TEMA 01.1 ESTRUCTURA ELECTRONICA.pdf

CIÈNCIA I TECNOLOGIA DELS MATERIALS
2019-2020
EEBE
ESTRUCTURA
ATÒMICA

2019-2020
EEBE
ESTRUCTURA ELECTRÒNICA
Cap a l'any 400 a. de C. Demòcrit i Leucip van proposar la primera
teoria atòmica anomenada la "Discontinuïtat de la Matèria“.
Aquesta va consistir en que la matèria es podia
Els origens
La teoria atòmica de Demòcrit
dividir indeterminadament en partícules cada
vegada més petites fins a obtenir unes diminutes i
indivisibles, als quals Demòcrit va anomenar àtoms,
els quals constitueixen la matèria. Així hi havia
àtoms d'or, d'aigua, aire, roques, etc.
La paraula "àtom" prové del llatí "atomum", i
aquest del grec “ἄτομον” 'no tallat, sense
porcions, indivisible'; també, es deriva de a- ('no')
i tómo- 'tros tallat, porció, part'
Demòcrit

2019-2020
EEBE
Els origens
La teoria atòmica de Demòcrit
No obstant això, Aristòtil i Plató, dos dels filòsofs més coneguts de
l'antiga Grècia, van rebutjar les teories de Demòcrit.
Aristòtil acceptava la teoria de Empèdocles d'Agrigent que
Aristòtil acceptava la teoria de Empèdocles d'Agrigent que
argumentava que tota la matèria estava composta de quatre
elements: foc, aire, aigua i terra. La proporció d'aquests quatre
elements afectava les propietats de la matèria). Aristòtil va afegir la
seva pròpia idea (incorrecta) que els quatre elements bàsics podrien
transformar-se l'un en l'altre.
A causa de la gran influència d'Aristòtil, la teoria de Demòcrit hauria
d'esperar gairebé 2.000 anys abans de ser redescoberta

2019-2020
EEBE
Els origens
Les lleis ponderals de les combinacions químiques van trobar una
explicació satisfactòria en la teoria atòmica formulada per John
Dalton en 1803 i publicada en 1808.
La teoria atòmica de Dalton
Dalton va reinterpretar les lleis ponderals
basant-se en el concepte d'àtom. Estableix els
següents postulats o hipòtesis, partint de la idea
que la matèria és discontínua.
H2SO4 + 2 KOH  K2SO4 + 2 H20
J. Dalton

2019-2020
EEBE
Els origens
Els àtoms d'un mateix element són iguals en massa i en totes les
altres qualitats.
La teoria atòmica de Dalton
Les hipòtesis de Dalton van ser les següents:
altres qualitats.
Els àtoms dels diferents elements tenen diferents massa i
propietats
Els compostos es formen per la unió d'àtoms dels corresponents
elements en una relació numèrica senzilla. Els «àtoms» d'un
determinat compost són al seu torn idèntics en massa i en totes
les seves altres propietats.

2019-2020
EEBE
Model quàntic determinista
(l’àtom de Bohr)

2019-2020
EEBE
Model aquàntic determinista (l’àtom de Bohr)
Model atòmic de Thomson
En 1897, el físic britànic J. J. Thomson, va descobrir
l'electró, en deduir que els rajos catòdics estaven formats
per partícules negatives.
J. J. Thomson

2019-2020
EEBE
Thomson coneixia els valors d'intensitat dels camps elèctric i
magnètic que estava aplicant, així que va poder calcular la velocitat de
les partícules; el resultat aproximat va ser d'1/3 de la velocitat de la
llum quan aconseguia les millors condicions possible de buit en el
llum quan aconseguia les millors condicions possible de buit en el
tub.
Això significava que no es podia
tractar d'una ona
electromagnètica, ja que
aquestes viatjaven a la velocitat
de la llum en el buit.

2019-2020
EEBE
Thomson va desactivar el camp magnètic, de manera que el raig
quedava desviat únicament pel camp elèctric. Amb aquestes
condicions i coneixent la velocitat, va poder obtenir la relació entre
càrrega i massa de l'electró.
Els resultats van ser sorprenents
ja que, independentment del
material que s'usés per a
l'elèctrode, la relació q/m era
constant, la qual cosa significava
que els corpuscles responsables
dels rajos catòdics eren sempre
iguals i no depenien del material
de partida.

2019-2020
EEBE
A més, va descobrir que la relació de càrrega a massa era tan gran
que les partícules o bé suportaven una càrrega enorme o eren mil
vegades més petites que un ió d'hidrogen (H+, protó):
Àtom d’hidrogen Ió hidrogen (protó)

2019-2020
EEBE
A més, va descobrir que la relació de càrrega a massa era tan gran
que les partícules o bé suportaven una càrrega enorme o eren mil
vegades més petites que un ió d'hidrogen (H+, protó).
vegades més petites que un ió d'hidrogen (H , protó).
Es va decidir per això últim i se li va ocórrer la idea que els rajos
catòdics estaven fets de partícules que emanen des de l'interior dels
àtoms mateixos, una idea molt audaç i innovadora.

