¿Qué determina las propiedades de los elementos? ¿No son solo una cierta cantidad de protones? ¿Qué hace que el oro brille?

Realmente explicaré toda la química y la física con respecto a los elementos. También está todo en las diversas respuestas dadas, pero esto lo hace más simple.

La química trata sobre los electrones en la capa externa, la física sobre el núcleo atómico.

Todos tenemos esa imagen en mente, un átomo es como el sistema solar. Los neutrones y los protones están en ese núcleo, donde está el Sol, los electrones zumban como los planetas. Una imagen mental equivocada pero útil.

Agregue que los electrones se mueven en “capas” para que obtenga dos en la órbita de Mercurio, 4 en Venus y así sucesivamente y nos estamos acercando. O, mejor, obtenemos 1 o 2 en Mercurio, luego, después de esos dos, obtenemos 1, 2, 3 o 4 en Venus, cuando se llena la cáscara obtenemos 1 en la Tierra o 2, o 3.

A medida que lee en la tabla periódica, agrega un protón (y un electrón) en cada cuadro, de H a He, de He a Li, etc. A medida que lee las columnas, mantiene la misma cantidad de electrones en esa capa externa. Es por eso que la química de la familia vertical es tan similar (y generalmente se vuelve más cruel, más reactiva, a medida que desciendes). Este es un efecto suficientemente fuerte que a medida que creamos nuevos elementos en el laboratorio tenemos una buena idea de cómo será su química (nota, como , no exactamente), pero su física es un poco misteriosa.

La química se trata de cuántos electrones hay en esa capa externa. Física sobre la cantidad de neutrones y protones que hay en el núcleo. La radiactividad es física, se trata de ese núcleo, también lo es el magnetismo. Con qué otros elementos se combinará algo se trata de esos electrones, por lo que es química.

Como prueba de esta mirada a los lantánidos (la caja separada en la parte inferior de la tabla periódica), La a Lu. Todos, como todos los elementos, tienen el mismo número de electrones y protones. Pero la disposición del caparazón es extraña. Es como si hubiéramos llenado el caparazón de Júpiter del sistema antes de llenar el de Marte y la Tierra. Entonces, todos tienen el mismo número de electrones en su capa externa, diferentes números en sus internos y diferentes números de protones.

La química de los lantánidos es muy, muy similar. La física es muy diferente, algunas son magnéticas, una es piezo magnética, una es radiactiva, las otras no. La química es tan similar que nos resulta muy, muy difícil separarlos uno del otro usando métodos químicos, tenemos que pasar a usar métodos mucho más parecidos a la física para hacerlo.

No, por supuesto, use esto en ningún lugar cerca de alguien que realmente entienda física o química. Pero como regla general útil para el resto de nosotros, la química se trata de electrones en la capa externa, la física sobre el núcleo atómico.

¿Por qué no haces una pregunta más difícil?

Este es demasiado fácil 😉

El comportamiento de un solo átomo de un elemento está determinado por la cantidad de protones en el núcleo y, en menor medida, por la cantidad de neutrones también.

Pero la verdadera magia está en la forma en que todos los electrones se organizan alrededor del núcleo.

Esto en sí mismo es un tema muy complicado, pero ahora es en muchos aspectos un campo establecido, con técnicas de aproximación maduras que se pueden implementar.

Sin embargo, cuando se juntan muchos átomos del mismo tipo, comienzan a suceder cosas sorprendentes, y esto sucede en gran medida porque los estados electrónicos en los átomos individuales se modifican por la presencia de los otros átomos cercanos.

Esta interacción entre átomos se llama química y es un tema increíblemente rico, de hecho inagotable.

A temperaturas suficientemente bajas, con casi todos los elementos, resulta que sucede algo asombroso que en realidad no se comprende completamente en todos sus detalles ni es calculable a partir de los primeros principios, la física fundamental: a los núcleos de los átomos les gusta organizarse en una red como estructura. Es decir, los núcleos ocupan posiciones de modo que toda la disposición se puede traducir, rotar y reflejar, por cantidades fijas en direcciones particulares. Hay un número finito de estas posibles redes en 3 dimensiones cuyas posibles simetrías se caracterizan por lo que se llaman los grupos de “puntos”.

Ahora los estados de electrones en una red de átomos de este tipo, especialmente los electrones externos, se ven muy afectados por la presencia de la red.

