Electrones acrobáticos


Sodio, potasio, rubidio, wolframio, cromo, helio, nitrógeno, oxigeno y argón.

Todos ellos elementos químicos y todos ellos estarían repartidos libres en la naturaleza, pero no es así, existen infinidad de compuestos y todo un largo temario de formulación orgánica e inorgánica que los que estudian química como yo, se preguntan frecuentemente por qué tienen que aprender eso. Pues bien, la culpa no la tienen los profesores, ni los políticos(a los que nos gusta pasar el marrón mucho últimamente) la culpa la tienen los electrones, que son los responsables de que los átomos se unan unos con otros para dar moléculas(en el caso de los enlaces entre no metales como el agua, el azufre, el oxígeno o el metano) y para dar cristales (como en el caso de los enlaces entre metal y no metal como la sal de cocina, el yeso, el sulfato de cobre o un gran numero de minerales que dan redes cristalinas).

Hasta ahora sabemos que no sabemos nada sobre los electrones, de hecho se nos escapan, ya que apenas tienen masa y realmente de ellos una de las pocas cosas que sabemos con certeza es que tienen carga negativa, y que son los responsables de que los electricistas tengan trabajo. Fenómenos como la electricidad, el magnetismo, las reacciones químicas o poder ver acontecimientos como la fórmula 1 o un partido de futbol desde casa, no serían posibles si no fuera por los electrones, ya que los televisores funcionaban hasta hace poco(los que no son de pantalla plana) gracias a un haz de electrones producidos en lo que se conoce como el TRC(Tubo de Rayos Catódicos). Faraday, a ese haz luminoso de electrones producido en el cátodo lo llamó rayo catódico, de ahí el nombre TRC.

TRC

Es más todo empezó con Faraday y su TRC, experimentando con electricidad fue ahí cuando a altísimos voltajes se dio cuenta de que era capaz de proporcionar la energía suficiente a los electrones del wolframio para arrancarlos y poder analizar así su comportamiento. Finalmente después de mucho investigar se llegó a la conclusión de que gracias a un campo magnético(como el que se produce con un imán de hierro) estos electrones se desvían, por tanto debían tener carga.

El tiempo pasó, saltamos de Faraday por allá al 1800 a Young por allá ese mismo año demostró casi sin darse cuenta la naturaleza ondulatoria de la luz, con el experimento de la doble rendija. Algo más tarde este mismo experimento fue utilizado para discernir sobre la posible naturaleza ondulatoria de los electrones dejando clara la naturaleza ondulatorio-corpuscular de los electrones.Patrón de interferencia

Patrón de interferencia al pasar un haz de fotones a través de una doble rendija

En el experimento de la doble rendija tenemos que la luz pasa a través de una doble rendija, si fueran corpúsculos(pequeñas “bolitas”) sería de esperar que apareciera sobre el fondo negro de detrás de la rendija 2 franjas luminosas… Pero no es así, aparecen bastantes más franjas luminosas, se ha creado lo que se conoce como patrón de interferencia, algo que sólo sucede con las ondas. De aquí se dedujo que la luz entendida como un haz de fotones tenía el comportamiento de una onda.

Los patrones de interferencia se producen al anularse las ondas entre sí, creando este vistoso fenómeno.

Vamos a recrear el experimento de la doble rendija que hizo Young para hacernos una idea de que se puede observar con electrones. Obviamente no podemos realizar el experimento con electrones por lo que te utilizaremos un láser verde de longitud de onda 532nm y de 5mW de potencia como los que se utilizan para astronomía. La rendija no es más que un agujero en una tira doble de papel de aluminio sobre el que se ha enganchado 3 minas de lápiz, la típicas de carbón grafito finitas 0.5mm de grosor.

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DSC03646Algo tan simple como un láser a una cierta distancia de la rendija(unos 40cm) y una superficie lisa detrás donde se proyecte el patrón de interferencia.

A oscuras podemos comprobar que el láser se proyecta generando el ya conocido patrón de interferencia(en este caso de la luz) de Young.

DSC03652

Finalmente ya sabemos que los electrones no son exactamente corpúsculos, pero… ¿realmente como se encuentran distribuidos en el átomo?

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Nos vamos a conocer a Rutherford año 1909 uno de los grandes científicos de la historia que siguiendo a Thomson(otro científico que no tardó en hacerse eco de Faraday y que propuso un modelo atómico en el que el átomo se constituía de protones y electrones que estarían “enganchados” a esa gran masa) demostró que los electrones orbitan alrededor del átomo. Empleando una lámina de oro de apenas unas micras de grosor este brillante científico pudo comprobar que un haz de rayos alfa(núcleos de helio) apenas era desviado de su trayectoria lo que llevó a Rutherford a pensar en un modelo en el que los protones se encuentran en una pequeña región del espacio con los electrones muy dispersados orbitando alrededor.

