1.3. L’àtom de Böhr i els espectres atòmics El model atòmic de Böhr, que suposava que els electrons d’un àtom es disposaven en capes o nivells d’energia, explicava per què els espectres dels àtoms de cada element eren característics i per què l’espectre d’emissió era complementari de l’espectre d’absorció. Observa el gràfic. L’energia d’un electró en una òrbita depèn de la càrrega del nucli i de l’òrbita en què es trobi. Així doncs, l’energia d’un electró d’un àtom de Na en la seva òrbita 3 és diferent de l’energia d’un electró d’un àtom de Al en la seva òrbita 3. L’energia que absorbeix un electró d’un àtom de Na en passar de l’òrbita 3 a la 4 serà diferent de la que absorbiria si fos de Al. A mesura que es va avançar en l’estudi dels espectres, els qui els estudiaven van trobar que hi havia més ratlles de les que es podia esperar si el model de Böhr fos el correcte. A més, el nombre de ratlles augmentava si els espectres es generaven en presència d’un camp magnètic. Si hi ha més ratl les, és perquè els electrons poden ser en més ni ve l l s d ’ energ i a de l s que hav i a predi t Böhr. Un estudi detal lat de l s espectres va permetre determinar quants subnivells podia haver-hi en cada nivell d’energia i com es desdoblava cada subnivell quan l ’àtom era en un camp magnètic. Observa la distribució a l’esquema de l’esquerra. Els subnivells d’energia s’identifiquen amb un número (1, 2, 3. . .), que indica el nivell principal, i una l letra (s, p, d, f) . A partir de n 5 5, es repeteix l ’esquema de subnivells de n 5 4. En presència d’un camp magnètic, els subnivells p es desdob l en en 3 ; e l s d , en 5 i e l s f , en 7 . Tot s e l s subnive l l s del mat ei x t ipus (per exempl e , e l s cinc 3d) es representen amb l ínies del mateix color i a l a mate i xa hor i tzonta l perquè t indran l a mate i xa e n e r g i a l l e v a t q u e e s t i g u i n s o t me s o s a u n c amp magnètic. Perquè un electró passi d’una òrbita interna a una altra exterior, ha d’absorbir un fotó. L’energia d’aquest fotó ha de coincidir amb la diferència d’energia d’aquestes òrbites. Quan l’electró passa d’una òrbita exterior a una altra interior, emet un fotó. L’energia d’aquest fotó és la diferència d’energia entre totes dues òrbites. Electró Nucli Fotó emès Electró Nucli Fotó absorbit Electró Nucli Fotó emès Quan l’electró d’un àtom d’alumini pateix un canvi, emet o absorbeix un fotó d’energia diferent a l’electró de l’àtom de sodi. Na, Z 5 11 Na, Z 5 11 Al, Z 5 13 Nivell principal d’energia. Subnivells d’energia. n = 1 1s n = 3 3d 3p 3s n = 2 2p 2s n = 4 4d 4p 4s 4f Subnivells del nivell d’energia n = 4 Subnivells del nivell d’energia n = 3 Subnivells del nivell d’energia n = 2 Subnivells del nivell d’energia n = 1 1. Els espectres atòmics i la física quàntica 24 232310 FisQ_1BTX U1_p020a041.indd 24 1/4/22 8:36 Estructura de l’àtom 21 Explica com s’obtenen l’espectre d’emissió i l’espectre d’absorció d’una substància. Per què creus que l’espectre d’absorció dels àtoms d’un element químic és complementari del seu espectre d’emissió? 22 Sovint s’utilitzen els espectres atòmics per identificar els diferents elements químics que podem trobar en una mostra. Basant-te en el que saps dels models atòmics explica per què es diu que l’espectre és l’empremta dactilar d’un element químic. 