Àtoms i Teoria Atòmica: Descobriments Clau i Models

Els àtoms i la teoria atòmica

Primers descobriments químics

Demòcrit va ser la primera persona que va proposar la paraula àtom. Lavoisier va enunciar la llei de la conservació de la massa (1774). Proust va enunciar la llei de la composició constant (1799). Aquestes dues són les lleis ponderals de la química (s. XVIII).

Teoria atòmica de Dalton

La teoria atòmica de Dalton estableix que:

1. Els elements estan constituïts per àtoms indivisibles i indestructibles.
2. Per a un determinat element, tots els seus àtoms tenen la mateixa massa i propietats.
3. Els àtoms d'un determinat element tenen diferent massa i propietats a les dels altres elements.
4. Els compostos químics estan constituïts per "àtoms compostos" que són fruit de la unió dels àtoms dels elements en una proporció relativa igual a un nombre enter senzill.
5. Tots els "àtoms compostos" d'un determinat compost químic tenen la mateixa massa i propietats, les quals són diferents de les dels altres compostos.

Descobriment dels electrons

Thomson (1897): Tub catòdic: gas en un tub, alta ΔV i baixes P. Aplicant una diferència de potencial sorgien uns raigs lluminosos. Aquests raigs anaven del càtode a l'ànode. La relació del condensador no variava amb els diferents gasos, per tant, eren a tota la matèria.

Càrrega i massa dels electrons (gota de Millikan, 1909): Va demostrar que unes petites gotes d'oli ionitzades es poden equilibrar amb la força d'un camp elèctric. La seva velocitat augmenta o disminueix depenent del signe de la seva càrrega.

Raigs canals: El foradat és el càtode.

Models atòmics

Model atòmic de Thomson (1904)

Electrons encastats en el si d'una massa atòmica amb càrrega positiva. Electroneutralitat (tantes càrregues negatives com sigui necessari).

Descobriment dels isòtops

Són àtoms d'igual element amb diferent massa (contradiu la hipòtesi 2 de la teoria de Dalton).

Raigs X i radioactivitat

Raigs X (Wilhelm Conrad). Radioactivitat (Becquerel i Curie): les substàncies que de manera espontània emetien radiació foren anomenades "substàncies radioactives" i el fenomen d'emissió de radiació, "radioactivitat" per Curie el 1898.

El neutró

Rutherford descobreix una partícula sense càrrega i l'anomena neutró.

Nomenclatura isòtops

X és l'element, Z el nombre atòmic (protons) i A el nombre màssic (p + n).

Model de Rutherford (1911)

Va enviar partícules contra una làmina d'or. La majoria passaven rectes, algunes es desviaven i unes poques rebotaven i tornaven = Matèria gairebé buida. El nucli atòmic concentra gairebé tota la massa de l'àtom, i els electrons es troben donant voltes al voltant.

Inconvenients del model de Rutherford

1. Manca d'estabilitat: l'atracció entre càrregues de signe oposat faria col·lapsar els electrons amb el nucli generant un model com el de Thomson. Qualsevol partícula amb càrrega elèctrica que voli dona lloc a una emissió d'energia electromagnètica; així doncs, els electrons emetrien energia, de manera que l'energia cinètica d'aquests s'afebliria progressivament, col·lapsant finalment amb el nucli.
2. Espectres atòmics: Si fem passar un corrent per un tub que conté hidrogen gas a poca pressió, s'emet una llum l'espectre de la qual no és continu sinó que està format per línies. Equació matemàtica que permetria descriure la posició de les ratlles espectrals observades en el visible per a l'hidrogen. El model explicava els valors discrets d'energia observats a l'espectre.

Propietats de les ones

Longitud d'ona: És la distància entre 2 punts idèntics (en fase) de 2 ones consecutives. L'amplitud és la distància màxima entre el punt més allunyat d'una ona i el punt d'equilibri. La freqüència és el nombre d'oscil·lacions per segon (Hz).

Radiació electromagnètica

La llum és una radiació electromagnètica composta per una ona de camps elèctrics i magnètics perpendiculars entre si i es pot caracteritzar per la seva freqüència, que es defineix com el nombre de cicles complets que efectua per unitat de temps. La radiació electromagnètica és l'emissió i transmissió d'energia en forma d'ones electromagnètiques.

