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Teora atmica de Dalton y concepto de tomos y molculas

Aunque las hiptesis de que la materia est compuesta de pequeas partculas que

no son susceptibles de una divisin ulterior datan aproximadamente de los antiguos

filsofos griegos del V o IV siglo a.C., la teora atmica moderna de la materia descansa

en las especulaciones de William Higgins y John Dalton, quienes vivieron en los

comienzos del siglo XIX. Dalton, un maestro de escuela ingls, estaba familiarizado con

el trabajo sobre la composicin constante de las sustancias, lo cual haba sido

demostrado por filsofos naturalistas del siglo XVIII. l expuso una teora basada en

los siguientes cuatro puntos:

1. Una sustancia elemental est formada por pequeas partculas llamadas tomos, que son las ltimas partculas indivisibles de ese elemento determinado.

2. Cada elemento est compuesto por una clase determinada de tomos y hay tantos tomos diferentes como elementos existen.

3. Todos los tomos de un elemento dado son iguales todos sus aspectos, tal como el comportamiento qumico, peso, etc.

4. tomos de diferentes elementos pueden combinarse entre s para formar las ltimas partculas de las sustancias compuestas, llamadas molculas. stas son

siempre iguales para cada compuesto particular, en cuanto al nmero y clase de

tomos de que estn formadas.

De acuerdo con los conocimientos de la fsica moderna, algunos de los postulados

bsicos sobre los cuales Dalton y Higgins desarrollaron sus conceptos, necesitan, por

supuesto, una revisin. Sus aspectos esenciales son, no obstante, vlidos y la teora

desarrollada por ellos ha sido de un valor extraordinario en el entendimiento de los

fenmenos qumicos.

El cuarto postulado de la teora de Dalton introduce una nueva idea importante, a

saber, que las sustancias que no son elementos estn formadas por grupos de tomos y

que esas esos grupos son iguales a cualquier otro grupo de tomos de esa sustancia.

Estos grupos de tomos son las unidades de materia que llamamos molculas. Una

molcula de cualquier sustancia es la unidad ms pequea de la misma, que se halla

compuesta por las varias clases de tomos y en idntica proporcin que la sustancia en

su conjunto.

Con la aceptacin de la teora atmica de Dalton y el desarrollo de mtodos

analticos precisos, adquiridos mediante la determinacin exacta de la relacin de pesos

entre las sustancias reaccionantes, pronto se hizo evidente que las molculas de algunos

elementos contienen solamente un tomo, mientras que otros muchos elementos estn

formados por molculas que contienen dos o ms tomos. As, por ejemplo, los gases

inertes, tales como He, Ne, Ar, Xe y Rn tienen molculas formadas por tomos simples.

Estos tomos no tienen la tendencia de combinarse entre s para formar molculas ms

complejas, por lo que podemos decir que dichas sustancias estn compuestas por

molculas monoatmicas. Sin embargo, hay otros elementos gaseosos, tales como

hidrgeno, oxgeno y nitrgeno, que de acuerdo con la experiencia estn formados por

molculas que contienen dos tomos del elemento: es decir, H2, O2 y N2. stas son

molculas homoatmicas, ya que contienen solamente una clase de tomos y son

tambin molculas diatmicas, pues poseen dos tomos por molcula. Otros elementos

estn compuestos an por mayor nmero de tomos. Por ejemplo, el elemento fsforo

est compuesto por molculas de composicin P4. Mientras estas molculas son an

homoatmicas, son llamadas tetratmicas por contener cuatro tomos cada una. Se

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conocen grupos an mayores, tal como la molcula de azufre, formada con ochos

tomos de azufre, pero el principio de la composicin molecular es el mismo que para el

caso de molculas diatmicas. En general, las molculas que contienen ms de dos

tomos son llamadas molculas poliatmicas.

La molcula (unidad ms pequea) de un compuesto debe, por supuesto, estar

formada al menos por dos clases de tomos. Si una molcula de un compuesto contiene

solamente dos tomos, sta nuevamente es una unidad ditomica, pero en este caso sera

heteroatmica. Molculas diatmicas tal como ClH, NO y IBr son ejemplos de

unidades mnimas de compuestos diatmicos. Por otro lado, muchas sustancias an

compuestas por slo dos clases de tomos son poliatmicas, ya que cada molcula de

sustancia contiene ms de un tomos de un elemento dado. Ejemplos de tales

compuestos son H2O, compuesta solamente por hidrgeno y oxgeno; CCl4, compuesta

solamente por carbono y cloro, y SO2, B2O3 y SiF4. Otras sustancias contienen aun

varios tomos diferentes y, en muchos casos, varios tomos de un mismo elemento por

molcula. Un ejemplo de una molcula compleja es el de la sal de cobalto

CoN5C4H16O6Cl2.

El tamao de los tomos

El tomo ms simple entre los 102 elementos conocidos es el tomo de hidrgeno.

ste, tanto como los otros tomos, consiste en dos partes principales, un ncleo y una

nube electrnica. Esto puede ser observado en la figura.

El ncleo del tomo de hidrgeno es una partcula simple, cargada positivamente,

llamada protn. El protn es responsable del 99,95 por ciento del peso del tomo de

hidrgeno. Puesto que el tomo de hidrgeno es neutro y sin carga neta, la carga

positiva del protn debe ser balanceada electrostticamente por una carga negativa. Esta

carga negativa la provee el electrn, partcula simple, negativamente cargada, que gira

alrededor del protn, el cual constituye el ncleo del tomo de hidrgeno. Este

movimiento del electrn alrededor del protn es tan rpido que hablamos de una nube electrnica rodeando al ncleo. El movimiento relativo del electrn y el protn en el tomo de hidrgeno puede ser comparado al vuelo de una abeja sobre una colmena, a

gran velocidad, tan rpido que slo puede distinguirse una mancha. Teniendo en cuenta

la velocidad de la abeja, la colmena est inmvil. Comparando con el peso de la

colmena, la abeja es virtualmente imponderable.

El volumen de un tomo se define como el lmite de extensin de la nube

electrnica. En un tomo de hidrgeno, por ejemplo, el radio de este volumen es

determinado experimentalmente en 10-8

cm. Esta cifra extremadamente pequea revela

cun diminutos son los tomos, en trminos de dimensiones observables, y por qu

cualquier cantidad ponderable de materia necesita estar formada por gran cantidad de

estas partculas unitarias.

Por otro lado, la mayor parte del espacio en un tomo est vaco. El ncleo se

encuentra concentrado en el centro de ese espacio y la nube electrnica a gran distancia

de l. Un protn, por ejemplo, tiene un radio aproximado de 10-13

cm, mientras que,

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como se ha dicho antes, un tomo de hidrgeno tienen un radio total de

aproximadamente 10-8

cm. Por lo tanto, si imaginamos al protn del tamao de una

pelota de golf, el electrn sera de las dimensiones de una mosca girando alrededor de la

pelota de golf a una distancia de una milla y media.

