Teories Atòmiques: De Demòcrit al Model Quàntic

Models Atòmics: Una Perspectiva Històrica

Demòcrit:

La matèria està formada per partícules petites i indivisibles anomenades àtoms.

Aristòtil:

La matèria està formada per la combinació de quatre elements: aigua, vent, foc i terra. Aquesta és la teoria dels quatre elements.

Teoria Atòmica de Dalton (1808):

La matèria està formada per partícules petites, indivisibles i separades, anomenades àtoms.

Els àtoms d'un mateix element tenen la mateixa massa i les mateixes propietats. Els àtoms d'elements diferents tenen una massa i propietats diferents. Els àtoms d'elements diferents es poden unir en quantitats fixes per a originar compostos. Els àtoms d'un compost determinat també són iguals pel que fa a la massa i les propietats.

En les reaccions químiques, els àtoms s'intercanvien d'una substància a una altra, però cap àtom no desapareix ni es transforma en un altre element diferent.

Model de Thomson (1903):

• Tenint en compte la massa del protó i l'electró, va considerar que la major part de la massa de l'àtom estava formada pels protons. Els electrons es distribueixen uniformement a l'interior de l'àtom.
• L'àtom és neutre.
• L'àtom pot perdre electrons i quedar carregat positivament.

Model de Rutherford:

• La majoria de partícules alfa no experimenten cap desviació. Amb això, Rutherford dedueix que els àtoms no són massissos, sinó que estan gairebé buits.
• Nucli i escorça: els electrons giren en òrbites circulars al voltant del nucli.

Experiment de Rutherford:

Una substància radioactiva emet partícules alfa, que travessen una placa d'or. Les partícules alfa que passen a prop del nucli es veuen sotmeses a una força de repulsió que desvia la seva trajectòria; la resta, no.

(Altres esdeveniments científics, com l'estudi dels espectres atòmics, posen en evidència alguns defectes del model atòmic de Rutherford).

Conceptes Bàsics d'Ondulatòria

La llum, la radiació infraroja, la ultraviolada, les ones de ràdio, els raigs X... són totes formes d'energia electromagnètica. Quan aquesta energia es propaga, ho fa en forma d'ones electromagnètiques.

• Amplitud (A): desplaçament màxim entre dos punts anàlegs consecutius. Unitat: metre (m).
• Longitud d'ona (λ): distància entre dos punts anàlegs consecutius. Unitat: metre (m).
• Període (T): temps invertit a recórrer una distància igual a la de la longitud d'ona. Unitat: segons (s).
• Freqüència (ν): nombre de longituds d'ona (vibracions) que passen per un punt determinat en un segon. Unitat: hertz (Hz) (1 s^-1 = 1 Hz).
• Velocitat (v): velocitat amb la qual es propaga l'ona.

Espectres Atòmics

Totes les substàncies absorbeixen, emeten o reflecteixen l'energia en algun moment.

L'espectre de llum és continu, és a dir, conté radiació en totes les freqüències. En canvi, l'espectre d'emissió dels elements és discontinu; els elements en estat gasós només emeten radiació en algunes freqüències determinades.

Els espectres també es poden classificar segons el tipus de causa que els origina: espectres d'emissió o espectres d'absorció.

Un element químic emet sempre el mateix espectre, i no existeixen dos elements amb el mateix espectre d'emissió. Es diu que és com l'empremta digital de l'element.

Orígens de la Teoria Quàntica

Teoria Quàntica:

Iniciada el 1900 per Max Planck, interpreta el fet que els àtoms originin espectres d'emissió i d'absorció.

Els cossos emeten o absorbeixen energia en forma de paquets o quàntums d'energia. Albert Einstein va introduir el concepte de fotó als quàntums de llum i de totes les formes de radiació electromagnètica. L'energia de cada quàntum es calcula mitjançant l'expressió:

E = h·ν, on h = 6,625 x 10^-34 J·s

Efecte Fotoelèctric

El científic Hertz va descobrir que, en fer incidir una radiació electromagnètica sobre una superfície metàl·lica, se'n desprenien electrons. Aquest fenomen es va anomenar efecte fotoelèctric.

Perquè tingui lloc l'efecte fotoelèctric, la freqüència de la radiació que es fa incidir sobre la superfície metàl·lica ha de ser superior a una determinada freqüència anomenada freqüència llindar (ν_o).

La freqüència llindar (característica de cada metall) és la freqüència mínima per extreure un electró d'un àtom.

Conceptes Bàsics d'Ondulatòria

Com més gran és la longitud d'ona, més baixa és la freqüència i l'energia que transporta una ona electromagnètica. L'ull humà només és sensible a la radiació electromagnètica amb λ compresa entre 4 x 10^-7 m i 7,5 x 10^-7 m.

Model de Bohr

El model de Rutherford no podia explicar fets com ara la discontinuïtat de l'energia, és a dir, els espectres d'emissió i absorció discontinus.

Bohr va aplicar les noves teories sobre la quantització de l'energia a l'àtom d'hidrogen i va poder explicar el seu espectre d'emissió discontinu.

