Modelos atómicos y configuración electrónica
Cuando se prende una estufa de gas en Bogotá, la llama es azul; si le cae sal de la olla, se vuelve amarilla. ¿Por qué cada sustancia «pinta» la llama de un color distinto? La respuesta está dentro del átomo, en cómo se acomodan sus electrones. Para llegar a ella, primero hay que ver cómo se descubrió que el átomo tiene partes.
De Dalton a Bohr: cómo cambió la idea del átomo
Los modelos científicos no se inventan de un día para otro: cada uno nace para explicar lo que el anterior no podía.
| Científico | Idea central | Qué explicó |
|---|---|---|
| Dalton (1803) | El átomo es una esfera maciza e indivisible. Los átomos de un mismo elemento son iguales en masa y propiedades; los de elementos distintos, diferentes. Los compuestos se forman por unión de átomos en proporciones fijas. | Las leyes de conservación de la masa y de proporciones definidas |
| Thomson (1897) | El átomo tiene electrones (carga negativa) incrustados en una esfera positiva, como las pasas en un pudín. | La electricidad: el átomo sí se puede dividir |
| Rutherford (1911) | Casi toda la masa y la carga positiva están en un núcleo diminuto; los electrones giran alrededor, en un espacio casi vacío. | El experimento de la lámina de oro |
| Bohr (1913) | Los electrones solo pueden estar en niveles de energía definidos (cuantizados). | Los colores de la luz que emiten los átomos |
El experimento de Rutherford
Rutherford y sus colaboradores lanzaron partículas alfa (positivas) contra una lámina finísima de oro. Lo que vieron, y lo que concluyeron:
-
La mayoría atravesó sin desviarse: el átomo es casi todo espacio vacío.
-
Unas pocas se desviaron mucho: hay una zona con carga positiva que las repele.
-
Muy pocas rebotaron de frente: esa zona es diminuta y muy masiva: el núcleo.
Con el modelo de Thomson, la carga positiva estaría repartida por todo el átomo y las partículas alfa no deberían rebotar nunca.
Explica con tus palabras en qué consistía la idea central del modelo atómico de Dalton. Menciona al menos dos de sus postulados, por ejemplo qué decía sobre la…
Explica con tus palabras en qué consistía la idea central del modelo atómico de Dalton. Menciona al menos dos de sus postulados, por ejemplo qué decía sobre la divisibilidad del átomo y sobre los átomos de un mismo elemento.
Relaciona cada científico con el aporte que hizo a la comprensión del átomo: Thomson, Rutherford y Bohr. Escribe una frase corta para cada uno, indicando el…
Relaciona cada científico con el aporte que hizo a la comprensión del átomo: Thomson, Rutherford y Bohr. Escribe una frase corta para cada uno, indicando el descubrimiento o la propuesta principal (electrón, núcleo, niveles de energía).
En el experimento de Rutherford, una lámina muy delgada de oro se bombardeó con partículas alfa. La mayoría atravesó la lámina sin desviarse, unas pocas se desviaron con…
En el experimento de Rutherford, una lámina muy delgada de oro se bombardeó con partículas alfa. La mayoría atravesó la lámina sin desviarse, unas pocas se desviaron con ángulos grandes y muy pocas rebotaron casi de frente. Explica qué conclusiones sobre la estructura del átomo se obtuvieron de cada una de estas tres observaciones y por qué el modelo de Thomson no podía explicarlas.
Partículas, Z y A
El átomo tiene tres partículas subatómicas:
| Partícula | Carga | Masa aproximada | Dónde está |
|---|---|---|---|
| Protón | +1 | 1 u | Núcleo |
| Neutrón | 0 | 1 u | Núcleo |
| Electrón | −1 | casi 0 | Alrededor del núcleo |
Un átomo neutro tiene número atómico $Z = 26$ (hierro) y número de masa $A = 56$. Determina cuántos protones, neutrones y electrones tiene. Luego escribe su…
Un átomo neutro tiene número atómico $Z = 26$ (hierro) y número de masa $A = 56$. Determina cuántos protones, neutrones y electrones tiene. Luego escribe su configuración electrónica en notación condensada con el gas noble que corresponda y señala cuántos electrones hay en el subnivel $3d$.
Del modelo de Bohr al modelo cuántico
Bohr propuso que el electrón gira en órbitas con energía fija. Cuando salta de un nivel alto a uno bajo, emite luz de un color definido. Por eso cada elemento tiene su «huella» de colores: la sal en la llama (sodio) la tiñe de amarillo.
