES
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EN EL SISTEMA PERIDICO