quimica electrones de valencia

Periferia Distribucin electrnica

Captulo 6

Segn el modelo atmico actual, en el tomo se diferencian dos zonas: una central llamada ncleo y otra que rodea al ncleo llamada periferia.

El dimetro de la periferia es aproximadamente 100.000 veces ma-yor que el dimetro del ncleo.

En esa enorme zona que rodea al ncleo atmico se mueven conti-nuamente los electrones ocupando as todo ese espacio (fig. 1).

El electrn es una partcula subatmica de masa casi 2000 veces me-nor que la masa del protn.

Se puede deducir que la densidad de la zona llamada periferia es muy pequea, pues el volumen es muy grande y la masa es despreciable.

Niveles de energa

El modelo atmico establece que los electrones en los tomos tienen determinados valores de energa (energa cuantizada).

La energa de los electrones est relacionada con el valor del nme-ro cuntico principal n que determina los llamados niveles de energa.

Cuando n vale 1 queda establecido el nivel de menor energa. A medida que n adquiere valores superiores (nmeros naturales) se

determinan los niveles de mayor energa.

n=1 n=2 n=3 n=4 ..

niveles de menor energa niveles de mayor energa

Zonas del tomoZona central: Ncleo.Zona que rodea al ncleo: Periferia.

Depreciable: (en el texto) sig-nifica insignificante, prescin-dible, que puede no tenerse en cuenta.

Podemos establecer la siguiente analoga: cuando un relator de ft-bol dice que un equipo ha estado en toda la cancha durante el transcurso del partido, quiere expresar que los jugadores se han movido continua-mente por toda la cancha, lo cual no significa que sta se encuentre llena de jugadores. De la misma manera, la periferia como zona del espacio queda determinada, por el movi-miento continuo de los electrones.

Fig. 1.

174 Captulo 6 Periferia: distribucin electrnica. Qumica 3 C.B.

Nmero de electrones en cada nivel energtico

Es posible calcular en un tomo el nmero mximo de electrones que pueden tener la energa correspondiente a un determinado nivel (fig. 2).

Este clculo se realiza mediante la expresin matemtica 2n2 don-de n indica el nivel de energa y es un nmero natural igual o mayor que 1.

Orbitales

El concepto de orbital surgi al interpretar fsicamente el resultado de la ecuacin de Schrdinger.

Orbital: zona del espacio donde es mayor la probabilidad de encontrar a los electrones.

En el orbital la probabilidad es aproximadamente del 95%, es decir, de 100 veces que se busque al electrn 95 veces se encuentra movin-dose en esa zona.

Las palabras orbital y rbita son muy parecidas, pero es importante insistir que sus significados son totalmente diferentes:

rbitaserefiereauncamino,aunatrayectoria. Orbitalserefiereaunazonadelespacio(fig.3).

Distribucin electrnica

La distribucin de los electrones en niveles de energa permite definir si el estado energtico del tomo es fundamental, excitado o imposible.

Para un tomo determinado:

estadofundamental,eselestadoatmicodemenorenerga

estados excitados, son los estados atmicos que tienenmayorenerga que el estado fundamental

estadosimposibles,sonaquellasdistribucioneselectrnicasqueel tomo no puede tener (se plantean solo tericamente).

Estado fundamental del tomo

Estado fundamental del tomo es el estado atmico de menor ener-ga, es decir, los electrones tienen la menor energa posible.

rbita.Es una trayectoria (lineal), con-cepto usado en los modelos atmicos anteriores, ya modifi-cados y en desuso.

Orbital.Es una zona (tridimensional) concepto usado en el modelo atmico actual.

Fig. 3. Los orbitales tienen diferentes formas y se identifican con las letras s, p, d y f.

Nivel de energa

Clculo2 n2

N mximo de electrones

n=1 2 (1)2 2 electrones




Fig. 2.