Pero el modelo de Bohr solo funcionaba bien para el hidrógeno. El modelo cuántico (Schrödinger, Heisenberg) cambió una idea clave: no se puede conocer a la vez la posición y la velocidad exacta del electrón. Solo se puede hablar de la probabilidad de encontrarlo.
Una compañera de tu clase afirma que en el modelo de Bohr el electrón describe una órbita exacta, igual que un planeta alrededor del Sol, y que en el modelo cuántico…
Una compañera de tu clase afirma que en el modelo de Bohr el electrón describe una órbita exacta, igual que un planeta alrededor del Sol, y que en el modelo cuántico pasa lo mismo. Explica si tiene razón. Compara cómo describe cada modelo la ubicación del electrón e incluye los términos «órbita» y «orbital».
Niveles, subniveles y orbitales
Los electrones se organizan así:
-
Nivel $n = 1, 2, 3, \dots$ (cuanto mayor, más lejos del núcleo y más energía).
-
Subniveles dentro de cada nivel: $s$, $p$, $d$, $f$.
-
Orbitales dentro de cada subnivel.
| Subnivel | Orbitales | Capacidad máxima de electrones |
|---|---|---|
| $s$ | 1 | 2 |
| $p$ | 3 | 6 |
| $d$ | 5 | 10 |
| $f$ | 7 | 14 |
El nivel 1 solo tiene $1s$; el nivel 2 tiene $2s$ y $2p$; el nivel 3 tiene $3s$, $3p$ y $3d$; y así sucesivamente.
Configuración electrónica
La configuración electrónica indica cuántos electrones hay en cada subnivel. Se rige por tres reglas:
El orden de llenado se sigue con las diagonales:
Notación condensada
Se reemplaza la parte que coincide con un gas noble por su símbolo entre corchetes. Para el hierro ($Z = 26$), el gas noble anterior es el argón ($Z = 18$): $[Ar]\,4s^2\,3d^6$. Aquí el subnivel $3d$ tiene 6 electrones.
Escribe la configuración electrónica del átomo de azufre, $S$, cuyo número atómico es $Z = 16$. Indica además cuántos electrones tiene en su último nivel de energía.
Escribe la configuración electrónica del átomo de azufre, $S$, cuyo número atómico es $Z = 16$. Indica además cuántos electrones tiene en su último nivel de energía.
Un estudiante propone para el átomo de nitrógeno ($Z = 7$) la configuración $1s^2\,2s^2\,2p_x^2\,2p_y^1\,2p_z^0$. Analiza esta propuesta a la luz del principio de…
Un estudiante propone para el átomo de nitrógeno ($Z = 7$) la configuración $1s^2\,2s^2\,2p_x^2\,2p_y^1\,2p_z^0$. Analiza esta propuesta a la luz del principio de exclusión de Pauli, el principio de mínima energía y la regla de Hund. Indica cuál de ellos se incumple, justifica tu respuesta y escribe la distribución correcta de los electrones del subnivel $2p$.
Excepciones e iones
El cromo y el cobre parecen «romper» el orden de llenado:
| Elemento | Predicha por el orden | Real |
|---|---|---|
| Cr ($Z = 24$) | $[Ar]\,4s^2\,3d^4$ | $[Ar]\,4s^1\,3d^5$ |
| Cu ($Z = 29$) | $[Ar]\,4s^2\,3d^9$ | $[Ar]\,4s^1\,3d^{10}$ |
¿Por qué? Un subnivel $d$ semilleno (5 electrones) o lleno (10) es especialmente estable: los electrones se reparten de forma simétrica y se repelen menos. Compensa pasar un electrón del $4s$ al $3d$.
Iones
Un catión se forma al perder electrones, y se pierden primero los del nivel más externo (mayor $n$), aunque no sean los últimos que se llenaron. Para el cobre:
El cromo ($Z = 24$) y el cobre ($Z = 29$) presentan configuraciones electrónicas que parecen «romper» el orden de llenado esperado. Escribe la configuración que se…
El cromo ($Z = 24$) y el cobre ($Z = 29$) presentan configuraciones electrónicas que parecen «romper» el orden de llenado esperado. Escribe la configuración que se predice con el orden de llenado y la configuración real de cada uno. Explica por qué la real resulta más estable y qué relación tiene con los subniveles $3d$ semillenos o llenos. Después indica la configuración del ion $Cu^{2+}$.
Resumen
Vuelve al principio: el color de la llama aparece cuando los electrones excitados bajan de nivel de energía y emiten luz; cada elemento tiene niveles distintos, y por eso su color es propio.