7 Principio De Exclusion Y La Tabla Periodica

En 1925, el físico cuántico Wolfgang Pauli descubrió el "Principio de Exclusión", según el cual los electrones (que son pequeñas partículas cargadas eléctricamente que pululan alrededor del núcleo atómico) no pueden solaparse uno sobre otro, se excluyen mutuamente, y si se intenta presionar a dos electrones en la misma órbita para que se unan, se repelen. Esta fuerza de repulsión no se debe al hecho de que las cargas eléctricas correspondientes de los electrones se repelan, sino que se trata de una fuerza de repulsión completamente nueva, mucho más fuerte que la electromagnética. Esta nueva fuerza, llamada fuerza de intercambio sólo puede comprenderse basándose en la teoría cuántica y no existe nada análogo a ella en la física clásica. Su existencia al nivel atómico es lo que impide que se colapsen las nubes electrónicas que rodean los núcleos atómicos.

En física cuántica, el principio de exclusión de Pauli es, para los científicos de la especialidad, una regla que establece que dos partículas en el mismo estado (idéntico espín-que es una propiedad adicional que poseen los electrones-, carga de color, momento angular, etc.) no pueden existir en el mismo lugar y al mismo tiempo.

Aplicando esta regla, los físicos han logrado una importante distinción en la categoría de las partículas: partículas que están sujetas a la exclusión de Pauli – los fermiones(Un fermión, cuyo nombre se puso en honor al célebre científico italiano Enrico Fermi, es una partícula de spin semi-entero (1/2,3/2…). En el modelo estándar existen dos tipos de fermiones fundamentales, los quarks y los leptones. Dado que los números quánticos fermiónicos se suelen conservar, se dice normalmente que son los constituyentes de la materia)– y partículas que no sometidas a ello –los bosones( es uno de los dos tipos básicos de partículas elementales de la naturaleza. La denominación "bosón" fue dada en honor al físico indio Satyendra Nath Bose)–.

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En física cuántica, la carga de colores de las partículas no tiene relación con los colores de la luz visible.
Se trata de un simple medio de convertibilidad.

En conclusión,se trata de un principio que establece que dos partículas similares no pueden existir en el mismo estado, es decir, que no pueden tener ambas la misma posición y la misma velocidad, dentro de los límites fijados por el principio de incertidumbre.

través del principio de exclusión se puede explicar por qué las partículas materiales no colapsan en un estado de casi extrema densidad, bajo la influencia de las fuerzas producidas por las partículas de espín 1, 1½ y 2 : si las partículas materiales están casi en la misma posición, deben tener entonces velocidades diferentes, lo que significa que no estarán en la misma posición durante mucho tiempo.

Sin la existencia del principio de exclusión, se hace difícil imaginar cuál sería la estructura de la naturaleza. Los quarks no formarían protones y neutrones independientes bien definidos. Ni tampoco estos formarían, junto con los electrones, átomos independientes bien definidos. En función de nuestros conocimientos todas las partículas se colapsarían formando una «sopa» densa, más o menos uniforme.

A temperatura cero (cero absoluto,cro Kelvín,-273 C) las partículas llenas los estados de mas baja energía.Mientras más partículas haya mas energía tendrá alguan de ellas, es decir se moverán más rápido.

Lo más importante del Principio de Exlcusión es un orbital atómico determinado puede ser ocupado por sólo dos electrones, pero con el requisito de que los espines de ambos deben ser opuestos. Estos electrones de espines opuestos se consideran apareados. Electrones de igual espín tienden a separarse lo máximo posible. Esta tendencia es el más importante de los factores que determinan las formas y propiedades de las moléculas.

La presencia del principio de exclusión de Pauli es una de las características que hacen posible la distinción entre lo que consideramos como materia – aire, ladrillos, llamas , y así sucesivamente – con respecto a los fotones o gravitones . La materia está hecha por los fermiones, predominantemente protones, neutrones, y electrones, los cuales obedecen al principio de la exclusión de Pauli. Por otra parte, los fotones y los gravitones son bosones, y no obedecen a ese principio de exclusión; consecuentemente, su comportamiento es muy disímil al de la materia, aunque las reglas básicas de la mecánica quántica se aplican a ambos tipos de partículas.

