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25/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 0QUÍMICA
INORGÁNICA I
LA TABLA PERIÓDICA
Introducción
Semestre 2018-1
Rafael Moreno Esparza
Estructura de la materia
25/08/17 EL MODELO ESTÁNDAR 1 25/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 2La teoría atómica
Los Químicos hacen sus observaciones del mundo macroscópicoy buscan comprender las propiedades de la materia al nivel microscópico Esto significa que para explicar la manera en que las sustancias reaccionan unas con otras, es necesario entender la estructura de la materia La palabra átomo se deriva de la palabra griega ατομεque significa indivisible. El primero en proponer la existencia de los átomos fue el filosofo griego Demócrito(460-370 A.C.) el cual creía que la materia estaba compuesta de partículas indivisibles.Sin embargo, esta teoría fue rechazada por Platóny
Aristóteles.
Esto hace que hasta el Siglo XVIIIno se tengan más que teorías especulativas.
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Las Leyes Ponderales de Lavoisier
Estas teorías serán destronadas
cuando Lavoisieren 1774 presenta
su trabajo cuantitativo
El trabajo de Lavoisierpuede
sintetizarse así Primero determinó los pesos de los reactivos usados en varios procesos químicos y de los productos obtenidos en estas reacciones Además estudió los pesos relativos de los reactivos requeridos para producir un peso dado de un producto determinado Esto es lo mismo que determinar la composición porcentual de las sustancias descomponiéndolas en sus componentes 25/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 4
Las Leyes Ponderales de Lavoisier
Estas investigaciones le permitieron postular dos de las leyes más fundamentales del cambio químico: Ley de la composición constante: En un compuesto determinado los tipos de átomos y las proporciones en que estos se encuentran son constantes Ley de la conservación de la masa: La masa total de los materiales presentes en una reacción química es la misma antes y después de la reacción 25/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 5Más Leyes Ponderales
A partir de 1800 John Dalton usó estas leyes para derivar una tercera ley: Ley de las proporciones múltiples: Si dos elementos A y B se combinan para formar más de un compuesto, Entonces los cocientes de las masas relativas de cada elemento que se pueden combinar Y pueden representarse por un conjunto característico de números enteros y pequeños3
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Las Leyes Ponderales
Oxígeno y Carbono pueden formar 2 compuestos. Si
los analizamos obtenemos: El primero tiene 57.1% de O y 42.9% de C, El segundo tiene 72.7% de O y 27.3% de C Estos dos compuestos siguen la ley de proporciones múltiples Las razones de sus masas son: Y la relación entre estos cocientes es: 57.1 g O 42.9 g C= 1.33 g O g C y 72.7g O 27.3 g C= 2.66 g O g C 2.66 1.33= 2 1 25/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 7
La teoría atómica de Dalton
Los átomos de un elemento no cambian al hacer una reacción química, tampoco es posible crear o destruir átomos en una reacción química Los compuestos se forman cuando los átomos de más de un elemento se combinan Un compuesto cualquiera siempre tiene el mismotipo de átomosy el mismo número relativo de
dichos átomos
Los átomos son los ladrillos básicos de la materia y son las unidades más pequeñas de los elementos.
Un elementose compone de una sola clase de átomos 25/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 8
La teoría atómica de Dalton
En los compuestos de dos o más elementos los átomos de estos se combinan con arreglos definidos Las Mezclas no tienen interacciones específicas entre los elementos que se encuentran en los compuestos que las forman los elementos que forman una mezcla pueden tener proporciones variablesLos átomos son las partículas más pequeñas
de un elemento que retiene las propiedades
químicas de dicho elemento
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Átomos
En 1803Daltonpropone que los átomos son como
pelotitas pequeñísimas indivisibles e indestructibles.
