Qumica 1 Medio. Unidad I. Profesora: Cristina Daz Manrquez.
Profesora en prctica: Carla Tapia Contador.MODELO
MECANO-CUNTICO:Historia de la fsica clsica a la fsica
cuntica.Objetivo de aprendizaje: Conocer qu es una onda y sus
constituyentes. Conocer parte de la historia cientfica que
contribuy al descubrimiento de nuestro modelo atmico actual: El
modelo mecano-cuntico.
Nombre: ................... Fecha: Antecedentes histricos: La
revolucin de la fsica clsica.Durante el siglo XIX, diversos fsicos
trataron de comprender el comportamiento de los tomos y molculas a
partir de las leyes fsicas existentes en la poca, pero sus intentos
fracasaban al explicar el comportamiento de la materia microscpica
con leyes que se aplicaban a la perfeccin y con xito en la
explicacin del comportamiento de objetos grandes o materia
macroscpica.En 1900, Max Planck, el joven cientfico alemn,
revolucion el mundo de la fsica. Cuando observaba y analizaba los
datos de radiacin emitida por slidos calentados a varias
temperaturas, dedujo que la energa era emitida nicamente en nmeros
enteros mltiplos de cantidades bien definidas, a las que llam
cuantos. Esta idea puso de cabeza al mundo fsico, que aceptaba,
hasta ese momento, que la energa era continua, por ende, cualquier
cantidad de energa se poda liberar en un proceso de radiacin
El comportamiento de ondas
Para comprender el mundo atmico es preciso entender el
comportamiento de la luz, partiendo por definir la luz visible
(aquella que perciben nuestros ojos) como un tipo de radiacin
electromagntica.Fue James Maxwell, en 1873, quien demostr
tericamente que la luz visible contaba con ondas electromagnticas y
que adems era capaz de transportar energa, razn por la que a la luz
visible se le conoce tambin como energa radiante.La radiaciones
electromagnticas se caracterizan por moverse a travs del vaco a una
velocidad de 3 108 m/s (velocidad de la luz) y por poseer carcter
ondulatorio (similar al de las olas).
Observa la Figura 1. En ella se aprecia que las ondas presentan
una longitud de onda, que corresponde a la distancia entre las
crestas o entre los valles, expresadas comnmente en metros (m),
centmetros (cm) o nanmetros (nm). Y la amplitud que es la distancia
vertical desde la lnea media de la onda a la cresta o al valle de
la misma. La frecuencia, por su parte, indica la cantidad de veces
que la longitud de onda completa pasa por un punto dado en un
segundo, expresada en ciclos por segundos (ciclo/s), unidad
denominada Hertz (Hz).
Como todas las radiaciones electromagnticas se mueven a la
velocidad de la luz, es posible establecer una relacin entre la
longitud de onda () y la frecuencia ().
La idea de que la energa de la luz depende de la frecuencia nos
permite comprender los efectos que las radiaciones electromagnticas
(luz) tienen sobre la materia. Cuando la longitud de una onda es
corta, la frecuencia de la onda es elevada (mayor frecuencia) y la
energa de la radiacin electromagntica ser alta.
A partir del comportamiento de las ondas, se establece que la
relacin entre la longitud de onda y la frecuencia se puede expresar
como: c = .
Donde: (lambda) es la longitud de onda. (nu) corresponde a la
frecuencia.c es la velocidad de la luz.
Figura 2: Relacin entre longitud de onda, frecuencia y energa de
radiacin electromagntica
.Existen diversos tipos de radiaciones electromagnticas segn la
longitud de onda y la frecuencia. El espectro electromagntico
ordena dichas radiaciones segn la longitud de onda que
presentan:
Podrs observar que la luz visible corresponde a una pequea
porcin del espectro, cuyas longitudes de onda (l) van desde los 380
a los 750 nm, aproximadamente.