Orbital sselatibro

Orbital px

selatibro

Orbital py

selatibro

Orbital pz

selatibro

Orbital dx2 - y2

selatibro

Orbital dz2selatibro

Orbital dxy

selatibro

Orbital dxz

selatibro

Orbital dyz

175Periferia: distribucin electrnica. Captulo 6 Qumica 3 C.B.

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Resulta til construir un cuadro para representar la distribucin de los electrones en niveles de energa en estado fundamental (fig. 4 a 7).

SedebeconsiderarelvalordeZparasaberelnmerodeelectronesa distribuir y el nmero mximo de electrones por nivel de energa (fig. 2).

La distribucin terica de los electrones en los niveles energticos se realiza ubicndolos desde n=1 en adelante, sin dejar niveles de energa vacos o incompletos.

Ejemplos

Hidrgeno: 1H (tomo con 1 protn, al ser elctricamente neutro tiene 1 electrn movindose en la periferia).

Para representar el estado fundamental del tomo de H se ubica el nico electrn en el nivel de energa n=1 (fig. 4).

Nitrgeno: 7N (tomo con 7 protones y 7 electrones). Para representar el estado fundamental del tomo de N, se com-

pleta con 2 electrones el primer nivel de energa (n=1). Los 5 electrones restantes tendrn mayor energa, la energa co-

rrespondiente al nivel n=2 (fig.5).

Aluminio: 13Al (tomo con 13 protones y 13 electrones). Para representar el estado fundamental del tomo de Al, se com-

pleta con 2 electrones el primer nivel de energa (n=1). Luego, de los 11 electrones restantes, 8 completarn el segundo

nivel de energa. Falta ubicar 3 electrones, que tendrn la energa correspondiente al nivel n=3 (fig. 6).

Argn: 18Ar (tomo con 18 protones y 18 electrones). En el lti-mo nivel energtico se ubican 8 electrones con la energa corres-pondiente a n=3 (fig. 7).

Estados excitados del tomo

Estados excitados del tomo son los estados atmicos con mayor energa que la correspondiente al estado fundamental.

En estos estados los electrones tienen cualquier valor permitido de energa.

Nivel de energa n=1 n=2 n=3

N de electrones 1


N de electrones 2 5


N de electrones 2 8 3



Regla: para representar los po-sibles estados excitados de un tomo, se colocan electrones en niveles de mayor energa aunque los anteriores estn in-completos o vacos.

Fig. 4. Estado fundamental del H.

Fig. 5. Estado fundamental del N.

Fig. 6. Estado fundamental del Al.

Fig. 7. Estado fundamental del Ar.

Z nmero atmico: es el n-mero de protones (p+)Como el tomo es elctrica-mente neutro, el nmero de protones es igual al nmero de electrones (e-). En el tomo: N p+ = N e-


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Ejemplo

Aluminio: 13 Al (13 protones y 13 electrones) En el cuadro de la figura 8 se representan algunos posibles esta-

dos excitados para este tomo

Niveles de energa n=1 n=2 n=3 n=4 n=5 n=6Nmero de electrones 2 7 4Nmero de electrones 1 8 2 2Nmero de electrones 5 4 2 1 1Nmero de electrones 2 10 1Nmero de electrones 5 4 4

Fig. 8. Algunos posibles estados excitados del Al.

Energa de los electrones en el tercer nivel (n=3)

El nmero mximo de electrones en el nivel n=3 es 18 (2n2), pero se distribuyen en subniveles con una pequea diferencia de energa entre ellos (fig. 9).

Electrones de valencia o electrones de enlace

Se llaman electrones de valencia o electrones de enlace a aquellos electrones que, en el estado fundamental del tomo, se encuentran ubi-cados en el ltimo nivel o subnivel de energa incompleto.

Para determinar cuntos son los electrones de valencia, es til: realizarladistribucindeloselectronesennivelesdeenergaen

estado fundamental sealar los electrones que estn en elltimo nivel de energa

incompleto (de color azul en el cuadro)

Cuntos son los electrones de valencia del Li, Mg y Cl?

