|
ESTRUCTURA ATÒMICA
1. Teoria atòmica
de Dalton (1803-1808):
Després que els alquimistes intentaren
la transmutació del plom en or, els químics,
al segle XVIII establiren que:
Element era una substància
que no podia descompondre’s en altres per mètodes químics
o físics.
Dalton (1766-1844) s’estranyava
que l’aire, a distintes altures tingués la mateixa
composició, malgrat que els components (CO2, H2O,
N2) tingueren distinta densitat.
Més tard, se pensà que la causant de la difusió
d’uns elements en altres, per donar la mescla homogènia
que és l’aire - sense grans diferències d’altitud
– era l’agitació tèrmica de les molècules.
a) Els elements són formats per
àtoms indivisibles i inalterables:
La matèria no es infinitament
divisible i els elements no se poden transmutar uns en els
altres.
b) Tots els àtoms d’un element
són idèntics en massa i propietats.
c) Els àtoms de diferents elements
són diferents en massa i propietats.
d) Els composts es formen per la unió
d’àtoms en proporció constant i senzilla.
2. Lleis ponderals
de les reaccions químiques:
a) Llei de
conservació de la massa (Lavoisier):
Si els àtoms
són inalterables, no se transformen, aleshores, la
matèria deu mantenir-se constant.
A les reaccions químiques, els àtoms ni se creen
ni se destruïxen, només canvia la seua distribució.
b) Llei de les proporcions definides (Proust):
La relació de masses que intervenen
en una reacció química és constant.
Siga quina siga la forma d’obtenir un
compost químic, l’estat en que se trobe: gas, líquid
o sòlid, la proporció en massa dels elements
que el componen és constant.
Això se podria traduir, segons
la hipòtesi atòmica de Dalton en què,
el nombre d’àtoms dels elements que composen el compost
químic és el mateix sempre que se tracte del
mateix compost.
És a dir, la proporció en massa, en l’aigua,
és de 1 a 8 entre l’hidrogen i l’oxigen perquè
la proporció entre els àtoms és fixa
de 2 a 1 i cada àtom d’oxigen és 16 voltes més
pesat que un d’hidrogen, com sabem ara, encara que llavors
no ho podia saber encara Dalton.
És a dir, que la hipòtesi de l’existència
d’àtoms, explicava esta regularitat en la proporció
en massa de forma satisfactòria.
c) Llei de les proporcions
múltiples (Dalton):
Les quantitats d’un element que s’uneixen amb una
quantitat definida d’un altre estan en relació de números
enters senzills.
Per exemple:
En l’aigua la proporció entre la
massa de l’hidrogen i de l’oxigen és de 1 a 8,
mentre que a l’aigua oxigenada és de 1 a 16. Llavors,
d’acord amb l’enunciat anterior hem de comparar les
quantitats d’oxigen que s’uneixen amb 1 d’hidrogen
en els dos casos, és a dir 8 i 16 que, efectivament estan
en relació de números enters senzills: 1 a 2. I és
normal perquè, en l’aigua se combinen 2 àtoms
d’hidrogen amb un d’oxigen (H2O),
mentre que en l’aigua oxigenada ho fan dos amb dos (H2O2), en proporció,
un amb un. És a dir, si comparem només les dos
proporcions d’oxigen, la relació és de
1 a 2.
3. Llei de Gay-Lussac
dels volums dels gasos que se combinen per reaccionar (1808):
En l’experiment
en que se feien explotar hidrogen i oxigen en forma de gas
per obtenir vapor d’aigua, s’observà que la proporció
dels volums d’un i altre era de 2 volums d’hidrogen
amb 1 volum d’oxigen per formar 2 volums d’aigua.
Resultats com este, amb altres gasos, portaren
a Gay-Lussac a la següent conclusió:
Al reaccionar els gasos, en les mateixes
condicions de pressió i temperatura, se combinen segons
relacions volumètriques molt senzilles.