Forman lo que se llaman bandas: hay regiones en energía que los electrones pueden ocupar y regiones que no pueden ocupar.

Para ciertos materiales, la banda más alta está exactamente llena hasta la mitad con electrones y dichos materiales se denominan metales y, en su mayoría, conducen la electricidad bastante bien. Si la última banda está completamente llena, generalmente no tienes un metal, tienes un aislante o un semiconductor, dependiendo de qué tan lejos de energía se encuentre la siguiente banda de estados de electrones.

Oro, plata y cobre son todos lo que se llaman metales nobles. Todos tienen la misma estructura atómica, para los electrones externos, y todos son muy buenos conductores. De los tres, el oro es el mejor conductor y el menos reactivo químicamente.

La plata y el cobre se corroen más fácilmente, como ya sabrá. Para disolver el oro se requieren ácidos bastante fuertes: la forma tradicional típica de hacerlo es usar agua regia, una mezcla de ácidos nítricos y clorhídricos concentrados.

Ahora todos los metales son en mayor o menor grado brillantes, esto sucede porque los electrones de la banda de conducción en la superficie son bastante libres de moverse y, a frecuencias de luz visibles, reflejan fácilmente gran parte de la energía de la luz. Se trata de la naturaleza de la estructura de la banda en el material.

Ahora, claramente, es mucho más complicado que eso: ¿por qué la plata, el color plateado, el cobre son de color marrón rojizo y dorado, un color bastante amarillento para los ojos?

Para una explicación de eso, debe examinar los detalles de la estructura atómica y la estructura de banda de cada metal.

Cada elemento tiene un cierto número de protones en el núcleo, pero también tiene un número coincidente de electrones que rodean el núcleo. Los electrones no solo se organizan a sí mismos, sino que llenan un conjunto de “capas”. Pero los átomos son un poco “TOC”, y al igual que las personas con TOC, prefieren ciertos arreglos a otros. Están realmente contentos si todas las ranuras en una concha están completamente llenas. De lo contrario, intentan unirse con otro átomo para compartir electrones para que ambos puedan llenar esas ranuras.

Llegué a la Tabla periódica dinámica y mire la información sobre los elementos en la pestaña “Orbital”. En la esquina superior derecha de cada elemento hay una columna de números que muestra el número de electrones en cada capa. La primera capa tiene ranuras para 2 electrones. El hidrógeno tiene un “1” en ese nivel, por lo que si el hidrógeno puede obtener un electrón adicional de otro átomo o prestar un electrón a otro átomo, no tendrá una capa parcialmente llena. Luego mira el oxígeno. Tiene un 2 que significa que el primer caparazón está completamente lleno, y un 6 que significa que el segundo caparazón tiene seis ranuras llenas y dos vacías. Si el oxígeno puede tomar prestados dos electrones, llenará por completo su segunda capa y será feliz. Entonces, cuando dos átomos de hidrógeno cada uno presta un electrón a un átomo de oxígeno, obtenemos H2O (agua) y todos los átomos están realmente felices.

Ahora baje las columnas en la tabla periódica. El hidrógeno quiere prestar un electrón de distancia. El litio tiene 3 electrones, pero también quiere prestar uno para que solo tenga una capa completa. El sodio quiere prestar un electrón para que tenga dos capas completas. El potasio quiere prestar un electrón para que tenga tres capas completas. Por lo tanto, los productos químicos Li2O, K2O, etc. también satisfacen estas necesidades. Mira los elementos debajo del oxígeno. Sulfer quiere pedir prestados dos electrones para obtener una capa completa. Entonces H2S, Li2S, K2S son todos compuestos probables. Cada columna de la tabla periódica tiene elementos que desean prestar o tomar prestada la misma cantidad de electrones, por lo que tienden a tener propiedades muy similares.

Eche un vistazo a la columna 11 y vea Cobre, Plata y Oro. Todos quieren renunciar a un electrón o ganar 7 electrones para llegar a un estado feliz. Una de las formas en que lo hacen es agruparse en grupos de ocho átomos. Pero si un átomo atrapó 7 electrones adicionales, estaría realmente desequilibrado eléctricamente, por lo que cada vez que los otros 7 le dan a uno todos los electrones adicionales, intenta pasarlos de inmediato. Juegan papa caliente, así que todos están felices la mayor parte del tiempo. Dado que los electrones pueden moverse libremente dentro del grupo, todos estos grupos conducen bien la electricidad. Además, los electrones pueden moverse fácilmente para reflejar la luz, por lo que todos son brillantes. Y dado que todos se agrupan libremente, todos son relativamente blandos.

