Física Cuántica y Química Atómica: Radiación, Efecto Fotoeléctrico, Modelo de Bohr, Números Cuánticos y Propiedades Periódicas

Radiación y cuantización de la energía

Hipótesis de Planck: la energía de una radiación de frecuencia (ν) es proporcional a esta, según la expresión: E = h·ν.

Esto implica que la energía solo puede tomar valores proporcionales a h (siempre enteros), por lo que se dice que está cuantizada: se transmite en paquetes de energía, de forma discontinua.

Radiación del cuerpo negro

Un cuerpo negro es un cuerpo ideal que absorbe toda la radiación que incide sobre él. A alta temperatura emite radiación electromagnética de forma discreta, formada por radiaciones de distinta longitud de onda (λ) con diferentes energías asociadas.

Efecto fotoeléctrico: Einstein

La luz está constituida por fotones cuya energía viene dada por la ecuación de Planck. Los electrones (e⁻) serán arrancados cuando la energía del fotón sea suficiente para liberarlos (frecuencia umbral = W_extracción).

E = E_umbral + E_c, donde E_c = ½ m v².

Espectro del hidrógeno

• Serie de Lyman (i → 1): ultravioleta (< 400 nm).
• Serie de Balmer (i → 2): visible (400–700 nm).
• Serie de Paschen (i → 3): infrarrojo (> 700 nm).
• Serie de Brackett (i → 4).
• Serie de Pfund (i → 5).

Modelo atómico de Bohr

1.er postulado

El electrón gira alrededor del núcleo en órbitas circulares sin emitir energía: m v² = K·(q²/R²).

2.º postulado

Solo son posibles aquellas órbitas en las que el electrón tiene momento angular múltiplo entero de h/2π: m v R = n(h/2π).

3.er postulado

La energía liberada al pasar el electrón de una órbita a otra de menor energía se emite en forma de fotón con la ecuación de Planck.

ΔE_i→∞ = ΔH_ionización del H = E_∞ − E₁ = 13,625 eV/átomo de H = 2,18·10⁻¹⁸ J/átomo de H = 1,31·10⁶ J/mol H = 1312 kJ/mol.

Dualidad onda-partícula: Louis de Broglie

Toda partícula en movimiento tiene asociada una longitud de onda, por lo que los electrones también se comportan como ondas con una λ asociada a ese movimiento ondulatorio: λ = h / (m v).

Proceso de Aufbau

• Principio de exclusión de Pauli: dos electrones de un mismo átomo no pueden tener el mismo conjunto de cuatro números cuánticos.
• Regla de máxima multiplicidad de Hund: los electrones van ocupando los orbitales del mismo subnivel de forma que se coloquen el máximo número de electrones desapareados posible.

Números cuánticos

• n (principal): indica el nivel en el que se encuentra el electrón. Determina su energía (E_n = −13,6 eV/n²) y su tamaño (distancia al núcleo donde es más probable encontrarlo).
• l (secundario): determina la forma del orbital: s, p, d, f.
• m (magnético): determina la orientación del orbital.
• s (spin): determina el sentido de giro del electrón.

Valencia iónica y covalente

• Valencia iónica: número de electrones que un átomo pierde o gana para alcanzar una configuración electrónica estable.
• Valencia covalente: número de electrones desapareados (semiocupados) que puede tener un átomo para formar enlaces.

Propiedades periódicas

• Volumen atómico (V = 4/3 π R³): espacio que ocupa un átomo de un elemento.
• Radio atómico: mitad de la distancia internuclear mínima entre dos átomos del mismo elemento en estado sólido. Aumenta al bajar en un grupo y disminuye al avanzar en un periodo. Los aniones (−) tienen mayor radio que el átomo neutro (e⁻ > p⁺ → R⁻ > R).
• Energía de ionización (ΔH_ioniz): energía mínima necesaria para que un átomo neutro gaseoso ceda un electrón: X(g) + Δ_ioniz → X⁺(g) + e⁻ (proceso endotérmico). Disminuye al bajar en el grupo. Se mantiene por debajo en los grupos 2–13 y 16–17.
• Afinidad electrónica (ΔE): variación de energía que se produce cuando un átomo neutro gaseoso adquiere un electrón: X(g) + e⁻ → X⁻(g) + ΔE (proceso exotérmico). En el grupo 2 y el grupo 18 la tendencia es positiva (poco tienden a ganar electrones), por ejemplo: Ca(g) + e⁻ + ΔE₁ → Ca⁻(g).
• Electronegatividad: capacidad de un átomo para atraer hacia sí el par de electrones que comparte con otro átomo. Se calcula como: χ = (ΔH_ioniz + ΔE) / 2.
  Aumenta hacia la derecha y hacia arriba en la tabla periódica (V↓, ΔH↑, ΔE↑, χ↑); disminuye hacia la izquierda y hacia abajo (V↑, ΔH↓, ΔE↓, χ↓).

Clasificación de los elementos por bloques

• Alcalinos (s¹) y alcalinotérreos (s²).
• Metales de transición (d¹–d¹⁰).
• Transición interna (f¹–f¹⁴).
• Boroideos (p¹), carbonoideos (p²), nitrogenoideos (p³), anfígenos (p⁴) y halógenos (p⁵).