En 1815,William Proutse da
cuenta de que la mayoría de los pesos atómicos eran casi exactamente un múltiplo del peso del hidrógeno, es decir que el peso de cada átomo era un múltiplo del peso del H. Sin embargo, cuando se llevaron a cabo mediciones más exactas, se encontró que en realidad las relaciones entre los pesos de los elementos no eran números enteros Por ejemplo el Cloro es 35.5 veces más pesado que el H. 25/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 10
La estructura atómica
Entonces, a comienzo del S XX, estaba firmemente establecido que el electrón era una partícula fundamental Será entonces en este periodo que los físicos se ocuparán de encontrar modelos de los átomos, que fueran compatibles con que: 1.Tuvieran electrones 2.Fueran neutros 3.Se ajustaran a un esquema que explicara los diferentes pesos atómicos 4.Que explicara sus propiedades químicas 25/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 11La estructura atómica
Una manera de explicar lo anterior fue
sugerida por J.J. Thompson
(hacia de 1904)
El cual propone este modelo del átomo:
El átomo consiste de una esfera de carga positiva que tiene sepultados electrones con carga negativa. A este modelo se le conoce como el modelo del pastel de pasas5
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La estructura atómica
Ernest Rutherfordpor otro lado estudia la radiación emitida por ciertas sustancias radioactivas y nota que dependiendo de la sustancia examinada existen tres clases de radiación y cada una se comporta de manera diferente: 25/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 13
La estructura atómica
Al observar que:Los rayos βson atraídos por el ánodo
Los rayos αson atraídos por el cátodo
Los rayos γno se ven afectados por el campo
Propone que losrayos αy losrayos βson partículas
cargadas
en tanto que losrayos γ son radiación de alta energía
similar a losrayos X las partículas βson electrones a gran velocidad y tienen carga = -1 las partículas αson núcleos de helio y tienen carga = +2 Elemento inestable 235U Decaimiento espontáneo rayos γ partículas α partículas β protones neutrones 25/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 14
La estructura atómica
Un poco después, H. Geigery E. Marsdenal estudiar
el efecto de las partículas αemitidas por un material radiactivo en una hoja muy delgada de oro, con un aparato como este: Pantalla de centelleo Lámina de oro Fuente de partículas α
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Estos esperaban que de acuerdo al modelo de Thomson, que las partículas αpasaran sin problemas y que se desviaran unas cuantas. Los resultados observados revelaron que laspartículas α (iones de He2+) se desviaban de su curso
original Y además que una cantidad sorprendentemente grande de estas se desviaba 90° o más. Estos resultados eran inesperados pues el modelo de Thomsonpredecía que una desviación tan grande de las partículas era insignificantemente pequeña
Experimento Trayectoria esperada Trayectoria observada
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La estructura atómica
El experimento deGeigeryMarsdenpuede
esquematizarse así:
Las partículas αse desvían posiblemente debido a la
interacción electrostática entre estas y otro objeto masivo en el interior del átomo 25/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 17
La estructura atómica
Para explicar lo anterior el mismo Rutherford(1911), sugiere este modelo: La mayor parte de la masa del átomo y toda la carga positiva reside en una región muy pequeña y densa llamada núcleo La mayor parte del volumen del átomo es espacio vacío en el cual se mueven los electrones con toda la carga negativa del átomo7
25/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 18La estructura atómica
Al comparar el tamaño del núcleo con el del átomo podríamos decir que Si el núcleo fuera del tamaño de una canica, Pesaría 300 toneladas Y el átomo sería del tamaño del estadio Azteca 25/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 19La estructura atómica
Rutherford(en 1919) demuestra que los protones y tienen carga positiva y están en el núcleo Chadwick(en 1932) encuentra que los neutrones, son partículas neutras y que se encuentran también en el núcleo Aunque los físicos han identificado a la fecha una gran cantidad de partículas subatómicas, A los químicos generalmente únicamente les interesan las siguientes: Electrones Protones Neutrones 25/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 20La estructura atómica
El Protón El protón tiene una carga de +1 la carga electrónica (o, +1.602 x 10-19C) El Neutrón Los neutrones no tienen carga es decir son eléctricamente neutros Para ser neutros todos los átomos deben tener el mismo número de electrones que de protones. El Electrón El electrón tiene una carga negativa que vale -1.602 x 10-19C Por conveniencia, la carga de las partículas atómicas y subatómicas se describe como un múltiplo de este valor (carga electrónica) Entonces a la carga del electrón nos referimos simplemente como -1.8
25/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 21La estructura atómica
Los protones y los neutrones residen en el núcleo del átomo, este es pequeño comparado con el tamaño del átomo. La mayor parte del espacio que ocupa un átomo es el lugar que ocupan los electrones moviéndose alrededor del núcleo Los electrones son atraídos por el núcleo pues ahí residen los protones que tienen carga positiva Las unidades de masa que usamos para describir a las partículas atómicas es la unidad de masa atómicao UMA Una unidad de masa atómica es igual a 1.66054 x 10-24g Protón = 1.0073 uma. Neutrón = 1.0087 uma Electrón = 5.486 x 10-4uma 25/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 22La estructura atómica
