QUÍMICA

Estructura de la MATÈRIA

01

Teories atòmiques

.Teoria atòmica de Demòcrit

.Teoria atòmica de Dalton

02

Models atòmics

.Els primers models atòmics

.Model atòmic de Rutherford

.Conseptes bàsics d'ondulatòria

03

-Nocions bàsiques de mecànica ondulatòria

Model de Bohr

-Espectre atòmics

04

Model actual de l'àtom. Model quàntic o d'orbitals

.Hipòtesi de De Broglie

.Principi d'incertesa de Heisenberg

.Equació de Schrödinger

Werner Heisenberg, a càrrec de Copenhaguen, va elaborar un model matemàtic amb el propòsit d'abordar les deficiències del model atòmic de Bohr quan tenia només 26 anys, presentant-lo en 1927. El seu objectiu d'incertesa indicava que no és possible conèixer de manera simultània i amb precisió la posició i la velocitat d'una partícula. Això es deu al fet que en analitzar la posició d'una partícula, com un electró, s'altera la seva velocitat a causa de la interacció amb la llum utilitzada per a examinar-la, la qual cosa dificulta la comprensió de tots dos valors amb precisió. Si es compleix amb aquest principi, el model atòmic de Bohr, que postula òrbites definides per als electrons, perd validesa.

Reconeixent la necessitat d'un model que obeïssin totalment els principis quàntics, Niels Bohr va combinar la mecànica clàssica amb la nova mecànica quàntica en el seu model de l'àtom. Tanmateix, la mecànica clàssica només s'aplica a un determinat rang de velocitats i distàncies, mentre que la mecànica quàntica s'aplica a fenòmens a escala molt petita. A més, per a les partícules que es mouen a gairebé la velocitat de la llum, es requereix una mecànica relativista. La mecànica de Newton és una bona aproximació per al món macroscòpic, però no funciona a nivell atòmic. El desenvolupament dels models quàntics actuals es pot remuntar a Broglie i continuar per Heisenberg i Schrödinger.

El model de Rutherford, basat en principis de la mecànica clàssica, no explicava de manera suficient les observacions experimentals, llavors en 1913 Bohr, basant-se en aquell model, s'atreví a establir un model nou basat en unes consideracions prèvies i tres postulats. Consideracions prèvies 1r postulat: L'electró gira al voltant del nucli en òrbites circulars sense emetre energia ni absorbir-ne. 2n postulat: Per als electrons, només es permeten òrbites circulars amb un determinat valor energètic. 3r postulat:La transferència d'electrons d'una òrbita a una altra provoca l'emissió o absorció d'energia en funció de la diferència d'energia entre els dos nivells energètics.

Tot i que el model de Bohr no s'ajustava als principis de la mecànica clàssica, va ser acceptat per la comunitat científica per la seva capacitat per explicar resultats experimentals. Aplicat a l'àtom d'hidrogen, el model interpreta correctament el seu espectre d'emissió, vinculant les línies espectrals als canvis d'energia a mesura que els electrons es mouen entre orbitals. Tanmateix, aviat es va descobrir que les línies espectrals eren en realitat múltiples línies molt fines, i l'efecte Zeeman va mostrar que el camp magnètic produïa noves línies espectrals en l'espectre. Abans d'aquestes observacions, Sommerfeld va proposar una modificació del model de Bohr, proposant una òrbita el·líptica per a l'electró. Tot i que la teoria explica les línies espectrals properes, no explica completament tots els fenòmens experimentals observats.

El principi d'incertesa de Heisenberg suggereix que és impossible conèixer simultàniament la posició i la velocitat d'una partícula, la qual cosa té conseqüències significatives en la física quàntica. Edwin Schrödinger va plantejar una equació d'ona amb el propòsit de descriure el comportament de les partícules subatòmiques, considerant-les com a ones. Aquesta equació, elaborada en 1926, és una eina fonamental en la mecànica quàntica, brindant una explicació probabilística de la posició de les partícules. A pesar que Albert Einstein va qüestionar aquest enfocament, la mecànica quàntica va prevaler. L'equació de Schrödinger relaciona la funció d'ona amb l'energia i les coordenades espacials de la partícula, i en resoldre-la per a l'àtom d'hidrogen, s'obtenen funcions d'ona associades a estats energètics quantitzats. Aquestes funcions es basen en els orbitals, a les regions de l'espai en les quals existeix una elevada probabilitat de localitzar la partícula. A pesar que no es poden observar de manera directa, els orbitals es representen de manera geomètrica amb la finalitat de comprendre la seva distribució de càrrega.

L'àmplia varietat de fonts d'energia, com ara la llum, la radiació infraroja, la ultraviolada, les ones de radi, els raigs X, la radiació gamma i les microones, són una sèrie de radiacions electromagnètiques. Aquestes radiacions es propaguen com a ones electromagnètiques, la qual cosa significa la transferència d'energia electromagnètica mentre es mou. No obstant això, el so i les radiacions alfa i beta no són formes d'energia electromagnètica. Les característiques d'una ona són: .Longitud d'ona(λ): És la distància mínima entre dos punts en concordança de fase, és a dir, amb el mateix estat de vibració. .Període (T): És el temps que triga una ona que passen per un punt determinat en un segon. .Freqüència (v): És el nombre de longituds d'ona que passes er un punt determinat en un segon.

