¿Qué es la química cuántica?

Pequeñas partículas con un gran propósito

¿Qué es lo más pequeño que has tenido en tu mano? ¿Un solo grano de arena? ¿Una especificación de tela? ¿Sabías que si viviéramos en un universo donde un solo electrón fuera del tamaño de una manzana y todo lo demás estuviera escalado a ese tamaño, un ser humano tendría que medir aproximadamente 2,16 x 10 13 metros de altura? Sin embargo, así de pequeño es un electrón, tan pequeño que es casi incomprensible.

Cuando la mayoría de la gente escucha la palabra “cuántica”, van corriendo hacia las colinas o piensan en un científico torpe con una bata de laboratorio y una docena de bolígrafos en un protector de bolsillo. En esta lección, eso es exactamente de lo que vamos a hablar, química cuántica. La química cuántica es un campo de la química que intenta explicar el comportamiento extraño e inusual de la partícula más pequeña que conocemos, el electrón. A diferencia de lo que algunas personas presuponen, no es necesario ser un genio para obtener un conjunto de conocimientos básicos de esta importante subdisciplina de la química. ¡Comencemos nuestro viaje!

¿Qué es la química cuántica?

Si tuviéramos que resumir qué es la química cuántica en términos simples, es básicamente el estudio de lo muy pequeño. Hace mucho tiempo, antes de la instrumentación científica que tenemos hoy, los científicos pensaban que el átomo era la forma más simple de materia (cualquier cosa con masa, sin importar cuán grande o pequeña sea). Sin embargo, a medida que pasaba el tiempo, resultó que estaban equivocados. Parecía existir partículas que en realidad formaban átomos, cosas llamadas partículas subatómicas .

El campo de la química cuántica surgió cuando se hizo este descubrimiento, y se descubrió que había tres partículas subatómicas muy importantes que formaban cada átomo. Estas partículas son, por supuesto, protones, neutrones y electrones.

El protón fue descubierto por Ernest Rutherford en 1919. Se encontró que tenía una carga +1 y se determinó que estaba ubicado dentro del núcleo del átomo. Los neutrones fueron descubiertos por James Chadwick unos años más tarde en 1932 y no tienen carga (neutral). También se encontraron dentro del núcleo del átomo. Los electrones, sin embargo, fueron descubiertos por primera vez por JJ Thomson en 1897. Tienen una carga de -1 y se encuentran fuera del núcleo del átomo en cosas llamadas orbitales.

Estructura de un átomo de helio

Observe que en esta imagen, el núcleo del átomo de helio contiene los protones y neutrones, y el área fuera del núcleo es donde se encuentran los electrones.

Todo sobre esos electrones

Cuando se descubrieron los electrones, el campo de la química cuántica realmente ocupó un lugar central, ya que los electrones que interactúan entre sí son lo que finalmente resulta en la formación de enlaces químicos. Erwin Schrödinger fue el científico que realmente es responsable de la forma en que pensamos sobre la estructura atómica moderna y cómo vemos los electrones.

Schrödinger sugirió que los electrones de un átomo existían en orbitales y que es imposible saber exactamente dónde está un electrón en un momento y un momento determinados. En cambio, solo podemos conocer la probabilidad de encontrar un electrón en una ubicación determinada. Como es lógico, la probabilidad de encontrar un electrón siempre será mayor cerca del núcleo. A medida que nos alejamos del núcleo, la probabilidad disminuye. ¿Por qué sería ese el caso?

Bueno, si recordamos que el núcleo contiene protones, que están cargados positivamente, debería tener sentido que los electrones, que están cargados negativamente, sean atraídos hacia el núcleo (las cargas opuestas se atraen). Cuando un electrón está cerca del núcleo, maximiza la interacción con su núcleo y, a medida que se aleja, esa atracción disminuye.

Mapa de probabilidad orbital de electrones

Observe que en esta imagen, los puntos azules se agrupan en áreas cercanas al centro del átomo y, a medida que el radio se hace más y más grande, los puntos azules casi se vuelven inexistentes. Esto debería ilustrar el principio de que los electrones prefieren estar más cerca del núcleo que más lejos donde las fuerzas de atracción son menores. Un estudio detallado del trabajo de Schrödinger (fuera del alcance de nuestra lección) proporciona al químico cuántico todo lo que necesita saber sobre los electrones y cómo se podría predecir que se comportarán.

Resumen de la lección

En esta lección aprendimos que la química cuántica es un campo de la química que estudia las partículas subatómicas , las partículas que forman la estructura de un átomo.

• Los protones fueron descubiertos por Ernest Rutherford en 1919. Se descubrió que tenían una carga +1 y se determinó que estaban ubicados dentro del núcleo de un átomo.
• Los neutrones fueron descubiertos por James Chadwick en 1932. Estas partículas subatómicas no tienen carga (neutras) y también se encuentran dentro del núcleo del átomo.
• Los electrones fueron descubiertos por JJ Thomson en 1897. Tienen una carga de -1 y se encuentran fuera del núcleo del átomo en cosas llamadas orbitales.
• Al utilizar el modelo de Schrödinger para el átomo, podemos predecir en qué regiones de electrones espaciales es más probable que se encuentren, y eso nos ayuda a predecir cómo podrían comportarse en términos de enlaces químicos.