Ir más profundo requeriría más estudio, pero esta comprensión básica de la tabla periódica es la base de la química.

Aww, todos los que respondieron la pregunta hasta ahora han perdido una oportunidad de oro …

… para explicar por qué el oro es realmente dorado.

Como otros han explicado muy bien, las propiedades de los elementos tienen que ver con las capas de electrones, y los metales son brillantes debido a la forma en que los electrones externos irradian luz.

Pero el oro es especial. Si no fuera por los efectos relativistas (sí, eso es Einstein en la medalla), entonces el oro sería, bueno, nada dorado. Sería plateado.

Fuertes efectos relativistas reducen la brecha entre los orbitales 6s y 5d. Esto significa que el oro es un absorbente bastante fuerte de la luz azul. Entonces lo vemos como dorado. *

Como comentario aparte, la misma contracción de la cubierta externa de los 6 explica por qué el oro es tan resistente al deslustre. Ese electrón externo no sale y se divierte mucho 🙂

Mi 2c, Jo.

* Gracias al trabajo de Peter Schwerdtfeger de la Universidad Massey en Auckland, Nueva Zelanda, ahora entendemos esto bastante bien. Ver Sinopsis: Golden Mystery Solved (2017). Así es como los metales se reflejan de manera diferente:

La página de Wikipedia de la que proviene no es mala: química cuántica relativista.

La Medalla Einstein es de What Gives Gold that Mellow Glow?

Todas las propiedades de los elementos provienen de la fuerza y ​​estructura de los núcleos, según MC Physics y en el documento de vixra: http://viXra.org/pdf/1611.0080v1.pdf .

La fuerza de carga total neta del núcleo proviene del número total de protones (que incluye también conocidos como ‘neutrones’) en los núcleos que proporcionan la carga electrostática positiva fuerte general. Los neutrones son los protones neutralizados electrostáticos, el estado natural de toda la materia. Allí los protones son la forma electrostáticamente inestable.

Los núcleos internos electrónicos y las cargas neutrínicas se incorporan dentro de la estructura del protón para reducir algunas de las cargas internas para la estabilidad.

La estructura de los núcleos proviene del recuento de protones que causa la organización de protones volteados y apilados. Esa estructura 3D en cubos, rectangular, cilíndrica, y se extiende a tubular conectado.

Ahora que los núcleos formados controlan directamente el número, la posición y la fuerza ligada de los electrones externos.

Todo eso se refleja en las propiedades físicas del átomo de calor (fotónico) y conductividad eléctrica, color (vibración de resonancia), masa inercial intrínseca, etc.

Por supuesto, esa teoría establece específicamente que las monocargas cuantificadas constituyen los protones, electrones y neutrones … y toda la materia.

Los elementos se definen por su número de protones. Llamamos un átomo con 1 protón de hidrógeno y un átomo con 6 protones de carbono, independientemente de cuántos neutrones o electrones pueda tener. Sin embargo, las propiedades de los átomos están dominadas por los electrones y generalmente solo por los electrones de valencia. Esta es la razón por la cual los átomos en la misma columna de la tabla periódica tienden a tener propiedades similares.

Sin embargo, su pregunta final no es realmente sobre un átomo de oro. Los átomos tienen diferentes propiedades que las pequeñas colecciones de átomos que tienen diferentes propiedades que las grandes colecciones de átomos. El oro, en particular, es un ejemplo clásico de la contracción relativista de los electrones que da como resultado su color dorado. La brillante reflectancia de la mayoría de los metales es el resultado de una gran deslocalización de electrones dentro del material, pero necesita cientos de átomos de oro antes de ver esto.

Predecir las propiedades del material a granel a partir de los primeros principios de la mecánica cuántica es bastante difícil, no porque no sepamos cómo sino porque los cálculos son demasiado masivos incluso para las supercomputadoras modernas. Más de una docena de moléculas con teoría mediocre realmente está empujando el límite de la química computacional moderna. Los átomos grandes como el oro son considerablemente más difíciles de explicar, por lo que generalmente se requieren otros métodos menos ‘puros’ para sistemas grandes.

Los elementos son un ejemplo bastante interesante de la forma en que la complejidad puede provenir de orígenes muy simples.

