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Ficha temática

Química 1º Medio: Modelo Mecano-Cuántico

MODELO MECANO-CUÁNTICO

TEORÍA MECANO-CUÁNTICA DE PLANCK

Los átomos tienen un comportamiento totalmente diferente de lo conocido en el mundo macroscópico. El reconocimiento de los científicos de éste comportamiento, condujo al desarrollo de una nueva rama de la física, totalmente diferente a los fenómenos clásicos observados previamente. Esta nueva rama, llamada teoría cuántica, permite explicar el comportamiento de las partículas sub-atómicas.

La teoría cuántica permite predecir y entender el papel crucial que los electrones desempeñan en la Química. En este sentido, el estudio del átomo implica el planteamiento de las siguientes preguntas:                                                                      

imagen plack

-¿Cuántos electrones están presentes en un átomo?   
-¿Qué energía poseen los electrones individuales?
-¿En qué parte del átomo se pueden encontrar 
   los electrones?

Las respuestas a estas preguntas están relacionadas con el comportamiento de todas las sustancias en las reacciones químicas y la historia de la búsqueda de respuestas ofrece un fascinante telón de fondo para el análisis propuesto.

La física clásica había supuesto que los átomos y moléculas podían absorber cantidades arbitrarias de energía radiante, es decir que la energía es continua, pudiendo liberarse cualquier cantidad en un proceso de radiación, pero en el año 1900 un joven científico alemán llamado Max Planck (figura 1) rompe con todos los paradigmas de la ciencia, proponiendo que los átomos y las moléculas solo podían absorber o emitir energía en cantidades discretas como pequeños paquetes, los cuales denominó “Cuantos” (ver figura 2).

Por lo tanto, la energía de un solo cuanto emitido (E) es proporcional a la frecuencia de la radiación (v), donde h es la constante de proporcionalidad, conocida como constante de Planck:

imagen ecuacion

Al comienzo, los científicos recibieron el trabajo de Planck con escepticismo. La idea era tan revolucionaria, que el mismo Planck no estaba convencido del todo de su validez, pasando largos años en la búsqueda de explicaciones alternativas a sus hallazgos experimentales.

imagen sol

Para un mejor entendimiento y comprensión de la teoría cuántica de Planck, es necesario conocer la naturaleza de la radiación, que es la emisión y transmisión de energía a través del espacio en forma de ondas:

Propiedades de las ondas

Una onda es una perturbación vibracional por medio de la cual se transmite la energía. Una onda posee propiedades características como la longitud de onda (λ), que corresponde a la distancia que existe entre puntos iguales de ondas sucesivas. Se expresa en nanómetros (nm). Recuerda que 1 nm es equivalente a 0.000000001 metros. Otra propiedad es la frecuencia (v) de la onda que corresponde al número de ondas que pasan por un determinado punto en un segundo.

imagen propagacion

Hay muchas clases de ondas, tales como ondas de agua, ondas sonoras y ondas de luz. En 1879 James Maxwell demostró matemáticamente (ecuaciones de Maxwell) que la luz visible esta compuesta por ondas electromagnéticas, es decir ondas que están formadas por dos componentes, una magnética y la otra eléctrica. Dichos componentes tienen la misma longitud de onda y frecuencia, y por la tanto la misma velocidad, pero viajan en planos perpendiculares (ver figura 4). Este modelo describe con exactitud como se puede desplazar la energía en forma de radiación por medio del espacio en forma de vibración de campos eléctricos y magnéticos. De lo anteriormente mencionado, se puede concluir que la luz se comporta como radiación electromagnética, que es la emisión de energía en forma de ondas electromagnéticas.

imagen onda

En la figura 5 es posible visualizar los diferentes tipos de radiación electromagnética, que difieren entre si en velocidad y frecuencia. Así, las ondas de radio se emiten por las antenas como las que utilizan las radioemisoras. Algunas longitudes de onda visibles son generadas por los átomos y las moléculas. Las longitudes de onda de longitud pequeña y gran frecuencia son aquellas asociadas a los rayos gamma, resultantes de reacciones al interior del núcleo del átomo.

imagen radiacion

Como propuso Max Planck en su ecuación 1, mientras mayor sea la frecuencia, mayor será la energía de la radiación. Por esta razón, los rayos ultravioleta al tener una alta frecuencia y longitud de onda pequeña, generan un gran daño al cuerpo humano, debido a que son radiaciones de alta energía, que pueden penetrar nuestra piel o visión, afectando las células que las constituyen. De acuerdo con la teoría cuántica de Planck, la energía siempre se emite en múltiplos enteros de hv, es decir 1hv, 2hv, 3hv.Para que podamos entender de una manera simple el concepto de cuanto, haremos algunas analogías:                          

 imagen monedas y huevos
         

1. El sistema monetario chileno está basado en “cuantos” de valor,
    denominados pesos.
2. Los huevos puestos por las gallinas están cuantizados
3. Por ultimo, los arboles dan frutos como números enteros;
    unos, dos o tres naranjas por ejemplo.

