QUMICA ACCESO A GRADO BLOQUE 2.1: ESTRUCTURA ATMICA Y SISTEMA PERIDICO 1. Modelos atmicos:y y y y DALTON Segn la teora atmica de Dalton, de 1808, los tomos eran partculas indivisibles, sin estructura interna. La nica caracterstica que diferenciaba los tomos de uno u otro elemento era la masa atmica. Esto es, por tanto, el primer modelo atmico que se propuso: un tomo esfrico, macizo e indivisible. Durante casi todo el siglo XIX se mantuvo ese modelo, ya que no hubo descubrimientos que lo contradijeran.

DESCUBRIMIENTO DEL ELECTRON: En 1875, el britnico Crookes, experimentando con gases a baja presin, descubre que es posible hacer pasar corriente elctrica a travs de estos gases. y El dispositivo experimental se conoce como tubo de vaco: un tubo hermticamente cerrado que contiene en su interior un gas a muy baja presin, y conectado a una fuente de tensin de alto voltaje. y Crookes observa que del ctodo (polo -) salen rayos (llamados rayos catdicos) que llegan al nodo (polo +). Descubre que: o Tienen carga negativa. o Tienen masa o Se propagan en lnea recta. y En 1886, Goldstein, usando como ctodo una lmina metlica perforada, descubre que, por detrs del ctodo, tambin se observan rayos que van en sentido contrario a los rayos catdicos: los llam rayos canales, Descubri que: o Tenan carga positiva. o Masa mucho mayor que la de los rayos catdicos. y MODELO ATOMICO DE THOMSON: Thomsom, en 1897, y a la vista de que los rayos catdicos se producen, sea cual sea el gas que pongamos en el interior del tubo, propone que los rayos estn formados por partculas de masa muy pequea, y que se encuentran en todos los elementos. A esas partculas, las llam electrones ( e- ).

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Tambin descubri que los rayos canales son tomos ionizados, es decir, tomos del gas que han perdido algn electrn al chocar con los rayos catdicos, y se han quedado con carga positiva. Segn Thomsom, el tomo estara formado por una esfera de carga positiva, en cuyo interior estaran incrustados los electrones, de forma que la carga total fuera neutra. MODELO ATOMICO DE RUTHERFORD

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Rutherford Gracias al descubrimiento de la radiactividad se dispona de partculas, conocidas como partculas (con carga positiva) que viajaban a gran velocidad y podan lanzarse como proyectiles para investigar la estructura interna de los tomos. El experimento que us Rutherford consista en bombardear una delgada lmina de Au con estas partculas . Alrededor de la lmina, pantallas que emitan destellos de luz cuando chocan con ella las partculas . En este experimento, se observa que: o A pesar de la elevada densidad del oro, y de la poca distancia que hay entre tomos, la inmensa mayora de las partculas atraviesan la lmina sin apenas desviarse. o Muy pocas partculas se desvan apreciablemente. o Hay partculas que rebotan hacia atrs, pero lo hacen con una intensidad mucho mayor de la esperada.

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Estudiando estos datos, llega a estas conclusiones: o El tomo es en su mayor parte espacio vaco. Esto explica que las partculas lo atraviesen sin desviarse. o Casi toda la masa del tomo est concentrada en una zona central de dimetro aprox. 10.000 veces menor que el del tomo. A esta zona se le llam ncleo. As, en 1911, Rutherford propone su modelo atmico (conocido como modelo planetario, por su semejanza con el sistema solar ): o Consta de un ncleo central (de carga positiva, que concentra casi toda la masa del tomo), y

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o Una corteza exterior formada por electrones que dan vueltas alrededor del ncleo, atrados por la carga positiva de ste. Descubre el protn ( p+ ), con lo que el ncleo, en lugar de ser una esfera maciza, pasa a estar formado por un n de protones igual al de electrones de la corteza. Pese a suponer un gran avance, el modelo planetario de Rutherford era incompleto, por varias razones: 1. Es un modelo inestable. Un electrn describiendo rbitas por la atraccin electrosttica debera ir perdiendo energa en forma de radiacin (luz), con lo que se acercara cada vez ms al ncleo, hasta chocar con l. 2. No es capaz de explicar an cmo es que existen los istopos, tomos del mismo elemento (igual nmero de protones y electrones) pero con distinta masa. Hubo que suponer que exista una tercera partcula sin carga elctrica, el neutrn (n), que aada la masa que faltaba. En 1932, Chadwick descubri esta partcula.

