Modelos Atómicos: De Bohr a la Mecánica Cuántica

Modelo Atómico de Bohr

Postulados del Modelo de Bohr

El modelo atómico de Bohr se resume en los siguientes postulados:

• Primer Postulado: El electrón gira alrededor del núcleo en órbitas circulares estacionarias, también conocidas como niveles de energía. El espacio alrededor del núcleo está cuantizado, lo que significa que hay zonas permitidas para los electrones (niveles de energía) y zonas no permitidas.
• Segundo Postulado: Las órbitas permitidas para un electrón son aquellas en las que su momento angular es un múltiplo entero de h / 2π. Esto se expresa matemáticamente como: mvr = n (h / 2π), donde:
  • n es el número cuántico principal, que define los niveles de energía y el volumen del átomo (n = 1, 2, 3, 4, ... ∞).
  • h es la constante de Planck.
  • m es la masa del electrón.
  • v es la velocidad del electrón.
  • r es el radio de la órbita del electrón.
• Tercer Postulado: Mientras el electrón gira en su órbita, no absorbe ni emite energía.
  • Cuando un electrón absorbe energía (un fotón), pasa a una órbita más externa, lo que se conoce como espectro de absorción (ΔE = hν).
  • Cuando un electrón cede energía (un fotón), pasa a una órbita más interna, lo que se conoce como espectro de emisión (ΔE = hν).

Estructura del Átomo según Bohr

Según Bohr, el átomo tiene forma esférica y consta de dos partes:

• Núcleo: Es la parte central, de pequeño tamaño (del orden de 10^-15 m), que concentra casi toda la masa del átomo y contiene los protones y neutrones.
• Órbitas: Son regiones circulares alrededor del núcleo que ocupan casi todo el volumen del átomo (del orden de 10^-10 m o 1 Å, angstrom). Contienen los electrones, en igual número que los protones, y tienen muy poca masa.

Modelo Mecano-Cuántico del Átomo: Orbitales Atómicos

Otros científicos, como Heisenberg y Schrödinger, desarrollaron modelos matemáticos que explicaban con mayor precisión los datos atómicos conocidos y predecían otros que luego fueron comprobados experimentalmente. La rama de la física que estudia el comportamiento de átomos, moléculas y partículas elementales se llama mecánica cuántica. El modelo que utiliza para explicar el átomo es el modelo mecano-cuántico, basado en la teoría cuántica de Planck (energía discontinua) y en los siguientes conceptos:

Dualidad Onda-Corpúsculo

Einstein (1905) propuso que la luz tiene un comportamiento dual, tanto ondulatorio como corpuscular. L. de Broglie (1924) aplicó esta idea a los electrones, sugiriendo que también presentan un comportamiento dual. Esto implica que cualquier partícula con masa m y velocidad v (como un electrón) tiene asociada una onda con una longitud de onda λ, dada por la ecuación: λ = h / mv.

Principio de Incertidumbre de Heisenberg y el Concepto de Orbital Atómico

La dualidad onda-partícula planteó el problema de determinar la posición del electrón. Dado que un electrón tiene una onda asociada, no es correcto hablar de su posición exacta. Heisenberg (1924) formuló el Principio de Incertidumbre (o Indeterminación), que establece que es imposible conocer simultáneamente y con precisión la cantidad de movimiento (p) de una partícula en movimiento y su posición (r). Este principio llevó a abandonar la idea de órbita para el electrón (como en el modelo de Bohr) e introdujo el concepto de orbital atómico. Un orbital atómico es una región del espacio alrededor del núcleo donde existe una alta probabilidad de encontrar un electrón con una energía determinada.

El carácter ondulatorio del electrón en el átomo se describe mediante la función de onda (orbital), que se obtiene como solución de la ecuación de onda de Schrödinger. Cada solución de esta ecuación proporciona información sobre el estado energético del electrón y la función de onda (orbital) asociada a ese estado. Los estados energéticos permitidos para los electrones de un átomo se distinguen mediante cuatro números cuánticos.

Números Cuánticos: Significado y Valores

Los números cuánticos describen las propiedades de los electrones en los átomos:

El átomo, alrededor del núcleo, está estructurado en niveles (1, 2, 3, 4, ...) y subniveles (s, p, d, f, ...). El número de orbitales es n², y el número máximo de electrones en dichos orbitales es 2 · n². Un electrón queda perfectamente identificado con los cuatro números cuánticos: (n, l, m_l, m_s).

La ecuación de onda proporciona toda la información necesaria para estudiar la estructura de un átomo: número, tipo, capacidad en electrones y distribución de los orbitales atómicos.

Configuración Electrónica y Principios de la Arquitectura Atómica

La configuración electrónica de un átomo describe la distribución de sus electrones en los orbitales alrededor del núcleo. Los principios básicos de la arquitectura atómica son:

• Ecuación de Ondas: Determina el número, tipo y capacidad en electrones de los orbitales atómicos.
• Energía Relativa de los Orbitales Atómicos: Los orbitales con menor suma de (n+l) tienen menor energía. En caso de igualdad, el de menor n tiene menor energía. El orden de llenado es: 1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s < 4f < 5d < 6p < 7s < 5f < 6d < ...
• Principio de Mínima Energía (Construcción) de Aufbau: Los electrones se colocan uno a uno en los orbitales atómicos en orden creciente de energía.
• Principio de Exclusión de Pauli: En un átomo no pueden existir dos electrones con los cuatro números cuánticos iguales. Esto limita el número de electrones por orbital a dos, con espines opuestos (m_s = -1/2 y m_s = +1/2).
• Regla de la Máxima Multiplicidad de Hund: Para orbitales de la misma energía, la configuración electrónica más estable es aquella en la que los electrones ocupan orbitales diferentes con espines paralelos.

Representación de Orbitales y Electrones

Los orbitales atómicos se pueden representar mediante cuadros o guiones, y los electrones mediante flechas:

• Electrón solitario: ↑
• Espines opuestos (electrones apareados): ↑↓
• Espines paralelos (electrones desapareados): ↑ ↑

También se utiliza la notación número letra^exponente, por ejemplo: 1s².

Diagrama de Moeller

El diagrama de Moeller es una herramienta útil para determinar la configuración electrónica de un átomo. Se trazan diagonales de arriba hacia abajo para seguir el orden de llenado de los orbitales según el número atómico (Z).