Considerando que la densidad de un objeto es igual a su masa dividida por su

volumen, se deduce que el protn tiene una densidad enorme. Realmente, si quisiramos

encerrar un cubo exclusivamente de protones, despreciando los electos de repulsin

debidos a las cargas de esas partculas, un centmetro cbico de protones

(aproximadamente las dimensiones de una goma comn de lpiz) tendra un peso del

orden de 1014

g, o sea aproximadamente trescientos millones de toneladas.

Es interesante hacer notar, en conexin con lo anterior, que ciertas estrellas pertenecientes

a la clase enanas blancas, poseen densidades enormes que no son usuales. As la estrella

o2Eridani B tiene una densidad aproximada de 105 g/cm

3 y la estrella de van Maanen tiene una

densidad de alrededor de 106 g/cm

3. Una explicacin a estas densidades anormalmente grandes

puede ser la de suponer que, a las temperaturas y presiones internas presentes en estas estrellas,

se aproximan a una situacin semejante al cubo hipottico de protones, tratado ms arriba.

El descubrimiento experimental de electrones y protones

El descubrimiento del electrn se llev a cabo despus de una serie de

experimentos que comenzaron hace aproximadamente cien aos. En 1859, J. Plcker

construy el primer tubo de rayos catdicos. Consista en un simple tubo de vidrio en el

que se ha practicado el vaco, que contena dos electrodos conectados a una fuente de

electricidad. La aplicacin de un potencial elctrico suficientemente elevado a travs de

esos electrodos, produca lo que pareca ser un flujo de rayos catdicos que parta del electrodo cargado negativamente, el ctodo, en direccin al electrodo cargado

positivamente, el nodo. Este fenmeno fue estudiado con considerable detalle en 1879

por sir William Crookes en un tubo semejante al bosquejado en la figura adjunta. Una

vez evacuado el tubo, Crookes observaba que ocurran los siguientes acontecimientos:

1. Una fosforescencia violeta-rosada se propaga progresivamente a travs del tubo. 2. La fosforescencia desparece casi por completo y una dbil banda es proyectada

desde el ctodo.

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3. Aparece en el ctodo una regin oscura (ms tarde llamada espacio oscuro de Crookes) y se propaga hasta el final del tubo donde el vidrio presenta una fosforescencia azul-verdosa.

Se crey que este ltimo efecto era debido a los rayos catdicos. Crookes y Perrin

descubrieron en 1895 que estos rayos tienen las siguientes propiedades significativas:

1. Siguen una trayectoria en lnea recta a partir del ctodo. 2. Producen la fluorescencia azul-verdosa del vidrio, como se ha dicho. 3. Son absorbidos por los objetos que encuentran en su camino y la sombra de

stos es proyectada sobre el vidrio como una imagen fluorescente.

4. Imparten carga negativa a los objetos que golpean. 5. Son desviados por los campos elctricos y magnticos en una direccin tal que

demuestran que estn cargados negativamente.

6. Pueden causar la rotacin de un molinete situado en su camino, indicando en esa forma que poseen masa.

Por otro lado, a partir de 1874, G. J. Stoney haba propuesto la idea que la

electricidad estaba compuesta de partculas discretas cargadas negativamente, a las

cuales llam electrones. As, por 1897 se haba acumulado un nmero suficiente de

observaciones cualitativas como para llevar a J. J. Thompson a proponer un

experimento, en el cual se hara una medida cuantitativa de una propiedad significativa

de los electrones que se suponan formaban parte de los rayos catdicos. Eligi para

determinarla la relacin e/m, donde e representa la carga de un electrn y m su masa.

Esto fue viable mediante la desviacin de rayos catdicos producida en un tubo de rayos

catdicos de diseo perfeccionado, mediante un campo elctrico y un campo magntico.

Thompson encontr que esta relacin tiene un valor definido de 108 culombios/g, el

cual no est lejos del valor generalmente aceptado de 1,76 108 culombios/g.

En el tubo de rayos catdicos de Thompson, esquematizado en la figura adjunta, los

electrones son emitidos por el ctodo y acelerados hacia el nodo cargado positivamente. Este

nodo, a su vez, tiene una pequea ranura rectangular a travs de la cual pasan algunos

electrones para formar un estrecho haz que se mueve hacia el resto del tubo. Este haz es afinado,

ms adelante, por otra ranura en el diafragma de enfoque y finalmente es dirigido al punto P1

sobre el vidrio, en el cual se observa como una mancha brillante y fluorescente.

Thompson realiz dos medidas, a saber: 1) Aplic un potencial elctrico E a las dos

placas de desviacin electrostticas, de manera de causar una desviacin hacia abajo del haz

electrnico, de modo que la placa positiva atraa al haz cargado negativamente. La desviacin

fue medida tomando en consideracin el punto P2 como muestra la figura. 2) Aplic entonces un

campo magntico H mediante un par de bobinas electromagntica. Si ese campo magntico es

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imaginado normal al plano del papel en el diagrama de la figura, el haz electrnico ser

desviado hacia arriba. La fuerza de este campo magntico fue ajustada hasta volver la mancha al

punto P1.

Calcul entonces e/m apoyndose en los argumentos siguientes, derivados de las

conocidas leyes de los campos electromagnticos: 1) La desviacin S es calculada por

tringulos semejantes a partir de la distancia P1P2. 2) El campo electrosttico ejerce una fuerza

hacia debajo de Ee sobre un electrn que pasa a travs de las placas. 3) La fuerza magntica

opuesta en la segunda experiencia es He, donde es la velocidad del electrn. 4) Entonces, ya que las fuerzas se igualan,

He = E e Resulta:

= E H

Por lo tanto, la velocidad de los electrones es calculada a partir de los dos campos de

fuerzas. 5) La desviacin en el primer experimento es el resultado de la aceleracin uniforme

hacia abajo, y sabiendo que, de acuerdo con la segunda ley de Newton,

F = m a

Tenemos:

a = E e

m

6) Puesto que la aceleracin acta durante el intervalo de tiempo L/ siendo L la distancia desde el punto en que comienza la desviacin del haz y la deflexin S del mismo y ya que la desviacin total, o sea la distancia recorrida hacia abajo, est dada por la expresin

S = at2

Tenemos

S = a(L/)2 = (Ee/m)(L/)2 = (Ee/m)(LH/E)2 = (e/m)(L2H2/E)

En la ecuacin precedente la nica cantidad desconocida es e/m. Esta relacin es, por lo

tanto, calculada a partir de las mediciones experimentales.

