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Física y Química 3.º ESO · Los electrones en capas y la formación de iones

Ampliación: los postulados de Bohr y el ensayo a la llama

Objetivo: Al terminar, sabrás enunciar las ideas básicas del modelo de Bohr y relacionar los saltos de los electrones entre niveles con la emisión o absorción de luz, como en el ensayo a la llama.

Explicación

El modelo de Bohr

El modelo de Rutherford tenía un problema: un electrón girando alrededor del núcleo debería perder energía y acabar cayendo sobre él. En 1913 Niels Bohr lo resolvió con unas ideas nuevas, sus postulados (simplificados):

Los electrones solo pueden moverse en ciertas órbitas permitidas (niveles), y mientras están en ellas no pierden energía.
Cada nivel tiene una energía fija: cuanto más lejos del núcleo, más energía. El nivel 1 es el de menor energía.
Un electrón puede saltar de un nivel a otro:
- Si absorbe energía (calor, luz, electricidad), sube a un nivel superior: el átomo queda excitado.
- Cuando vuelve a un nivel inferior, emite la energía sobrante en forma de luz.

La energía (y por tanto el color) de la luz emitida es igual a la diferencia de energía entre los dos niveles. Como cada elemento tiene sus propios niveles, cada uno emite sus propios colores: es como su huella dactilar (su espectro).

El ensayo a la llama

Si se acerca a la llama de un mechero una sal de un metal, los electrones se excitan con el calor y, al volver, emiten luz de un color característico:

Metal	Color de la llama
Sodio	amarillo anaranjado intenso
Potasio	violeta (lila)
Litio	rojo carmín
Calcio	rojo anaranjado
Estroncio	rojo intenso
Bario	verde amarillento
Cobre	verde azulado

Así funcionan los fuegos artificiales (cada color, una sal metálica distinta) y las antiguas farolas de vapor de sodio, de luz anaranjada.

Puntos clave

Los electrones solo ocupan ciertos niveles de energía; en ellos no pierden energía.
Al absorber energía, el electrón sube de nivel; al bajar, emite luz.
El color de la luz depende de la diferencia de energía entre niveles, que es distinta para cada elemento.
En el ensayo a la llama cada metal da un color característico que permite identificarlo.

Errores frecuentes

ErrorDecir que el electrón emite luz cuando sube de nivel.
Cómo corregirloPara subir necesita absorber energía; emite luz cuando baja a un nivel inferior.
ErrorPensar que el color de la llama depende de la sal que se queme y no del metal.
Cómo corregirloEl color lo dan los electrones del metal: el cloruro de sodio y el nitrato de sodio dan el mismo amarillo.

Ejemplos resueltos

Ejemplo 1. Saltos entre niveles gráfico (diagrama de niveles)
Un electrón de un átomo de hidrógeno ha sido excitado hasta el nivel 3. Dibuja un diagrama con los niveles 1, 2 y 3 (uno encima de otro) y responde: a) ¿Absorbió o emitió energía para llegar al nivel 3? b) ¿De cuántas formas distintas puede volver al nivel 1? ¿Cuántos «colores» (rayas del espectro) distintos se pueden emitir en total?

Resolución
a) Para subir de nivel absorbió energía.

b) Puede bajar directamente ( $3 \rightarrow 1$ ) o en dos saltos ( $3 \rightarrow 2$ y luego $2 \rightarrow 1$ ). Los saltos posibles son tres: $3 \rightarrow 1$ , $3 \rightarrow 2$ y $2 \rightarrow 1$ . Cada uno tiene una diferencia de energía distinta, así que se pueden emitir 3 rayas distintas. El salto $3 \rightarrow 1$ es el de mayor energía.
Ejemplo 2. ¿Qué sal hay en el bote? experimental (ensayo a la llama)
En el laboratorio hay tres botes sin etiqueta con cloruro de sodio, cloruro de potasio y cloruro de cobre(II). Se moja un hilo de nicrom limpio en cada sal y se acerca a la llama del mechero. Los colores son: bote A, violeta; bote B, verde azulado; bote C, amarillo anaranjado. Identifica cada sal y explica por qué cada una da un color distinto.

