Models Atòmics i Propietats Periòdiques: Guia Completa

Evolució dels Models Atòmics

Model Atòmic de Dalton

La Teoria Atòmica de Dalton (principis del segle XIX) va postular que:

• L'àtom és una partícula indivisible i indestructible.
• Tots els àtoms d'un mateix element són idèntics en massa i propietats.
• Els àtoms d'elements diferents tenen masses, mides i propietats diferents.
• Els compostos es formen per la unió d'àtoms de diferents elements en una relació numèrica senzilla.

Aquest model explica:

• La discontinuïtat de la matèria.
• Les relacions estequiomètriques en les reaccions químiques.

Limitacions:

• No considerava que l'àtom fos divisible (descoberta de partícules subatòmiques).
• No explicava l'existència d'isòtops del mateix element.

Model Atòmic de Thomson

Fonaments: A finals del segle XIX, J.J. Thomson va descobrir els electrons estudiant els raigs catòdics, demostrant que l'àtom no era indivisible. Va proposar que l'àtom estava format per matèria carregada positivament i electrons carregats negativament.

Descripció del model: Una esfera de matèria amb càrrega positiva amb electrons incrustats, com les panses en un púding o les xips en una galeta (model del "púding de panses" o "chips ahoy"), formant un conjunt elèctricament neutre.

Aquest model explica:

• L'existència d'ions positius i negatius.
• La naturalesa elèctrica de la matèria.

Limitacions:

• No diferenciava entre nucli i escorça electrònica.
• No explicava per què la càrrega positiva estava concentrada en un nucli (descoberta posterior de Rutherford).

Model Atòmic de Rutherford

Experiment: Ernest Rutherford va bombardejar una fina làmina d'or amb partícules alfa. La majoria de les partícules travessaven la làmina sense desviar-se, però algunes es desviaven molt, i aproximadament 1 de cada 20.000 rebotava.

Conclusió: L'àtom és pràcticament buit, amb la major part de la seva massa i tota la seva càrrega positiva concentrada en un nucli molt petit.

Descripció del model:

• La major part de la massa i tota la càrrega positiva es concentren en un nucli central extremadament petit (aproximadament 100.000 vegades més petit que l'àtom).
• Els electrons giren al voltant del nucli en una escorça electrònica, com els planetes al voltant del sol.
• L'àtom és elèctricament neutre.
• Més tard, es va descobrir que els àtoms estan formats per protons, electrons i neutrons (els neutrons formen part del nucli).
• Els àtoms del mateix element tenen el mateix nombre de protons, però poden tenir masses diferents (isòtops).

Aquest model explica:

• L'existència d'isòtops.
• La reactivitat química (parcialment).

Limitacions:

• No explicava els espectres atòmics (per què els àtoms emeten o absorbeixen llum a longituds d'ona específiques).
• No explicava per què l'electró no perd energia i cau cap al nucli, segons les lleis de la física clàssica.

Model Atòmic de Bohr

Fonaments: Niels Bohr va incorporar conceptes de la mecànica quàntica per resoldre les limitacions del model de Rutherford, basant-se en la hipòtesi de Planck sobre la quantificació de l'energia, l'efecte fotoelèctric i l'estudi dels espectres atòmics (conjunt de radiacions absorbides o emeses per un element quan se li comunica l'energia adequada).

Postulats de Bohr:

1. L'electró es mou en òrbites circulars al voltant del nucli sense perdre energia.
2. L'energia de l'electró està quantificada, per això només pot ocupar nivells d'energia o òrbites concrets (òrbites estacionàries).
3. Quan un electró salta d'un nivell d'energia a un altre, absorbeix o emet energia en forma de quàntum de llum (fotó).

Aquest model explica:

• Les línies dels espectres atòmics, que corresponen a l'energia emesa o absorbida durant els salts d'energia dels electrons.

Limitacions:

• Només explicava perfectament l'àtom d'hidrogen.
• Barrejava conceptes de la mecànica clàssica i la mecànica quàntica, sense una base teòrica unificada.

Model Atòmic Actual (Model Quàntic o Mecanicoquàntic)

El model atòmic actual es basa en els principis de la mecànica quàntica, superant les limitacions dels models anteriors.