Espectre electromagnètic

Raigs Gamma (10^-3 nm), Raigs X (10^-1 nm), Ultraviolat (10 nm), Infraroig (10³ nm), microones (10⁷ nm), ones ràdio (10¹¹ nm). 400 nm: blau fosc / 500 nm: verd / 600 nm: groc-taronja / 700 nm: vermell.

Teories de la física quàntica

La quantització de l'energia o hipòtesi de Planck

La radiació que emet un cos negre (cos ideal, aïllat, en equilibri termodinàmic tal que la radiació emesa és = a l'absorbida) és un múltiple enter de hv, on h és la constant de Plank (6,6262 · 10^-34 J·s).

• Els àtoms i les molècules només emeten energia en quantitats discretes.
• La mínima quantitat d'energia que es pot emetre o absorbir en forma de radiació electromagnètica s'anomena quàntum. L'energia d'un quàntum es pot calcular: E = h · v
• L'energia es pot emetre com a hv, 2hv, 3hv, però no com a 1,67hv...

Efecte fotoelèctric

És la capacitat de la llum per expulsar electrons d'una superfície metàl·lica. Aquesta llum ha de tenir almenys una determinada freqüència mínima (freqüència llindar). Superada la freqüència llindar, el nombre d'electrons alliberats (no l'energia) depèn de la intensitat de la llum. Si no s'arriba a la freqüència llindar, no importa la intensitat de la llum, no s'allibera cap electró. Einstein va proposar que la llum era un torrent de partícules i que cadascuna d'aquestes partícules, anomenades fotons, posseeix una energia E que ve donada per E=h·v.

Quantització i efecte fotoelèctric

• Els electrons es troben atrets pel nucli.
• Si la freqüència és menor que la freqüència llindar, els electrons no s'emeten.
• Si f = f.llindar, el fotó transfereix a l'electró l'energia exacta per vèncer l'atracció del nucli i s'emet.
• Si f és major que f.llindar, els electrons s'emeten i s'adquireix energia cinètica.

Model atòmic de Bohr (1913)

Proposa un model electrònic de l'àtom d'hidrogen en què l'electró girava a l'entorn del nucli en òrbites circulars quantitzades.

3 postulats

1. L'electró gira al voltant del nucli en òrbites circulars estables de radi de gir r. Hi podrà haver tants estats estacionaris com òrbites hi hagi, els quals tindran una energia fixa (E= -R_H (1/n²).
2. El radi de les òrbites només pot tenir determinats valors. Quantització del moment angular de gir de l'electró.
3. L'emissió de radiació només té lloc quan l'electró passa d'una òrbita superior a una de més interna. L'absorció, al procés contrari. Si n (final) és més gran que n (inicial) = ΔE més gran que 0. Això és absorció d'energia (excitació de l'electró). I a l'inrevés, és emissió d'energia (relaxació de l'electró). ΔE= R_H (1/n_i² - 1/n_f²) (Rh = 2.18 ·10^-18)

Transicions electròniques

Sèries: Lyman (nf = 1 / ni = 2, 3, 4... / ultraviolat). Balmer (nf=2 / ni = 3, 4, 5.. / visible i ultraviolat). Paschen (nf= 3 / ni= 4, 5, 6.. / infraroig). Brackett (nf=4 / ni= 5, 6, 7... / infraroig).

Energia d'ionització de l'hidrogen

És l'energia necessària per arrencar un electró des de l'estat fonamental (ni = 1). Si nf tendeix a l'infinit, s'en va i queda hv = Rh = E ionització.

Mancances del model de Bohr

No permetia explicar:

1. El comportament dels àtoms polielectrònics (espectres atòmics).
2. Que les molècules fossin més estables que els àtoms ni permetria entendre la naturalesa de l'enllaç químic.
3. La presència dels doblets de longitud d'ona molt properes en l'espectre d'emissió de l'hidrogen. La presència dels doblets fou explicada el 1916 per Sommerfeld, que diu que les ones podien ser el·líptiques, introduint per a l'àtom d'hidrogen més d'un nombre quàntic.

L'efecte Compton i la hipòtesi de De Broglie

Sumant el model de Rutherford i l'efecte fotoelèctric, van determinar que: A tota partícula en moviment se li pot associar una ona la λ de la qual només depèn de la quantitat de moviment de la partícula. Aquest fenomen és menyspreable al món macroscòpic.

Els electrons com a ones

Hi ha interferència constructiva i destructiva.