Sí, para responder la pregunta, más o menos es la cantidad de protones que determina las propiedades de un elemento. Pero el número de protones en el núcleo “determina” las propiedades al determinar el número de electrones en el estado neutro del átomo y en todas sus ionizaciones. Y la mecánica cuántica (incluidos los efectos relativistas, ver la respuesta de Jo van Schalkwyk) determina cómo están dispuestos los electrones en átomos e iones. Y la mecánica cuántica más esos arreglos electrónicos determinan cómo se ordenan los átomos en moléculas y sólidos.

Otros han explicado los metales, su brillo y el color del oro.

Pero los mismos átomos se pueden organizar de maneras muy diferentes, dependiendo del entorno. Los átomos de carbono pueden organizarse en forma de diamante, hollín o láminas y tubos de grafeno. Combine carbono e hidrógeno y puede obtener de todo, desde CH4 hasta polímeros; moléculas con enlaces simples, dobles y triples entre los carbonos; compuestos alifáticos y aromáticos; compuestos de anillo macrocíclicos y multicíclicos; y mucho mas Agregue oxígenos, nirógenos, algo de fósforo, algo de hierro, algunos átomos de azufre y obtendrá vida humana.

¡No está mal para “solo un cierto número de protones”!

¿O preferiría decir: “Es la mecánica cuántica relativista lo que hace que el oro sea brillante y dorado”. Eso al menos suena lo suficientemente complicado para la variedad de átomos, moléculas, sólidos, líquidos, gases, superconductores, superfluidos, superplásticos, …, plantas, animales , … 🙂

De acuerdo, escucha con atención … Voy a darte una explicación breve y simple que te permitirá comprender toda la química y la física del estado sólido sin ningún esfuerzo adicional:

Solo bromeaba . 😉 Es complicado y mucho de eso es difícil de entender. Observar:

El oro , por ejemplo, es un “metal noble” porque es químicamente muy poco reactivo (“inerte”), debido a que a todos los electrones realmente les gusta donde están. Entonces, cuando miras la superficie de un trozo de oro, estás viendo oro puro, en lugar de (para el aluminio, por ejemplo) una capa delgada de óxido de aluminio.

Es brillante porque es un metal excelente. Esto se debe a que sus electrones más débilmente unidos dejan felizmente sus átomos y se “deslocalizan” a través de la red cristalina de oro. ¡Cada “electrón de conducción” está literalmente en todas partes en el cristal a la vez! Y casi nunca dispersan nada, por lo que el oro tiene una resistencia eléctrica muy baja. Por lo tanto, cuando un fotón golpea el oro, su campo eléctrico mueve los electrones de un lado a otro, de modo que los electrones acelerados forman una nueva onda electromagnética (fotón) a la misma frecuencia, y se dispara en la dirección opuesta. Esto es lo que llamamos “reflexión”.

¿Ves lo que quiero decir? No es simple Pero tampoco imposible. ¡Disfruta aprendiendo más!

Dos preguntas diferentes Es cierto que el número de protones en el núcleo determina las propiedades físicas, pero principalmente porque esto coincide con el número de electrones que lo rodean, y estos electrones se distribuyen en una serie de capas, según la mecánica cuántica. Es la configuración electrónica que determina cómo un átomo interactuará con otros átomos y se comportará en presencia de luz que puede absorber o reflejar.

El oro es brillante porque es un muy buen conductor y tiene muchos electrones “libres” que pueden oscilar en sincronía con todas las frecuencias de ondas de luz entrantes, re-irradiándolas muy fielmente.

Como alguien que amaba la ciencia, pero que obtuvo un título en Artes del Lenguaje y Literatura, permítame dar una explicación para “Dummies”, y en este caso, el único “ficticio” soy yo. Esta es la respuesta muy, muy corta:

El comportamiento de los elementos está influenciado principalmente por el número de electrones en la capa que los rodea. Los átomos en el extremo izquierdo de la tabla tienen electrones adicionales que se pueden ceder fácilmente, pero menos fácilmente a medida que avanzamos hacia la derecha. Los que están a la derecha comienzan a tener deficiencias de electrones para llenar esa última capa, y por eso están “hambrientos” de que los electrones llenen esa capa (con la excepción, por supuesto, de la columna del extremo derecho, donde las capas se llenan exactamente, y los gases “inertes” se niegan a aceptar o ceder electrones).

Si bien el número de protones en el núcleo definitivamente tiene un efecto sobre las características del elemento, los rasgos principales observables de los elementos están determinados principalmente por el exceso o la falta de electrones en las capas externas.