4. Hipòtesi
d’Avogadro per als gasos (1811):
El volum que
devien ocupar les molècules dels gasos devia se menyspreable
respecte del volum total del recipient que el conté,
així que era raonable postular que:
En volums iguals de dos gasos n’hi ha la
mateixa quantitat de molècules d’un que de l’altre.
Sempre que els dos estiguen a la mateixa pressió i
temperatura.
O
O
+ O ===>
O
Gas
Gas
Vapor
hidrogen oxigen
d’aigua
Cada O representa
una unitat de volum a pressió i temperatura iguals.
Com se pot vore immediatament, si en cada
volum n’hi hagués una sola molècula H2
o bé O2
, el vapor d’aigua ha d’estar format per molècules
H2O si volem que se conserven els
àtoms com hem dit abans.
Este model dels gasos va explicar perquè
gasos de grans molècules podien ocupar el mateix volum
que el mateix nombre de petites molècules. En concret,
6,023 · 1023 molècules de qualsevol
gas ocupen 22,4 litres a 0ºC i 1 atm de pressió.
Només falta explicar com és
que dos àtoms iguals podien unir-se per formar molècules
diatòmiques, i això no serà explicat
fins a més d’un segle després amb la teoria
quàntica.
5. Experiències
que conduïren a la teoria atòmica moderna:
5.1
Separació dels electrons de la resta de l’àtom:
5.1.1. Obtenció
de corrent elèctric en canvis químics i viceversa
(Faraday):
Un corrent
elèctric demostrà la seua capacitat de descompondre
en els seus elements substàncies compostes.
Quan fem passar un corrent elèctric
per una dissolució de sal comuna (NaCl), els àtoms
de sodi es dirigeixen cap al pol negatiu (càtode) i
els àtoms de clor cap al pol positiu (ànode).
Segons això, els àtom de sodi han d’estar carregats
positivament i els de clor negativament, i la càrrega
negativa responsable de la neutralització d’eixos ions
(l’electró) ha hagut de circular pel conductor exterior
que uneix ànode i càtode.
5.1.2.
Rajos catòdics (J.J.Thompson):
De manera anàloga
a com s’havia fet per als líquids, se va fer amb els
gasos.
Emprant un tub en què la pressió
era molt baixa, s’aplicà un camp elèctric, de
manera que les molècules del gas se separaren en dos
parts que viatjaven en sentits oposats, una part cap a l’ànode
i altra cap al càtode.
Es va vore que la que viatjava cap a l’ànode
era igual per a tots els gasos, mentre que la que viatjava
cap al càtode depenia del gas que es tractés.
Com a conseqüència, se pensà
que se produïa una escissió de l’àtom en
dues parts, una positiva i altra negativa, comuna a tots els
àtoms: l’electró.
5.2 Model atòmic de Thompson:
Se basa en
els resultats de les experiències anteriors i, per
tant té en compte els següents trets:
a) Neutralitat
elèctrica de la matèria.
b)
Presencia d’electrons en tot tipus de matèria.
c)
Possibilitat d’extraure’n els electrons i no les càrregues
positives.
D’acord amb
això, l’àtom tindria una massa repartida uniformement
i contínuament on estarien els electrons inserits
com a grànuls separats i repartits per equilibrar
la càrrega positiva. (pastis de panses).
5.3 Experiència
de Rutherford:
Bombardejà
làmines de diversos metalls amb partícules a procedents
d’una mostra de radi, observant els següents fets:
a) Quasi
totes les partícules a ultrapassen la làmina
sense a penes experimentar desviació.
b) Un percentatge molt petit se desvien.
c) Un nombre extraordinàriament
petit reboten de la làmina.