La part referida al nucli de l'àtom ja estava clara amb el model de Rutherford: nucli petit on es concentra la càrrega positiva i gairebé tota la massa de l'àtom. Partint del model anterior, i incorporant els principis de la mecànica quàntica de Planck i l'efecte fotoelèctric d'Einstein, Bohr proposa el seu model:

L'electró gira al voltant del nucli en òrbites circulars ben definides sense emetre ni absorbir energia. No varia la seva velocitat i no es precipita sobre el nucli. El radi atòmic és constant.

L'energia de l'electró dins l'àtom està quantitzada. L'electró només ocupa unes posicions al voltant del nucli amb uns determinats valors d'energia. Hi ha òrbites permeses i òrbites prohibides.

L'electró té una energia determinada i diferent en cada òrbita. S'assigna a les òrbites un nombre enter, n, que correspon a un nivell d'energia determinat. L'estat fonamental (n = 1) és el nivell de mínima energia.

Es pot assignar un valor concret de l'energia de l'electró a cada òrbita.

El pas d'un electró d'una òrbita a una altra provoca l'emissió o l'absorció d'energia d'acord amb la diferència d'energia entre els dos nivells energètics.

Model Quàntic o d'Orbitals

Els avenços científics en mecànica quàntica de De Broglie, Heisenberg i Schrödinger fan evolucionar el model atòmic anterior.

• Hipòtesi de De Broglie: Dualitat ona-partícula: les partícules (protó, electró...) tenen propietats ondulatòries.
• Principi d'incertesa de Heisenberg: No és possible conèixer amb exactitud la posició i la velocitat d'un electró de manera simultània. Segons aquest principi, deixaria de ser vàlid el model de Bohr, que diu que els electrons es mouen seguint unes òrbites ben definides.
• Equació de Schrödinger (equació o funció d'ona): Les equacions descriuen el comportament dels electrons (dualitat ona-partícula) dins de l'àtom i expliquen la impossibilitat de predir-ne la trajectòria. Es comença a parlar de zones de probabilitat de trobar l'electró o orbitals.

L'equació de Schrödinger permet obtenir els diferents orbitals de l'àtom i els nombres quàntics que identifiquen cada electró.

Model Actual

Cada orbital està determinat per tres nombres quàntics representats per n, l i m_l.

• Nombre quàntic principal (n): representa la mida i l'energia de l'orbital. El nivell n = 1 és el de menor energia i mida, i aquestes van augmentant a mesura que el nivell s'allunya del nucli (n = 1, 2, 3...).
• Nombre quàntic secundari (l): determina la forma de l'orbital i l'energia dins de cada nivell. Els valors que pot prendre l són: 0,...,(n-1).
• Nombre quàntic secundari (l): orbital s (2 electrons), orbital p (6 electrons), orbital d (10 electrons), orbital f (14 electrons).
• Nombre quàntic magnètic (m_l): descriu l'orientació espacial de l'orbital. Els seus valors poden anar de -l, ..., 0, ..., +l.
• Nombre quàntic magnètic d'espín (m_s): determina l'alineació de l'electró respecte a un camp magnètic extern. Pot tenir els valors +1/2 o -1/2. L'espín permet caracteritzar cadascun dels dos electrons que hi pot haver en cada orbital.

Error de Rutherford:

Segons la física, un cos carregat elèctricament, en estar en moviment, emet energia. Per tant, l'electró perdrà energia i caurà cap al nucli.

Per escriure la configuració electrònica d'un element, cal complir algunes regles:

1. Principi d'exclusió de Pauli: en un àtom no hi pot haver dos electrons amb els quatre nombres quàntics iguals. Per tant, en un mateix orbital hi caben com a màxim dos electrons, que hauran de tenir el nombre quàntic d'espín oposat.
2. Regla de Madelung o principi d'Aufbau: els electrons es distribuiran en els orbitals per ordre energètic, de menor a major energia. Primer s'omplen els 1s, 2s, 2p, 3s, etc.

Taula Periòdica

La taula periòdica ha anat evolucionant al llarg dels anys a causa de fets experimentals que han portat al descobriment de nous elements.

Els primers elements es van classificar segons la seva aparença i propietats físiques. Es van dividir en metalls i no-metalls.

Evolució de la Taula Periòdica

Johann Döbereiner va trobar similituds de propietats en grups de tres elements o tríades.

John Newlands es va adonar que les propietats es repetien cada vuit elements. Va anomenar aquesta ordenació llei de les octaves, per la seva semblança amb l'escala musical.

Mendeleiev va distribuir els 66 elements coneguts en 12 sèries en ordre creixent de masses atòmiques i en 8 columnes verticals amb elements de propietats similars. Va ser capaç de predir l'existència d'elements descoberts amb posterioritat, per als quals va deixar espai a la taula periòdica. Prefix eka (sota de).

La taula periòdica actual està construïda a partir de la taula periòdica de Mendeleiev, però ordenant els elements segons l'ordre creixent dels nombres atòmics (Z).

El sistema periòdic actual està constituït per 18 columnes o grups i 7 files o períodes. Actualment, hi ha 118 elements i tots ells tenen nom.