De esta comparación podemos ver que: Las masas del protón y del neutrón son prácticamente idénticas En el núcleo reside prácticamente toda la masa del átomo Los electrones aunque tienen la misma carga que los protones pero opuesta, corresponden solo al 0.05% de la masa del átomo. El tamaño de un átomo es tan pequeño, que el diámetro típico atómico está entre 1 x 10-10y 5 x 10-10 m, una medida muy conveniente del tamaño de los átomos es el angstrom (Å)=1x10-10 m La mayoría de los átomos tienen diámetros de entre 1 y 5 Å 25/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 23La estructura atómica
El modelo más sencillo que explica la ley periódica y las razones por las que los elementos estén ordenados talcomo se ve en la tabla, es el de RutherfordyBohr
Este modelo dice que los electrones se mueven alrededor del núcleo en capas Que un electrón puede cambiar de capa siempre y cuando emita o absorba energía. Que los electrones ocupan (de a dos en dos) los orbitales que se encuentran en las subcapas, las cuales a su vez están en capas
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25/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 24La estructura atómica
Así, podemos pensar que en los átomos existen capas donde hay electrones Cada capa puede aceptar únicamente un número determinado de electrones Cuando añadimos electrones, estos ocuparán capas cada vez más externas Al cambiar de capa cambiamos de periodo 25/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 25La estructura atómica
A los electrones que se encuentran es estas capas pueden dividirse en dos clases: Los electrones de Core o Kernel del átomo Los electrones de valencia En todas las capas de un átomo excepto la última se encuentran los electrones de core o electrones inertes A la última capa de electrones de un átomo, se le conoce como capa de electrones de valencia, ahí se encuentran los electrones que participan en los fenómenos que nos interesan a los químicos. Electrones de core Electrones de valencia 25/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 26Símbolos atómicos
En general representamos a los átomos con esta simbología: Donde:Z
A
X
#
C
A - Masa atómica # de protones + neutrones Z - Número atómico # de protones
C - Carga Valores positivos o negativos #- Número de átomos # de átomos en la fórmula
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25/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 27Símbolos atómicos
A cada elemento se le asigna un símbolo único: Cada símbolo tiene una o dos letras y la primera siempre es mayúscula. Si el símbolo parece no ajustarse al nombre, es que el elemento tenía originalmente un nombre diferente U Uranio Au Oro Ti Titanio He Helio Rn Radón H Hidrógeno O Oxígeno Cl Cloro N Nitrógeno C Carbono Ni Níquel Ba Bario K Potasio As Arsénico 25/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 28Propiedades periódicas de los elementos
La herramienta más importante para organizar y recordar hechos químicos es la tabla periódica Está basada en la naturaleza periódica de las propiedades químicas de los elementos Y también en la naturaleza periódica de las configuraciones electrónicas de estos Los elementos en la misma columna tienen el mismo número de electrones de valencia Las similitudes en las propiedades químicas de los elementos, se pueden atribuir a las similitudes en la configuración de los electrones de valencia 25/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 29Desarrollo de la tabla periódica
Algunos elementos, como la plata y el oro, se encuentran naturalmente en su forma elemental y fueron descubiertos hace miles de años Algunos elementos radiactivos son extraordinariamente inestables y su aislamiento depende de la tecnología moderna Aunque la mayoría de los elementos son estables, únicamente se pueden encontrar formando compuestos con otros elementos11
25/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 30Desarrollo de la tabla periódica
Algunos elementos presentan características muy similares: Litio (Li), Sodio (Na) y Potasio (K) son metales blandos y muy reactivos Helio (He), Neón (Ne) y Argón (Ar) son gases que no reaccionan con otros elementos Al arreglar a todos los elementos en el orden de su número atómico, se observa que sus propiedades físicas y químicas muestran un patrón de repetición periódico Un ejemplo de la naturaleza periódica de los átomos es que cuando están ordenados según su número atómico, cada uno de los metales blandos y reactivos de arriba, viene inmediatamente después de uno de los gases que no reaccionan 25/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 31Desarrollo de la tabla periódica
En el siglo XIX, se diseñaron métodos para aislar muchos de los elementos de sus compuestos. A partir de ese momento se aíslan cada vez más y más elementos Para 1800 había 31 elementos identificados Para 1865 había ya 63 elementos identificados A medida que se fueron descubriendo y caracterizando más y más elementos, se intentaba al mismo tiempo encontrar si se podían agruparyclasificar, de acuerdo a su comportamiento químico 25/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 32Desarrollo de la tabla periódica
Este esfuerzo, dio como resultado la tabla periódica de los elementos En el año de 1869,Dimitri Mendeleievy Lothar Meyer
publican independientemente esquemas de clasificación de los elementos
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25/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 33Desarrollo de la tabla periódica
El primero, basado en sus propiedades químicas El segundo, en sus propiedades físicas Ambos concluyen que: Los elementos pueden ordenarse de acuerdo a su peso atómico Es decir, g / mol de su mezcla natural de isótopos Mostrando como resultado un arreglo con características periódicas 25/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 34La ley y la tabla periódicas
Este es uno de los documentos originales de Mendeleiev: Esta es la publicación de 1871 deMendeleiev: 25/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 35La ley y la tabla periódicas
Reihen Gruppe I. Gruppe II. Gruppe III. Gruppe IV. Gruppe V. Gruppe VI. Gruppe VII. Gruppe VIII.
