Descubriendo el Átomo: Configuración Electrónica, Modelos y Cuántica

Configuración Electrónica y Números Cuánticos

Configuración Electrónica General

La secuencia de llenado de orbitales atómicos sigue el siguiente orden:

1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 4f¹⁴ 5s²...

Ejemplo: Configuración Electrónica y Números Cuánticos para Z=8 (Oxígeno)

Para un átomo con número atómico Z=8 (Oxígeno), su configuración electrónica es:

1s² 2s² 2p⁴

A partir de esta configuración, podemos determinar su ubicación en la tabla periódica y los números cuánticos de su último electrón:

• Grupo: 16 (por los 4 electrones en el subnivel p del último nivel, sumados a los 2 electrones s del mismo nivel, 2+4=6, y al ser un elemento del bloque p, se le suman 10).
• Periodo: 2 (dado por el nivel de energía más alto, n=2).

Números Cuánticos (n, l, m_l, m_s)

Los números cuánticos describen el estado de un electrón en un átomo:

• n (Número Cuántico Principal): Indica el nivel de energía.
• l (Número Cuántico Azimutal o de Momento Angular): Define la forma del orbital.
  • l = 0 para orbitales s
  • l = 1 para orbitales p
  • l = 2 para orbitales d
  • l = 3 para orbitales f
• m_l (Número Cuántico Magnético): Describe la orientación del orbital en el espacio. Sus valores van desde -l hasta +l.
  • Para l=0 (s): m_l = 0
  • Para l=1 (p): m_l = -1, 0, +1
  • Para l=2 (d): m_l = -2, -1, 0, +1, +2
  • Para l=3 (f): m_l = -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3
• m_s (Número Cuántico de Spin): Indica el sentido de giro del electrón. Sus valores son +1/2 o -1/2.

Para el último electrón del Oxígeno (2p⁴):

• n = 2 (nivel de energía)
• l = 1 (orbital p)
• Para 2p⁴, los 4 electrones se distribuyen en los 3 orbitales p (m_l = -1, 0, +1). Siguiendo la regla de Hund y el principio de exclusión de Pauli:
  • El primer electrón va a m_l = -1 con spin +1/2.
  • El segundo a m_l = 0 con spin +1/2.
  • El tercero a m_l = +1 con spin +1/2.
  • El cuarto electrón (el último) regresa a m_l = -1 con spin -1/2.
• m_l = -1 (orbital específico)
• m_s = -1/2 (spin hacia abajo)

Por lo tanto, los números cuánticos del último electrón del Oxígeno son: (2, 1, -1, -1/2).

Modelos Atómicos Fundamentales

Teoría Atómica de Dalton

John Dalton formuló su célebre teoría atómica, rompiendo con las ideas tradicionales y postulando que la materia está formada por átomos, partículas indivisibles e indestructibles.

Modelo Atómico de Thomson (Modelo del "Pudín de Pasas")

El estudio de la conductividad de gases a baja presión en un tubo de descarga reveló una luminiscencia en la pared del tubo opuesta al cátodo. La causa era un chorro de partículas con carga negativa, denominadas rayos catódicos.

Thomson comprobó experimentalmente y propuso que el átomo no debe considerarse como una partícula indivisible (como propuesto por Dalton), sino que está formado por cargas negativas (electrones). Los electrones están incrustados en una masa esférica de carga positiva. La carga negativa total de los electrones es igual a la carga positiva de la esfera, de manera que el átomo es eléctricamente neutro.

Modelo Atómico de Rutherford (Modelo Planetario)

Ernest Rutherford empleó las partículas alfa para determinar la estructura interna de la materia. Sus observaciones clave fueron:

• La mayoría de las partículas alfa atravesaban la lámina de oro sin desviarse.
• Algunas partículas se desviaban significativamente de su trayectoria inicial.
• Muy pocas partículas eran rechazadas por la lámina, rebotando hacia atrás.

Estas observaciones llevaron a Rutherford a proponer que el átomo posee un núcleo central pequeño y denso con carga positiva, alrededor del cual giran los electrones en órbitas.

Conceptos Clave en Química Atómica

Isótopo

Un isótopo es un elemento del mismo tipo (mismo número de protones) pero con distinto número de neutrones, lo que resulta en una masa atómica diferente.

Magnitudes Atómicas

• Número Atómico (Z): Representa el número de protones en el núcleo de un átomo. En un átomo neutro, también es igual al número de electrones.
• Número Másico (A): Representa la suma total de protones y neutrones en el núcleo de un átomo.

Masa Isotópica y Masa Atómica

• Masa Isotópica: Es la masa de un átomo concreto de un isótopo específico, expresada en unidades de masa atómica (uma).
• Masa Atómica: Representa el promedio ponderado de las masas isotópicas de todos los isótopos naturales de un elemento, considerando su abundancia relativa en la naturaleza.

Fundamentos de la Teoría Cuántica

Teoría Electromagnética de Maxwell

Según la teoría elaborada por James Clerk Maxwell, la luz es una onda electromagnética con una serie de características:

• Amplitud (A): La altura de la onda.
• Longitud de Onda (λ): La distancia entre dos crestas o valles consecutivos.
• Frecuencia (ν): El número de ondas que pasan por un punto en un segundo.
• Periodo (T): El tiempo que tarda una onda en completar un ciclo.
• Velocidad (v): La velocidad a la que se propaga la onda.

Espectros Atómicos de Emisión

Los espectros atómicos de emisión son la radiación electromagnética emitida por un elemento en estado gaseoso cuando se le comunica suficiente energía (por ejemplo, mediante calor o descarga eléctrica). Cada elemento tiene un espectro de emisión único, como una "huella dactilar".

Teoría Cuántica de Planck

Max Planck postuló que los cuerpos emiten o absorben energía no de forma continua, sino en "paquetes" discretos o cuantos de energía. La energía de un cuanto es directamente proporcional a su frecuencia:

E = hν

Donde:

• E es la energía del cuanto.
• h es la constante de Planck, con un valor de 6.626 × 10^-34 J·s.
• ν (nu) es la frecuencia de la radiación.