¡Descarga Os electróns nos átomos y más Apuntes en PDF de Química solo en Docsity!
TEMA 2TEMA 2.
OS
ELECTRÓNS
NOS
ÁTOMOS
TEMA 2. OS ELECTRÓNS NOS ÁTOMOS
- Modelos atómicos e física clásica
- Radiación electromágnetica e espectrosg p
- Teoría Cuántica e modelos cuantizados
- Mecánica Ondulatoria
- Números cuánticos orbitais electrónicos
- Interpretación e representación dos orbitais do H
- Espín do electrónE í d l ó
- Átomos multielectrónicos e configuracións electrónicas
- Configuracións electrónicas e Táboa Periódica
Tema 8 e 1.1, 2.1, 2.2, 2.3, 9.1 e 9.
Modelos atómicos
ÁTOMO : Teoría atómica de Dalton (1808).
- Cada un dos elementos químicos
compónse de partículas indivisiblescompónse de partículas indivisibles
denominadas átomosátomos.
- Os átomos dun mesmo elemento químico
son semellantes en peso e noutras
propiedades , e diferentes dos átomos
doutros elementos químicos.q
- Durante as reacciones químicas
habituais os átomos nin se crean, nin se
destrúen.
DESCUBRIMENTO DAS PARTÍCULAS SUBATÓMICAS M. Faraday (ca. 1853): descubrimento do electrón e J.J. Thomson (1897): tubo de raios catódicos Rutherford (1919): descubrimento do protón. J. Chadwick (1932) : descubrimento do neutrón.
Distribución de protóns e electróns no átomo:
MODELOS ATOMICOSMODELOS ATOMICOS.
MODELO DE RUTHERFORD (1911)
Base experimental : bombardeo de partículas a través dunha lámina de ouro.
Espectro electromagnético : representación de todo tipo de radiación electromagnética caracterizado por un valor de ou
A radiación visibleA radiación visible (espectro visible, luz visible) é unha pequeña franxa do(espectro visible, luz visible) é unha pequeña franxa do espectro electromagnético (l = 400espectro electromagnético (l = 400--800 nm), situado entre el IR e UV.800 nm), situado entre el IR e UV. PódesePódese descompoñer noutras máis simples (arco iris)descompoñer noutras máis simples (arco iris)..
Unha característica importante das ondas electromagnéticas:
a posibilidade de que se produzan interferencias.
Cando dous movimientos ondulatorios interseccionan, as súas ondas poden estar en fase, e as súas crestas e vales se suman: interferencia constructiva.
Interferencia constructiva Interferencia destructiva
Cando o máximo dunha onda coincide co val doutra, díse que non están en fase. Réstanse: interferencia destructiva.
As interferencias constructivas e destructivas son a base dos fenómenos de difracción, coma os que ocorren nas ondas nun lago ou a interacción da luz visible sobre la superficie dun CD.
Difracción da luz: só se pode explicar como unha propiedade
dun fenómeno de natureza ondulatoria. Algo que se difracta ten
que ter natureza ondulatoria, logo a radiación electromagnética
(luz radiante) é de natureza ondu lat oria.
Física non clásica: Teoría cuánticaFísica non clásica: Teoría cuántica
- Todo corpo emite ondas electromagnéticas.
- A teoría clásica predí que a intensidade da radiación emitida debería aumentar indefinidamente, pero a distribución espectral real da radiación emitida depende da temperatura.
- O máximo na curva de emisión vai cara menores ao aumentar a T.
- Corpo negro é un radiador “ideal” ֜ a radiación emitida só depende de T.
10
Max Planck, 1900 Premio Nobel Física (1918) Idea revolucionaria : A cantidade de enerxía que pode absorber e emitir
un átomo non pode tomar un valor calqueira, porque está cuantizadacuantizada
A. Einstein, 1905 : natureza corpuscular da radiación electromagnética
A radiación electromagnética está
constituida por partículas,
denominadas fotóns, cunha enerxía
Efotónfotón = h
Efotón = E (^) o + E (^) c
Ec = h ( – o )
Frecuencia umbral
P. Nobel Física (1921) 13
Espectroscopia atómica de emisión e de absorción
a) excitación electrónica da mostra (descarga eléctrica). b) devolución da enerxía como radiación electromagnética. c) análise da radiación emitida (Descomposición en radiación simple) e a súa representación. Obtención do espectro de emisión.