- - - RH4 RH3 RH2 RH
-R2O RO R2O3 RO2 R2O5 RO3 R2O7 RO4
1 H = 1
2 Li = 7 Be = 9,4 B = 11 C = 12 N = 14 O = 16 F = 19
3 Na = 23 Mg = 24 Al = 27,3 Si = 28 P = 31 S = 32 Cl = 35,5
4 K = 39 Ca = 40 - = 44 Ti = 48 V = 51 Cr = 52 Mn = 55 Fe = 56, Co=59 Ni=59, Cu=63
5 (Cu = 63) Zn = 65 - = 68 - = 72 As = 75 Se = 78 Br = 80
6 Rb = 85 Sr = 87 ?Yt = 88 Zr = 90 Nb = 94 Mo = 96 - = 100 Ru=104, Rh=104 Pd=106, Ag=108
7 Ag = 108Cd = 112 In = 113 Sn = 118 Sb = 122 Te = 125 J = 127
8 Cs = 133 Ba = 137 ?Di = 138 ?Ce = 140 - - -
-9 (-) - - - - -
-10 - - ?Er = 178 ?La = 180 Ta = 182 W = 184 - Os=195, Ir=197, Pt=198, Au=199
11(Au = 199) Hg = 200 Tl = 204 Pb = 207 Bi = 208 -
-12 - - - Th = 231 - U = 240 -
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25/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 36La ley y la tabla periódicas
Mendeleiev, en 1871, demuestra: Que las propiedades de los elementos varían de manera periódicaAsí, latabla periódicanos ayuda a comprender
el comportamiento las propiedades y la reactividad de los elementos Basados en que las propiedades de los elementos tienden a reproducirse de manera regular (periódica) al ordenar a los elementos según su número atómico 25/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 37
Desarrollo de la tabla periódica
A continuación se indican los ocho principios periódicos de Mendeleiev(1860): 1) Los elementos exhiben una evidente periodicidad de propiedades si se ordenan de acuerdo a su masa atómica. 2) Los elementos con propiedades similares tienen masas atómicas que son casi las mismas (Pt, Ir, Os) o se incrementan regularmente (K, Rb, Cs o Cl, Br, I) 3) El arreglo de los elementos en grupos, corresponde tanto a la valencia, como en cierta medida a sus propiedades químicas distintivas. 25/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 38Desarrollo de la tabla periódica
4) Los elementos que están más ampliamente difundidos tienen masas atómicas pequeñas. 5) La magnitud de la masa atómica de un determina el carácter del elemento. 6) Se debe esperar en los años próximos el descubrimiento de muchos elementos aun desconocidos análogos al aluminioy siliciocuya masa será de 65 a 75. 7) La masa atómica de un elemento puede corregirse algunas veces, si conocemos los elementos contiguos a este, así la masa atómica del Tedebe estar entre 123 y 126 y no 128. 8) Ciertas características de los elementos pueden predecirse de su masa.14
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Desarrollo de la tabla periódica
La insistencia de Mendeleieven ordenar a los elementos de acuerdo a su peso atómico y agruparlos según sus características químicas, dio como resultado la aparición de una serie de agujeros en la tablaNi el Galio(Ga), ni el Germanio(Ge) se conocían en la época, es decir había dos agujeros en la tabla de
Mendeleievdebajo del Aluminio(Al) y el Silicio(Si)
Concluye que debían de existir dos elementos que debían llenar los agujeros A estos dos elementos los llamó eka-aluminioy eka-silicio 25/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 40
Desarrollo de la tabla periódica
Ahora bien, Mendeleievno solamente predijo la existencia del Ga y el Gey otros elementos sino que también describió como eran, Es decir, describió algunas de sus propiedades físicas y químicas, entre ellas: El peso atómico aproximado, La manera en que se combinarían con Oy Cl Las propiedes de sus óxidos y cloruros
Cuando el Ga y el Ge fueron descubiertos varios años más tarde, se observó que sus propiedades físicas y químicas eran las que Mendeleievhabía predicho.
Estos serán la mejor confirmación de la teoría
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Desarrollo de la tabla periódica
Para entender la importancia tanto del trabajo como
de la confianza de Mendeleieven su teoría,
presentamos a continuación las predicciones hechas en 1869.