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2. Nmero atmico y nmero msico: Istopos.y El modelo de Rutherford, ampliado luego con el descubrimiento de las partculas que componen el ncleo, propone bsicamente que el tomo est formado por tres partculas fundamentales:

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El nmero de partculas que haya de cada tipo nos dir de qu elemento se trata y qu caractersticas tiene: o Nmero atmico (Z): Nmero de protones del ncleo. Caracteriza al elemento qumico. o Un elemento qumico esta caracterizado por su nmero atmico, es decir, por su nmero de protones, as todos los tomos de un mismo elemento qumico tienen el mismo nmero protones. Ejm: H Z = 1: tiene 1 protn. O Z= 8: tiene 8 protones. o Nmero msico (A): A = Z + N nmero total de partculas que hay en el ncleo. o Se denomina nmero msico de un tomo al nmero de partculas que hay en su ncleo. Se representa por A. . Un elemento suele representarse de la siguiente manera;

Ejm: Ejm: y y y y y

Z = 2 2 protones; A = 4 2 protones y 2 neutrones. Z = 8 8 protones; A = 16 8 protones y 8 neutrones.

La masa de los tomos es muy pequea y no se puede expresar en Kg o en gramos. Se expresa como Unidad de masa atmica (u). La unidad de masa atmica se define como la doceava parte de la masa de un tomo de 612C . La masa de unidad de masa atmica es 1,66 10-27Kg. El carbono se toma como una referencia y el resto de tomos se mide su masa con respecto a la del carbono 12. As la (u) del C es 12. Ejm: Protn: 1,00728 u Neutrn: 1,00867 u Electrn: 5,486 10-4 u Dos elementos son isotopos entre s cuando tienen el mismo nmero atmico (Z) pero distinto numero msico (A). Lo que quiere decir que tienen el mismo nmero de protones (lo que define el elemento) pero van a tener diferente numero de neutrones en su ncleo. EJEMPLO: El carbono tiene 2 isotopos: C-12 y C-14.Ambos con 6 protones. El C-12 tiene una A de 12: por lo que tiene 6 neutrones. El C-14 tiene una A de 14: por lo que tiene 8 neutrones. El hidrogeno tiene 3 isotopos:

3. Isotopos:y y

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o o oy

:protio : Deuterio : Tritio

Un elemento lo encontramos en la naturaleza como una mezcla de todos sus isotopos. Lo que ocurre es que uno est en mayor proporcin que los dems. Ejm: el C12 representa el 98% de todos y el C14 el 2%. La prueba del C14 sirve parea datar los fsiles y compuestos orgnicos. Se basa en ver el % de C14 que hay en una muestra ya que cuanto ms haya ms tiempo tiene. y Clculo de la masa atmica de un elemento: En la naturaleza, un elemento qumico est formado por una mezcla de tomos de sus distintos istopos, en una proporcin determinada, segn su abundancia. La masa atmica del elemento se calcular, por tanto, como la media de las masas atmicas de los istopos, teniendo en cuenta su abundancia en %.