23 S’ha excitat una mostra d’hidrogen de manera que, a tots els àtoms, l’electró ha passat fins el nivell de n = 4. Quantes línies tindrà el seu espectre d’emissió, segons el model de Böhr? Solució: 6 24 Escriu la configuració electrònica de: a) Ar b) Ru c) Sn d) Hg e) Cu f) U E X E M P L E R E S O LT 5 Estudia l’estat dels àtoms segons les configuracions electròniques que presenten: a) 1s2 2s22p3 5s1 b) 1s2 2s22p6 3s23p6 4s23d3 c) 1s2 2s22p6 3s23p6 4s23f144p4 Per obtenir la configuració electrònica d’un àtom hem de tenir en compte el següent: ● Principi de mínima energia. Primer s’omplen els orbitals de menor energia. L’ordre d’ompliment dels orbitals és el que indica el diagrama de Möller. ● Principi d’exclusió. En cada orbital hi caben, com a màxim, dos electrons. ● Principi de màxima multiplicitat. La configuració més favorable és aquella en què els electrons estan desaparellats. És a dir, primer s’ocupen tots els orbitals de la mateixa energia i després es completen. a) Correspon a un àtom en estat excitat. L’últim electró, a l’orbital 5s1, es troba en un nivell energètic més alt que el que li correspondria a l’àtom en el seu estat fonamental, ja que hauria de ser a 2p. b) Correspon a un àtom en estat fonamental. Els orbitals s’han escrit en ordre del seu nivell energètic i els electrons s’han col·locat en ordre d’energia creixent. Els tres electrons dels orbitals 3d estaran desaparellats: 3d1 3d1 3d1. c) Correspon a un estat prohibit, ja que no existeixen orbitals 3f. 25 Estudia l’estat dels àtoms segons les configuracions electròniques que presenten: a) 1s2 2s2 2p5 4s2 b) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p3 c) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d14 4p6 Quins àtoms es troben en el seu estat fonamental? 26 Les configuracions electròniques següents pertanyen a àtoms que no es troben en estat fonamental. Explica per què i escriu la configuració corresponent a l’àtom en l’estat de mínima energia possible. a) 1s2 2s22p6 3s23p6 4s23d104f12 b) 1s1 2s22p6 c) 1s2 2s22p3 3s2 27 Estudia si les configuracions electròniques següents corresponen a un àtom en estat fonamental, prohibit o excitat: a) 1s2 2s22p5 3s23p5 b) 1s2 2s22p6 3s23p63d10 4s24p3 c) 1s2 2s32p6 3s23p4 28 Escriu la configuració electrònica del silici i determina quants electrons té amb el mateix espín. Solució: 6 u 8 29 Un ió té càrrega +3 i la configuració electrònica del Ne, de quin ió es tracta? 30 L’hidrogen forma hidrurs, uns compostos en què forma l’ió H1-; i hidràcids, compostos en què forma l’ió H1+. Com és possible? 31 L’hidrogen té configuració 1s1, semblant a la configuració de valència dels elements del grup 1 i, com ells, forma l’ió +1. L’heli té configuració 1s2, semblant a la configuració de valència dels elements del grup 2. ¿Formen els àtoms d’heli, com ells, ions amb dues càrregues positives, és a dir, ions +2? Justifica la teva resposta. 32 S’anomenen espècies isoelectròniques les que tenen el mateix nombre d’electrons. Comprova a la teva llibreta que les següents són espècies isoelectròniques. a) O2- c) Ne e) Al3+ b) F- d) Na+ f) Mg2+ Taula periòdica i propietats 33 Localitza a la taula periòdica actual els elements que formen cadascuna de les tríades de Dobëreiner. En què s’assemblen aquestes localitzacions? 34 Localitza els elements de la taula periòdica que no compleixen la regla d’ordenació de Mendeléiev. activitats finals 38 232310 FisQ_1BTX U1_p020a041.indd 38 1/4/22 8:41 S’anomena configuració electrònica d’un àtom la manera en què estan distribuïts els electrons al voltant del nucli. La configuració electrònica d’un àtom es regeix per tres principis. Principi de mínima energia Els electrons se situen en l’orbital disponible de menor energia. L’ordre d’energia dels orbitals no coincideix amb el dels nivells i subnivells; per recordar-ho s’aplica la llei de les diagonals, o diagrama de Möller. Aquest diagrama només és una regla mnemotècnica. Principi d’exclusió de Pauli En un àtom no pot haver-hi dos electrons en el mateix estat. És a dir, en un orbital només pot haver-hi dos electrons, que tindran diferent espín. Principi de la màxima multiplicitat de Hund Quan pels dos principis