Fenmenos que los cientficos de la fsica clsica no pudieron
explicar:El primero de ellos se denomina radiacin de cuerpo oscuro,
que hace referencia a la emisin de luz por parte de objetos
calientes que antes decalentarse son oscuros. Un claro ejemplo de
este fenmeno son los quemadores de las estufas elctricas, pues al
estar apagadas se conservan encolor negro y una vez encendidas
toman un color rojo intenso. En 1900, el fsico alemn Max Planck
resuelve el problema con una hiptesisrevolucionaria: la energa slo
puede liberarse (o ser absorbida) por los tomos en paquetes
discretos con un tamao mnimo, a los que denomin
cuantos,definindolos como la mnima cantidad de energa que puede ser
emitida oabsorbida en forma de radiacin electromagntica
(Luz).Radiacin de un cuerpooscuro en estufa
A partir de ello propuso que la energa (E) de un solo cuanto era
igual a una constante (h) multiplicada por la frecuencia (): E= h
.
La unidad para medir la frecuencia v es: Hertz y se simboliza Hz
que significa oscilacin por segundo. La constante h: contante de
Planck y siempre tendr el valor h= 6,63 x 10-34 J.sLa Teora Cuntica
de Planck: la energa que se emite o absorbe siempre ser energa
cuantizada, o sea, que sus valores estarn restringidos a ciertas
cantidades. En la vida cotidiana, todo est cuantizado, por ejemplo:
los huevos puestos por las gallinas estn cuantizados, una gata
preada da a luz un nmero entero de gatitos, no medio o tres cuartos
de gatitos. Con lo dicho por Max Planck nace una nueva era en el
mundo cientfico: la fsica cuntica.
El efecto fotoelctrico es otro fenmeno que la fsica clsica no
supo explicar. El efecto fotoelctrico ocurre cuando una luz choca
en una superficie metlica y los electrones de ese metal al recibir
esa luz se excitan saliendo disparados de la superficie
metlica.
Quien explic el fenmeno del efecto Fotoelctrico fue Albert
Einstein quien para dijo: La luz consiste en rayos de partculas o
partculas de luz. A estos rayos de partculas los Nombr fotones.
Albert Einsteir dijo que cada fotn (luz como rayo de partculas)
posee su propia energa E. La energa de un fotn se puede calcular
con la frmula: E= h
Efecto fotoelctrico Donde E: es la energa del fotn. h: constante
de Planck (h= 6,63 x 10-34 J.s) es la frecuencia de la luz o
fotn.
Como podrs observar, la ecuacin para calcular la energa de un
fotn es la misma propuesta por Max Planck. Un ejemplo del efecto
fotoelctrico en la vida diaria son los paneles solares, los cuales
son prcticos para ahorrar energa elctrica.
Espectros AtmicosEl espectro atmico es otro fenmeno que la fsica
clsica no podaExplicar. El espectro de emisin ocurre cuando un
elemento gaseoso Emite o libera luz al estar sus electrones
excitados.
Celda o panel solarLa radiacin luminosa, es decir, la luz, se
desva al atravesar un medio de densidad distinto, como el agua o un
prisma por ejemplo. Al atravesar la luz un prisma, sta se
descompone o separa en diferentes radiaciones luminosas de
diferentes colores y longitudes de onda. Estos colores que se
difractan o separan al atravesar el prisma, pueden recogerse en una
pantalla en forma de lneas de distinta intensidad y grosor. Estas
lneas que se observan en la pantalla son el espectro de emisin del
elemento en estado gaseoso. Cada elemento posee su propio espectro
de emisin. La siguiente imagen es un ejemplo del espectro de
absorcin y emisin del hidrgeno:
Espectro de absorcin del hidrgeno: lneas negras nicas y
caractersticas de cada elemento
luz atraviesa prisma y se descompone Espectro de emisin del
hidrgeno: El tomo gaseoso en diferentes colores de diferentes long.
de onda de hidrgeno excitado libera luz a ciertas long. de onda
El espectro de absorcin ocurre cuando un elemento en estado
gaseoso recibe radiacin electromagntica (luz) con longitudes de
onda especficas, dando sus correspondientes lneas espectrales.