4. Iones:y y y En un tomo neutro hay el mismo nmero de protones que de electrones. Los iones se forman cuando un tomo gana o pierde electrones en su capa de valencia. Pueden dar lugar a dos tipos de elementos: o Cationes: Cuando ha perdido electrones, entonces pierde la electroneutralidad al tener ms protones que electrones. Se queda con carga positiva. EJm: Na Z = 11 Tiene 11 electrones: 1 capa (2); 2 capa (8); 3 capa (1) . La tercera capa es la de valencia, puede perder un electrn y formar el Catin sodio: Na+ o Aniones: Cuando ha ganado electrones, entonces pierde el electro neutralidad al tener ms electrones que protones. Se queda con carga negativa. EJm: Cl: Z = 17 Tiene 11 electrones: 1 capa (2); 2 capa (8); 3 capa (7) . La tercera capa es la de valencia, puede ganar un electrn y formar el Anin Cloruro: Cl-.

5. Espectros atmicos:y Dentro de los espectros atomicos debemos distinguir los espectros de emision y los espectros de absorcion. ESPECTROS DE EMISION: Si encerramos un gas (hidrogeno atmico) en un tubo transparente y o Lo calentamos a alta temperatura. o Le producimos una descarga elctrica. Se observa que el tubo emite radiacin electromagntica. Si hacemos pasar esa radiacin por un prisma (para que se separen las distintas longitudes de ondas) y registramos esa radiacin en una placa de revelado el resultado es que se obtiene un espectro de emisin.

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El espectro de emisin es un registro en el que se ve en una placa de revelado una serie de bandas que representan las diferentes longitudes de onda de la radiacin emitida por ese elemento. Estos espectros son caractersticos de cada elemento y un mismo elemento siempre va a tener el mismo espectro de emisin y pueden servir para identificarlo.

ESPECTROS DE ABSORCION y Si en otro caso lo que hacemos es pasar un rayo de luz blanca por un tubo transparente en el que se encuentra un gas encerrado y lo refractamos (separamos a travs de un prisma) y lo registramos en una placa de revelado: Se nos produce es un espectro de absorcin.

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En el espectro de absorcin lo que ocurre es que vemos el espectro continuo de la luz blanca con ciertas bandas en negro. Estas bandas corresponden a las longitudes de onda absorbidas, de la radiacin original, por el elemento. Si comparamos el espectro de emisin del elemento con el de absorcin observamos una extraordinaria coincidencia: Las bandas de las longitudes de ondas de las radiaciones emitidas son exactamente las mismas bandas de las longitudes de ondas de las radiaciones absorbidas.

5. Modelo atmico de Bohr:y Siguiendo las directrices del tomo de Rutherford y la nueva partcula subatmica: el neutrn Bohr propuso un nuevo modelo que explicaba la existencia de los espectros atmicos. y Segn este modelo: o Los electrones giran en torno al ncleo en orbitas circulares de energa fija. o En estas orbitas, los electrones se mueven sin perder energa. o Solo estn permitidas determinadas orbitas: aquellas cuya energa tome ciertos valores restringidos y permitidos . y Estas orbitas permitidas Bohr las llamo niveles de energa. y El numero que indica el orden de los niveles de energa (orbitas) se denomina numero cuntico principal y se representa por n . o n = 1 es el nivel de energa ms pequeo, que corresponde con la rbita ms cercana al ncleo. o n = 2 es el siguiente nivel energtico y por tanto la rbita que sigue a la primera etc. y En este tomo los electrones pueden estar en algunas de las orbitas de energa restringida posibles. A) Si un electrn pasase de una rbita a otra ms alta este adquirira una energa determinada. Para ello es necesario que tome energa del exterior para conseguirlo. - Este fenmeno explica los espectros de absorcin: Se origina cuando un electrn capta la energa de un fotn, de longitud de onda determinada, que tendr una energa determinada: E ! hR . - Esta energia es justo la que necesita para pasar de una orbita a otra mas alta. B) Si un electrn pasase de una rbita a otra ms baja este emitir una energa determinada. Esa emisin de energa lo hace en forma de radiacin electromagntica. - Este fenmeno explica los espectros de emisin: Se originan cuando el electrn que estaba en una rbita excitada (superior), debido a la Temperatura o a la descarga producida, vuelve a la rbita de menor energa. - Al hacerlo pierde energa y lo hace en forma de radiacin electromagntica que es la que capta la placa. - Esa radiacin tiene justo la longitud de onda que tiene la energa dada al pasar de una rbita a otra.