anteriors es puguin donar diverses configuracions, la més favorable és la que permet el nombre més gran d’electrons amb el mateix espín (desaparellats). Dos electrons estan aparellats quan tenen diferent espín, i desaparellats quan tenen el mateix espín. Segons el principi de Hund, quan els orbitals s’omplen de la mateixa energia (per exemple, els 3 orbitals p d’un nivell), primer es col·loca un electró a cada orbital. Després, quan hi ha un electró a cada orbital, es col·loca el segon electró en un orbital, i així successivament. Al diagrama es veu la configuració electrònica d’un àtom de fòsfor (Z = 15). Cada segment horitzontal representa un orbital . Cada fletxa representa un electró. Observa que en els orbitals 3p els electrons se situen cadascun en un orbital (desaparellats). n = 4 4f 4d 4p 4s 3d 3p 3s 2p 2s 1s Energia n = 3 n = 2 n = 1 2.1. Àtoms en estat fonamental i en estat excitat ● Quan un àtom té tots els seus electrons a l’orbital de mínima energia possible, es diu que es troba en estat fonamental. ● Quan es comunica energia a un àtom, algun dels seus electrons pot passar a un nivel l d’energia superior. Si passa ai xò es diu que l ’àtom està en estat excitat. Tant si l’àtom es troba en estat fonamental com si està en estat excitat s’ha de complir el principi d’exclusió. És a dir, com a màxim pot haver-hi dos electrons en un orbital. 1 E X E M P L E R E S O LT 1 Escriu la configuració electrònica del bismut (Z = 83). El nombre atòmic de l’element químic indica el nombre d’electrons a la seva escorça. Aquests electrons s’han de col·locar als orbitals segons els tres principis. Per a l’ordre d’energia segueix el diagrama de Möller segons indiquen les fletxes. ● Primera fletxa. Només hi ha un orbital, l’1s. Pel principi d’exclusió només entren 2 electrons, 1s2. ● Segona fletxa. Només hi ha l’orbital 2s. 2s2. ● Tercera fletxa. Hi ha els 3 orbitals 2p, a cadascun dels quals entren 2 electrons, i el 3s. 2p6, 3s2. ● Quarta fletxa. Hi ha els 3 orbitals 3p i el 4s. 3p6 4s2. ● Cinquena fletxa. Comença amb els 5 orbitals 3d, seguits dels 3 orbitals 4p i l’orbital 5s. 3d10 4p6 5s2. ● Sisena fletxa. Segueixen 4d10 5p6 6s2. Van 56 electrons. ● Setena fletxa. Comença amb els 7 orbitals 4f que acullen 14 electrons, seguits dels 5 orbitals 5d que acullen 10 electrons. Després els 3 orbitals 6p, on es col·loquen els 3 electrons que falten. D’acord amb el principi de Hund, seran cadascun en un orbital 6p (desaparellats). Així: 4f14 5d10 6p3 (6p16p16p1). La configuració electrònica queda així: 1s2 2s22p6 3s23p6 4s23d104p6 5s24d105p6 6s24f145d106p3(6p16p16p1) 6p E X E M P L E R E S O LT 2 Estudia si les configuracions electròniques següents corresponen a un àtom en estat fonamental, en estat excitat o no és una configuració permesa. a) 1s2 2s22p6 3s23p63d4 4s2 b) 1s2 2s32p6 3s2 c) 1s1 4s1 a) 1s2 2s22p6 3s23p63d4 4s2 Correspon a un àtom en estat fonamental, ja que tots els seus electrons es troben a l’orbital de mínima energia possible. Observa que la manera en què està escrita aquesta configuració agrupa els orbitals de cada capa però respecta l’ordre d’ompliment; s’ha omplert l’orbital 4s i estan parcialment ocupats els 3d, l’energia dels quals és més gran que la del 4s. b) 1s2 2s32p6 3s2 Correspon a un estat no permès o prohibit. En indicar 2s3 estem dient que a l’orbital 2s hi ha 3 electrons, la qual cosa contradiu el principi d’exclusió de Pauli. c) 1s1 4s1 Correspon a un àtom en estat excitat, ja que l’electró que es troba a l’orbital 4s podria trobar-se en un orbital de menor energia. 