Resolución
- A (violeta) → cloruro de potasio.
- B (verde azulado) → cloruro de cobre(II).
- C (amarillo anaranjado) → cloruro de sodio.
Las tres tienen cloro, así que el color lo da el metal. El calor de la llama excita los electrones del metal; al volver a niveles inferiores emiten luz. Como los niveles de energía de cada elemento son distintos, también lo son los colores.

Ejercicios

De menos a más. Intenta cada uno antes de mirar la solución.

1. Fácil
Indica si en cada salto el electrón absorbe o emite energía: a) del nivel 1 al 3; b) del nivel 4 al 2; c) del nivel 2 al 1; d) del nivel 2 al 4.

Ver solución
a) Absorbe. b) Emite. c) Emite. d) Absorbe.
Subir de nivel (a, d) requiere absorber energía; bajar (b, c) libera energía en forma de luz.
2. Media
En las fiestas de San Isidro se lanzan fuegos artificiales. ¿Qué metal pondrías en la mezcla para conseguir: a) un rojo intenso; b) un verde; c) un amarillo; d) un violeta?

Ver solución
a) Estroncio (o litio). b) Bario (o cobre, verde azulado). c) Sodio. d) Potasio.
Según la tabla del ensayo a la llama: rojo intenso → estroncio (el litio da rojo carmín); verde → bario (verde amarillento) o cobre (verde azulado); amarillo → sodio; violeta → potasio.
3. Difícil
Un electrón está en el nivel 4 de un átomo. ¿Cuántas rayas distintas puede producir en su espectro de emisión al volver, en uno o varios saltos, hasta el nivel 1? Escribe todos los saltos posibles.

Ver solución
6 rayas: 4→3, 4→2, 4→1, 3→2, 3→1, 2→1.
Cada pareja de niveles da un salto distinto: desde el 4: $4 \rightarrow 3$ , $4 \rightarrow 2$ , $4 \rightarrow 1$ ; desde el 3: $3 \rightarrow 2$ , $3 \rightarrow 1$ ; desde el 2: $2 \rightarrow 1$ . En total, $3 + 2 + 1 = 6$ rayas.

Para practicar más

1. Fácil
¿Verdadero o falso? Corrige las falsas. a) Según Bohr, un electrón puede estar a cualquier distancia del núcleo. b) Cuanto más lejos del núcleo está un nivel, más energía tiene. c) El electrón emite luz cuando sube de nivel. d) Todos los elementos emiten los mismos colores.

Ver solución
a) F: solo en ciertos niveles permitidos. b) V. c) F: emite al bajar. d) F: cada elemento tiene su espectro.
a) Falso: solo en órbitas permitidas. b) Verdadero. c) Falso: al subir absorbe; al bajar emite. d) Falso: cada elemento tiene niveles distintos y emite sus propios colores.
2. Media
Un alumno hace el ensayo a la llama con una sal desconocida y ve una llama amarilla intensa. Su compañera dice que puede ser una sal de sodio, pero que también puede ser que el hilo estuviera sucio. a) ¿Por qué tiene sentido su duda? b) ¿Cómo lo comprobarías?

Ver solución
a) Porque el sodio está en casi todo (sudor, polvo, sal) y su amarillo es muy intenso. b) Limpiando bien el hilo, comprobando que solo no da color y repitiendo el ensayo.
a) El amarillo del sodio es tan intenso que una pequeña contaminación (sal de las manos, polvo) basta para verlo, y puede tapar otros colores. b) Limpiar el hilo (con ácido clorhídrico y llama) hasta que no dé color, repetir el ensayo con la sal y, si es posible, compararlo con una muestra conocida de sal de sodio.
3. Difícil
El helio se descubrió en 1868 en el Sol, antes que en la Tierra, al estudiar la luz solar. Explica, usando el modelo de Bohr, cómo se puede saber qué elementos hay en una estrella sin ir hasta ella.

Ver solución
Cada elemento emite (o absorbe) luz de unos colores característicos; analizando la luz de la estrella se reconocen esas «huellas» y se sabe qué elementos contiene.
Según Bohr, cada elemento tiene sus propios niveles de energía, y por eso solo emite o absorbe luz de ciertos colores: su espectro es como una huella dactilar. Al descomponer la luz del Sol aparecieron unas rayas que no coincidían con las de ningún elemento conocido: eran de un elemento nuevo, al que llamaron helio (de helios, «sol» en griego).