Niveles de energa n=1 n=2 n=3 Electrones de valencia

Litio 3Li 2 1Litio tiene 1 electrn de valencia

Magnesio 12Mg 2 8 2Magnesio tiene 2 electrones de valencia

Cloro 17Cl 2 8 7Cloro tiene 7 electrones de valencia

Si el ltimo nivel (o subnivel) de energa est completo, los electro-nes de ese nivel no se denominan electrones de valencia. En el ejemplo de la figura 10 se seala con color rojo el ltimo casillero que representa ese ltimo nivel de energa.

Niveles de energa

n=1 n=2 n=3 ...

N de electrones

2 8 8

Cuando se realice el estudio de la Tabla Peridica, se analizar la correspondencia entre el n-mero de electrones de valencia y la ubicacin del elemento en la misma.

Fig. 9.

Fig. 10. Distribucin de electrones en ni-veles de energa en estado fundamental para el argn (18Ar)

Si bien el nmero mximo de electrones en el nivel n=3 es 18 se considera una distribucin completa con 8 electrones (los de menor energa); lo que le confiere estabilidad al tomo.


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Diagramas de Lewis o diagramas de puntos

Un diagrama de puntos o diagrama de Lewis es una manera senci-lla de representar los electrones de valencia (fig.11).

Mediante estas representaciones, se puede explicar cmo se unen algunos tomos.

Para construir el diagrama de Lewis de un elemento es necesario: realizarladistribucindesuselectronesennivelesdeenerga(es-

tado fundamental) sealando los electrones de valencia escribirelsmboloqumicodelelementoimaginandouncuadra-

do que lo rodea, por ejemplo

Br

representarloselectronesdevalenciamediantepuntosydistri-buirlos de manera tal de colocar uno en cada lado del cuadrado imaginario. Si el nmero de electrones es superior a 4, se forman pares hasta un mximo de 8 electrones (fig.12)

Ejemplos

Elemento litio 3LiDiagrama de Lewis para el litio: el electrn de valencia del litio se re-

presenta mediante un punto (fig. 13a).

Li

Elemento carbono 6CDiagrama de Lewis para el carbono: los cuatro electrones de valencia

del carbono se representan dibujando cuatro puntos (fig. 13b).

C

Elemento fsforo 15PDiagrama de Lewis para el fsforo: los cinco electrones de valencia

del fsforo se representan dibujando cinco puntos (fig. 13c).

P

Elemento bromo 35BrDiagrama de Lewis para el bromo: los siete electrones de valencia

del bromo se representan dibujando siete puntos (fig. 13d).

Br

Fig. 12. Los diagramas de Lewis tendrn como mximo ocho puntos representan-do ocho electrones.

Fig. 11. Gilbert Lewis (18751946) F-sico y qumico norteamericano. Realiz importantes trabajos sobre la valencia y los electrones de valencia que resultaron fundamentales para la teora del enlace qumico. La estructura de Lewis fue men-cionada por primera vez en 1916 en su artculo La molcula y el tomo.

Ne

a)Nivel de energa n=1 n=2 n=3

N de electrones 2 1

Los tomos de litio tienen 1 electrn de valencia.b)


N de electrones 2 4

Los tomos de carbono tienen 4 electro-nes de valencia.c)



Los tomos de fsforo tienen 5 electro-nes de valencia.d)

Nivel de energa

n=1 n=2 n=3 n=4

N de electrones

2 8 18 7

Los tomos de bromo tienen 7 electrones de valencia.

Fig. 13. Ejemplos.


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Cul es la relacin entre el estado fundamental y los estados excitados de un tomo?

Cuando los electrones de un tomo tienen la menor energa posible, se dice que el tomo est en estado fundamental.