El fenómeno del revestimiento de la estructura del electrón de un átomo se debe al principio de exclusión de Pauli. Un átomo eléctricamente neutro contiene en el núcleo una cantidad de electrones articulados (bounds) igual al número de protones. Puesto que los electrones son fermiones, el principio de exclusión de Pauli les prohíbe ocupar el mismo estado cuántico.

Para llegar a ese principio de exclusión, Pauli, previamente descubrió otro, «el principio de antisimetría», el cual señala: La función de onda total de un conjunto de electrones (fermiones), debe ser antisimétrica con respecto al intercambio de cualquier par de electrones.
Ahora bien, si existe una parte espacial simétrica, la parte de espín debe ser antisimétrica y viceversa. Ello permite poder construir la función del estado fundamental y del estado excitado, cuya energía es conocida al igual que su parte espacial.

Estado fundamental:

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Estado excitado de menor energía :

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Estado excitado de mayor energía :

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Este principio de antisimetría derivó a Pauli al principio de exclusión, en el cual no pueden existir en un sistema, como lo hemos mencionado ya, dos electrones con el mismo conjunto de números cuánticos. Es decir que tengan la misma parte espacial y de espín., ya que si se tiene:

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,
o sea, una función simétrica con respecto al intercambio del electrón 1 por el 2.

Pero se deriva otra consecuencia y es aquella en que el número de electrones que pueden tener la misma parte espacial, es decir que están definidos por un orbital que se caracteriza por sus números cuánticos h ,i , mi , es como máximo de dos, y además si hay dos, estos deben tener espines opuestos.

Antes de continuar, recordemos que, según el principio de exclusión de Pauli, dos fermiones no pueden estar en el mismo estado. En este respecto se distinguen radicalmente de los bosones, los cuales sí pueden ocupar todos el mismo estado. Este hecho juega un papel decisivo en la explicación de las propiedades de los sistemas compuestos de fermiones, tales como los átomos (sistema de electrones) o los núcleos (sistema de protones y neutrones). También es la razón por la que sistemas de bosones como el campo electromagnético pueden contener cantidades tan enormes de elementos (fotones) que aparecen como clásicos en situaciones ordinarias.
El átomo es un sistema compuesto de un núcleo con una carga positiva Ze y N electrones con carga negativa –e cada uno. Es neutro cuando Z = N e ionizado cuando N < Z y posee una carga positiva (Z – N)e. Como el núcleo es mucho más pesado que el electrón, es una aproximación muy buena despreciar su movimiento y, al colocarlo en el origen, reducir su efecto al campo central electrostático de Coulomb. Así, el hamiltoniano para el átomo toma la siguiente forma:

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En esto, lo medular es que lo que determina la estructura del átomo es el principio de Pauli, o sea, la exigencia de antisimetría de la función de onda de los electrones, que tienen espín ½ y son fermiones. Es importante tener en cuenta que debido a la existencia del espín, la función de onda además de las coordenadas también depende de las variables del espín sn para cada electrón, aunque el hamiltoniano [04] no dependa de ellas.

La interacción total en [04] se separa en dos partes: la de los electrones con el núcleo y la de los electrones entre sí. Con una carga Ze lo bastante grande, la interacción con el núcleo constituye la parte dominante. Por lo tanto, para tener una idea cualitativa de la estructura del átomo, se puede prescindir de la repulsión de los electrones entre sí, como una primera aproximación. La imagen que resulta no es exacta, pero conserva las características más significativas de los átomos reales. Sin interacción mutua entre los electrones el hamiltoniano se reduce a una suma de partes independientes:

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donde

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es el hamiltoniano del átomo de hidrógeno para el electrón número i. Así se hace posible la solución explícita de la ecuación de Sclirödinger para el átomo completo.

TABLA PERIÓDICA MODERNA:

Las filas horizontales (periodos) son 7; ; el numero del periodo indica la cantidad de niveles que tienen los átomos de los elementos que se ubican en dicho periodo.