El siguiente paso significativo fue la medicin, en 1909, por R. A. Millikan, de la

carga electrnica e mediante su famosa experiencia de la gota de aceite. Hall que las

diminutas gotas de aceite adquieren cargas elctricas cuando son suspendidas en aire

ionizado, es decir, son capaces de atraer y conservar uno o ms electrones con los cuales

chocan en esa atmsfera. Una vez descargadas, estas gotitas de aceite caen lentamente, a

velocidad uniforme, por accin de la gravedad. Teniendo en cuenta esta velocidad de

cada, pudo determinar el tamao y el peso de las gotitas. Entonces, una vez que las

gotitas fueron cargadas, opuso a este movimiento hacia abajo, un campo elctrico

positivo ubicado sobre las gotitas. Mediante la aplicaciones de ecuaciones simples de

movimiento y electrosttica pudo calcular directamente e, la carga del electrn.El valor

aceptado actualmente para e es

4,803 10-10

u.e.s. (unidades electrostticas de carga)

Conociendo e/m y e, la masa de un electrn m se calcula directamente y llevando las u.e.s a culombios en 9,11 10-28 g.

La segunda partcula fundamental que forma parte del tomo de hidrgeno, el

protn, constituye la totalidad del ncleo atmico del ms simple de los tomos. Fue

descubierto y sus propiedades determinadas mediante experiencias similares a aquellas

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que acabamos de describir. En 1886, E. Goldstein perfor el ctodo en un tubo comn

de rayos catdicos de esa poca y observ que si el tubo era evacuado de manera

incompleta, se hallaban rayos canales detrs del ctodo. Estos rayos fluan en direccin opuesta al nodo. Fue demostrado ms tarde que estos rayos eran tambin

desviados por campos elctricos y magnticos, pero la carga asociada a estas partculas

era ms bien positiva que negativa. J. J. Thompson en 1897 estudi estos rayos de la

misma manera que los rayos catdicos. En un aparato similar al descrito ms arriba

determin e/M, donde M es la masa de las partculas que componen los rayos. Esta vez

encontr que e/M (y a su vez M) dependa de la naturaleza del gas residual del tubo. Por

lo tanto, los rayos canales eran chorros de partculas de gas ionizado, positivamente

cargadas. Se hall, para esas partculas, un valor mximo de e/M cuando el gas residual

era hidrgeno y ese valor fue asociado con el protn H+. Puesto que el valor encontrado

fue 1/1.836 veces el valor de e/m y siendo e el mismo para ambas partculas, salvo su

signo, se deduce que la masa del protn es 1.836 veces la masa del electrn y que en el

tomo de hidrgeno la masa total del tomo es la suma de una parte debida a la masa del

electrn y 1.836 partes debidas al ncleo atmico.

El nmero atmico y el concepto de istopo

Como se ha hecho notar en las secciones anteriores, el tomo de hidrgeno est

formado por un nico protn y un nico electrn. Recprocamente, todos los tomos que

tienen un solo protn en el ncleo son tomos de hidrgeno. Un ncleo atmico que

contiene dos protones es un tomo de helio; un ncleo atmico que contiene tres

protones es un tomo de litio. Podemos extender y resumir este concepto estableciendo

que la identidad qumica de un tomo est determinada por el nmero de protones

contenidos en el ncleo. El nmero de protones del ncleo es llamado tambin nmero

atmico y se le da el smbolo Z. En tomos neutros, el nmero atmico debe ser igual

tambin al nmero total de electrones extranucleares que rodean al ncleo. El hidrgeno

tiene, por lo tanto, el nmero atmico ms bajo, a saber Z = 1. Para el helio, Z = 2, y

para el litio, Z = 3. Los ncleos de los tomos que son ms complejos que el simple

tomo de hidrgeno estn constituidos, sin embargo, no solamente por protones sino

adems por otro tipo de partculas fundamentales. Este segundo tipo de partculas se

llaman neutrones. El neutrn es, en muchos aspectos, muy similar al protn. Tiene

aproximadamente el mismo tamao y peso y por lo tanto la misma densidad. Difiere del

protn en una caracterstica muy importante: carece de la carga positiva que posee el

protn. Esta propiedad de la neutralidad elctrica permite al neutrn contribuir con su

masa en el ncleo atmico sin aportar carga.

Si al nico protn del ncleo del hidrgeno se adiciona un solo neutrn, el peso

del tomo resultante ser aproximadamente el doble que el del tomo original, ya que

protones y neutrones tienen aproximadamente el mismo peso. El nuevo tomo, al cual

llamamos hidrgeno-2, o H2, como su nombre lo indica, es an un tomo del elemento

hidrgeno, ya que el ncleo an contiene solamente un protn y por definicin todos los

tomos con un protn son hidrgeno. El nombre comn dado a este tipo de tomo de

hidrgeno es deuterio; as es como 2H2O, por ejemplo, es llamado xido de deuterio (o

agua pesada). Los dos tomos de hidrgeno uno con un protn nico, otro con un protn y un neutrn son llamados istopos uno de otro. Los istopos son, por lo tanto, tomos que tienen el mismo nmero de protones, pero diferente nmero de neutrones,

en sus respectivos ncleos.

Si agregamos an otro neutrn al tomo original de hidrgeno, obtenemos un

tomo de masa 3 con relacin a la masa inicial. El ncleo contiene ahora tres partculas

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dos neutrones y un protn de, aproximadamente, igual masa. Este nuevo hidrgeno, al cual llamamos hidrgeno-3 o H

3, es an un tomo de hidrgeno, ya que contiene

todava un protn y es por supuesto un istopo del hidrgeno normal H1. El nombre

comn dado a este tomo es tritio y por lo tanto el compuesto 3H2O es llamado xido de

tritio (o agua superpesada).

Exactamente en la misma forma que hemos construido los varios istopos del

hidrgeno, podemos formar los istopos de otros elementos. Cada tomo de helio, por

ejemplo, tiene dos protones en el ncleo. Si agregamos un nico neutrn tenemos un

tomo de helio-3 (dos protones ms un neutrn). Si agregamos dos neutrones, tenemos

un tomo de helio-4 (dos protones ms dos neutrones). Estos dos tomos de helio son

istopos uno del otro. Una situacin muy semejante se aplica para todos los otros

elementos. El elemento con el mayor nmero de istopos estables es el estao, que tiene

diez istopos naturales.