Para darles nombres provisionales a los elementos que predijo, usó los prefijos eka-, dvi- y tri- del sánscrito, correspondientes a los números uno, dos y tres dependiendo de la posición que el elemento descubierto ocupaba debajo de un elemento conocido en su tabla.
Eka-boro èescandio: Aislado por Lars F. Nilson
en 1879, Per T. Clevereconoce la correspondencia.
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25/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 42Desarrollo de la tabla periódica
En 1869 Mendeleiev predice las propiedades de un compuesto al cual llama eka-silicio, que no será aislado sino hasta 1882, el Germanio.Propiedad Eka-silicio Germanio
Masa Atómica 72 72.59
Densidad (g/cm3) 5.5 5.35
Punto de Fusión Alto 947°C
Color gris gris
Tipo de óxido refractario refractario Densidad del óxido (g/cm3) 4.7 4.7
Actividad del óxido Poco ácido Poco ácido Punto de ebullición del Cloruro < 100°C 86°C Densidad del Cloruro (XCl4) (g/cm3) 1.9 1.9 25/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 43
Desarrollo de la tabla periódica
En 1871 predice la existencia de otro elemento al que llamó eka-aluminio, la tabla muestra las características propuestas por Mendeleiev comparadas alas propiedades observadas para el Ga, descubierto en 1875.Propiedad Eka-aluminio Galio
Masa atómica 68 69.3 Densidad (g/cm3) 5.9 5.93 Punto de fusión Bajo 30.15 °C Fórmula del óxido Ea2O3 Ga2O3 Fórmula del cloruro Ea2Cl6 Ga2Cl6 25/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 44
Desarrollo de la tabla periódica
En 1871 predice la existencia de un elemento que no será aislado sino hasta 1937 por Emilio Segréde muestras de Mo bombardeado con deuterio en un ciclotrón a este elemento se le llamó tecnecio. Mendeleievhabía predicho una masa de 100 para el eka-manganeso y el isótopo más estable es el 98Tc, cuya masa es de 97.907214 También en 1871 predice la existencia de un elemento entre el Th y el U.En 1900 William Crookaisla un material radiactivo
del U sin poder identificarlo.
Será hasta 1949 que se reconoce que este elemento era el Protoactinio.
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25/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 45
Desarrollo de la tabla periódica
La exactitud de las predicciones de Mendelievpara los
elementos desconocidos basadas en la tabla periódica, convencieron sin lugar a dudas de su validez a los científicos de la época.
Sin embargo, todavía se necesitaba una importante modificación
Dado que Mendeleievhabía ordenado a los elementos
en términos de su masa relativa, esto le generó algunos problemas, por ejemplo el I tiene una masa relativa menor a la del Te, por tanto debía estar antes, pero para poner al I con el Cl y el Br, tuvo que ponerlo después.
Será en 1913 que Moseleyresuelve el problema al
organizar los elementos en términos de su número atómico. 25/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 46
Átomos
Para finales del S XIX se había acumulado suficiente evidencia como para pensar que el átomo mismo está compuesto de partículas menores y además algunas de sus propiedades. Entonces es posible, tener dos átomos del mismo elemento con diferente peso atómico pero con propiedades químicas idénticas. A estos átomos se les llama isótopos.Nombre Símbolo Carga UMA Gramos electrón e- -1 5.4x10-4 9.11x10-28
protón p 1 1 1.67x10-24
neutrón n 0 1 1.67x10-24
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En 1919 Francis W Astonfue
capaz de separar los isótopos de diferentes elementos usando un espectrógrafo de masas. Este es un aparato en el que es posible separar átomos de pesos atómicos diferentes y además determinar cuánto hay de cada uno.
Isótopos
Filamento ionizanteFlujo de gas Repeledor de e -Colimador Trampa iónicaAcelerador Amplificadores Co rrien te masa 1 masa 2 masa 3 Salida17
25/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 48 Dado que todos los átomos están compuestos de protones, neutrones y electrones, todas las diferencias físicas y químicas entre los elementos se deben al número de las partículas subatómicas que los componen. Por tanto, un átomo es la pieza más pequeña de un elemento, pues al tratar de dividirlo más allá (en partículas subatómicas), destruye su identidad. De esta manera, serán los átomos la unidad más pequeña de un elemento que puede retener sus propiedades químicas.Átomos e isótopos
25/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 49 ¿Cuál es el rasgo característico que distingue a un elemento de otro? Todos los átomos de un elemento tienen el mismo número de protones en el núcleo Puesto que la carga neta de un átomo es 0, el átomo debe tener el mismo número de electrones ¿Y los neutrones? Aunque usualmente es igual al número de protones, esto no ocurre siempre, y puede variar algo Aquellos átomos que difieren únicamente en el número de neutrones que tienen, se llaman isótopos, Los isótopos diferentes tienen masas diferentes.Isótopo, número atómico y de Masa
25/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 50Isótopos:
Un buen ejemplo el carbono
C
12
6
18
25/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 51Isótopos:
Un buen ejemplo el carbono
6
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C
6
14
C
25/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 52Propiedades espectroscópicas
La luz que procede de un foco, es más o menos continua. Es decir que si la hacemos pasar por un prisma y la proyectamos en una pantalla, generará un espectrocontinuo mostrando todaslas longitudes de onda.