5 Les configuracions electròniques següents pertanyen a àtoms que no es troben en estat fonamental. Explica per què i escriu la configuració corresponent a l’àtom en l’estat de mínima energia possible: a) 1s2 2p3 b) 3s2 c) 1s2 2s22p6 3s23d2 d) 1s2 2p2 3d2 6 Estudia si les configuracions electròniques següents corresponen a un àtom en estat fonamental o excitat: a) 1s2 2s22p6 4s1 c) 1s2 2s22p5 b) 1s2 2s22p7 3s2 d) 1s2 2s12p6 3s1 A C T I V I T A T S 27 232310 FisQ_1BTX U1_p020a041.indd 27 1/4/22 8:39 Hem e s t ud i a t l a t au l a pe r i òd i ca amb e l s s eus 118 e l e - ments químics. Però ¿són tots igual d’abundants? La seva presència depèn del que analitzem. A la Terra, l’oxigen és l’element més abundant, tant a l’escorça (46,6 %) com als oceans (85,9 %). I a la resta de l’univers? El 1672, Newton va descompondre la llum del Sol en ferla passar per un prisma de quars. Va obtenir l’arc iris de l’espectre visible de la llum solar. El 1814, el físic alemany Joseph von Fraunhofer va analitzar aquest espectre més detalladament i va observar la presència de línies fosques. Avui sabem que aquelles línies corresponen a les radiacions absorbides pels àtoms de l’atmosfera solar. Com que e l s à t oms d e c a d a e l eme n t q u ími c t e n e n un e s p e c t r e d’absorció únic que els identi f ica, es va poder conèixer quins elements hi ha al Sol. Als laboratoris d’astronomia va començar aleshores una febril activitat per analitzar la llum procedent dels estels. El 1925, una jove astrònoma, Cecilia Payne, va demostrar que l’element majoritari als estels és l’hidrogen (75 %), i el segueix l ’hel i (23 %) . A partir d’aquí , i en una proporció molt petita, es distribueixen altres elements. Analitzant la llum que emetien, es va classificar els estels en funció de la seva temperatura. A l ’espectre dels més calents (blaus) es detecta, de forma majoritària, la presència d’hidrogen i heli. En estels més calents apareixen més ratl les a l ’espectre, cosa que és compatible amb la presència d’altres elements químics. I tot això se sap analitzant l’espectre de la llum que ens arriba. Espectroscopista Què fan? Analitzen la composició qualitativa i quantitativa d’una mostra. Depenent de la tècnica, poden analitzar la presència d’elements químics o de molècules. Per exemple, mitjançant espectroscòpia atòmica es pot analitzar la presència de metalls pesants en una mostra d’aigua i valorar-ne la proporció per determinar si està contaminada o no. Com ho fan? Sotmeten la mostra a una temperatura molt elevada o a una forta descàrrega elèctrica per excitar els seus àtoms. Després fan passar la llum que emeten per un prisma i l’analitzen. L’energia de les radiacions emeses permet identificar els elements i la seva intensitat ( la quantitat que hi ha de cadascun). Com s’identifiquen els àtoms ● Símbol (Xx). És la inicial del nom en llatí de l’element. Va seguit d’una altra lletra quan hi ha dos noms amb la mateixa inicial. ● Nombre atòmic (Z). Indica el nombre de protons. ● Nombre màssic (A). Indica el nombre total de partícules al nucli. És a dir, és igual a la suma de protons més neutrons. Els isòtops són àtoms del mateix element químic que tenen el mateix nombre de protons, però es diferencien en el nombre de neutrons. Ions són àtoms que han guanyat o perdut electrons. ● Els ions amb càrrega positiva (defecte d’electrons) s’anomenen cations. ● Els ions amb càrrega negativa (excés d’electrons) s’anomenen anions. Models atòmics El model atòmic de Böhr Els àtoms estan formats per un nucli i electrons que giren descrivint certes òrbites circulars i estables. No totes les òrbites estan permeses. En cada òrbita l’electró té una energia estable. Cada nivell d’energia s’anomena capa o nivell energètic. En cada capa hi caben un nombre diferent d’electrons. Quan un electró d’un nivell energètic absorbeix un fotó pot passar a un altre nivell d’energia superior. Quan un electró passa d’un nivell energètic a un altre