5.4 Model
atòmic de Rutherford:
La interpretació
que Rutherford feu dels resultats de l’experiència
anterior fou:
a) Si la majoria de les partícules passen
sense desviar-se, vol dir que l’àtom és buit
en la immensa major part del seu volum.
b) Les partícules alfa (nuclis de He carregats
positivament) que s’aproximen on és la càrrega
positiva se desvien segons la proximitat a la que passen a la càrrega
positiva de l’àtom.
c) Si algunes reboten cap arrere, és perquè
ha d’haver un nucli on estiga concentrada la càrrega
positiva de l’àtom, responsable de tan tremenda repulsió.
d) Els electrons hauran d’estar girant al
voltant d’eixe nucli com en un sistema planetari.
5.4.1 Problemes
del model:
Encara que els electrons giren al voltant del nucli no podrien mantenir-se
en les òrbites.
Les càrregues radiarien, per estar en un moviment accelerat
com ho és qualsevol moviment circular (aN
≠ 0), de manera que no podrien mantenir-se
en eixes òrbites i caurien irremissiblement sobre el
nucli, de càrrega positiva; la qual cosa faria la matèria
totalment inestable, en oposició al que podem constatar amb
la nostra experiència quotidiana.
5.5 Altres experiències:
5.5.1. Radioactivitat
(Becquerel):
En 1896 se
descobrí fortuïtament la radioactivitat natural observant
que algunes substàncies impressionen les plaques fotogràfiques
quan són a prop d’elles.
Amb l’experiment se demostrà l’existència
de tres radiacions diferents que emetien eixes substàncies:
a) Radiació alfa : constituïda
per partícules de massa pareguda a la del gas noble He i
de càrrega positiva.
b) Radiació
beta : electrons a velocitats pròximes
a la de la llum.
c) Radiació
gamma: ones electromagnètiques de alta freqüència.
L’existència de la radioactivitat,
només pot explicar-se si suposem que dins de l’àtom
n’hi ha partícules més petites que els propis
àtoms.
5.5.2. Dispersió
cromàtica de la llum blanca (Newton):
Al segle XVII,
ja havia descompost i recompost un feix de llum blanca en els seus
colors components, que s’observaven com a franges contínues,
tot fent-lo passar per un prisma i després per un altre.
5.5.3. Obtenció
d’espectres d’emissió i absorció (Kirchoff
i Bunsen):
Quan un element,
en estat gasós, s’escalfa o s’excita mitjançant
una descàrrega elèctrica, emet una radiació
amb una descomposició espectral característica d’eixe
element que constitueix el seu espectre d’emissió.
Este espectre d’emissió és discontínu
en ratlles que corresponen a distintes
freqüències (f) , les quals, com hem dit seran la marca
característica d’eixe element.
Si se fa passar llum blanca a través
d’un gas incandescent, aquest absorbeix part de la llum i,
si analitzem la que passa al seu través sense ser absorbida,
obtenim un espectre de ratlles de distints colors (distintes
f) i de ratlles negres que és el seu espectre
d’absorció (f absorbides pel gas).
També s’observà que cada
element absorbeix, exactament, les mateixes radiacions lluminoses
que és capaç d’emetre en excitar-lo.
6. Experiències que conduïren
a la teoria atòmica quàntica:
6.1 Potencial de ionització d’àtoms aïllats:
L’energia de
ionització és l’energia necessària per
arrancar un electró a un àtom.
Les successives energies de ionització
del sodi – és a dir l’energia necessària
per anar extraguent nous electrons a un àtom – són
les següents:
Na+
5,12
Na++
47,3
Na3+
71,5
Na4+
98,9
Na5+
139
Na6+
173
Na7+
209
Na8+
264
Na9+
300
Na10+
1460
Na11+
1700
De la taula
anterior, se pot deduir, que n’hi ha tres ordens de magnitud
segons allò interiors que siguen els electrons que
s’extrauen de l’àtom, és a dir, com si hi estigueren
distribuïts en tres capes.
6.2 Primer potencial de
ionització dels elements del Sistema Periòdic:
A la figura
hem representat la primera energia de ionització dels
elements del Sistema Periòdic.