 

La emisión de la radiación de un átomo cualquiera excitado, puede explicarse en términos de la caída del electrón de una orbita de alta energía a una de menor energía con la liberación de un cuanto o fotón en forma de luz. Es decir, cuando un átomo esta en un estado de mínima energía se le denomina estado fundamental o basal (n=1), y cuando absorbe una determinada energía, se denomina estado excitado, infiriendo que el electrón paso a un nivel de energía superior (n= 2, 3, 4, etc). Para conferirle estabilidad al sistema, el electrón debe volver a su estado de mínima energía, liberando el fotón absorbido en cantidades discretas o cuantizadas de energía hv como se observa en la siguiente figura:

imagen estados

Espectros de emisión

La radiación emitida por las sustancias, ya sea en forma continua (todas las longitudes de onda de la luz) o en forma de líneas (solo una longitud de onda y frecuencia, es decir cuantizada), se denomina espectros de emisión. Este espectro se obtiene aplicando al material energía térmica (calor) o alguna otra forma de energía, como por ejemplo una descarga eléctrica de alto voltaje.

Los átomos expuestos a la llama absorben energía, a través de los electrones que pasan de un estado de menor energía o fundamental a uno de mayor energía o excitado. Cuando estos electrones retornan al estado de menor energía, la emiten en forma de ondas electromagnéticas, es decir en forma de luz. Si estas emisiones caen en la zona visible del espectro electromagnético pueden ser observadas a simple vista.

Cada elemento posee su propio espectro de emisión, como se observa en la figura 7, ya que la energía esta cuantizada, como planteó Max Planck. Por esta razón, si se tienen las líneas espectrales de un elemento desconocido, se puede ver con qué elemento coinciden estas líneas para así poder identificarlo. Estas líneas espectrales equivalen a una huella dactilar en el caso de las personas.

imagen espectros de emision

 imagen mechita

Así, la suma o conjunto de estas líneas es el color que se puede observar cuando por ejemplo una sal de sodio, litio o potasio son expuestas a una llama. Este fenómeno lo puedes observar a diario en tu hogar, cuando agregas sal de mesa (sal de sodio, NaCl) a la comida y cae un poco de sal a la llama de la cocina.

El fenómeno de emisión atómica ocurre frecuentemente en la vida diaria. Dos tipos de lámparas utilizadas para el alumbrado público o en los automóviles, se basan en la emisión de los átomos; la lámpara de mercurio (Hg) y la lámpara de sodio (Na). Cuando encendimos la luz, proporcionamos la energía suficiente para que los átomos, absorban energía y pasen a un estado excitado (*): 

                       Hg + energía absorbida àHg* 
                       Na + energía absorbida àNa* 

Posteriormente, los átomos deben liberar la energía, para retornar a su estado fundamental o estado de mayor estabilidad o mínima energía:

                                  Na* à Na + luz amarilla-naranja (energía emitida)
                                    Hg* à Hg + luz verde-azulosa (energía emitida) 

Para la misma cantidad de energía o electricidad aplicada, la lámpara de sodio proporciona mayor intensidad que la lámpara de mercurio. Además, la luz amarilla tiene mayor longitud de onda que la luz verde azulosa, por lo que se dispersa en menor cantidad en el aire, que la luz emitida por los átomos de mercurio. Es por ello, que se utilizan para la niebla luces amarillas en los automóviles!!!!

 imagen las vegas
Otro ejemplo son las luces de neón (Ne) que se observan en tiendas y restaurantes, que son coloreadas por el mismo fenómeno de emisión descrito previamente, y que hacen de la ciudad de Las Vegas (E.E.U.U), la ciudad mas conocida por casinos y luces de neón del mundo!!!

                       Ne + energía absorbida àNe* 
                       Ne* àNe + luz anaranjada-rojiza



Como se observa en la imagen, también son utilizados otros gases para hacer “luces de neón”, como por ejemplo el argón que emite luz morada-azulosa y el kriptón que proporciona luz blanca.

En el mismo contexto, cuando ves un fuego pirotécnico, estas observando este fenómeno de

 imagen fuegos artificiales
cuantización de energía, donde los fuegos artificiales son mezclas de sales de sodio, litio, potasio, cobre, entre otras, con pólvora.

Finalmente las respuestas a las interrogantes planteadas, han contribuido a entender el bello y fascinante mundo que nos rodea.

 

-¿Cuántos electrones están presentes en un átomo?
Cada átomo, molécula e ion presenta un número definido de electrones, que permite identificar a cada elemento, molécula o átomo en particular. La cantidad de electrones que se encuentran en el último nivel de energía (electrones de valencia), define las propiedades de los elementos, sus características, etc.

