Principios Clave de la Química Cuántica y Tendencias Atómicas

Conceptos Fundamentales de la Mecánica Cuántica Aplicados al Átomo

Principios Cuánticos Fundamentales

• Principio de Incertidumbre de Heisenberg (1927): Establece que existe un límite en la precisión con que se pueden determinar simultáneamente la posición y la energía (o momento) de una partícula.
• Principio de Exclusión de Pauli: Postula que no pueden existir en un átomo dos electrones que tengan los cuatro números cuánticos iguales entre sí. En el mismo orbital solo pueden existir como máximo dos electrones y deben tener spines opuestos.
• Regla de Máxima Multiplicidad de Hund: Los electrones, al ocupar orbitales con el mismo valor de $l$ pero distinto valor de $m_l$ (orbitales degenerados), se colocan de manera que su desapareamiento sea el mayor posible (ocupan el mayor número de orbitales con distinto valor de $m_l$). Los electrones no apareados se colocan con sus spines paralelos.

Capacidad de los Orbitales:

• Orbital $s$: 2 electrones
• Orbital $p$: 6 electrones
• Orbital $d$: 10 electrones
• Orbital $f$: 14 electrones

Clasificación de Elementos por Llenado de Orbitales

• Elementos de Transición (Grupo 3 al 12): Se está llenando un orbital $d$ del penúltimo nivel ($n-1$).
• Elementos Representativos: Se están llenando orbitales $s$ o $p$ del último nivel ($n$).
• Elementos de Transición Interna: Se está llenando el orbital $f$ del antepenúltimo nivel ($n-2$).

Propiedades Periódicas de los Elementos

Energía de Ionización ($ ext{E}_i$)

Es la energía requerida para remover un electrón de un átomo gaseoso en estado fundamental.

Tendencia en un Periodo (moviéndose hacia la derecha):

• La $ ext{E}_i$ aumenta a medida que aumenta el número atómico ($Z$).
• Esto se debe al aumento del efecto de la carga nuclear efectiva. Al añadir electrones, se añaden protones, incrementando la atracción del núcleo. Cuanto mayor sea la fuerza de atracción, más cuesta dejar escapar electrones.

Tendencia en un Grupo (moviéndose hacia abajo):

• La $ ext{E}_i$ disminuye a medida que el átomo crece (aumenta $Z$).
• Cuanto mayor sea el volumen del átomo, más fácil es arrancar un electrón de la capa más externa.

Afinidad Electrónica ($ ext{E}_a$)

Es la energía que desprende un átomo en estado fundamental y gaseoso al captar un electrón. Se refiere a moles de átomos.

Tendencia en un Periodo:

• A medida que aumenta $Z$, la $ ext{E}_a$ aumenta (se desprende más energía) porque el electrón que se incorpora se siente mayormente atraído por la mayor carga nuclear.

Tendencia en un Grupo:

• A medida que $Z$ aumenta, la $ ext{E}_a$ disminuye porque los átomos van aumentando su volumen y la atracción sobre el electrón entrante es cada vez menor.

Nota: Los gases nobles son difíciles de ionizar y tienen poca afinidad electrónica (tienden a no aceptar electrones).

Electronegatividad

Capacidad de un átomo para atraer electrones hacia sí en un enlace químico.

• El elemento más electronegativo es el flúor y el menos electronegativo es el francio.
• Cuanto más arriba y más a la derecha en la tabla periódica, mayor electronegatividad.

Carácter Metálico

Está relacionado inversamente con la electronegatividad: a mayor electronegatividad, menor carácter metálico.

Radio Atómico y Radio Iónico

Radio Atómico

Está determinado por la carga nuclear efectiva y la distancia de los electrones de valencia al núcleo.

Radio Iónico

Se refiere al tamaño de los iones formados por la ganancia (aniones) o pérdida (cationes) de electrones.

Comparación $ ext{Radio Cation} ext{ vs } ext{Radio Neutro}$ ($ ext{R}_{ ext{Catión}} < ext{R}_{ ext{Neutro}}$):

• El catión tiene menos electrones que el átomo neutro.
• La carga nuclear se mantiene igual, resultando en una mayor atracción efectiva por electrón restante.
• Al disminuir el número de electrones en la corteza, aumenta la atracción del núcleo y disminuyen las repulsiones electrónicas, haciendo que el radio sea menor.

Comparación $ ext{Radio Anión} ext{ vs } ext{Radio Neutro}$ ($ ext{R}_{ ext{Anión}} > ext{R}_{ ext{Neutro}}$):

• El anión tiene más electrones que el átomo neutro.
• La carga nuclear se mantiene igual, pero la corteza electrónica es más grande.
• Al haber más electrones en la corteza, aumentan las repulsiones electrónicas, lo que provoca que los electrones se separen más entre sí, y el radio iónico aumenta.

Definiciones Adicionales

Orbital

Es una función de onda que describe en términos de probabilidad la posición del electrón de una determinada energía. Por extensión, se asigna este nombre a la zona del espacio en la que existe una probabilidad elevada (99%) de encontrar un electrón.

Órbita

Es una trayectoria definida del electrón. Fue propuesta por Rutherford, Bohr, Sommerfeld y otros investigadores para explicar el movimiento de los electrones del átomo (concepto superado por el modelo cuántico).