Podem interpretar-la també
com a que estos electrons més externs d’àtoms
de distints elements estan en la mateixa o en distinta capa
que els dels altres elements del Sistema Periòdic.
Per exemple:
L’hidrogen – primera de les energies
de ionització representades – tindria l’electró
extret en la mateixa capa que el de l’heli. Als del Sodi i
Magnesi els ocorreria el mateix i després tornaria
a ocórrer el mateix amb els següents sis elements,
és a dir amb Al, Si, P, S, Cl i Ar què, per
tant, tindrien el seu últim electró – l’electró
extret – en la seua darrera capa electrònica, és
a dir, la 3ª.
6.3 Model atòmic de capes electròniques:
De les experiències
anteriors doncs podem deduir que:
a) els electrons estan distribuïts
en un àtom per capes.
b) Que
segons van omplint-se eixes capes, en augmentar el nombre
d’electrons dels àtoms – en augmentar el número
atòmic Z – l’últim electró és
d’una capa electrònica més exterior i, per tant,
costa menys energia extraure’l.
6.4 Radiació energètica del cos negre:
Kirchoff
havia descobert en 1859 que el poder emissor d’una superfície
era proporcional al seu poder absorbent.
Així doncs, una superfície que absorbís
totes les radiacions seria el millor emissor de radiació,
és a dir, això seria una propietat d’un cos
de color negre absolut.
Doncs be, se va fer la prova i va eixir una gràfica
de l’energia emessa per a cada longitud d’ona,
que no va tenir explicació fins que Max Plank va
admetre que l’emissió d’energia pels àtoms,
no podia fer-se de forma contínua, és a dir,
en totes les freqüències, sinó que havia
de fer-se només en algunes freqüències
permeses.
Solució que planteja la problemàtica de com
pot passar a emetre el cos d’unes a altres si no pot passar
per les intermèdies.
Des de Hertz (1857-94) se sabia que la
emissió de la radiació era deguda a les ones
electromagnètiques emeses per oscil·ladors –
càrregues oscil·lants – de manera que totes
les freqüències estan presents en eixes emissions
i se n’obté un espectre continu.
Quan un oscil·lador individual absorbeix
o radia energia, només varia la seua amplitud de vibració
i la seua freqüència se manté constant.
En la teoria clàssica l’energia
E, emessa o absorbida, per un oscil·lador pot variar
d’una manera contínua des de zero fins a qualsevol
valor.
D’ací l’estranya explicació
de Max Plank de l’emissió del cos negre, que, per no
aventurar-se massa va enunciar dos postulats:
a) Un oscil·lador atòmic només
pot tenir determinades energies que són múltiples
enters de hf.
E = nhf
On h
és l’anomenada constant de Plank i f és la freqüència
de la radiació i els valors de n = 1,2,3,...
b) Un oscil·lador atòmic radia
només quan passa d’un valor permés de la seua
energia al valor pròxim permés menor i la radiació
serà h·f.
Cal observar doncs que això estaria
en consonància amb l’existència d’espectres
d’emissió i absorció de ratlles, discrets, discontinus.
Doncs esta experiència
condueix a un model de l’àtom d’oscil·lador
discontinu.
6.5 Efecte fotoelèctric.
Se va
comprovar que, quan la llum de freqüència f superior
a una determinada f0, incideix sobre un metall,
aquest emet electrons. Llavors se va fer una experiència
en la que s’il·luminava un metall (càtode) i
els electrons emessos eren atrets per l’ànode tancant
un circuit i produint-se, per tant, un corrent elèctric.
L’experiència conduí als
següents resultats:
1) Si la llum que incideix sobre el càtode
és monocromàtica, el nombre d’electrons emesos
pel metall en la unitat de temps (intensitat de corrent elèctric)
és directament proporcional a la intensitat de la llum
(Illum
α Ielèctric)
2) Els electrons de massa me
i càrrega qe ixen del metall amb una
energia cinètica 1/2 mev2
.