Las columnas verticales (grupos) son 18 y los elementos que se encuentran en un mismo grupo tienen propiedades químicas similares y sus propiedades físicas están relacionadas.

Los elementos del grupos 1 se llaman metales alcalinos (con excepción del hidrógeno porque no es metal) ; son sólidos, blandos, livianos muy reactivos ya que se oxidan fácilmente con el oxigeno del aire y reaccionan con violencia ante el agua liberando calor y gas hidrógeno; forman bases; son fuertes reductores no se encuentran en la naturaleza por lo que se los conserva en frascos sumergidos en éter de petróleo o nafta o en tubos al vacío.

Los elementos pertenecientes al grupo 2 se llaman metales alcalino-térreos (porque forman parte de la tierra) y son más duros, mas densos y menos reactivos que los del grupo 1.

En el grupo 17 se encuentran los elementos halógenos (generadores de sales) no se los encuentra libres en la naturaleza sino unidos/coaliados con los metales formando sales (cloruro de sodio, fluoruro de magnesio, etc) de las que se los extrae por electrolisis.

Los gases inertes o nobles pertenecen al grupo 18; estos son gaseosos, malos conductores del calor y la electricidad y todos salvo el helio tienen 8 electrones en su ultimo nivel.

CLASIFICACION DE ELEMENTOS:

Gases inertes: tienen los niveles energéticos completos; a temperatura ambiente son gaseosos; no presentan reactividad química (o sea, no se combinan con otros elementos para formar sustancias compuestas) y todos tienen 8 electrones en su ultima orbita a excepción del helio que tiene 2. Son malos conductores del calor y la electricidad.

No metales: los átomos presentan en su ultimo nivel 5, 6 o 7 electrones; tienden a recibir otros electrones (es decir se reducen) para completar este nivel (cuando ganan electrones se convierten en iones negativos o aniones). Son oxidantes (de los metales) y son malos conductores excepto el grafito.

Metales: poseen 1, 2 o 3 electrones en su ultimo nivel energético y tienen tendencia a perderlos (se reducen) quedando iones positivos o cationes. Son sólidos, buenos conductores de la electricidad y el calor y brillan y son grises.

Teoría de Lewis (o del octeto): Los átomos metales y no metales para lograr su estabilidad transfieren o comparten electrones, uniéndose entre si y así logran adquirir una distribución de sus electrones similar al gas inerte más próximo en la Tabla Periódica.

UNIONES: hay 3 tipos:

Covalente: forma de unión química en la cual los átomos comparten pares electrones. Si es entre átomos iguales es no polar y cuando los átomos son diferentes se forma una molécula polar o diplo.

El procedimiento es el siguiente; en la unión covalente no polar* como los átomos son iguales tienen la misma carga nuclear positiva y por lo tanto atraen con la misma fuerza al par de electrones negativos que comparten por lo que en esta molécula las cargas eléctricas están distribuidas uniformemente y no hay polos eléctricos positivos o negativos.

En la unión covalente polar ponemos como ejemplo la formación de agua; tanto los átomos de hidrógeno como el de oxigeno buscan su estabilidad; los átomos de H necesitan c/u 1 electrón, mientras que el O necesita 2; en consecuencia se establece una unión covalente cuando comparten electrones. La diferencia con la unión covalente no polar es que al ser el O mucho más electronegativo que el H este atrae con mayor intensidad a los pares de electrones compartidos y en consecuencia el O queda levemente negativo mientras que los H quedan levemente positivos.

En esta combinación hace que entre las moléculas de agua se produzca una fuerza de atracción: el oxigeno de una molécula atrae al hidrógeno de las moléculas vecinas y se originan uniones llamadas puente de hidrógeno; en consecuencia de esta ultima unión las moléculas se agrupan formando conglomerados moleculares de masa relativamente elevada.

De las propiedades de las moléculas de aguay las atracciones entre las mismas como consecuencia de la unión de puente de hidrógeno se determinan ciertas propiedades:

Es liquida a temperatura ambiente

Su densidad es menor en estado sólido que en estado liquido (el hielo flota)

En estado pura casi no conduce la corriente eléctrica

Es disolvente por excelencia

Iónica: es aquella que se produce entre iones (toda partícula con carga eléctrica por perdida o ganancia de electrones; los iones positivos se llaman cationes y los negativos aniones) de signo contrario metales y no metales que se produce por transferencia de electrones.