2019-2020
EEBE
Es va decidir per això últim i se li va ocórrer la idea que els rajos
catòdics estaven fets de partícules que emanen des de l'interior dels
àtoms mateixos, una idea molt audaç i innovadora.
El Model atòmic de Thomson (conegug, també,
con el model del “púding de panses” consistia en
una esfera de material amb càrrega positiva (+)
que en el seu interior tenia partícules amb càrrega
negativa (-) disposades aleatòriament, com en el
cas de les llavors d'una síndria, que es podien
separar fàcilment.
A aquestes partícules les va anomenar “electrons”.

2019-2020
EEBE
El nom d'electró ve de la paraula grega ελεκτρον, ("elektron") que
A aquestes partícules les va anomenar “electrons”.
significa ambre. (aquest nom ho va proposar Johnstone Stoney al
1874)
Se li dóna aquest nom perquè ja des de l'època de l'antiga Grècia
s'havia observat que fregant un tros d'ambre amb un drap, aquest
exercia atracció sobre altres cossos.
Per aquest motiu l'ambre estigués vinculat amb els experiments amb
electricitat estàtica que es van fer posteriorment i que es decidís
utilitzar aquesta paraula per designar a les partícules "culpables"
d'aquesta atracció.

2019-2020
EEBE
Model quàntic determinista (l’àtom de Bohr)
Experiment de Rutherford
En 1911, E. Rutherford va realitzar una experiència
encaminada a corroborar el model atòmic de
Thomson.
El resultat esperat era que les partícules alfa travessessin la fina
làmina sense amb prou feines desviar-se. Per observar el lloc de xoc
de la partícula van col·locar, darrere i als costats de la làmina
metàl·lica, una pantalla fosforescent.
Thomson.
Consistia a bombardejar amb partícules alfa (nuclis del
gas heli) una fina làmina de metall.
E. Rutherford

2019-2020
EEBE
Les partícules alfa tenen càrrega elèctrica
positiva, i serien atretes per les càrregues
negatives i repel·lides per les càrregues
negatives i repel·lides per les càrregues
positives.
No obstant això, com en el model atòmic
de Thomson les càrregues positives i
negatives estaven distribuïdes
uniformement, l'esfera havia de ser
elèctricament neutra, i les partícules alfa
passarien a través de la làmina sense
desviar-se.

2019-2020
EEBE

2019-2020
EEBE
No obstant això, els resultats van ser sorprenents. Tal com esperaven,
la major part de les partícules va travessar la làmina sense desviar-se.
Però algunes van sofrir
desviacions grans i, el més
important, un petit nombre
de partícules va rebotar cap
a enrere.

2019-2020
EEBE
Això, per a la idea que es tenia sobre l'àtom, era
tan impressionant i imprevisible que, en paraules
del propi Rutherford, era igual a si es disparava
del propi Rutherford, era igual a si es disparava
una bala de canó contra una fulla de paper i
aquesta rebotés.
Aquests fets no podien ser
explicats pel model atòmic de
Thomson, de manera que
Rutherford va abandonar aquest
model i va elaborar un altre,
suggerint el que es coneix com a
àtom nuclear.

2019-2020
EEBE
Força centrifuga
FORCES:
Força d’atracció
electrostàtica
Força d’atracció
gravitacional
(Llei de Coulomb)

2019-2020
EEBE


2019-2020
EEBE
En 1889, M. Planck havia descobrir una constant
fonamental, la denominada Constant de Planck (h),
usada per calcular l'energia d'un fotó:
h = 6,62606957·10-34 J·s
Planck estableix que l'energia es radia en unitats petites denominades
quants. La llei de Planck relaciona que l'energia de cada quant és
igual a la freqüència de la radiació multiplicada per la Constant de
Planck.
h = 6,62606957·10-34 J·s Max Planck

2019-2020
EEBE
Mecànica quàntica (M. Planck) 

2019-2020
EEBE
El model explica:  Els electrons estan en òrbites fixes.
 Que hi ha una energia fixa associada al canvi
d’òrbita
 Que la menor energia es dóna a l’òrbita més
 Que la menor energia es dóna a l’òrbita més
interior

2019-2020
EEBE

2019-2020
EEBE
, es la longitud d’ona de la radiació emes,a en m.
me, es la massa de l’electró, 9,109·10-31 kg.
qe, es la càrrega del electró, 1,602 · 10-19 C.
h, es la constant universal de Planck, 6,623·10-34 J·s
c, es la velocitat de la llum, 2,998·108 m/s
0, es la permitivitat del vuit, 8,854·10-12 F/m

2019-2020
EEBE
La funció:
Johannes Rydberg
Es una constant descoberta per el físic suec Johannes Rydberg al
1869.