Per determinar aquesta energia s’inverteix
la connexió de la bateria, la diferencia de potencial entre les plaques VCA serà tal que frenarà els electrons, fins a
no obtenir corrent elèctric.
Suposem
que augmentem VCA fins que el corrent
fotoelèctric s’anul·la, llavors, el treball
retardador VCA · q
e = 1/2 me ·
v 2max
Suposem que variem la intensitat del feix
de llum monocromàtica que incideix sobre el càtode
(energia per unitat de temps que incideix sobre ell), llavors
els electrons deurien escapar encara amb una certa energia
cinètica.
Segons el feix lluminós
fora més intens, pel que se sabia clàssicament
sobre les ones, deuria produir-se un augment de l’energia
adquirida pels electrons – en una ona l’energia és
proporcional a la intensitat d’aquesta – i, en conseqüència
una eixida més ràpida d’aquestos. Doncs bé,
això no és el que s'observa, l’energia dels
electrons resulta ser independent de la intensitat de l’ona
incident.
Ara bé, en augmentar la intensitat de l’ona incident,
el que sí s’observa és que augmenta la quantitat
d’electrons emesos, és a dir de la intensitat del corrent
elèctric detectat en el circuit.
Ece independent
de Illum
3) Tanmateix, a major freqüència
de l’ona incident, major és l’energia cinètica
dels electrons, és a dir, és una funció
d'aquella
Ece =
F(fllum)
Quan anem disminuint però la freqüència,
arriba un moment que els electrons ja no ixen del càtode,
és a dir, se necessita una freqüència llindar
f0 per que isquen
els electrons. És a dir:
hf = hf
0 + 1/2
me · v
2max
4) Se realitzen experiències emprant
distint metalls com a càtode. Per a cada metall, s’observa
que f 0 és
distinta. Si fem una gràfica de Ecmax dels
electrons front a la freqüència n, obtenim una
recta de pendent h/qe.
5) Quan la freqüència f era
superior a f0,
encara que la intensitat fóra molt petita, era suficient
per arrancar electrons al càtode sense cap retràs
que se pogués detectar.
Com a conseqüència, l’energia
no es troba distribuïda uniformement en tota l’ona sinó
que s’hi troba només en el front de l’ona.
D’ací Einstein, anant més
lluny del que havia anat Plank a la seua anàlisi de
l’emissió del cos negre, afirma que l’energia electromagnètica
se troba en el front de l’ona distribuïda en grànuls
que anomenà “fotons”.
L’energia doncs se propagaria com una ona
i interaccionaria amb la matèria en forma de corpúsculs
de llum o fotons.
Esta experiència condueix a un
model d’àtom en el que els electrons s’hi troben com
en un pou d’energia potencial, de forma que l’ona electromagnètica
subministraria o no, la suficient perquè els electrons
foren extrets.
6.6. Naturalesa corpuscular dels fotons (efecte Compton)
Compton
(1923) va trobar que quan un feix de raigs X era llançat
contra un bloc de grafit – el grafit te electrons lliures
– s’obtenia una radiació de longitud d’ona major
que la incident.
La perspectiva de la Física Clàssica
hauria fet esperar que l’ona sortint fóra de la mateixa
longitud que la incident. Clàssicament se suposava
que l’ona hauria fet oscil·lar els electrons i els
hauria fet emetre ones de la mateixa freqüència
i longitud d'ona que la de l’ona incident.
Ara be, la pèrdua de l’energia
que representa una ona sortint amb major longitud d’ona, s’explica
pel guany d’energia de l’electró i per l’àngul
de dispersió.
Com en un xoc entre dues boles de billar!
7. Model atòmic de Bohr.
Era necessari
elaborar un model d’àtom que arreplegués totes
les conseqüències d’aquestes experiències.