L'arc de Sant Martí és un fenomen òptic que es produeix mitjançant la reacció i reflexió de la llum solar mitjançant gotes d'aigua a l'atmosfera. Aquest fenomen es deu a la descomposició de la llum solar en diferents longituds d'ona, denominada espectre, la qual cosa es pot aconseguir mitjançant l'ús d'un espectroscopi. Els espectres poden classificar-se en dues categories fonamentals: continus i discontinus. Els espectres continus obtenen totes les longituds d'ona entre dos extrems, mentre que els discontinus només presenten una longitud d'ona específica.Així mateix, els espectres poden classificar-se d'acord amb la seva causa d'origen: d'emissió i d'absorció. Els espectres d'emissió procedeixen directament de la font emissora, mentre que els d'absorció procedeixen de la mateixa font emissora, però han transcorregut mitjançant una matèria que ha absorbit unes certes longituds d'aigua. Els fenòmens atòmics es poden apreciar en situacions com els incendis artificials, en les quals els electrons dels àtoms es desperten i posteriorment es refreden, generant energia en forma de radiació d'una longitud d'ona específica. Aquesta llum és visible com una combinació de diferents tonalitats en la flama.

Rutherford, Geiger i Marsden van dur a terme proves de dispersió de partícules alfa en vessar làmines d'or molt primes a Manchester. La majoria de les partícules alfa es trobaven en les làmines sense desviar-se, però algunes sí que ho realitzaven. Els models anteriors de Kelvin i Thomson no podien explicar aquests resultats, per la qual cosa Rutherford va plantejar un nou model denominat model nuclear-planetari. Aquest model proposa que la massa i la càrrega positiva dels àtoms es troben concentrades en un nucli central, mentre que els electrons es troben en òrbites circulars. Així mateix, indica que la majoria de l'àtom es troba en un espai buit. No obstant això, en presentar el seu model atòmic, altres successos científics, com l'anàlisi dels espectres atòmics, revelaven uns certs inconvenients en aquest model.

En s.V a. C., a l'antiga Grècia es va originar l'escola atomista, impulsada per Leucip, Anaxàgores i Demòcrit, com una alternativa al culte de Tales i Anaxímenes. Atès que la monista creia en un únic element constituent de la matèria, l'escola pluralista, sostenia que la matèria estava conformada per diversos tipus de partícules indivisibles, conegudes com a àtoms. Demòcrit, estudiant de Leucip, és conegut per la seva doctrina d'escalfament químic, que sostenia que els àtoms es mouen en el buit i la seva interacció casual forma diferents cossos, diferenciats per la forma, posició i grandària. Dins de les creences divines d'Anaxàgores, la teoria atomista era estrictament mecanicista i científicament orientada. A pesar que la teoria atòmica va ser progressada per a la seva època, no va ser acceptada amb gran freqüència durant segles, especialment a causa de la influència del platonisme i l'aristotelisme, que recolzaven una perspectiva constant sobre el tema. Aquesta capacitat de resistir va fer que la teoria de Demòcrit es tornés oblidada durant un prolongat període de temps.

Louis-Victor de Broglie es va llicenciar en Història el 1914 i va estudiar Física. El 1924, es va doctorar amb una tesi que combinava les teories d'Einstein i Planck. Va proposar que totes les partícules en moviment tenen una ona associada, la longitud de la qual està relacionada amb la massa i la velocitat de la partícula. Aquesta idea revolucionària mostra que les partícules, com els electrons, poden mostrar un comportament ondulatori, ampliant la nostra comprensió de la dualitat de la matèria.

No podrem comprendre els nous models de l'àtom que es presentaran a continuació si abans no realitzem un breu estudi dels conceptes fonamentals de l'ondulatòria.

Inicialment, encara en l'època de Dalton, hi va haver algunes temptatives de relacionar elsàtoms amb aglomeracions d'àtoms d'hidrogen. El descobriment de l'electró, va marcar l'inici dels primers models atòmics moderns.

John Dalton va presentar en el segle XIX una teoria atòmica fonamentada en les reflexions que consideraven les normes fonamentals de la química conegudes en aquells dies. Aquests enfocaments contemplaven la conservació de la massa (Lavoisier), les proporcions definides (Proust), recíproques (Richter) i múltiples (Dalton). De conformitat amb la teoria de Dalton, els elements estan conformats per elements insignificants i indestructibles, amb elements que són diferents en massa i propietats. Els components es forman mitjançant la unió d'àtoms en relacions constants i senzilles, la qual cosa garanteix propietats característiques i una massa constant a l'equip. Durant el s.XIX, la idea de l'àtom s'estenia a nivell generalitzat en la comunitat científica, encara que no s'acceptava a tot arreu. Atès que a Anglaterra s'adoptava completament la teoria atòmica, a Alemanya es mantenia la defensa contra l'atomisme, impulsada per l'escola empírica d'Ernst Mach, qui va recolzar l'acceptació de teories sense estudi directe. No obstant això, els progressos científics des del començament del segle XIX fins al començament del XX van impulsar l'acceptació generalitzada de la naturalesa atòmica de la matèria.