2019-2020
EEBE
Espectre
d'emissió del
fòsfor

2019-2020
EEBE
Espectre d’absorció de l’hidrogen
Espectre d’emissió de l’hidrogen

2019-2020
EEBE
El model atòmic de Bohr funcionava molt bé per a
l'àtom d'hidrogen, no obstant això, en els espectres
realitzats per a àtoms d'altres elements s'observava
Modificació de Sömmerfeld: Model de Bohr-Sommerfeld
realitzats per a àtoms d'altres elements s'observava
que electrons d'un mateix nivell energètic tenien
diferent energia, mostrant que existia un error en el
model.
En 1916, Sommerfeld va perfeccionar el model atòmic de Bohr
intentant pal·liar aquest defecte. Per a això va introduir una
modificació bàsica:
Òrbites gairebé el·líptiques per als electrons
Arnold Sommerfeld

2019-2020
EEBE
El Model Atòmic de Sommerfeld (1916) postula que:
• Dins d'un mateix nivell energètic (n) existeixen subnivells diferents.
• Dins d'un mateix nivell energètic (n) existeixen subnivells diferents.
• No solament existeixen òrbites circulars sinó també òrbites
el·líptiques determinades pel nombre quàntic azimutal (l) que pren
valors des de 0 a n-1:
l = 0 → forma l'orbital s
l = 1 → forma l'orbital p
l = 2 → forma l'orbital d
l = 3 → forma l'orbital f

2019-2020
EEBE
Per exemple, amb 3 nivells d'energia (n=1, 2 i 3)
tenim les següents òrbites possibles:
un orbital s en n = 1
un orbital s i un orbital p en n = 2
un orbital s, un orbital p i un orbital d en n = 3
Adapta el model de Bohr a la mecànica relativista ja
que els electrons es mouen a velocitats properes a
les de la llum.
Per Sommerfeld, l'electró és un corrent elèctric.

2019-2020
EEBE
Model quàntic probabilístic (Schrödinger)
Principi de Indeterminació de Heisenberg
El principi d'incertesa desenvolupat per Heisenberg
(1927), postula que és impossible conèixer conjuntament
(1927), postula que és impossible conèixer conjuntament
amb exactitud, la posició i la velocitat d'una partícula.
Com més gran sigui la precisió amb què determinem la posició, menor
serà la de la seva velocitat.
Heisenberg va calcular la magnitud d'aquesta inexactitud d'aquestes
propietats i amb això va definir el “principi d'incertesa”, pel qual va
rebre el Premi Nóbel de física.
Werner Heisenberg

2019-2020
EEBE
Principi de Indeterminació de Heisenberg
El punt central de la física quàntica és el concepte d'incertesa. La
paraula incertesa està a tot arreu i per això la teoria quàntica té una
estructura fonamentalment probabilística és a dir basada en la
incertesa.
On:
x es la incertesa en la posició
p es la incertesa en la quantitat de moviment

2019-2020
EEBE
Tradicionalment, els electrons s'havien considerat
com a partícules, i per tant un feix d'electrons seria
alguna cosa clarament diferent d'una ona.
De Broglie va proposar (1923) eliminar aquesta
De Broglie va proposar (1923) eliminar aquesta
distinció: un feix de partícules i una ona són
essencialment el mateix fenomen; simplement,
depenent de l'experiment que realitzem, observarem
un feix de partícules o observarem una ona.
Louis-Victor de Broglie

2019-2020
EEBE
Basat en això, de Broglie desenvolupa un àlgebra senzilla per
expressar les seves idees:
Segons Planck:
Segons Planck:
Segons Einstein:
De Broglie, va assignar a les partícules una ona associada la longitud
dona de la qual ve donada per la següent expressió:

2019-2020
EEBE
El Model Atòmic de Schrödinger (1924) postula que:
els electrons són ones de matèria que es distribueixen
a l'espai segons la funció d'ones (Ψ):
els electrons es distribueixen en orbitals que són regions de l'espai
amb una alta probabilitat de trobar un electró.
Aquesta probabilitat ve determinada pel quadrat de la funció d'ones
(Ψ2).
(2/x2)+(2/x2)+(2/x2)+(82m/h2)(E-V)=0
H=E