25/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 53
Propiedades espectroscópicas
Sin embargo si interponemos hidrógeno (o cualquier otro elemento) entre el foco y el prisma, la luz resultante no es continua. El espectro observado muestra una serie de líneas obscuras muy angostas, que se conocen como líneas espectrales donde faltan ciertos colores específicos. Este patrón de líneas oscuras es característico de cada elemento. Y se le conoce como espectro de absorción atómica. Espectro de absorción del Hidrógeno19
25/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 54Propiedades espectroscópicas
Por otro lado, si calentamos ese mismo gas, empieza a brillar. Y si enfocamos la luz que emite, se observan sólamente líneas brillantes de ciertas longitudes de onda. Este patrón de líneas brillantes, también es característico de cada elemento. Y se le conoce como espectro de emisión atómica Espectro de emisión del Hidrógeno 25/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 55Propiedades espectroscópicas
Entonces, tenemos que cualquier elemento en fase gas, produce dos clases de espectros. Ello, dependiendo de la manera que lo hagamos interactuar con la radiación electromagnética. Si hacemos que la luz pase por donde está el gas obtenemos el espectro de absorción. En cambio si la le damos suficiente energía, como para excitarlo, podremos obtener después de excitarlo el espectro de emisión. 25/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 56Propiedades espectroscópicas
Si analizamos que le ocurre a un cuerpo al calentarlo nos encontraremos con este comportamiento espectroscópico: In te nsi da d de la lu z em iti da Longitud de onda λ T=7000 K T=6000 K T=5000 K UV Visible IR20
25/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 57Propiedades espectroscópicas
Y para que quede más claro, mostramos el espectro emitido con los colores: UV Visible IR In te nsi da d de la lu z em iti da Longitud de onda λ 25/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 58Propiedades espectroscópicas
Así:
Espectro continuo Espectro de emisión Espectro de absorción Objeto caliente Gas frío Prisma Prisma Prisma Espectro continuo Espectro de emisión Espectro de absorción 25/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 59Propiedades espectroscópicas
Lo anterior puede observarse en la vida cotidiana y en el laboratorio. Para hacerlo en el laboratorio es necesario equipo como este: Objeto caliente (emisor) Prisma Colimador Prisma Objeto caliente (emisor) Cualquier sustancia fríaColimador Prisma Cualquier sustancia excitada Colimador21
25/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 60Propiedades espectroscópicas
Cuando a la luz procedente de estos objetos se les hace pasar por una muestra de otra sustancia se obtiene esto: Longitud de onda λ Longitud de onda λ Longitud de onda λ Espectro continuo Espectro de absorción Espectro de emisión 25/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 61Propiedades espectroscópicas
Así en principio cada elemento tiene un espectro de absorción y de emisión característico, como se puede ver en esta liga: Espectros Hidrógeno Sodio Helio Neón Mercurio 25/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 62Propiedades espectroscópicas
En particular los espectros de emisión son parte de nuestra vida cotidiana, aquí mostramos varios ejemplos:22
25/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 63 ¿Pero a qué se debe este fenómeno? Lo podemos atribuir a que los átomos que componen al gas, absorben la luz. ¿Y por qué absorben la luz? Sabemos que la radiación es causada por la vibración de las cargas y la rapidez de la vibración determina la longitud de onda. Esto significa que, si solamente ciertas longitudes de onda pueden ser absorbidas o emitidas por el átomo, sus electrones vibran solamente a ciertas frecuencias.Propiedades espectroscópicas
25/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 64 Los resultados obtenidos del estudio de los espectros de líneas de los elementos no podían explicarse empleando la física clásica. Pues si consideramos el modelo del átomopropuesto por Rutherford, que era muy popular al
principio del siglo XX, al electrón se le consideraba como si estuviera dando vueltas alrededor del núcleo. De tal manera que la fuerza centrífuga estuviera balanceada respecto a la atracción coulómbica. Entonces, un átomo así debería de ser capaz de absorber o emitir cualquier cantidad de energía.