Estas lneas espectrales reflejadas en una pantalla corresponden a
su espectro de absorcin. Cabe destacar, que un elemento absorbe luz
(radiacin) a la misma longitud de onda que la emite o libera,
cumplindose as la Ley de Kirchoff.
La Ley de Kirchoff: nos indica que todo elemento absorbe
radiacin (luz) en las mismas longitudes de onda en las que la
emite. Los espectros de absorcin y de emisin resultan ser, pues, el
inverso uno del otro.
Modelo atmico de Niels Bohr: Modelo del tomo de hidrgeno
Rutherford al postular su modelo no tuvo en cuenta algunas
investigaciones previas sobre La constitucin del tomo (sus
constituyentes) y experimentaciones sobre la luz emitida o
Absorbida por las sustancias, por esto, su teora atmica fue
rechazada. Niels Bohr (1885-1962), se bas en el modelo atmico del
hidrgeno. Su modelo atmico indicaba lo siguiente: Los electrones
giran en orbitas fijas y definidas, llamadas niveles de energa. Los
electrones que se encuentran en niveles ms cercanos al ncleo poseen
menos energa que los lejanos al ncleo. Cuando el electrn se
encuentra en una rbita determinada no emite ni absorbe energa. Si
el electrn absorbe energa, puede saltar a nivel de mayor energa
dentro del tomo. Si el electrn regresa a un nivel de menor energa,
libera energa en forma de luz (radiacin electromagntica).
Desde esta perspectiva, los electrones ocupan regiones del
espacio asociadas a niveles de energa cunticos. El hidrgeno tiene
un solo electrn, que ocupa el nivel ms bajo de energa. La ocupacin
de los niveles energticos define el estado del sistema. El estado
fundamental o basal es el que representa el estado de ms baja
Energa. Adems, se pueden generar estados excitados
Modelo atmico del hidrgeno de Bohr. Donde +Ze es la carga
positiva del ncleo.
Diagrama de energa Diagrama de energa de los estados de
excitacin del tomo de hidrgeno del hidrgeno
Cuando un tomo absorbe energa puede pasar desde un estado de ms
baja energa a otro de ms alta, fenmeno conocido como excitacin
electrnica; y al revs, cuando se encuentra en un estado de alta
energa(est excitado) pasa a un estado de ms baja energa, emitiendo
energa, fenmeno conocido como relajacin electrnica.
Limitaciones del Modelo atmico de BohrA poco andar, el mundo
cientfico determina que el modelo atmico de Bohr presenta algunas
limitaciones, pues logra explicar exitosamente el comportamiento
del tomo de hidrgeno, pero no los espectros atmicos de otros tomos.
Adems, describe al electrn como una partcula pequea y no aclara su
comportamiento como onda, cuestin que se analizar en profundidad ms
adelante.
Del modelo atmico de Bohr, se consideran dos ideas primordiales
que forman parte del modelo atmico actual: Los electrones existen
en niveles discretos de energa, que se describen con nmeros
cunticos. En el movimiento de un electrn de un nivel de energa a
otro interviene energa.
Regla de Rydberg.
La cantidad de electrones que pueden existir en cada uno de los
niveles de energa, se pueden predecir usando una regla establecida
por Johannes Rydberg, que dice que cada uno de los niveles de
energa (n) acepta un mximo de: 2n2 electrones.Por ejemplo, para el
tercer nivel de energa (n = 3), la cantidad mxima de electrones que
pueden existir son: 232 = 29 = 18.La regla funciona bien hasta el
cuarto nivel de energa (n = 4) para predecir la cantidad de
electrones en cada uno de los niveles de energa.
