Mecánica Cuántica: Principios Fundamentales y Estructura Atómica

Principio fundamental de la mecánica cuántica

Principio de Incertidumbre de Heisenberg

No se puede conocer simultáneamente la posición y la velocidad de una partícula con total precisión. Esta incertidumbre es intrínseca a la naturaleza cuántica. Heisenberg también propuso un modelo atómico basado en matrices, describiendo la formación del átomo y su dualidad onda-partícula. Este modelo permite obtener datos precisos sobre el átomo.

Ecuación de Schrödinger

Posteriormente, Schrödinger propuso su famosa ecuación, que describe el comportamiento de las partículas subatómicas como ondas y relaciona la función de onda con su energía: HΨ=EΨ. Se demostró que las formulaciones de Heisenberg y Schrödinger eran equivalentes. Una combinación lineal de las soluciones de la ecuación también es una solución válida.

Interpretación de Copenhague

Según esta interpretación, todas las soluciones posibles coexisten hasta que se realiza una medición. Al resolver la ecuación para el átomo de hidrógeno, se obtienen soluciones que dependen de cuatro números cuánticos (n, l, m, s), siendo s el número cuántico de espín que se considera al tener en cuenta la relatividad. Los números n, l, m describen los orbitales atómicos, mientras que s describe el espín del electrón. El número cuántico principal (n) determina el tamaño del orbital y la componente principal de la energía.

Interpretación de Copenhague de Bohr

Bohr enfatizó que el cuadrado de la función de onda (|Ψ|²) es un número real que indica la probabilidad de encontrar un electrón en una región específica del espacio. Para entender cómo se distribuyen los electrones en los orbitales de un átomo, la mecánica cuántica establece los siguientes principios:

Principios de la Configuración Electrónica

• Principio de Exclusión de Pauli: No puede haber dos electrones en un mismo átomo con los cuatro números cuánticos idénticos. Al menos uno de los números cuánticos debe ser diferente. Cada orbital puede albergar un máximo de dos electrones.
• Principio de Aufbau: Los electrones se distribuyen en los orbitales según su energía. El orden de llenado de los orbitales se determina por la regla de n+l. Los orbitales con menor suma n+l se llenan primero. Si dos orbitales tienen la misma suma n+l, se llena primero el orbital con menor valor de n.
• Principio de Máxima Multiplicidad de Hund: Cuando los electrones se sitúan en orbitales degenerados (de igual energía), tienden a ocupar cada orbital individualmente antes de emparejarse, maximizando el número de espines desapareados.

Historia de la Tabla Periódica

El estudio de los rayos X reveló que los espectros de los elementos coincidían con el orden de la tabla periódica según el número atómico. En 1931, Chadwick descubrió los neutrones. Se propuso la hipótesis de que las masas de los elementos eran números enteros, y que el número másico era la suma de protones y neutrones (P+N). Sin embargo, la masa atómica del cloro (Cl) es 35.5, lo que indica que la masa atómica es la media ponderada de las masas de los isótopos de un elemento.

Estructura de la Tabla Periódica

La tabla periódica está organizada en filas (periodos, del 1 al 7) y columnas (grupos, del 1 al 18). Mendeleiev ordenó los elementos según su masa atómica, aunque realizó ajustes para que los elementos de cada grupo tuvieran propiedades químicas similares. Consideró propiedades como la valencia y la densidad de los óxidos.