Propiedades Ondulatorias, Estructura Atómica y Geometría Molecular

Conceptos Fundamentales de Ondas y Luz

Longitud de Onda y Frecuencia

La longitud de onda, representada por lambda (λ), es la distancia entre dos puntos idénticos en ondas adyacentes.

La frecuencia, representada por nu (ν), es el número de longitudes de onda que pasan por un punto fijo en una unidad de tiempo (generalmente un segundo). Su unidad es 1/s o s^-1, la cual también se denomina Hertz (Hz).

La longitud de onda y la frecuencia están relacionadas por la velocidad de la onda. Para las ondas electromagnéticas en el vacío, esta velocidad es c, la velocidad de la luz (aproximadamente 3.00 x 10⁸ m/s).

La relación se expresa como:

• c = νλ
• λ = c/ν
• ν = c/λ

Espectro Electromagnético

El espectro electromagnético abarca un amplio rango de frecuencias y longitudes de onda. Ordenado generalmente de menor a mayor longitud de onda (y de mayor a menor frecuencia/energía), incluye:

• Rayos gamma
• Rayos X
• Ultravioleta lejano
• Ultravioleta cercano
• Luz visible
• Infrarrojo cercano
• Infrarrojo lejano
• Microondas
• Ondas de radar
• Ondas de TV y radio

Naturaleza Ondulatoria y Corpuscular de la Luz

Difracción (Thomas Young)

Thomas Young demostró experimentalmente que la luz puede ser difractada, evidenciando su naturaleza ondulatoria.

Efecto Fotoeléctrico

El efecto fotoeléctrico consiste en la expulsión de electrones de la superficie de un metal u otro material cuando se exponen a la luz (radiación electromagnética) de frecuencia suficientemente alta. Este fenómeno evidencia la naturaleza corpuscular de la luz (fotones).

Espectro Visible

La luz visible es la porción del espectro electromagnético que el ojo humano puede percibir. Se descompone en los siguientes colores, con sus rangos aproximados de longitud de onda (en nanómetros, nm):

• Rojo: 750-610 nm
• Naranja: 610-595 nm
• Amarillo: 595-580 nm
• Verde: 580-500 nm
• Azul: 500-435 nm
• Violeta: 435-380 nm

Energía y Estructura Atómica

Cuantización de la Energía

La energía de un fotón está relacionada con su frecuencia mediante la ecuación de Planck:

E = hν

Donde h es la constante de Planck.

El cambio de energía (ΔE) asociado a la absorción o emisión de un fotón se relaciona con la longitud de onda:

ΔE = hc/λ

Para transiciones electrónicas en el átomo de hidrógeno, el cambio de energía se puede calcular usando la fórmula de Rydberg:

ΔE = R_H (1/n_inicial² - 1/n_final²)

Donde:

• R_H es la constante de Rydberg (2.179 x 10^-18 J).
• n es el número cuántico principal, que indica el nivel de energía.

Relación de De Broglie

Louis de Broglie propuso que las partículas en movimiento también tienen propiedades ondulatorias. La longitud de onda asociada a una partícula (longitud de onda de De Broglie) es:

λ = h/mv

Donde m es la masa de la partícula y v es su velocidad.

Números Cuánticos

El estado de un electrón en un átomo se describe mediante cuatro números cuánticos:

1. Número Cuántico Principal (n): Define el nivel de energía principal y el tamaño del orbital (n = 1, 2, 3,... correspondientes a las capas K, L, M, N...).
2. Número Cuántico del Momento Angular o Azimutal (l): Describe la forma del orbital y define las subcapas (l = 0, 1, 2, ..., n-1, correspondientes a los orbitales s, p, d, f...).
3. Número Cuántico Magnético (m_l): Especifica la orientación del orbital en el espacio (m_l = -l, ..., 0, ..., +l).
4. Número Cuántico de Espín (m_s): Indica el momento angular intrínseco del electrón (espín), con dos posibles valores: +1/2 o -1/2.

Configuración Electrónica y Tabla Periódica

Subcapas y Bloques

La disposición de los electrones en las subcapas determina la posición de un elemento en la tabla periódica:

• Bloque s: Grupos IA (1) y IIA (2). Corresponden al llenado de la subcapa s.
• Bloque p: Grupos IIIA (13) al VIIIA (18). Corresponden al llenado de la subcapa p.
• Bloque d: Grupos de transición (Grupos "B" o 3-12). Corresponden al llenado de la subcapa d.
• Bloque f: Lantánidos y Actínidos. Corresponden al llenado de la subcapa f.

Configuraciones Electrónicas por Grupo (Elementos Representativos)

• Grupo IA (1) - Metales Alcalinos: ns¹
• Grupo IIA (2) - Metales Alcalinotérreos: ns²
• Grupo IIIA (13): ns²np¹
• Grupo IVA (14): ns²np²
• Grupo VA (15): ns²np³
• Grupo VIA (16) - Calcógeneos: ns²np⁴
• Grupo VIIA (17) - Halógenos: ns²np⁵
• Grupo VIIIA (18) - Gases Nobles: ns²np⁶ (excepto He: 1s²)

Geometría Molecular (Teoría VSEPR)

La Teoría de Repulsión de Pares de Electrones de la Capa de Valencia (VSEPR, por sus siglas en inglés) predice la geometría tridimensional de las moléculas basándose en la minimización de las repulsiones entre los pares de electrones (enlazantes y solitarios) alrededor del átomo central.

Se utiliza la notación AX_nE_m, donde:

• A es el átomo central.
• X representa un átomo unido al átomo central (par enlazante).
• n es el número de átomos X.
• E representa un par de electrones solitario en el átomo central.
• m es el número de pares solitarios E.

Predicción de Formas Moleculares

• AX₂ (2 pares enlazantes, 0 solitarios): Lineal (ángulo de 180°)
• AX₃ (3 pares enlazantes, 0 solitarios): Trigonal Plana (ángulo de 120°)
• AX₂E (2 pares enlazantes, 1 solitario): Angular (forma de V) (ángulo < 120°)
• AX₄ (4 pares enlazantes, 0 solitarios): Tetraédrica (ángulo de 109.5°)
• AX₃E (3 pares enlazantes, 1 solitario): Piramidal Trigonal (ángulo < 109.5°)
• AX₂E₂ (2 pares enlazantes, 2 solitarios): Angular (ángulo << 109.5°)
• AX₅ (5 pares enlazantes, 0 solitarios): Bipiramidal Trigonal (ángulos de 90° y 120°)
• AX₄E (4 pares enlazantes, 1 solitario): Tetraédrica Irregular (Balancín) (ángulos < 90°, < 120°)
• AX₃E₂ (3 pares enlazantes, 2 solitarios): Forma de T (ángulos < 90°)
• AX₂E₃ (2 pares enlazantes, 3 solitarios): Lineal (ángulo de 180°)
• AX₆ (6 pares enlazantes, 0 solitarios): Octaédrica (ángulos de 90°)
• AX₅E (5 pares enlazantes, 1 solitario): Piramidal Cuadrada (ángulos < 90°)
• AX₄E₂ (4 pares enlazantes, 2 solitarios): Cuadrada Plana (ángulos de 90°)