Os espectros de emisión atómicos son discontinuos
Helio
15 H Ne Li Na K
O espectro do H é discontínuo, son liñas nas rexións UV, Vis e IR.
Modelo de Bohr para átomo de hidróxeno :
Radio das órbitas cuantizadas Fatracción = 1/4πε 0 x z e^2 / r^2 Fcentrifuga = mv^2 / r
(1) m 2 v^2 /m r = 1/4πε 0 x z e^2 / r^2
me .v. r = n.(h/2)
o
2
rn n a
(1) m v /m r = 1/4πε 0 x z e / r
r= 4πε 0 x n^2 h^2 /4π^2 mze^2 z = 1, n = 1,
ao 0,53Å
Primera orbita : n =1; estado fundamental
“unidade atómica”
Niveis de Enerxía ½
n 1,2, 3,...
Número cuántico
E (^) total = E (^) c + E (^) p = ½ m v 2 + (- ze^2 /4πε 0 r)
De (1) , sustituindo r E = -1/(4πε 0 r) 2 x 2π^2 z 2 e^4 m/n 2 h 2 = -B/n 2
B = 2,179 x 10 -18^ J RH 2,179 10 1 8J^2
H n
n
R
E
Enerxía das órbitas cuantizadas
Absorción e emisión de radiación
Eb n^ b
Absorción
∆E Eb E
Diferencia de enerxía entre niveis:
Ea^ n^ a
Emisión
∆E Eb Ea
Enerxía do fotón absorbido ou emitido:
b
2 a
H
n
n
∆E R
21 n (^) a
n (^) b
Ea
Eb
2 b
2 a
fotón fotón H n
1
n
1
E hν R
Niveis de enerxía das diferentes órbitas de Bohr
Estados excitados
E= h = hc/ = R (^) H[1/n 12 -1/n 22 ]
Cada un dos posibles saltos entre órbitas, supón a emisión dunha enerxía que coincide exactamente con cada unha das liñas do espectro de emisión do H.
Estado fundamental
Aportacións : 1º modelo que introduce o concepto da cuantización da enerxía a nivel atómico. Predí a existencia de niveis de enerxía electrónica no átomo..
Dificultades do modelo de Bohr : a) Só) Só aplicableli bl ao átátomo dde hid óhidróxeno ou hidhidrogenoides id ((un úúneco electrón, p. ex.: He+). Non é capaz de explicar os espectros de emisión de átomos polielectrónicos. b) Efecto Zeeman: desdoblamento das liñas do espectro cando un átomo se somete a un campo magnético, non explicable con este modelo.
c) A teoría é unha complicada mestura de Física clásica e cuántica, do mundo macroscópico, aplicada ao mundo atómico. Non hai base fundamental para postular a cuantificación do momento angular, só o fixo Bohr, para poder reproducir os datos experimentais.
d) Átomo determinista, en contraposición có principio de incertidume.
Hipótese de Louis de Broglie (1924)
“As partículas pequenas de materia, de masa
m e velocidadeu, poden amosar propiedades
das ondas”. A lonxitude da onda que
acompaña á partícula ven dada por:
Louis de Broglie
acompaña á partícula ven dada por
mu
h
Un feixe de electróns (como as partículas
ái d t i ) d b í
27
Premio Nobel Física (1929)
máis pequenas de materia) deberían amosar
propiedades características das ondas.
É dicir “Levar asociada unha onda”.
Os electróns, se teñen propiedades
ondulatorias, deberían ter un comportamento
analizable mediante a mecánica ondulatoria.
Cómo se pode detectar unha onda asociada a un electrón?
É posible difractar electróns?
C. J. Davisson y G. P. Thomson compartiron o Premio Nobel de
Física en 1937 polo descubrimento experimental da difracción
de electróns.