Modelo del átomo y espectroscopía
25/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 65Modelo del átomo y espectroscopía
De manera que el cambio en su energía meramente alteraría el radio de la órbita. Pero, se sabía que los gases absorbían o emitían energía en paquetes, es decir estaba cuantizada. En tanto que la luz que se producía por medio de un objeto caliente (foco), era continua.En el año de 1900, Max Planckdemuestra que los
átomos de un sólido caliente, tienen energías que son un múltiplo de una cantidad fija.
A esta cantidad de energía le llamó quantum o paquete de energía.
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25/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 66 Así, los físicos de la época se vieron forzados a considerar desechar por completo este modelo (a pesar de estar tan bien sostenido por la evidencia experimental). O hacerle algunas modificaciones difíciles de digerir. Es claro que, sería estúpido proponer que el átomo pudiera contener cualquier energía (tal como lo dicta el modelo planetario) Y a pesar de ello absorber o emitir energía en cantidades especiales y medidas.Modelo del átomo y espectroscopía
25/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 67 ¿Pero entonces cómo es un átomo? Pues la alternativa era postular que los electrones en el átomo podían tener solamente ciertos valores de energía. Esto implicaba automáticamente, que el átomo podría absorber o emitir únicamente ciertas energías. Lo que es claro, es que al principio del siglo XX, este era un verdadero rompecabezas para los científicos. Una teoría o un modelo raramente se abandona por completo, a menos que no haya alternativa. De hecho el modelo planetario no se abandonará sino hasta que finalmente se desarrolla el modelo cuántico.El modelo de Bohr
25/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 68Afortunadamente, (Niels Bohr) un
físico danés, sugiere un cambio al modelo muy radical. Este es el más simple y sensato de los modelos basado en el de Rutherford. Lo radical del modelo, reside en que Bohr propone que para explicar las líneas espectrales, los electrones deben seguir una regla medio mafufa. Esta regla es que sólo pueden estar en ciertas órbitas especiales y todas las otras órbitas están prohibidas. Por lo tanto, los electrones pueden saltar de una órbita a otra y al hacerlo vibran. Consecuentemente producen radiación.
El modelo de Bohr
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25/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 69
Entonces,Bohrdescubrió que se podía explicar
cuantitativamente el espectro del hidrógeno si se consideraba que en el átomo los electrones se movían únicamente en aquellas órbitas especiales donde el momento angular del electrón era un múltiplo de h/2π. Es decir que la energía del electrón estaba cuantizada. Esta propuesta tan arbitraria y mafufa para su tiempo, es aceptable en parte, por que consigue salvar el modelo planetario al menos por un tiempo. Y la evidencia experimental de la estructura en capas de los electrones puede verse en los espectros de líneas.
El modelo de Bohr
25/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 70 Así, en el caso del átomo de hidrógeno, la energía de cada uno de los niveles cuánticos se puede obtener usando la siguiente ecuación: Y la diferencia de energía entre dos niveles cualquiera del átomo en cuestión usando esta:El modelo de Bohr
!!
E
= −
k Z
2n
2!!
E
2− E
1= hν = h Z
21
n
12−
1
n
22⎛
⎝
⎜
⎞
⎠
⎟
25/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 71 De esta manera, este modelo puede racionalizar el comportamiento químico de los elementos, al arreglar a los electrones en capas. Es decir, al cuantizar las energías de los electrones en capas discretas (llamadas K, L, M, N, O, etc.), se pueden explicar las propiedades químicas de los elementos. Esta teoría además predice el número de electrones en cada una de las capas así:El modelo de Bohr
# de electrones
= 2n
225
25/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 72En esta tabla se muestran las ocupaciones de
cada capa:
El modelo de Bohr
Capa
K
L
M
N
O
n
1
2
3
4
5
2n
22
8
18
32
50
25/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 73 Y los niveles energéticos permitidos o estados energéticos de un átomo (usando terminología moderna) serán:El modelo de Bohr
25/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 74 De esta manera tenemos que cuando un átomo se encuentra en su estado basal y lo excitamos usando un haz de luz o calor, solamente ciertas de las longitudes de onda tendrán la energía suficiente para hacer que el electrón pueda pasar a otra órbita y serán esas longitudes (o frecuencias o energías) las que se absorberán . Y de la misma manera, cuando dejamos de excitarlo, los electrones que se pasaron a una órbita de mayor energía al regresar a su órbita original emitirán energía.El modelo de Bohr