Masas isotpicas

A pesar de que las unidades fundamentales de la materia son los tomos y las

molculas las subdivisiones ms pequeas de sustancia qumica que tienen las mismas propiedades qumicas que toda la materia, estas unidades, a su vez, estn compuestas por partculas an ms pequeas. Como hemos visto, hay esencialmente dos clases de

partculas unitarias, de las cuales todos los tomos estn compuestos, a saber: neutrones

y protones. Las determinaciones experimentales han mostrado que, a pesar de que estas

dos partculas poseen un nmero de propiedades diferenciables entre s, ellas tienen casi

la misma masa. Sin embargo, solamente el nmero de protones presentes en el ncleo

del tomo es lo que decide la naturaleza qumica del mismo. El peso del ncleo, por otro

lado, est determinado principalmente por la suma del nmero de neutrones y de

protones presentes. El neutrn es comnmente designado por el smbolo 0n1, en el cual

el subndice indica la carga elctrica, en este caso cero, y el exponente indica la masa,

en este caso una unidad (definida ms abajo). Anlogamente el protn es designado por

el smbolo 1p11H

1 indicando en ambos casos la unidad de carga y la unidad de masa.

Usando esta notacin, podemos ahora designar la composicin nuclear de

cualquier ncleo. Por ejemplo, la notacin 3L7 muestra que el ncleo particular del litio

que estamos considerando contiene tres protones y cuatro neutrones. El nmero de

neutrones es, por supuesto, la diferencia entre el exponente, que indica el nmero total

de protones y neutrones y el subndice, que indica solamente el nmero de protones.

Empleando esta notacin, podemos escribir para los tres istopos del hidrgeno y para

los dos istopos del helio, respectivamente, 1H1, 1H

2, 1H

3 y 2He

3, 2He

4.

Es evidente, entonces, que el smbolo 92U238

se refiere a un tomo de uranio de

masa atmica 238 de los cuales 92 unidades son protones. Por otra parte, el nmero de

neutrones en 1H1 es 1 1 = 0; en 1H

2 es 2 1 = 1; en 2He

4 es 4 2 = 2, y en 92U

238 es

238 92 = 146 neutrones. Es conveniente, ahora, definir una unidad de masa a la cual llamaremos una

unidad de masa atmica, que se abrevia u.m.a. Ella se describe como la dieciseisava

parte del peso del tomo 8O16

. Este valor es, aproximadamente, 1,161 10-24

g. Usando

esta unidad, se ha calculado que el neutrn pesa 1,008982 u.m.a y el protn pesa

1,007593 u.m.a. En primera aproximacin puede suponerse que la masa de un ncleo

dado, compuesto por varios neutrones y protones, es exactamente igual a la suma de las

masas de todos los neutrones y protones que lo componen. A pesar de que esto es

aproximadamente cierto, se sabe por estudios de fsica nuclear que, para un ncleo

estable, la masa real del ncleo es siempre algo ms pequea que la calculada a partir de

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la suma de las masas de los neutrones y protones. Por lo recin tratado podemos admitir,

sin embargo, que el peso del ncleo particular, indicado por el ndice superior derecho

del smbolo qumico, est dado por la suma del nmero de neutrones ms el nmero de

protones. As 6C12

pesa aproximadamente 12 unidades de masa atmica; 47Ag108

pesa

aproximadamente 108 unidades de masa atmica, y 92U238

pesa aproximadamente 238

unidades de masa atmica.

En los elementos tales como berilio, flor y aluminio, los cuales estn compuestos

solamente de una clase de ncleos estables, todos los tomos del elemento particular

tienen el mismo peso. As, todos los tomos estables de berilio pesan alrededor de 9

u.m.a, todos los tomos estables de flor pesan aproximadamente 19 u.m.a y todos los

tomos estables de aluminio pesan cerca de 27 u.m.a.

La mayora de los elementos, sin embargo, estn formados por ms de un istopo

estable. Por ejemplo, hemos visto que existen dos istopos estables del hidrgeno. El

hidrgeno ordinario est compuesto de 99,985% de 1H1 con masa isotpica de 1,008814

u.m.a, 0,015% de 1H2 con masa isotpica de 2,01473 u.m.a y trazas de 1H

3, el cual es

radiactivo. De manera similar, el litio est compuesto por dos clases de tomos estables:

7,42% de 3Li6 con masa isotpica de 6,01686 u.m.a y 92n58% de 3Li

7 con masa

isotpica de 7,01818 u.m.a.

Si determinamos la masa de un tomo por algn procedimiento qumico llegamos,

por supuesto, a determinar que es el promedio de las masas isotpicas de todos los

ncleos estables que formaban ese elemento. Podemos expresar esta masa atmica

promedio con la siguiente relacin:

Masa atmica promedio = ai mi i 100

en la cual ai es el porcentaje de abundancia de un istopo dado de masa mi y la

sumatoria comprende a todos los istopos estables del elemento en cuestin.

EJEMPLO 1. Clculo de la masa atmica promedio del elemento cloro. El cloro es

una mezcla de 75,4 de 17Cl35

de masa isotpica 34,97867 y 24,6% de 17Cl35

de masa

isotpica 36,97750 u.m.a. Por lo tanto, la masa atmica promedio del cloro es:

0,754 34,97867 + 0,246 36,97750 = 26,374 + 9,096 = 35,470 u.m.a

En la prctica, el mtodo ms comn para determinar masas isotpicas y la

abundancia de los istopos es el que emplea el espectroscopio de masa. En este

instrumento, una muestra del elemento en cuestin es vaporizada y se permite que el

vapor fluya a un espacio de alto vaco. Por bombardeo del vapor con electrones los

tomos se ionizan. Estos iones, a su vez, son acelerados por un campo elctrico aplicado

de manera de enfocarlos en las ranuras del espectrmetro. Perpendicularmente al campo

elctrico, se aplica un campo magntico cuya intensidad puede ser modificada.

Eligiendo de manera conveniente las intensidades de los campos elctrico y magntico,

los iones rpidos son obligados a recorrer una trayectoria circular e impresionar una

pelcula fotogrfica. La ubicacin de la macha en la pelcula donde los iones inciden y

se produce el oscurecimiento del film, est determinada por la relacin de carga a masa

del ion para una dada intensidad de campo elctrico y magntico. Calibrando el

espectrmetro con iones de masa conocida, la masa de un ion desconocido puede ser

determinada por su posicin en la pelcula fotogrfica. La intensidad del oscurecimiento

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de la pelcula para un tiempo de exposicin conocida permite, por otro lado, realizar el

clculo de la abundancia relativa de una masa particular.

Es importante reconocer que la determinacin de masas isotpicas mediante la

espectrometra de masa es una determinacin relativa y depende de la eleccin

arbitraria de un elemento tipo. Tal como ya hemos dicho, este elemento tipo es el tomo

de oxgeno-16 al cual se le asigna convencionalmente una masa de 16 u.m.a. Todos los

otros valores del espectrmetro de masa son calculados tomando este valor como

referencia.