-¿Qué energía poseen los electrones individuales?
Cada electrón que forma parte del átomo tiene una energía asociada, la cual permite identificarlos. Esta energía tiene valores enteros y definidos, como 1, 2, 3, 4, etc. Un ejemplo de que la energía del electrón esta cuantizada, son los tubos fluorescentes, las luces de neón o los fuegos artificiales.

 -¿En qué parte del átomo se pueden encontrar los electrones?
Los electrones los encontramos en zonas de mayor probabilidad denominadas orbitales atómicos. Estos orbitales se encuentran alrededor del núcleo atómico.

Para descargar el documento Actividades del Estudiante en versión PDF Pinche Aquí

1. DESCRIPCIÓN CURRICULAR

• Unidad: Modelo mecano-cuántico
• Sub-Unidad: Teoría mecano-cuántica de Planck

2. OBJETIVOS DE APRENDIZAJE

• Comprendeque lateoría cuántica permite explicar el comportamiento de las partículas sub-atómicas.
• Reconoce que la materia esta cuantizada para comprender su entorno.
• Asocia la cuantización de la energía con fenómenos de la vida cotidiana.
• Entiende el papel crucial que los electrones desempeñan en la química.

3. RECOMENDACIONES METODOLÓGICAS

A través de esta ficha temática, se busca que los alumnos entiendan y expliquen el comportamiento de los electrones en el átomo, según las nociones del modelo mecano-cuántico, y que conozcan las contribuciones de distintos científicos a la constitución de este modelo, para que comprendan que los hallazgos científicos se deben al trabajo colectivo y colaborativo.

Se recomienda contemplar los aportes científicos de; Dalton, Thomson, Rutherford, De Broglie, Bohr y Planck.La unidad pretende que los estudiantes valoren el conocimiento del origen y el desarrollo histórico de conceptos y teorías, y que reconozcan su utilidad para comprender el quehacer científico y la construcción de conceptos nuevos más complejos.

Es importante evaluar conceptos previos de los estudiantes. Invítelos a responder las preguntas propuestas por el docente, tales como ¿Qué son los cuantos de energía?, ¿Qué entiendes por comportamiento dual?,¿En qué parte del átomo se pueden encontrar los electrones?,para luego hacer una puesta en común de sus ideas. Esto le permitirá detectar conocimientos previos de sus estudiantes y aclararlos de ser necesario. Posterior a ello, puede introducir los contenidos de la ficha temática mediante la visualización del material audiovisual disponible en el sitio web de educarchile.

Para un mejor entendimiento y comprensión de la teoría cuántica de Planck, es necesario que el profesor recuerde algunos conceptos de cursos anteriores tales como conocer la naturaleza de la radiación, las ondas, propiedades de las ondas y la radiación electromagnética. Estos conceptos pueden ser discutidos en clase, junto con los estudiantes, de modo de percibir la comprensión de los conceptos. Ello, permitirá aclarar, conocer y asociar la teoría cuántica de Planck con el átomo que tiene un comportamiento de onda y de partícula.

A medida que avancen a través de la ficha temática, ayúdelos a asociar los conceptos más abstractos (cuantos de energía, espectros de emisión, etc) con fenómenos u objetos presentes en la naturaleza o nuestra vida cotidiana. Por ejemplo, que el sistema monetario chileno está basado en “cuantos” de valor, denominados pesos o que los huevos puestos por las gallinas están cuantizados. Un ejemplo de que la energía esta cuantizada es el fenómeno de emisión atómica, quese ven frecuentemente en la vida diaria. Dos tipos de lámparas utilizadas para el alumbrado público o en los automóviles, se basan en la emisión cuantizada de los átomos; la lámpara de mercurio y la lámpara de sodio. Cuando encendimos la luz, proporcionamos la energía suficiente para que los átomos absorban energía y pasen a un estado excitado cuantizado. Posteriormente al liberar la energía, vuelven a su estado fundamental. Otro ejemplo son las luces de neón (Ne) que se observan en tiendas y restaurantes, que son coloreadas por el mismo fenómeno de emisión descrito previamente.

Se recomienda hacer un experimento sencillo, en donde el estudiante visualiza los diferentes colores de las llamas de sales metálicas y puede asociarlos con que la energía de los átomos esta cuantizada. Puede utilizar cloruro de sodio (sal común) para visualizar el color naranjo-amarillo característico. Esta coloración esta asociada a la emisión de energía del estado excitado al estado fundamental. Solo debe humedecer un algodón con una solución de etanol con la sal respectiva (NaCl, LiCl, SrCl2, CuCl2).Tenga la precaución de realizar el experimento sobre una cerámica, para evitar accidentes.

Finalmente, evalúe los objetivos de aprendizaje logrados por medio de la actividad al estudiante sugerido en el portal educarchile.

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Técnica

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IdiomaEspañol (ES)
Autoreducarchile
Fuenteeducarchile
Clasificación Curricular
NivelSectorUnidad o eje
1° medioQuímicaLa materia y sus transformaciones

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