Características de la molécula no polar: no conduce la corriente eléctrica-fuerza de atracción débil-puntos de ebullición y fusión bajos-estado gaseoso.

“forma de unión química que se produce cuando 2 átomos de elementos no metálicos comparten electrones para completar su nivel. En estas uniones ambos elementos tienden a ganar electrones por lo que no hay transferencia sino que comparten pares de electrones.
TABLA PERIODICA MODERNA

HISTORIA:
Los seres humanos siempre hemos estado tentados a encontrar una explicación a la complejidad de la materia que nos rodea. Al principio se pensaba que los elementos de toda materia se resumían al agua, tierra, fuego y aire. Sin embargo al cabo del tiempo y gracias a la mejora de las técnicas de experimentación física y química, nos dimos cuenta de que la materia es en realidad más compleja de lo que parece. Los químicos del siglo XIX encontraron entonces la necesidad de ordenar los nuevos elementos descubiertos. La primera manera, la más natural, fue la de clasificarlos por masas atómicas, pero esta clasificación no reflejaba las diferencias y similitudes entre los elementos. Muchas más clasificaciones fueron adoptadas antes de llegar a la tabla periódica que es utilizada en nuestros días.

Cronología de las diferentes clasificaciones de los elementos químicos
Döbereiner
Este químico alcanzó a elaborar un informe que mostraba una relación entre la masa atómica de ciertos elementos y sus propiedades en 1817. Él destaca la existencia de similitudes entre elementos agrupados en tríos que él denomina “tríadas”. La tríada del cloro, del bromo y del yodo es un ejemplo. Pone en evidencia que la masa de uno de los tres elementos de la triada es intermedia entre la de los otros dos. En 1850 pudimos contar con unas 20 tríadas para llegar a una primera clasificación coherente.

Chancourtois y Newlands
En 1862 Chancourtois, geólogo francés, pone en evidencia una cierta periodicidad entre los elementos de la tabla. En 1864 Chancourtois y Newlands, químico inglés, anuncian la Ley de las octavas: las propiedades se repiten cada ocho elementos. Pero esta ley no puede aplicarse a los elementos más allá del Calcio. Esta clasificación es por lo tanto insuficiente, pero la tabla periódica comienza a ser diseñada.

Meyer
En 1869, Meyer, químico alemán, pone en evidencia una cierta periodicidad en el volumen atómico. Los elementos similares tienen un volumen atómico similar en relación con los otros elementos. Los metales alcalinos tienen por ejemplo un volumen atómico importante.

Mendeleïev
En 1869, Mendeleïev, químico ruso, presenta una primera versión de su tabla periódica en 1869. Esta tabla fue la primera presentación coherente de las semejanzas de los elementos. El se dio cuenta de que clasificando los elementos según sus masas atómicas se veía aparecer una periodicidad en lo que concierne a ciertas propiedades de los elementos. La primera tabla contenía 63 elementos.

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Esta tabla fue diseñada de manera que hiciera aparecer la periodicidad de los elementos. De esta manera los elementos son clasificados verticalmente. Las agrupaciones horizontales se suceden representando los elementos de la misma “familia”.

Para poder aplicar la ley que él creía cierta, tuvo que dejar ciertos huecos vacíos. Él estaba convencido de que un día esos lugares vacíos que correspondían a las masas atómicas 45, 68, 70 y 180, no lo estarían más, y los descubrimientos futuros confirmaron esta convinción. El consiguió además prever las propiedades químicas de tres de los elementos que faltaban a partir de las propiedades de los cuatro elementos vecinos. Entre 1875 y 1886, estos tres elementos: galio, escandio y germanio, fueron descubiertos y ellos poseían las propiedades predecidas.

Sin embargo aunque la la clasificación de Mendeleïev marca un claro progreso, contiene ciertas anomalías debidas a errores de determinación de masa atómica de la época.

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