El concepto de peso atmico

En la seccin precedente, examinamos el concepto de masa isotpica promedio y

su relacin con las masas y abundancias de los istopos estables individuales que

forman un elemento dado. Antes del descubrimiento de los istopos y del desarrollo del

conocimiento detallado que poseemos ahora de la estructura nuclear, esta masa

isotpica promedio era llamada peso atmico, trmino comnmente an usado hoy da,

a pesar de que sabemos que, con excepcin de los elementos monoisotpicos, tales

como berilio, flor y aluminio, el mismo no tiene un significado preciso.

Por supuesto, para una cantidad de elementos, el peso atmico no es constante,

sino que depende de manera significativa del origen de un elemento particular. Un

ejemplo destacado de esto, es el elemento plomo. El plomo ordinario est compuesto de

istopos estables de masa 204, 206, 207 y 208. De esos istopos el de masa 206 es el

producto final de la desintegracin del U238

, el de masa 207 es el producto final de la

desintegracin del U235

y el de masa 208 es el producto final de la desintegracin del

Th232

. El peso atmico del plomo aislado de un mineral depende de cuanto U238

, U235

y

Th232

haba originalmente en el mineral. As, el plomo aislado de la pechblenda, mineral

rico en U238

, tiene un peso atmico de 206,06, mientras que el plomo aislado de la torita

de Noruega, mineral rico en Th232

, se determina que posee un peso atmico de 207,90.

El boro muestra tambin variaciones de su peso atmico. Para el boro aislado de la

colimanita californiana se ha determinado un peso atmico de 10,84, mientras que el

aislado del mineral boracita de Asia Menor se le ha encontrado un peso atmico de

10,82. Disimulando esta inconstancia ocasional del peso atmico, podemos aun llegar a

decir que, dentro de los lmites de aproximacin de la mayora de los experimentos

qumicos, para la mayor parte de los elementos el peso atmico es constante,

independientemente de su origen.

En los primeros aos del siglo XIX, los pesos atmicos de una parte de los

elementos ya haban sido tabulados. Una inspeccin de estos pesos atmicos condujo a

un doctor ingls, William Prout, a la conclusin de que, como la mayora de los

elementos tenan pesos atmicos enteros, todos los elementos deban estar compuestos

de hidrgeno, el cual posee un peso atmico de valor cercano a 1. Actualmente sabemos

que la hiptesis de Prout es slo parcialmente correcta, en el sentido de que todos los

elementos estn compuestos de tomos, los cuales a su vez estn formados de neutrones

y protones, cada uno de ellos de masa aproximadamente igual a la del tomo de

hidrgeno. Sin embargo, el hallazgo de pesos atmicos que son claramente nmeros no

enteros, tal como 35,5 para el cloro y 58,7 para el nquel, destruy muy pronto aquella

hiptesis, la que cay en el descrdito. Reconocemos ahora, por supuesto, que estos

pesos atmicos fraccionarios surgen de la combinacin de masas isotpicas enteras y de

la proporcin de los istopos individuales.

La escala de pesos atmicos que hemos definido ms arriba, que se basa en el

valor 16 para el peso atmico del O16

, es llamada escala fsica de pesos atmicos. Es la

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usada en la mayora de los clculos por los fsicos y qumicos nucleares. Para la mayor

parte de los clculos qumicos, se usa una segunda escala de pesos atmicos. Esta

escala, correctamente llamada escala qumica de pesos atmicos, se basa en la

asignacin de un valor de 16 para el peso atmico del oxgeno natural. Las dos escalas

seran idnticas, si no fuera por el hecho que el oxgeno encontrado en la naturaleza

contiene no slo O16

, sino ste en una proporcin de 99,76%, y tambin 0,04% de O17

y

0,20% de O18

. Actualmente, la diferencia entre las dos escalas es pequea, llegando a un

0,027% y para la mayora de los clculos precisos no interesa qu escala se emplea.

Para convertir la escala fsica a la escala qumica de pesos atmicos, solamente es

necesario dividir el peso atmico fsico por 1,00027, e inversamente para convertir de la

escala qumica a la escala fsica de pesos atmicos slo es necesario multiplicar el peso

atmico qumico por 1,00027. As, el peso atmico del hidrgeno ordinario es 1,00814

en la escala fsica y 1,00785 en la escala qumica. Recprocamente, ya que el peso

atmico del nitrgeno ordinario es 14,0076 en la escala qumica, es 14,0076 1,00027

= 14,0114 en la escala fsica. En la prctica, la escala qumica de pesos atmicos es

empleada normalmente por los qumicos y es la que usaremos en el presente libro,

excepto cuando la otra escala se especifica especialmente. Como referencia, el cuadro

adjunto da una lista de los pesos atmicos de todos los elementos. Ellos son, en su

mayor parte, valores recientes hasta el momento de ser escrito este libro, aprobados por

la Unin Internacional de Qumica Pura y Aplicada (IUPAC, sus siglas en ingls).

Elemento Smbolo Nmero

atmico

Peso

atmico

Elemento Smbolo Nmero

atmico

Peso

atmico

Actinio Ac 89 (227) Einsteinio Es 99 (254)

Aluminio Al 13 26,98 Erbio Er 68 162,51

Americio Am 95 (243) Escandio Sc 21 44,96

Antimonio Sb 51 121,76 Estao Sn 50 118,10

Argn A 18 39,944 Estroncio Sr 38 87,63

Arsnico As 33 74,91 Europio Eu 63 152,0

Astato At 85 (203) Fermio Fm 100 (253)

Azufre S 16 32,07 Flor F 9 19,00

Bario Ba 56 137,36 Fsforo P 15 30,975

Berkelio Bk 97 (247) Francio Fr 87 (223)

Berilio Be 4 9,013 Gadolinio Gd 64 157,26

Bismuto Bi 83 209,00 Galio Ga 31 69,72

Boro B 5 10,82 Germanio Ge 32 72,60

Bromo Br 35 79,916 Hafnio Hf 72 178,50

Cadmio Cd 48 112,41 Helio He 2 4,003

Calcio Ca 20 40,08 Hidrgeno H 1 1,0080

Californio Cf 98 (251) Hierro Fe 26 55,85

Carbono C 6 12,011 Holmio Ho 67 164,94

Cerio Ce 58 140,13 Indio In 49 114,82

Cesio Cs 55 132,91 Iridio Ir 77 192,2

Cinc Zn 30 65,38 Kriptn Kr 36 83,80

Cloro Cl 17 35,457 Lantano La 57 138,92

Cobalto Co 27 58,94 Litio Li 3 6,940

Cobre Cu 29 63,54 Lutecio Lu 71 174,99

Cromo Cr 24 52,01 Magnesio Mg 12 24,32

Curio Cm 96 (247) Manganeso Mn 25 54,94

11

Disprosio Dy 66 162,51 Mendelevio Md 101 (256)