Bohr proposa un model de l’àtom
de tipus planetari, on els electrons estarien girant al voltant
del nucli (model de Rutherford) en òrbites, encara
que no podrien prendre qualsevol òrbita, sinó
només aquelles que foren permeses és a dir,
compatibles amb l’emissió i absorció discontínua
d’energia dels àtoms que s’evidencia en les experiències
en què apareixen els espectres electromagnètics
dels gasos.
És a dir, que quan un electró
salta entre dues òrbites contigües permeses, l’emissió
o absorció d’energia seria: E = hf
d’acord amb allò trobat experimentalment.
Doncs haurem de caracteritzar cada òrbita
per un numero n, que anirà augmentant segons ens allunyem
del nucli de l’àtom, prenent valors n= 0,1,2,3...
7.1. Problemes del model de Bohr
La força
centrípeta que mantindria els electrons en les seues
òrbites seria l’atracció electrostàtica
amb el nucli, com ja vérem, però els electrons
no podrien ser estables en elles per ser càrregues
amb moviment circular, i per tant accelerat (aN
≠ 0), per
la qual cosa deurien radiar, i per tant perdre energia potencial
fins a caure sobre el nucli.
Bohr obvia este problema establint un postulat
que, en principi, era una invenció completa:
En les òrbites permeses l’electró
no radia, se troba en estat estacionari.
L’emissió o absorció d’energia se produeix només
quan canvia d’òrbita i l’intercanvi d’energia se produeix
en forma de fotons d’energia hn, tants com faça falta
per la diferència d’energia entre ambdues òrbites.
Observant amb més precisió
les ratlles dels espectres d’emissió i absorció
dels gasos se va vore que allò que pareixien ratlles
simples, en molts casos estaven desdoblades en varies.
Així calgué retocar el model:
En comptes de circulars, les òrbites
podrien ser el·líptiques i l’excentricitat de
les distintes òrbites podria explicar les diferències
petites d’energia:
una òrbita
n podria estar formada per subòrbites de diferents
excentricitats que classificaríem segons un número
quàntic secundari l i que prendria valors l = 0,1,2,...,n-1,
de manera que si n = 2 llavors tindriem dues possibilitats
per als valors de l:
l = 0 òrbita circular
n=2
l = 1 òrbita el·líptica
Els salts entre aquestes subòrbites
explicaria el desdoblament de les ratlles espectrals.
7.2. Experiència amb camps magnètics
(Zeeman)
Quan
se posava un gas incandescent dins d’un camp magnètic
intens, tornaven a desdoblar-se les línies fines
que hem trobat abans a l’espectre fi. Això podria
explicar-se per la distinta inclinació de les el·lipses
de les òrbites en presència del camp magnètic.
De manera que, necessitarem un altre
número quàntic per caracteritzar estos nous
nivells d’energia sorgits en presència del camp
magnètic. m = -l,...,0,...,+l.
7.3 Construcció de l’àtom.
Encara
s’hagué d’introduir un altre número
quàntic, esta vegada no caracteritza un nivell d’energia
sinó l'estat de l’electró:
n’hi haurà electrons amb número quàntic
de “spin” s = +½ i s = -½.
Així doncs, les òrbites
s’anomenen segons la seua grandària n i l'excentricitat
l de la següent manera:
l = 0 => s ;
l = 1 =>
p;
l = 2
=> d;
l = 3
=> f
Tots els àtoms tenen el mateix nombre
de possibles nivells, estiguen aquestos ocupats o no i són
els següents amb la capacitat d'electrons que s'hi indica en
superíndex:
7s
2 7p6
6s 2 6p
6
6d 10
5s 2 5p
6
5d
10
5f 14
4s 2 4p
6
4d
10
4f 14
3s 2 3p
6
3d
10
2s 2 2p
6
1s 2
L'ordre d'ocupació seria el següent:
|