Dualitat Ona-Partícula

Proposada per Louis de Broglie, estableix que l'electró presenta una dualitat ona-partícula: es comporta tant com a partícula (amb massa i càrrega) com a ona (els electrons experimenten difracció, un fenomen característic de les ones).

Principi d'Incertesa de Heisenberg

Enunciat per Werner Heisenberg, afirma que no es pot determinar amb exactitud i simultàniament la posició i la quantitat de moviment (velocitat) d'un electró.

Equació de Schrödinger

Erwin Schrödinger va desenvolupar una equació que descriu el comportament de l'electró mitjançant una funció d'ona (ψ), que defineix la probabilitat de trobar l'electró en una regió de l'espai.

Model d'Orbitals Atòmics

Descripció del model: Una regió de l'espai al voltant del nucli on la probabilitat de trobar un electró és superior al 90%. A diferència de les òrbites de Bohr, els orbitals no són trajectòries definides, sinó regions de probabilitat. Aquest model introdueix els orbitals i els nombres quàntics per descriure l'estat dels electrons.

Aquest model explica:

• Els espectres discontinus dels elements complexos.
• És la teoria acceptada actualment per descriure l'estructura atòmica.

Limitacions:

• La seva resolució exacta només és possible per a l'àtom d'hidrogen i els ions hidrogenoides (amb un sol electró).

Propietats Periòdiques dels Elements

Les propietats periòdiques són aquelles que varien de manera regular al llarg de la Taula Periòdica, i són fonamentals per entendre el comportament químic dels elements.

Radi Atòmic

El radi atòmic és la meitat de la distància entre els nuclis de dos àtoms idèntics units per un enllaç. Generalment, el radi atòmic augmenta en baixar en un grup i en anar cap a l'esquerra en un període.

Justificació de la Variació del Radi Atòmic

La força d'atracció entre el nucli i els electrons és inversament proporcional a la distància i directament proporcional a la càrrega nuclear efectiva. En baixar en un grup, s'afegeixen capes electròniques, augmentant la distància i el radi. En un període, l'augment de la càrrega nuclear efectiva atrau més fortament els electrons, reduint el radi.

Càrrega Nuclear Efectiva (Zeff)

La càrrega nuclear efectiva (Zeff) és la càrrega real que senten els electrons més externs d'un àtom. Els electrons dels orbitals més propers al nucli fan un efecte d'apantallament (o pantalla) sobre els electrons dels nivells superiors, que noten menys la càrrega total del nucli.

Variació del Radi Atòmic en Ions

• El radi d'un anió (ió negatiu) és sempre més gran que el de l'àtom neutre corresponent, ja que guanya electrons, augmenta la repulsió electrònica i disminueix la Zeff.
• El radi d'un catió (ió positiu) és sempre més petit que el de l'àtom neutre corresponent, ja que perd electrons, disminueix la repulsió electrònica i augmenta la Zeff.

Energia d'Ionització (EI)

L'energia d'ionització (EI) és l'energia mínima necessària per arrencar un electró d'un àtom en fase gasosa i en el seu estat fonamental. Generalment, l'energia d'ionització augmenta en pujar en un grup i en anar cap a la dreta en un període.

Justificació de la Variació de l'Energia d'Ionització

Quan el radi atòmic disminueix, l'energia d'ionització augmenta, ja que els electrons estan més a prop del nucli i senten una major força d'atracció, fent més difícil la seva extracció.

Afinitat Electrònica (AE)

L'afinitat electrònica (AE) és l'energia intercanviada quan un àtom neutre en fase gasosa i en el seu estat fonamental capta un electró per formar un ió negatiu. Generalment, l'afinitat electrònica augmenta (es fa més negativa, alliberant més energia) en pujar en un grup i en anar cap a la dreta en un període.

Electronegativitat

L'electronegativitat és la mesura de la tendència d'un àtom a atraure els electrons d'un enllaç químic quan s'uneix amb altres àtoms. Un àtom més electronegatiu té una major densitat electrònica al seu voltant. Generalment, l'electronegativitat augmenta en pujar en un grup i en anar cap a la dreta en un període.

Caràcter Metàl·lic

El caràcter metàl·lic es refereix a la tendència dels elements a perdre electrons (característic dels metalls) o a guanyar-ne (característic dels no-metalls). Generalment, el caràcter metàl·lic augmenta en baixar en un grup i en anar cap a l'esquerra en un període.