2019-2020
EEBE
 Calcula la zona de l’espai (orbital) on hi ha una alta probabilitat de
trobar un electró.
 No contradiu el principi d’incertesa (Heisenberg).
 Utilitza 3 números quàntics per definir els orbitals:
• n: número quàntic principal (1, 2, 3, 4, ...)
• l: número quàntic angular (0, 1, 2, 3, ... n-1)
• ml: número quàntic magnètic (-l, -l-1, ..., -1, 0, 1, ..., l-1, l)
 Cada orbital pot estar ocupat per dos electrons amb número
quàntic d’espí diferent:
• ms= +1/2, -1/2

2019-2020
EEBE
 Nomenclatura:
• quan l = 0, orbital tipus s
• quan l = 1, orbital tipus p
• quan l = 2, orbital tipus d
• quan l = 2, orbital tipus d
• quan l = 3, orbital tipus f
• quan l = 4, ....
 Principi d’exclusió (Pauli)
• Dos electrons no poden tenir els 4 números quàntics
iguals.
 Principi d’ocupació (Hund)
• Els electrons ocupen el major espai (orbitals) possibles.

2019-2020
EEBE
Orbitals s

2019-2020
EEBE
Orbitals p

2019-2020
EEBE
Orbitals d

2019-2020
EEBE

2019-2020
EEBE
Diagrama de Möller
Els electrons ocupen els orbitals de manera que es minimitzi l'energia
de l'àtom.
L'ordre exacte d'ompliment dels orbitals es va establir
experimentalment, principalment mitjançant estudis espectroscòpics i
magnètics, i és l'ordre que hem de seguir en assignar les
configuracions electròniques als elements.
L'ordre d'ompliment d'orbitals és:
1s2-2s2-2p6-3s2-3p6-4s2-3d10-4p6-5s2-4d10-5p6-6s2-4f14-5d10-
6p6-7s2-5f14-6d10-7p6

2019-2020
EEBE
Diagrama de Möller

2019-2020
EEBE
Coure, Z = 29
1s2-2s2-2p6-3s2-3p6-4s2-3d9
[Ar]4s2-3d9

2019-2020
EEBE
Taula periòdica dels elements

2019-2020
EEBE
Reactivitat
Els àtoms amb freqüència guanyen, perden o comparteixen electrons
tractant d'aconseguir el mateix nombre d'electrons que els gasos
nobles més propers a ells en la taula periòdica.
Els gasos nobles tenen acomodaments d'electrons molt estables, com
Els gasos nobles tenen acomodaments d'electrons molt estables, com
revelen les seves altes energies d'ionització, la seva baixa afinitat per
electrons addicionals i la seva falta general de reactivitat química. ja
que tots els gasos nobles (amb excepció de l'He) tenen vuit electrons
de valència, molts àtoms que experimenten reaccions, també acaben
amb vuit electrons de valència.
Aquesta observació ha donat lloc a una pauta coneguda com a regla
de l'octet: els àtoms tendeixen a guanyar, perdre o compartir
electrons fins a estar envoltats per vuit electrons de valència. Un
octet d'electrons consisteix en subcapes s i p plenes d'un àtom.

2019-2020
EEBE
Reactivitat
2 Cl Cl2
Configuració electrònica del clor (Cl, Z=17): 1s2 – 2s2 – 2p6 – 3s2 – 3p5
7 electrons de valència en
cada àtom
8 electrons de valència en
cada àtom
Els àtoms de clor per separat
no compleixen la regla de
l'octet
En formar un enllaç compartint
dos electrons, els àtoms de clor
compleixen amb la regla de
l'octet
2 Cl Cl2

2019-2020
EEBE
Reactivitat: Electronegativitat (X)
L'electronegativitat d'un element mesura la seva tendència a atreure
cap a si electrons, quan està químicament combinat amb un altre
àtom.
Com més gran sigui, major serà la seva capacitat per
atreure'ls.
Pauling la va definir com la capacitat d'un àtom en
una molècula per atreure electrons.
Linus Pauling

2019-2020
EEBE
Reactivitat: Electronegativitat
Els seus valors, basats en dades termoquímiques, han estat
determinats en una escala arbitrària, denominada escala de Pauling, el
valor màxim de la qual és 4 que és el valor assignat al fluor, l'element
més electronegatiu.
L'element menys electronegatiu, el cesi, té una electronegativitat de
0,7.
ELECTRONEGATIVITAT

2019-2020
EEBE
Reactivitat: Electronegativitat

TEMA 01.1 ESTRUCTURA ELECTRONICA.pdf

Recomendados

Recomendados

Más contenido relacionado

Similar a TEMA 01.1 ESTRUCTURA ELECTRONICA.pdf

Similar a TEMA 01.1 ESTRUCTURA ELECTRONICA.pdf (20)

TEMA 01.1 ESTRUCTURA ELECTRONICA.pdf