Mercurio Hg 80 200,61 Renio Re 75 186,22

Molibdeno Mo 42 95,95 Rodio Rh 45 102,91

Neodimio Nd 60 144,27 Rubidio Rb 37 85,48

Nen Ne 10 20,183 Rutenio Ru 44 101,1

Neptunio Np 93 (237) Samario Sm 62 150,35

Niobio Nb 41 92,91 Selenio Se 34 78,96

Nquel Ni 28 58,71 Silicio Si 14 28,09

Nitrgeno N 7 14,008 Sodio Na 11 22,991

102 102 (253?) Talio Tl 81 204,39

Oro Au 79 197,0 Tantalio Ta 73 180,95

Osmio Os 76 190,2 Tecnecio Tc 43 (97)

Oxgeno O 8 16,000 Teluro Te 52 127,61

Paladio Pd 46 106,4 Terbio Tb 65 158,93

Plata Ag 47 107,830 Titanio Ti 22 47,90

Platino Pt 78 195,09 Torio Th 90 232,05

Plomo Pb 82 207,21 Tulio Tm 69 168,94

Plutonio Pu 94 (239) Tungsteno W 74 183,86

Polonio Po 84 (209) Uranio U 92 238,07

Potasio K 19 39,100 Vanadio V 23 50,95 Praseodimio Pr 59 140,92 Xenn Xe 54 131,30

Prometio Pm 61 (145) Yodo I 53 126,91 Protactinioo Pa 91 (231) Yterbio Yb 70 173,04

Radio Ra 88 (226) Ytrio Y 39 88,92

Radn Rn 86 (222) Zirconio Zr 40 91,22

Nota: Los valor de pesos atmicos dados entre parntesis sealan los de los istopos

conocidos de vida ms larga de cada elemento.

Concepto de peso molecular

Puesto que la unidad ms simple de todos los compuestos (excepto, estrictamente

hablando, compuestos inicos) y aun de muchos de los elementos es una molcula de

dos o ms tomos, es til definir el peso molecular de una sustancia. ste es

simplemente la suma de los pesos atmicos de todos los tomos que componen la

molcula. (Si una sustancia est compuesta de molculas monoatmicas, es decir, si

existe tal como tomo, entonces, el molecular es simplemente igual al peso atmico.

Esto es cierto, por ejemplo, en los gases inertes He, Ne, Ar, Kr, Xe y Rn). Para

molculas diatmicas, tales como H2, N2, O2 y F2, el peso molecular es dos veces el

peso atmico del tomo particular en cuestin. Para el fsforo, el cual forma molculas

P4, el peso molecular es cuatro veces el peso atmico del fsforo y para azufre, que a su

vez forma anillo S8, el peso molecular es ocho veces el peso atmico del azufre.

El concepto de peso molecular puede ser aplicado, por supuesto, a las molculas

compuestas por ms de una clase de tomos. Para el gas ClH, por ejemplo, el peso

molecular es la suma de los pesos atmicos del hidrgeno y del cloro y para el xido

ntrico, NO, el peso molecular es la suma de los pesos atmicos del nitrgeno y del

oxgeno. Si una molcula contiene ms de un tomo de una clase dada, este hecho

tambin debe ser tenido en cuenta. Por lo tanto, el peso molecular del agua, H2O, es la

suma de dos veces el peso atmico del hidrgeno ms el peso atmico del oxgeno. De

manera similar, el peso molecular del cido sulfrico, SO4H2, es la suma de dos veces el

12

peso atmico del hidrgeno ms el peso atmico del azufre, ms cuatro veces el peso

atmico del oxgeno.

El concepto de peso molecular no puede ser aplicado correctamente a compuestos

inicos, tales como, por ejemplo, el cloruro de sodio, pues estas sustancias no existen en

la naturaleza como molculas. Para salvar esta dificultad, el qumico define el peso

frmula, el que, para todos los propsitos de la prctica, es calculado tal cual como el

peso molecular. As, el peso frmula del cloruro de sodio, ClNa, es la suma de los pesos

atmicos del Na y del Cl y es igual a 22,997 + 35,457 = 58,454.

tomo-gramo y molcula-gramo

Hasta este punto, hemos estado refirindonos solamente a las masas o pesos de

tomos o molculas individuales, sin relacionarlos con cantidades ponderables de

sustancias. Como antes hemos destacado, un solo tomo o una sola molcula de una

sustancia de bajo peso molecular pesa alrededor de 10-23

a 10-24

g. sta es, por supuesto,

una cantidad demasiado pequea para el manejo de ella por el qumico, aun con los

instrumentos ms delicados. Se hace necesario, por lo tanto, definir unidades para un

nmero adecuado de tomos o molculas, de manera que este nmero represente una

escala prctica de pesos para el clculo de cantidades relativas de sustancias qumicas.

Una unidad tal, es el tomo-gramo. Se define como la cantidad, de cualquier

elemento, numricamente igual en gramos a su peso atmico, basado en nuestro

arbitrario patrn de oxgeno igual a 16. As, el tomo-gramo de oxgeno es 16 g y el

tomo-gramo de hidrgeno es 1,008 g. De igual forma, 35,457 g representa el tomo-

gramo de cloro y 63,57 g representa el tomo-gramo de cobre.

Vinculada al tomo-gramo est la molcula-gramo o mol, la cual es la cantidad en

gramos numricamente igual al peso molecular. As, unmol de gas O2 pesa 32 g y un

mol de agua pesa 18 g. Igualmente, 98 g representan un mol de SO4H2 y 63 g

representan un mol de NO3H.

Junto con el tomo-gramo y molcula-gramo es conveniente, a veces, definir la

frmula-gramo de una especie qumica dada. O sea, simplemente, el peso en gramos

numricamente igual a la suma de los pesos atmicos que aparecen en la frmula en

cuestin. Por lo tanto la frmula-gramo del ion [Cu(H2O4]+2

es 63,57 + (4 18,00) =

135,57 g y 266,7 g es la frmula-gramo del (Cl2Al)2. La frmula-gramo es un concepto

particularmente til para realizar clculos que abarcan sustancias inicas.

EJEMPLO. Mediante el empleo de los datos del cuadro de pesos atmicos internacionales determinar el tomo-gramo y la molcula-gramo de la sustancia Br2.

En el cuadro encontramos que el peso atmico del bromo es 79,92. Por lo tanto, el

tomo-gramo del bromo es 79,92 g y la molcula-gramo del bromo es, ya que existe

como molcula diatmica, 79,92 2 = 159,84 g.