Si los electrones reciben suficiente energa, al absorberla, el to-mo queda en un estado excitado (estado con mayor energa que el fundamental).

El estado excitado es inestable, en fracciones de segundo, se li-bera la energa absorbida inicialmente y el tomo regresa al estado fundamental.

La energa liberada tiene valores definidos que corresponden a las diferencias de energa de los electrones entre los estados excitados y el estado fundamental.

Es decir, la energa liberada est cuantizada; es emitida en paquetes o cuantos de energa.

tomo en estado fundamental

tomo en estado fundamental

tomo en estado excitado

energa absorbida energa liberada

Cuando los tomos pasan de estados excitados al estado fundamen-tal, es posible apreciar la energa emitida?

La respuesta es s, pero solo es posible ver luz cuando la energa emi-tida corresponde a la energa de la llamada luz visible.

Expliquemos ms detalladamente este fenmeno que est presente en nuestra vida cotidiana aunque no siempre le prestemos atencin ni pensemos cmo ocurre.

Cmo se puede suministrar energa a los electrones de los tomos? Se puede lograr de diferentes maneras, mediante:

calentamiento pasajedecorrienteelctrica irradiacinconluzvisibleoultravioleta reaccionesqumicas

Se analizarn algunos ejemplos que corresponden a diferentes for-mas de suministrar energa a los electrones.

Cuando los electrones de un tomo liberan la energa absor-bida, el tomo puede pasar: - de un estado excitado al esta-do fundamental o - de un estado excitado a otro es-tado excitado de menor energa.

Principio de conservacin de la energa.

La energa se conserva.

En los diferentes procesos la energa es transferida. Es imposible crear o destruir energa.


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Ejemplos

Si se acerca a la llama de un mechero Bunsen una muestra de sustancia, por ejemplo clo-ruro de sodio se aprecia que la llama, inicialmente azul, se torna de color amarillo duran-te algunos segundos debido a la presencia del elemento so-dio (fig.13). El calentamiento es suficiente para excitar a los electrones. Cuando muchos de esos electrones pasan de un estado excitado al estado fun-damental, liberan la energa absorbida, cuyo valor corres-ponde a la energa de la luz amarilla.

Si se observa la llama amarilla emitida con un instrumento llamado espectroscopio (o se hace pasar a travs de un prisma ptico), se ob-tiene el espectro de emisin del sodio (fig. 14). Este espectro es ca-racterstico del sodio, y sirve para identificarlo.

La luz fluorescente, blanco-azulada, que emiten los tubos y lmparas de gas de mercurio se produce porque los electrones de los tomos de mercurio son excitados por el pasaje de la corriente elctrica y al volver a su estado energtico fundamental emiten energa corres-pondiente a la radiacin ultravioleta. Esta radiacin incide sobre los tomos de la pintura fluorescente que recubre el interior del tubo de vidrio, provocando la excitacin de los mismos y la emisin de luz visible.

En la noche, al iluminar los carteles de la carretera, la pintura fosfo-resce, emitiendo luz que permite visualizarlos.

En este caso la energa proviene de la radiacin ultravioleta (de ma-yor energa que la luz visible) y es la causante de la excitacin de los electrones de los tomos de la pintura del cartel.

La luz que emiten las lucirnagas y algunos peces que viven en zonas profundas y oscuras del mar, se puede explicar tambin por la exci-tacin de electrones que vuelven al estado fundamental. La energa proviene de reacciones qumicas (bioluminiscencia) (fig.15).

Si la diferencia de energa es mayor o menor que la correspondiente a la luz visible, podr emitirse radiacin ultravioleta, rayos X, rayos infrarrojos, etc. (fig. 16).

Fig. 14. Espectro de emisin continuo y discontinuo.

Espectro de emisin continuo.Se obtiene, por ejemplo, cuando la luz blanca pasa a travs de un prisma ptico (fenmeno de dispersin)

Fig. 13. Ensayos a la llama. La diferen-cia en los colores de la llama indica la presencia de elementos diferentes en las sustancias analizadas.