Difracción de los raios X por unha lámina metálica
Difracción de electróns por unha lámina metálica
28
b) Principio de incertidume
A natureza dual das partículas subatómicas
impón unha limitación fundamental á
precisión coa que podemos coñecer a
posición (x ) e o momento (p = mu) dunha destas partículasdestas partículas.
4 π
h ∆x ∆p
Non se pode precisar con exactitude, posición e momento (velocidade, Enerxía cinética) dunha partícula en movemento e canto máis se intente determinar con exactitude unha das magnitudes,
29
Werner Heisenberg
Premio Nobel Física (1932)
g , maior erro se comete na determiñación da outra. Se eliximos coñecer a Enerxía con certa precisión, debemos aceptar unha alta imprecisión á hora de determiñar a posición: falaremos entón en termos de probabilidade.
Principio relevante no mundo microscópico ou atómico
(e-^ nunha árbita de Bohr).
Principio con escasa relevancia no mundo macroscópico.
Ondas estacionarias
se non hai restriccións para a onda:
Función de onda: d^2 Ψ/dx^2 = ‐ 4 π^2 A/ ^2 sen 2 πx/ ,
ten infinitas solucións, con infinitas
Aparecen restriccións:
Ténse que cumplir:
λ = 2L/n , n = 1, 2, 3…
Ψ = A sen 2πx/ X=0 y x=L, Ψ =0; Ψ = A sen nπx/L
Función de Onda
- Partícula na caixa
- ψ, psi,
2 n x
L
n x
sin L
2 ψ
Probabilidade de localizar ó electrón
Comportamento do electrón coma unha onda: .
Dado que o electrón se move no espacio : (x, y, z) = ( r, , )
A posición dun punto no espacio pode vir definido en coordenadas cartesianas, ou
Ecuación a resolver :
Ecuación de Schrödinger (1926) para o átomo de hidróxeno.
mellor, en polares R(r). Y(, ).
Ecuación diferencial de segundo grado. Resolta matemáticamente (exacta) para o átomo de hidróxeno, e para átomos hidroxenoides.
Sometimento ao sistema de restriccións de tipo físico :
as funciones válidas deben ser: Finitas, contínuas e únecas.
Obténse : Funciones propias valores propios.
( n,l,m ) : orbital atómico. n = 1, 2, 3…..; l = 0, 1, 2, 3 ..n‐ 1 … ; ml = ‐ l ……0…….+ l
Funciones propias : (n, m, l ) valores propios
n = 1; l = 0; m = 0 ; s
n = 2; l = 0; m = 0 ; s
Información : un electrón definido por unha ( n, m, l ): E = f( n ) ; ^2 (x,y,z) = probabilidade
Números cuánticos e orbitais dos electróns
n
Número cuántico principal:
n = 1, 2, 3, 4, …
Capa ou nivel principal
Número cuántico do b b l
momento angular orbital:
l = 0, 1, 2, 3, …,n - 1
l
Subcapa ou subnivel:
define o nome do orbita l
l = 0
l = 1
l = 2
l = 3
s p d f
41
Número cuántico magnético:
ml = 0, 1, 2, 3, …, l
ml
l = 3 f
(2l + 1) orbitais
en cada subcapa
Enerxías permitidas para o átomo de hidróxeno e os hidroxenoides: valores propios obtidos da resolución da ecuación de ondas.
2
H n
n
R
E
n
R H2,179 10 ^18 J
A enerxía só depende den
Todos os orbitais dunha capa teñen a mesma enerxía. Son dexenerados.
Dexeneración = n^2
Estos niveis de enerxía coinciden cos propostos por Bohr para o hidróxeno e son consecuentes coas liñas espectrais deste átomo.
2.8 Interpretación e representación dos orbitais do
átomo de hidróxeno
Densidade de probabilidade en cada punto
(probabilidade por unidade de volumen) ^ (p p un um n)
Formas de visualizar un orbital atómico:
¡ Podemos calcular a probabilidade de atopar ó
electrón en cada punto arredor do núcleo!
43
- Diagramas de densidade electrónica: Diagrama de puntos nun plano.
- Superficies de contorno: Superficie que encerra a rexión na que existe unha maior probabilidade de atopar o electrón (90%).