Cloro

Realmente Rutherford tuvo esa certeza al comprobar que tan solo unos cuantos rayos alfa eran detectados tras chocar contra el protón y ser desviados, en contra dirección, la mayoría seguían una trayectoria recta.

aaaaa

rutDe ahí surgió lo más parecido al modelo atómico actual, en el que los electrones de manera similar a como sucede con los planetas, que orbitan alrededor del Sol, se encuentran siguiendo trayectorias elípticas alrededor de los protones. A la izquierda la representación de un átomo de Litio.

A partir de Rutherford y su definición en la que se establece una relación directa y muy peligrosa con lo que sucede a nivel atómico con lo que sucede a nivel más grande, del universo surge especial interés por entender como se encontraban distribuidos los responsables de las interacciones de los átomos entre ellos para formar compuestos, los electrones. Quizás la teoría más destacada que surgió a raíz de Rutherford fue la distribución de Bohr en 1913 según niveles de energía, estos niveles de energía(n) no son más que orbitas permitidas para un electrón, cuanto más peso atómico tenga el átomo más orbitas tendrá.

Kalium

Vamos ahora con un átomo interesante, el potasio del latín Kalium por eso se representa con la letra K. De peso atómico 19, por lo tanto con 19 electrones que según Bohr se representaría como en el dibujo de arriba, 2 electrones en la primera capa y 8 electrones en las siguientes capas(siguiendo la regla del octeto). Esto quiere decir que para n=1 los máximos electrones permitidos son 2, para las siguientes capas n=2… n=3 y n=4 los máximos electrones permitidos son hasta 8 electrones. Por tanto en su última capa el potasio tendrá 1 electrón de valencia lo que le convierte en un metal muy juguetón(puesto que se necesita muy poca energía para mover ese electrón), tan juguetón que reacciona incluso con el agua para dar lo que se conoce familiarmente como potasa cáustica(hidróxido de potasio KOH).

El modelo de Bohr sólo es válido hasta llegar a los metales de transición aproximadamente hasta el calcio, a partir de ahí la regla del octeto no se cumple.

  • En el link muestro un video del canal “Periodic Table of Videos” realizado por profesionales de la universidad de Nottingham.
    Potasio en agua, por periodicvideos.

W. Heisenberg y su colega Bohr…

Año 1920 Bohr estaba en su apogeo tanto que se dedicó junto con su colega Heisenberg a “medir electrones” querían entender su comportamiento y dedujeron que no se puede determinar a ciencia cierta el momento y la posición de un electrón, es decir no podemos saber con certeza donde esta, a esto se le llama incertidumbre de Heisenberg. Bohr se equivocaba, quiso establecer órbitas muy definidas para los electrones y de ahí su error, es por eso que cuando nos referimos a configuración electrónica es decir a entender como se encuentran los electrones nos referimos a una región del espacio donde la probabilidad de encontrar un electrón es alta.

Y se hicieron los orbitales s, p, d, f… Cada orbital con una forma diferente, en cada orbital cabe un número par de electrones 2 en el orbital s, 6 en el p, 10 en el d, y 14 en el f. Para poder ordenar los electrones utilizamos el conocido Diagrama de Moeller.

moeller

Así para un átomo neutro con 13 electrones:

13X: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p1

De aquí interpretamos que se encuentra en el tercer periodo en la tabla periódica, zona de p por tanto a la derecha en la tabla periódica y que tiene un electrón en el orbital p por tanto si sumamos todos los exponentes nos da 13, justo el número atómico del aluminio.

En pocas palabras, los electrones tienen carga esto se deduce del TRC, siguen órbitas girando como los planetas alrededor del Sol. Además no son las típicas bolitas que se nos muestran en algunos libros de texto de secundaria si no algo más parecido a las ondas, como la luz. Si seguimos sacando punta sabemos además que van a su rollo, de esto se dio cuenta Heisenberg y yo me pregunto… ¿como puede ser que siendo tan extraños pasen tan desapercibidos en nuestra vida cotidiana?

Bibliografía:

-Química General; 8ª edición (Petrucci, Harwood, Herring…) Ed. Prentice Hall

Notas:

  • Esta entrada participa en el XI Carnaval de la química que se estrena este año 2012 en el blog de Daniel Martin Reina, La Aventura de la Ciencia.
  • Vinculado en la temática 2011 año internacional de la química.
  • Adentrarse en el mundo de las partículas subatómicas este era el objetivo de este post, deseo haberlo conseguido, a ti querido lector, gracias por leer este artículo.
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