Fig. 15. Bioluminiscencia.

Fig. 16. Una radiografa es un estudio basado en el poder de penetracin de los rayos X, permitiendo visualizar por ejemplo la estructura sea del organis-mo.

Espectro de emisin discontinuo o de lneas de sodio. Cada elemento tiene un espectro de emisin caracterstico que lo identifica.

Valores expresados en Nanmetros

420 550 615 420

380 590 700 800490

ultravioleta infrarrojo


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Aplicaciones y problemas1) Corrige las siguientes expresiones: enlaperiferia,loselectronesgiranenrbitas loselectronesdevalenciasontodosloselectronesdeuntomo

2) a) Completa el cuadro de la figura 1. b) Seala los electrones de valencia en los casos

que corresponda. c) Qu elementos tienen completo su ltimo

nivel o subnivel de energa? d) Plantea: - un estado excitado para un tomo de azufre. - un estado imposible para un tomo de boro.

3) En la figura 2 se han planteado distribuciones de electrones en niveles de energa para un tomo de fsforo 15P.

a) - Clasifcalas segn correspondan a estado fundamental, excitado o imposible.

- Explica por qu son imposibles los estados as clasificados.

b) De todas esas distribuciones; cul es la de menor energa y por qu?

c) Cuntos electrones de valencia tiene el fs-foro? Explica.

4) a) Escribe la distribucin de los electrones en tres posibles estados ex-citadosyenelestadofundamentalparauntomodesodio(Z=11).

b) Explica detalladamente por qu solo hay un estado fundamental pero varios estados excitados para un tomo determinado.

5) Un tomo de cierto elemento tiene 4 electrones de valencia con energa correspondiente al nivel 2 en estado fundamental.

a) Averigua cul es el nmero atmico de ese elemento. b) Elige cul es ese elemento de las siguientes opciones y justifica tu

eleccin. 2He 4Be 6C 8O 10Ne 12Mg 14Si 16S 18Ar

6) Explica por qu al derramarse el agua de coccin de los fideos u otros alimentos sobre la llama azul de la hornalla, sta se ve con destellos amarillos.

7) Observa las fotos de la figura 3 y elabora un breve texto donde ex-pliques cmo se producen las luces en ambas situaciones.

Elemento Z Smbolo Electrones por nivel

estado fundamental n=1 n=2 n=3 n=4

Nitrgeno 7

Helio 2

Azufre 16

Argn 18

Boro 5

n=1 n=2 n=3 n=4 n=5 n=6 n=7 Estado

1 4 1 6 2 1

2 7 6

3 8 1 1 1 1

1 1 13

2 8 5

2 9 4

2 8 4 1

15

2 2 2 2 2 2 3

Fig. 1. Ejercicio 2.



Actividades


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8) a) Analiza la siguiente situacin: Sabrina debe identificar dos sus-tanciasdesconocidasXyZ.Paraellorealizaensayosalallama con ambas sustancias y observa:

- Sustancia X: la llama queda verde-azulada - SustanciaZ:lallamaquedaroja Quconclusionespuedesacardesuexperimento? Logr identificar las sustancias?Si la respuesta esnegativa,

propone qu otros ensayos puede realizar. b) Existe alguna relacin entre el color de la sustancia y el color

que se observa al colocarla a la llama? Ejemplifica.

Investiga y reflexiona9) Investiga a) Cmo es el espectro de la luz solar? b) Existe alguna relacin entre dicho espectro y el arco iris? c) Ordena los colores del arco iris, la radiacin infrarroja y la ra-

diacin ultravioleta en forma creciente de energa. d) Cul es el significado de los nombres infrarrojo y ultravioleta? e) Qu es y qu funcin cumple un espectroscopio?

