Química cuántica

UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA

FACULTAD DE INGENIERÍA

ESCUELA DE CIENCIAS

DEPARTAMENTO DE QUÍMICA GENERAL

QUÍMICA GENERAL 1

...lo abarcan todo... y luego cambiamos...

química cuántica

i.q. byron rené aguilar uck

Introducción.

En el material anterior (teoría atómica) hemos visto los aspectos del núcleo atómico que son relevantes para la Química; ahora veremos la partícula cuyo estudio es el mero mosh de esta ciencia: el electrón. Todas las transformaciones que sufre la materia, entendida según la Química, se dan como una manifestación del intercambio de electrones por parte de los núcleos. Es ese ir y venir de electrones en torno de diversos núcleos lo que crea la enorme diversidad de formas de materia que vemos en nuestro alrededor: la tierra sustentadora, el vinoso mar, nuestras queridas rodillas, los tigres rayados y tus calcetas blancas. Las combinaciones, entonces, están en función de las características energéticas de esas partículas y su colgazón por los núcleos, asunto que abordamos enseguida.

El electrón.

Del griego (ámbar). Es la partícula fundamental de carga negativa, que recorre espacios estelares a grandes velocidades en torno del núcleo. En su viaje, el electrón no sigue una orbita definida, sino que su movimiento es completamente al azar. Un experimento puede diseñarse de manera que uno pueda averiguar la ubicación del electrón durante un tiempo muy corto; sin embargo, el experimento no permite averiguar dónde estaba el electrón antes del experimento ni dónde estará después (así quiero ser yo cuando sea grande).

La reempe.

A pesar de que el electrón sigue un movimiento impredecible, la Física Cuántica nos enseña que su movimiento está confinado a cierta región del espacio la mayor parte del tiempo. Esta es la Región Espacio-Energética de Manifestación Probabilística Electrónica, a la que simbolizamos con su acrónimo: reempe (más conocida en el bajo, pero en el muy bajo mundo, como «orbital atómico»). Hay varias maneras de visualizar a la reempe; podemos considerarla como una región en cuyo espacio existe la altísima probabilidad de hallar al electrón, considerado este como un punto-masa; o como una nube de carga negativa, identificada con el electrón mismo; es como si el electrón se diseminara por toda esa región del espacio, llenándolo con energía. En cada reempe pueden haber dos electrones como máximo (luego veremos por qué), cuyas propiedades de energía, forma y orientación de su reempe, y estado de simetría se describen con cuatro números, llamados cuánticos.

Números cuánticos:

Como hemos dicho, los números cuánticos describen el estado energético, la forma y orientación espacial donde se mueve y la simetría del electrón. Estos números mágicos son:

n: número cuántico principal. Representa la energía potencial eléctrica. La energía potencial eléctrica es mayor a medida que el electrón se aleja del núcleo, pues es necesario invertir energía para vencer la atracción eléctrica que hace el núcleo sobre el electrón; de modo que cuanto más grande sea el valor de n, más grande es la energía potencial del electrón y más lejos está del núcleo.

valores posibles: n = 1, 2, ..

En el «mapa» del átomo, n se suele visualizar como «nivel». El valor de n determina la distancia de la reempe al núcleo.

l: número cuántico secundario o azimutal. Representa el momentum angular (ímpetu, cantidad de movimiento) del electrón (puede considerarse como una medida de su energía cinética). Un valor l = 0 indica que la media del momentum angular del electrón vale cero; valores mayores de l indican mayor momentum angular medio.

valores posibles: l = 0 .. (n-1)

En el «mapa» del átomo, l se suele visualizar como «subnivel» dentro de un determinado «nivel» . El valor de l (junto con m) determina la forma de la reempe.

Ejm: l = 0 l = 1

m o ml: número cuántico magnético. Toda partícula cargada en movimiento genera un campo magnético en su vecindad; este magnetismo del electrón se representa por el número m. El valor de m representa la orientación del campo magnético del electrón.

valores posibles: m = -l .. +l

En el «mapa» del átomo, el número de valores que toma m se suele visualizar como el número de reempes en las cuales se parte cada «subnivel». El valor de m determina la orientación de la reempe en el espacio.

Ejm: Para l = 1, m = -1, 0, +1

m = -1 m = 0 m = +1

ms : número cuántico de espín. Representa la simetría del electrón. La simetría es una propiedad de un sistema físico, tal como su masa. En Física Cuántica, existen tres tipos de simetría: con respecto al espacio, con respecto al tiempo y con respecto a la materia. Se suele visualizar al espín como el sentido de «giro» del electrón. Se ha dicho que este «giro» corresponde a que el electrón «gira» en el sentido o en contra de las manecillas del reloj, como si fuera un trompito, pero esto es una tontería; el «giro» del electrón corresponde a la simetría de su comportamiento físico.

valores posible: ms = +½ , -½

El hecho de que el espín sólo tome dos valores y que sus valores sean fraccionarios es la razón por la cual cada reempe sólo da cabida a dos electrones. En efecto, las partículas de espín fraccionario son fermiones por su simetría, y deben obedecer al Principio de Exclusión de Pauli (vealo más adelante). La simetría de la materia es un concepto complicado para manejarlo en un curso de primer año pero, como buenos sancarlistas, no nos asustamos, y tal vez sirvan las siguientes aproximaciones:

Ejemplo 1:

Simetría de las figuras: considere las siguientes flechas y cruz:

flecha a flecha b cruz c

espín: ± 1

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