Ahora, después de leer eso, lea los otros, escritos por personas que saben mucho más sobre esto que yo. Mi explicación es solo una en una “cáscara de nuez”, o quizás mejor dicho, una “cáscara de electrones”.

No soy químico y, además, no juego uno en la televisión. Shucks Principalmente, los electrones externos determinan las propiedades químicas de un elemento. Resulta que el número de protones está muy altamente correlacionado con el número de electrones (generalmente).

El oro refleja una luz amarillenta (color dorado), pero transmite una luz verdosa. (Solo pensé en tirar eso en la mezcla).

Las propiedades de los átomos están determinadas por sus campos de electrones. sus campos de electrones están determinados por su número de protones y cómo se organizaron en la superficie del núcleo del átomo, y ese tamaño y forma están determinados por cuántos neutrones hay en su núcleo. algunos átomos son planos, como los metales y el carbono, estos se deslizan uno contra el otro y son buenos metales maleables y tienden a ser conductores. el oro es brillante porque refleja colores cálidos de luz, la plata, cuando se pule, es más brillante porque refleja casi todos los colores de la luz.

Muy simplificado, si un átomo quiere o no ceder electrones o tomar electrones o está contento con la cantidad de electrones que tiene, determina sus propiedades químicas. Los electrones del metal generalmente se mantienen flojos y, por lo tanto, son fácilmente excitados por la luz y brillan cuando esa luz se vuelve a emitir o reflejar.

La cantidad de protones en el núcleo determina la cantidad de electrones a su alrededor (para un átomo neutro). El equilibrio entre las fuerzas entre el núcleo y los electrones, y los electrones entre ellos dan lugar a una estructura compleja en la “forma y movimiento” de esos electrones. Es esta estructura electrónica (diferente para diferentes elementos) la que da lugar a toda la química (la química es literalmente el estudio de fenómenos relacionados con el comportamiento de esos electrones que menciono).

La cosa es que no son los protones los que determinan las propiedades, per se.

Cuando se trata de química, son los electrones los que hacen todo el trabajo.

Y de todos los electrones, los electrones en los orbitales externos son los que hacen la mayor parte del trabajo.

Ahora, si fueras a crear una tabla basada en la capa externa de electrones, ¡encontrarías que los elementos con capas externas similares tienen propiedades similares! Este es el valor real de la tabla periódica de elementos: ¡no solo los pone en orden de número de protones, sino que también los coloca en columnas con propiedades predecibles!

El litio es extremadamente reactivo como un metal, y ¡también lo es todo en esa columna! El cobre es altamente conductor y, heh, también lo son la plata y el oro. El helio es increíblemente no reactivo, y guau, también lo son el argón, el neón, el xenón, etc.

El número de neutrones también tiene un efecto, los isótopos de un elemento. Estos aparecen en el peso atómico. La mayoría de las veces, los isótopos no afectan las propiedades químicas de un elemento, pero sí afectan las propiedades nucleares (p. Ej., La desintegración radiactiva).

Es más complejo que eso, debido a la naturaleza de los electrones, ya que interactúan con los efectos electromagnéticos. Los electrones se repelen entre sí, por lo que cuantos más protones tengas, más electrones interactuarán para darle diferentes propiedades.

En consecuencia, los electrones pueden absorber la radación electromagnética (fotones) para hacerlos ir más rápido; o los electrones pueden emitir fotones para hacerlos más lentos; Esto se llama el “efecto fotoeléctrico”.

El oro es brillante porque transmite mejor la electricidad y, por lo tanto, absorbe y reemite luz a través de fotoelectrones activos; y obtiene su color amarillo rojizo porque lo hace a ondas de onda más largas, ya que es un átomo más grande.

Las propiedades químicas de los elementos (y también de los compuestos) están determinadas únicamente por el número de electrones en la capa más externa. Lo que sucede en las capas electrónicas internas o en el núcleo no tiene influencia en las propiedades químicas.

Espero que esto ayude.

Algunas cosas realmente valen la pena leer y aprender a la antigua. Invierta un par de horas en estudiar Química muy básica. Preferiblemente con algunas fotos. Aprenderá más que tratar de comprender lo que los profesores están tratando de describir. Tienen un conocimiento tan profundo del tema que incluso explicar las propiedades elementales y el color brillante del oro probablemente parece vago.