de menor energia emet un fotó. Nous descobriments en els espectres atòmics ● En un àtom hi ha nivells principals d’energia. ● En cada nivell principal hi ha diversos tipus de subnivells. ● En cada subnivell hi ha un o diversos orbitals. ● A cada orbital hi caben dos electrons. La configuració electrònica dels àtoms S’anomena configuració electrònica d’un àtom en estat fonamental la manera en què estan distribuïts els electrons al voltant del nucli. Es basa en tres principis: ● Principi de mínima energia. Els electrons es col·loquen a l’orbital disponible de menor energia. L’ordre d’ompliment dels orbitals és el que indica el diagrama de Möller. ● Principi d’exclusió de Pauli. En un orbital només pot haverhi dos electrons, que tindran diferent espín. ● Principi de màxima multiplicitat de Hund. Quan pels dos principis anteriors siguin viables diverses configuracions, la configuració més favorable és aquella en què els electrons estan desaparellats. La taula periòdica dels elements La taula periòdica recull tots els elements químics coneguts en ordre creixent de nombre atòmic. La configuració electrònica dels àtoms de cada element en determina la posició a la taula. Tots els elements que són al mateix grup (columna) tenen la mateixa configuració a la seva capa de valència (l’última en què tenen electrons). Tots els elements que són al mateix període (fila) tenen la capa de valència en el mateix nivell. Propietats periòdiques dels elements Algunes propietats dels elements estan relacionades amb la seva posició al sistema periòdic, són les propietats periòdiques. Algunes d’elles són: ● Radi atòmic. És la distància que separa el nucli de l’àtom dels electrons més allunyats de la seva escorça. ● Energia d’ionització (EI o PI). És l’energia que cal subministrar a un àtom aïllat i gasós per arrencar-li un electró de la seva capa de valència. Es mesura en kJ/mol. ● Afinitat electrònica (AE). És l’energia que cedeix un àtom aïllat quan capta un electró. Es mesura en kJ/mol. ● Electronegativitat. És la tendència que té un àtom a atreure cap a ell els electrons d’un enllaç. És una escala, no té unitats. ● Caràcter metàl·lic d’un element. És la tendència que tenen els seus àtoms a formar ions positius, cations. R E C O R D O E L Q U E H E A P R È S 1 P E R F I L P R O F E S S I O N A L Cecilia Payne (tercera fila, segona per l’esquerra) amb un grup de dones astrònomes de Harvard el 1925. Bloc dels grups principals. Bloc d (metalls de transició). Bloc f (metalls de transició interna). 1 2 3 4 5 6 7 1s 1s 2 s 3 s 4 s 3 d 5 s 6 s 7 s 4 d 5 d 6 d 2 13 14 15 16 17 3 4 5 6 11 12 7 8 9 10 2 p 3 p 4 p 5 p 6 p 7 p 4 f 5 f Grup Període 1 18 " Electró Nucli Fotó emès Electró Nucli Fotó absorbit De què estan fets els estels? Temperatura superficial Classificació espectral dels estels O 30.000 K B 20.000 K A 10.000 K F 7.000 K G (tipus solar) 6.000 K K 4.000 K M 3.000 K Tipus A P L I C O E L Q U E H E A P R È S 41 40 232310 FisQ_1BTX U1_p020a041.indd 40-41 1/4/22 8:41 Al llarg de tota la unitat s’inclouen nombrosos exemples resolts, numèrics o no, que ajuden a posar en pràctica els conceptes exposats. En el material digital de suport trobaràs animacions que faciliten l’assimilació dels continguts. Les activitats acompanyen el treball dels continguts propers. Les activitats finals afermen els continguts i permeten relacionar uns coneixements amb altres i elaborar una anàlisi més profunda. Després de les activitats finals, un resum recopila els continguts més rellevants que s’acaben d’estudiar. La secció Perfil professional presenta algunes professions relacionades amb els continguts de la unitat. En la secció Aplico el que he après s’inclouen continguts pràctics relacionats amb la unitat. 5
RkJQdWJsaXNoZXIy