La naturaleza dual del electrn
En 1924 Louis de Broglie dio respuesta a la inquietud, al
plantear que si las ondas luminosas se pueden comportar como un
rayo de partculas, es posible que los electrones posean la
propiedades ondulatorias.Sugiri entonces que el electrn, en su
trayectoria circular alrededor del ncleo, tena una longitud de onda
(l) caracterstica, la que dependa de su masa (m) y de su velocidad
(v), lo que se expresa en la siguiente ecuacin:
Donde: Longitud de onda. h: Constante de Planck.mv Relacin de
masa y velocidad que describe la cantidad de movimiento (momentum)
para cualquier objeto.Broglie por lo tanto, seal que el electrn
puede comportarse como onda y partcula a la vez (dualidad del
electrn). Al comportarse el electrn como una onda, es imposible
conocer en forma simultnea su posicin exacta y su velocidad; por lo
tanto, slo existe la probabilidad de encontrar un electrn en cierto
momento y en una regin dada en el tomo.Mecnica cuntica
Con las limitaciones que llevaron a rechazar el modelo atmico de
Bohr, los cientficos comenzaron a suponerla existencia de
estructuras dentro del tomo que los modelos anteriores no
describan, las que se denominaron subniveles de energa. En 1924, el
cientfico francs Louis de Broglie postul que los electrones (ascomo
otras partculas materiales) tenan un comportamiento dual de onda
ypartcula, pues cualquier partcula que tuviere masa y que se
moviera acierta velocidad, poda comportarse adems como onda.
En 1927, Werner Heisenberg, a partir de un supuesto matemtico,
sugiereque es imposible conocer con exactitud la posicin, el
momento (masa porLouis de Broglie (1892 1987).Premio Nobel de Fsica
1929
velocidad) y la energa de un electrn y, en general, de una
partcula depequeo tamao, lo que se resuelve a medida que la materia
tiene mayortamao por la razn masavelocidad que puede alcanzar. A
este fenmeno, Heisenberg lo denomin principio de incertidumbre, y
se refiere a la incapacidad de determinar exactamente la posicin,
velocidad y energa, de manera simultnea, de un electrn dentro del
tomo.
Por ejemplo, si una pelota de tenis es lanzada por un compaero
dentro deuna habitacin, podrs determinar exactamente su posicin y
velocidad enun tiempo determinado, e incluso su energa. Sin
embargo, si esta mismaexperiencia es realizada con la cabeza de un
alfiler, la determinacin de suposicin, velocidad y energa
simultneamente ser una tarea bastante mscompleja.Werner Heisenberg
(1901- 1976)
En 1927, el fsico austriaco Erwin Schrdinger, a partir de sus
estudiosmatemticos, establece una ecuacin compleja que al ser
resuelta permite obtener una funcin de onda denominada orbital que
describe probabilsticamente el comportamiento del electrn en el
tomo. Adems, establece que esta funcin de onda corresponde a la
distribucin de densidad electrnica, que es mayor cerca del ncleo y
menor en la medida que nos alejamos del ncleo. Este hecho marca el
inicio de la mecnica ondulatoriao mecnica cuntica. Con la teora de
E. Schrdinger queda establecido que los electrones no giran en
rbitas alrededor del ncleo tal como lo haba Erwin Schrodinger
(1887- 1967)
propuesto N. Bohr, sino que en orbitales, que corresponden a
regiones del espacio en torno al ncleo donde hay una alta
probabilidad de encontrar a loselectrones.
Lo postulado por Schrdinger conduce a la existencia de un nmero
ilimitado de funciones de onda (orbitales) por nivel energtico, y a
su vez stas, en un tomo multielectrnico (tomos con ms de un
electrn), resultan tener diferentes energas, lo que se denomina
subniveles de energa, identificados con las letras s, p, d, f.
Modelo mecano-cuntico
En sntesis, la distribucin de los electrones alrededor del ncleo
obedece a una serie de reglas o principios de la teora
mecano-cuntica, que se traducen en un modelo matemtico que reconoce
cuatro nmeros bsicos denominados nmeros cunticos.