Fundamentos de Química: Átomos, Tabla Periódica y Cuantificación Electrónica

La Tabla Periódica y la Masa Atómica

Conceptos Fundamentales

La obtención de la masa atómica es un concepto fundamental en química. El átomo, según la teoría atómica clásica, es la parte más pequeña e indivisible de la materia.

La fórmula para la obtención de la masa atómica, tal como se presenta, es:

MA = (A(%NAT) + A(%NAT)) / 100

(Nota: Esta fórmula representa una suma ponderada de las masas atómicas de los isótopos naturales, dividida por 100 para obtener el porcentaje promedio. En la práctica, se suman los productos de la masa de cada isótopo por su abundancia porcentual, y el resultado se divide por 100).

La Tabla Periódica es una ordenación sistemática de los elementos químicos de acuerdo con sus propiedades y número atómico.

Pioneros y Leyes Periódicas

A lo largo de la historia, diversos científicos contribuyeron al desarrollo de la clasificación periódica de los elementos:

• Autores de las Leyes Periódicas: Dmitri Mendeléyev, Alexander Newlands y Johann Wolfgang Döbereiner.
• La Ley de las Tríadas (Döbereiner) consiste en clasificar elementos de acuerdo con sus propiedades atómicas, agrupándolos de tres en tres.
• La clasificación de Berzelius consistía en diferenciar entre elementos electropositivos (que tienden a perder electrones) y electronegativos (que tienden a ganarlos).
• La Ley de las Octavas (Newlands) consiste en agrupar los elementos en grupos de siete, observando una repetición de propiedades cada ocho elementos.
• Dmitri Mendeléyev y Lothar Meyer clasificaron los elementos basándose en sus propiedades químicas y masas atómicas, prediciendo la existencia de elementos aún no descubiertos.
• La Hipótesis de Proust (Ley de las Proporciones Definidas) establece que los elementos se combinan en proporciones fijas y definidas para formar compuestos.
• La aportación de Alfred Werner fue la propuesta de la tabla periódica larga, una versión más extendida y detallada.

Estructura de la Tabla Periódica Moderna

Los elementos se encuentran distribuidos en:

• 7 filas, denominadas periodos.
• 18 columnas, denominadas grupos o familias.

Tradicionalmente, los grupos se ordenan en:

• 8 grupos A: Se encuentran en los extremos de la tabla (elementos representativos).
• 8 grupos B: Se encuentran en la parte central (metales de transición).

Ejemplo de Cálculo Atómico: Aluminio (Al)

Para el elemento Aluminio (Al), con símbolo ^26.98Al₁₃, podemos determinar sus características fundamentales:

• Masa Atómica (Ma): 26.98 u.m.a.
• Número Másico (A): 27 (redondeando la masa atómica).
• Número Atómico (Z): 13
• Protones (P+): 13 (igual al número atómico)
• Neutrones (n): 14 (calculado como A - Z = 27 - 13)
• Electrones (e-): 13 (en un átomo neutro, igual al número de protones)
• Nombre: Aluminio

Números Cuánticos: Describiendo el Electrón

Definición

Los números cuánticos son un conjunto de parámetros que describen el estado energético de un electrón dentro de un átomo y caracterizan su órbita (orbital atómico).

Tipos de Números Cuánticos y sus Relaciones

Aunque existen cuatro números cuánticos, el documento se centra en los tres primeros y sus implicaciones en la estructura de las capas y subcapas electrónicas:

Número Cuántico Principal (n)

Indica el nivel de energía principal y el tamaño del orbital. Sus valores son enteros positivos (1, 2, 3, ...). También se asocia a las capas electrónicas (K, L, M, N, O, P, Q).

La capacidad máxima de electrones por capa se calcula con la fórmula 2n²:

• K (n=1): 2(1)² = 2 electrones
• L (n=2): 2(2)² = 8 electrones
• M (n=3): 2(3)² = 18 electrones
• N (n=4): 2(4)² = 32 electrones
• O (n=5): 2(5)² = 50 electrones
• P (n=6): 2(6)² = 72 electrones
• Q (n=7): 2(7)² = 98 electrones

Número Cuántico Azimutal o Secundario (l)

También conocido como número cuántico del momento angular. Define la forma del orbital y el subnivel de energía. Sus valores dependen de 'n' y van desde 0 hasta n-1.

Cada valor de 'l' corresponde a un tipo de subnivel:

• l = 0: Subnivel s (del inglés sharp)
• l = 1: Subnivel p (del inglés principal)
• l = 2: Subnivel d (del inglés diffuse)
• l = 3: Subnivel f (del inglés fundamental)

Número Cuántico Magnético (m_l)

Define la orientación espacial del orbital. Sus valores dependen de 'l' y van desde -l hasta +l, incluyendo el 0. El número de orbitales para un subnivel dado es 2l+1.

• Para l = 0 (subnivel s): m_l = 0. Número de orbitales = 2(0)+1 = 1.
• Para l = 1 (subnivel p): m_l = -1, 0, +1. Número de orbitales = 2(1)+1 = 3.
• Para l = 2 (subnivel d): m_l = -2, -1, 0, +1, +2. Número de orbitales = 2(2)+1 = 5.
• Para l = 3 (subnivel f): m_l = -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3. Número de orbitales = 2(3)+1 = 7.