10) Lee el mensaje del cartel luminoso e investiga cmo se produce la fosforescencia de la pintura (fig. 4).

11) Investiga a) Las diferentes formas de luminiscencia: fluorescencia, fosfores-

cencia y bioluminiscencia. Menciona ejemplos. b) Qu sustancias contienen las pulseras, collares y otros adornos

de cotilln para permanecer iluminados por varias horas?

12) a) A partir del texto de la figura 5, establece la relacin entre el nombre del elemento helio y su descubrimiento.

b) Explica la siguiente analoga: el espectro de emisin de un ele-mento es como la huella dactilar de cada ser humano. Explica.

13) El tubo de nen, llamado tambin tubo de descarga, se utiliz por primera vez en el ao 1910 en el saln del automvil del Gran Saln de Pars.

Investiga a) Cmo funciona un tubo de nen? Busca la relacin entre la luz

producida y la diferencia energtica entre estados excitados y es-tado fundamental de un tomo.

b) Cules son las diferencias entre lmparas de filamento y lm-paras de bajo consumo? Reflexiona sobre las ventajas de estas ltimas.

c) Qu tipos de lmparas existen y cules son sus aplicaciones?


El helio fue descubierto en 1868 en el espectro del Sol. Algunas de las lneas de ab-sorcin del espectro solar no coincidan con las de ninguno de los elementos conocidos. Se lleg a la conclusin que el Sol contena un elemento has-ta entonces desconocido en la Tierra. Este elemento fue nom-brado helio por helios la pala-bra griega para sol. Poste-riormente el helio fue aislado y caracterizado en el laboratorio en 1895

Texto extrado de Qumica La ciencia Central de T. Brown y otros.



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Ampliando el horizonte...

UsandoelmodeloatmicodeBohrelaboraunaexplicacinadecuadaparainterpretarelfuncionamientodelosfuegosartificiales.

Losfuegosartificialeshantenidoaplicacionesblicasyldicas. Buscainformacinsobreambosusos. Quimportanciatienenlasbengalasennavegacin? Paraquseusenfotografalaluzproducidaalquemarmagnesio?

Los fuegos artificiales

Los fuegos artificiales tienen una presencia importante en la vida actual, ya que se utilizan en casi todas las fiestas populares.

Etimolgicamente la palabra pirotecnia proviene de los vocablos griegos piros, fuego, y techne, arte o tcnica.

Los antiguos pueblos de China, India y Egipto fueron muy aficionados a los festejos amenizados con fuegos artificiales, a los que daban color usando sales de sodio. Transmitieron sus conocimientos a los griegos y ms tarde a los romanos. El arte decae en el siglo IV pero resurge hacia el siglo XII.

Los rabes mantienen la tradicin e introducen la pirotec-nia en Espaa. Tambin se extiende por Italia y Francia, lle-gando a su mximo apogeo en el reinado de Luis XV.

Hasta finales del siglo XVIII los maestros pirotcnicos tra-bajaban aislados y en secreto, transmitiendo sus conocimien-tos solo a sus discpulos.

Los fuegos artificiales fueron monocromos hasta el siglo XIX, ya que se utilizaba el sodio casi exclusivamente. La intro-duccin del color se encuentra estrechamente ligada a la histo-ria del descubrimiento de los elementos qumicos, por ejemplo rojo del elemento estroncio, blanco brillante del magnesio, verde del cobre.

La plvora, inventada por los chinos es una mezcla de nitrato de pota-sio, carbn y azufre, lo que proporciona propulsin a la mayora de los fue-gos artificiales.

Actualmente los colores y tipos de fuegos artificiales son muy variados pero en todos los casos al utilizarlos se deben tener en cuenta los riesgos del fuego y los explosivos.

Historia y qumica de los fuegos artificiales. Lectura extrada y adaptada. por Lorenzo Hernndez 31 ago, 2008 seccin: breves historias


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quimica electrones de valencia

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