Teniendo en cuenta estas definiciones de tomo-gramo y molcula-gramo,

podemos ahora examinar brevemente cmo los pesos atmicos de las sustancias eran

determinados antes del desarrollo del espectrmetro de masa. Una ecuacin qumica tal

como:

4Ag + O2 2 AgO2

nos dice no slo que cuatro tomos de plata se combinan con una molcula de oxgeno

para dar dos molculas de xido de plata, sino tambin que cuatro tomos-gramo de

13

plata se combinan con una molcula-gramo de oxgeno para dar dos molculas-gramo

de xido de plata. Si determinamos ahora, experimentalmente, cunto xido de plata se

forma a partir de 32 g de oxgeno y un exceso de plata metlica, encontramos que se han

formado 463,52 g. Puesto que la ecuacin qumica nos dice que eso representa el peso

de dos molculas-gramo de xido de plata, entonces una molcula-gramo de Ag2O

corresponde a 231,76 g. Ya que 16 g de esto se deben al oxgeno 231,76 16,00 = 215,76 g corresponden a la plata y representan dos tomos-gramo. El peso del tomo-

gramo de la plata de la plata es entonces 215,76/2 = 107,88 g, de acuerdo con el valor

aceptado.

A pesar de que sera deseable determinar directamente el peso de todos los

elementos por combinacin con el patrn oxgeno, como fue hecho ms arriba para la

plata, esto no siempre es posible. Por esta razn, han sido adoptados un nmero de

patrones secundarios tales como la plata, los halgenos y el cesio. Mediante el uso de

estos patrones secundarios pueden determinarse, por mtodos gravimtricos, los pesos

atmicos de todos los elementos, con excepcin de los gases inertes y de los elementos

sintticos. Para los gases inertes se emplean, tanto mtodos volumtricos como la

espectrometra de masa. Las determinaciones de pesos atmicos de elementos sintticos

son realizadas, usualmente, mediante tcnicas que implican clculos de desintegracin

radiactiva.

La razn por la cual el qumico funda sus clculos de pesos atmicos en la escala qumica

de pesos atmicos aparece de inmediato, si se tiene en cuenta que para tales determinaciones se

emplean mtodos gravimtricos. En una experiencia tal como la sntesis del xido de plata,

tratada anteriormente, el oxgeno utilizado para llevar a cabo el experimento est compuesto de

una mezcla natural de O16

, O17

y O18

y no nicamente del istopo O16

. De ah que el qumico fue

forzado histricamente a usar una escala basada en 16 como el peso atmico de la mezcla de

oxgeno natural, en lugar de la convencin posterior de los fsicos.

Se han hecho varias proposiciones con el objeto de unificar estas dos escalas de pesos

atmicos, existentes corrientemente. Esto podra hacerse eligiendo como tipo fijo un elemento

que tenga solamente un nico istopo estable. Sin embargo, con tales cambios surge un gran

nmero de problemas. Primero, el nuevo patrn adoptado sera tal, que el cambio en los pesos

atmicos existentes seran tan pequeo que slo los datos ms precisos tendran que ser

calculados nuevamente sobre las nuevas bases. Esto permitira dejar sin alteracin una gran

cantidad de literatura cientfica. Segundo, el nuevo elemento tipo sera adecuado, tanto para las

determinaciones de los pesos atmicos qumicos por los mtodos de sustitucin, como para la

determinacin de los pesos atmicos fsicos por los mtodos de espectrometra de masas.

La Comisin Internacional de Pesos Atmicos reunida en Pars en 1957, discuti en

detalle la posibilidad de adoptar una escala unificada de pesos atmicos. Los patrones

considerados incluan la asignacin de una masa 19 para 9F19

; de 12 para 6C12

; de 15 para 7N15

;

de 17 para 8O17

, y de 18 para 8O18

. Los cambios en el Cuadro Internacional de Pesos Atmicos

que resultaran de la adopcin de estos patrones iran desde +0,0004% para el O18

patrn hasta

-0,0042% para el C12

patrn. Hasta el momento de ser escrito este libro, ninguno de los patrones

sugeridos ha encontrado la aprobacin universal, tanto por parte de los qumicos como de los

fsicos.

Capas electrnicas

Ya que un tomo debe ser un ente neutro, el nmero de electrones que rodean al

ncleo de un tomo de un elemento en su forma ms simple, debe ser precisamente

igual al nmero de protones del ncleo cargados positivamente. Un tomo de hidrgeno

14

neutro tiene un solo electrn que gira alrededor del ncleo, el helio posee dos

electrones, el litio tres y as sucesivamente hasta el elemento 102, el cual posee 102

electrones que rodean al ncleo de manera tal que constituyen un tomo neutro. A partir

de esto se deduce que el ordenamiento peridico de los elementos basados en su nmero

atmico constituye un agrupamiento por orden creciente de los nmeros de electrones

que rodean al ncleo. Una observacin an ms sorprendente surge, sin embargo, si

recordamos que el comportamiento qumico de un elemento est regido por el nmero y

el orden de los electrones alrededor del ncleo, ms que por la constitucin del ncleo

en s. Esto nos conduce a concluir que el ordenamiento peridico de los elementos de

acuerdo al nmero atmico y al comportamiento qumico, debe ser un reflejo de un

agrupamiento peridico de los electrones alrededor del ncleo. Por ejemplo, el

ordenamiento electrnico en el tomo de sodio neutro debe estar estrechamente ligado

al ordenamiento electrnico alrededor del tomo de litio. Anlogas relaciones de grupos

de electrones deben existir, por lo tanto, entre berilio y magnesio, entre boro y aluminio,

etc.

A fin de llegar a una respuesta razonable a la pregunta de cul debe ser el

ordenamiento de los electrones alrededor del tomo, es til recordar la naturaleza

qumica especial de los elementos que estn situados entre los halgenos, fuertemente

no metlicos, y los metales alcalinos, fuertemente metlicos. Este grupo de elementos, a

los cuales nos hemos referido ms arriba como gases inertes, est caracterizado

qumicamente por la incapacidad total de estos elementos de entrar en combinacin con

cualquier otro elemento. Puesto que la reactividad qumica, por la regla antes

establecida, es un reflejo del ordenamiento electrnico alrededor del ncleo, el

ordenamiento electrnico en un tomo de uno de los elementos de los gases inertes

deber tener una configuracin de excepcional estabilidad.

Una observacin de la Tabla Peridica muestra que los elementos gases inertes,

helio, nen, argn, kriptn, xenn y radn tienen los nmeros atmicos 2, 10, 18, 36, 54

y 28 respectivamente. Postularemos que esos nmeros implican capas cerradas de

electrones. As, el helio tiene una configuracin estable de dos electrones, el nen una

15

configuracin estable de diez electrones, etc. Adems, observamos que el litio tiene un

electrn en exceso con respecto a la capa electrnica cerrada del helio, el sodio tiene un

electrn de exceso con respecto a la configuracin del nen y as sucesivamente con el

resto de los metales alcalinos, los cuales tienen un electrn de exceso con respecto a la

configuracin de los gases inertes. En el otro extremo del cuadro peridico notamos que

el flor necesita un electrn para completar la configuracin del nen, el cloro necesita

un electrn para tener la configuracin del argn y as sucesivamente.