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25/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 75
Órbitas de Bohrdel hidrógeno
El modelo de Bohr
Núcleo Capa K, n=1, r=0.529 Å Capa L, n=2, r=2.116 Å Capa M, n=3, r=4.761 Å Capa N, n=4, r=8.464 Å Capa O, n=5, r=13.225 Å 25/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 76 Transiciones del hidrógeno (absorción):El modelo de Bohr
∞ Visible Ultravioleta 984 1167 1230 293 276 246 184 En er gí a (kJ /m ol ) 0 -1312 6 5 4 3 1 2 -36.4 -52.3 -82.0 -145.6 -1312.0 -328.0 0E
nn
25/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 77 Transiciones del hidrógeno (emisión):El modelo de Bohr
Visible Ultravioleta 984 1167 1230 293 276 246 184 En er gí a (kJ /m ol ) 0 -1312 ∞ 6 5 4 3 1 2 -36.4 -52.3 -82.0 -145.6 -1312.0 -328.0 0E
nn
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25/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 78 Aquí vale la pena indicar que el átomo de hidrógeno (y todos los demás), absorben y emiten radiación en otras longitudes de onda además de las del visible.El modelo de Bohr
El Hidrógeno se ioniza con energías superiores a 13.6 eV 13.6 eV/ molécula 1313 kJ/mol 25/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 79 Es interesante comentar que la propuesta de Bohr le abre el camino a la mecánica cuántica, independientemente del hecho de que es incorrecta casi en todos sus detalles. Particularmente, porque el modelo no nos da ninguna pista del origen de el enlace químico. Además no da ninguna base para entender por que ocurre la cuantización de la energía del electrón. Ni tampoco explica la razón por la cual un electrón no irradia energía al estar en movimiento.El modelo de Bohr
25/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 80 A pesar de este funesto historial, el coraje de reconocer la necesidad de una desviación de la física clásica, le ganó a Bohrun lugar en la historia. Todavía hoy, a los estados permitidos, se conocen como estados estacionarios, tal como los bautizó Bohr. A estos estados estacionarios, se les caracteriza por medio del uso de los números cuánticos. Los cuales explican el patrón característico del átomo de hidrógeno.El modelo de Bohr
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Espectroscopías
25/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 81 (m) 0.1Å 5Å 100Å 2000Å 0.4μm 0.7μm 2.5μm 25μm 1mm 10cm (m) 10nm 200nm 400nm 700nm 2500nm (1/cm) 1.x109 2.x107 1x106 5.x104 2.x104 1.4x104 4000 400 10 0.1 (kJ/mol) 1.2x107 2.4x105 1200 600 300 170 48 4.8 0.12 0.0012 (eV) 120000 2400 120 6 3 1.7 0.48 0.05 0.001 0.00001 (1/s) 3.x1019 6.x1017 3x1016 1.5x1015 7.5x1014 4.x1014 1.2x1014 1.2x1013 3.x1011 3.x109Energía Nuclear Energía química Energía molecular Energía de espín
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Los experimentos de Moseley
En 1913 Henry Moseley(muerto
en la batalla de Gallipoli a la edad de 28 años) Investiga las frecuencias características de los rayos X producidos al bombardear cada elemento conrayos catódicos(electrones) de alta energía Moseleyusó varios metales como blanco en sus tubos de rayos catódicos Notó que cuando los rayos catódicos pegaban sobre el metal y los rayos catódicos tenían suficiente energía (obtenida usando alto voltaje). 25/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 83
Los experimentos de Moseley
Diferentes metales daban rayos X de diferenteslongitudes de ondao frecuencia(o lo que es lo mismo de diferente energía) Lo que pasaba en esencia, era que los rayos catódicos acelerados por el alto voltaje (electrones de alta energía) sacan a los electrones internos de los átomos metálicos al golpear contra estos. Cuando los electrones sacados del átomo regresan a su lugar se emiten rayos X Como los electrones internos no están apantallados por los demás electrones, la energía requerida para sacarlos depende del número de protones que hay en el núcleo
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25/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 84Los experimentos de Moseley
De esta manera la energía de los rayos X y por tanto su frecuencia y su longitud de onda, está relacionada con el número de protones del núcleo Resultados del experimento: 25/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 85Los experimentos de Moseley
Al graficar el número atómico vs. la raíz cuadrada del inverso de la longitud de onda obtiene esto: 25/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 86Los experimentos de Moseley
Así, observa que existe una relación matemática entre la frecuencia de los rayos Xproducidos y elnúmero atómico(es decir el número de serie de cada elemento en la tabla) Esto quería decir que el número atómico era más un número de serie, es decir, que tiene alguna base física Moseleypropone que el número atómico corresponde al número de electrones en el átomo del elemento en cuestión Esto también significa que el número atómico es el número de cargas positivas del núcleo