Igualmente, la familia de elementos encabezada por el berilio (grupo alcalino-

trreo) tiene dos electrones de exceso con respecto a la configuracin ms prxima de

los gases inertes e inversamente los miembros del grupo de elementos del oxgeno

necesitan dos electrones para tener la estructura electrnica de un gas inerte. Realmente,

cada elemento de la Tabla Peridica puede caracterizarse en funcin del exceso o

defecto de nmero de electrones que rodean los tomos de tales elementos, con respecto

al nmero de electrones que rodean al tomo de gas inerte ms prximo. Ya que hemos

atribuido una importancia especial a los electrones que forman una capa sobre cada uno

de los gases inertes, el exceso o defecto de electrones que rodean a un tomo dado

puede ser expresado en funcin de esas capas electrnicas.

Puesto que es conveniente hablar de capas en helio, capas de nen, etc., a la capa

del helio se la denomina capa K, a la del nen capa L y as sucesivamente con las letras

M, N, O y P para las capas de argn, kriptn, xenn y radn respectivamente. Mediante

esta notacin podemos ordenar los electrones de varios elementos en sus respectivas

capas, pero antes es conveniente subdividir los electrones en subcapas u orbitales

designados con las letras s, p, d y f.

En cada capa el nmero de electrones que completa cada una de las subcapas es el

siguiente: subcapa s, 2 electrones; subcapa p, 6 electrones; subcapa d, 10 electrones, y

subcapa f, 14 electrones. En realidad, no se utiliza ninguna capa ms all de f, puesto

que no existe ningn elemento de tamao suficiente que requiera la capa g. Las

subcapas en cada capa principal, se debera insistir, son cubiertas en el orden s, p, d, f.

Por esto, la capa K consta de una nica subcapa s con una capacidad para dos

electrones. Estos dos electrones se simbolizan como electrones 1s, donde el prefijo

indica que los electrones pertenecen a la capa K (la primera). Usando esta nomenclatura

podemos describir la configuracin electrnica del hidrgeno como 1s1, donde el

superndice de este ejemplo indica un solo electrn. De la misma manera, la

configuracin electrnica del helio es 1s2. Aqu el prefijo 1 muestra que los electrones

pertenecen a la capa K y el superndice indica que el helio posee dos electrones en esa

capa.

Puesto que la capacidad de la capa electrnica L es de ocho electrones, dos de

ellos son usados para llenar la subcapa s, dejando seis parta llenar la subcapa p. De esta

forma, la configuracin electrnica del litio es 1s2s

2; la del berilio es 1s

22s

2sp

1. La

configuracin de los elementos restantes de la primera fila de la Tabla Peridica es,

entonces, para carbono 1s22s

22p

2; para nitrgeno 1s

22s

22p

3; para oxgeno 1s

22s

22p

4;

para flor 1s22s

22p

5, y finalmente, para nen 1s

22s

22p

6. Una notacin alternativa es (K

2s1); (K 2s

2); (K 2s

22p

1), etc.

En la tercera capa o sea M, notamos que tiene una capacidad total de 18

electrones, a saber: 3s23p

63d

10; por lo tanto, es de esperar que si el orden de entrada de

los electrones a las subcapas ocurriera estrictamente en orden de sucesin, habra 17

elementos entre el gas inerte nen y el gas inerte argn. Sin embargo, si observamos la

Tabla Peridica vemos que hay solamente siete elementos entre nen y argn y a partir

de esta informacin debemos llegar a la conclusin que solamente el 3s23p

6o

distribucin octeto es precisa en la capa externa o de valencia para lograr la

16

estabilidad de los gases inertes. Aparentemente la capa 3d permanece an incompleta.

Haciendo esta suposicin, podemos escribir entonces las configuraciones electrnicas

para la tercera fila de elementos de manera anloga que para la segunda, empleando ya

sea la notacin 1s22s

22p

63s

1, etc., o la notacin abreviada, ms conveniente (KL 3s

1),

etc., donde K, L se refieren a las capas internas completas. Una vez alcanzada la cuarta fila, que comienza con potasio, es necesario postular

que la capa N se halla prxima a completarse, es decir: un electrn 4s existe como

electrn externo, si la configuracin del potasio, el cual es un metal alcalino como el

sodio, est de acuerdo con su comportamiento qumico. Igualmente, suponemos que la

configuracin de la capa externa del calcio es 4s2, por la misma razn.

Sucede que los electrones 3d entran en la capa electrnica M despus que los

electrones 4s entran en la capa N y descubrimos la primera de las varias inversiones del

orden de entrada de los electrones en las subcapas. Puede verse que los electrones 3d

por definicin entran no en la capa ms externa de valencia, sino en una capa interior a

la de valencia. Podemos esperar ahora, por lo tanto, menos cambios en las propiedades

qumicas a medida que prosigamos de elemento en elemento en la Tabla Peridica y

esto experimentalmente cierto. Al completarse la capa d (tambin 4d y 5d) se originan

las tres series de elementos de transicin: la serie 3d que comienza con escandio (smbolo qumico Sc) y termina con cinc (smbolo Zn), la serie 4d que comienza con

ytrio (smbolo Y) y termina con cadmio (smbolo Cd), finalmente la serie 5d que

comienza con lantano (smbolo La) y que termina con mercurio (smbolo Hg).

Hay an otra inversin del orden, la que comprende los electrones de tipo f. Los

primeros de stos son los 14 electrones 4f que entran en la capa N despus que la

subcapa 6s2 se ha completado. Estos electrones 4f entran en la segunda capa interior a la

capa de valencia. Podemos esperar leves cambios en las propiedades de los tomos una

vez que esta capa est completa, y esto ha sido comprobado tambin de manera

experimental. Hay dos series conocidas de estos elementos de transicin interna, la

serie 4f de los lantnidos (elementos 57 a 71) y la serie 5f o de los actnidos (que

comienza con el elemento 89 serie an incompleta que se extiende a travs de los elementos sintticos transurnidos conocidos).

En resumen, el orden de entrada de los electrones en las subcapas es 1s, 2s, 2p, 3s,

3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f Conociendo esta sucesin es posible redactar las configuraciones electrnicas de todos los elementos conocidos. Pero

resumamos el orden de entrada de los orbitales en la siguiente figura:

Para aplicarla a la escritura de la configuracin electrnica de un elemento,

debemos seguir el orden indicado por las flechas. As, por ejemplo, la configuracin del

niobio (smbolo Nb) sera 1s22s

22p

63s

23p

64s

23d

104p

65s

24d

3, en la que quedan

acomodados sus 41 electrones.