7.Teoria de la mecanica cuantica del atomo. Orbitales:y y y y El modelo de Bohr explica a la perfeccin el tomo de hidrogeno, sin embargo para tomos mas grandes existen importantes fallos. De ah que apareciera una nueva teora que explicase todos los tomos de todos los elementos: la mecnica cuntica. Esta teora da al tomo un sentido ms fsico y matemtico. La principal aportacin de la teora cuntica del tomo fue descubrir que cada orbita o nivel energtico del tomo (n de Bohr) poda tener uno o varios subniveles de energa: o n = 1: tiene un subnivel. o n = 2: tiene 2 subniveles. o n = 3: tiene 3 subniveles .etc Los subniveles correspondientes a un nivel de energa principal, es decir, es como si el ese nivel de energa principal se desdoblara en 2, 3 o ms subniveles energticos. El subnivel o subcapa que queda con menor energa (mas bajo) se presenta con la s, el segundo con la p, el tercero con la d y el cuarto con la f.

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ORBITALES: y y y y Segn el modelo atmico de Bohr, los electrones giran en torno al ncleo siguiendo orbitas circulares. La teora de la mecnica cuntica desecha este modelo introduce un nuevo concepto: el orbital. Un orbital representa una regin del espacio donde hay una probabilidad muy alta de encontrar un electrn. Un electrn en un subnivel de energa dado se mueve de un modo catico (no circular) pero siempre dentro de una regin del espacio ms o menos definida, es decir se mueve dentro de un orbital. Un electrn va a encontrarse movindose dentro de una zona restringida del tomo, movindose dentro de su orbital. El orbital en el que se mueve el electrn se representa a travs de sus nmeros cunticos.

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NUMEROS CUANTICOS. y Para identificar los nmeros cunticos que va a tener un electrn debemos considerar que el tomo est organizado en capas, subcapas y orbitales (algo as como si en un hotel distribuyramos a los clientes en pisos, pasillos y habitaciones). y Y cada nivel viene identificado por un nmero cuntico. Son los siguientes:

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REPRESENTACION DE ORBITALES: La forma del orbital depende del tipo de subnivel al que pertenece. As, todos los orbitales s tienen forma esfrica y los orbitales p forma de hlice, diferencindose cada uno por su orientacin en el espacio, que viene representada por su numero cuntico m.

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El valor de n va a afectar a los orbitales en su tamao pero no en la forma. Para referirnos a un determinado orbital, habr que indicar: o En qu capa est: La capa es la principal en la que se encuentra, se indica con el numero que corresponde (numero cuntico principal, n).

o La subcapa: Es el subnivel en el que se encuentra, s, p, d o f (numero cuntico acimutal, l). o El nmero de electrones que contiene la subcapa (puede estar llena o no) se coloca a continuacin como superndice. Ejemplos: 1 s1 3 p4 3d7 5f3 IMPORTANTE: En la capa s en total caben 2 electrones. En la capa p en total caben 6 electrones. En la capa d en total caben 10 electrones. En la capa f en total caben 14 electrones.

7. Configuracin electrnica:y y La configuracin electrnica es una representacin que nos indica cmo se llenan los orbitales con los electrones que al final lo componen. Para ello tenemos que imaginar que tenemos el ncleo de un tomo y lo que queremos hacer es ir introduciendo electrones en los diferentes orbitales que lo componen. Los electrones quieren la mxima estabilidad, y esto se consigue cuando tienen la menor energa posible. Es decir, que intentarn ocupar en primer lugar los orbitales con menor energa. El orden de llenado viene dado por algunas reglas y principios que exponemos a continuacin: Regla de Anfbau: o Los electrones se distribuyen en el tomo de menor a mayor energa. Primero se ocupan los orbitales ms cercanos al ncleo. Si utilizamos solo esta regla vamos a hacer lo que se llama configuracin electrnica sencilla. En esta vamos a representar los niveles que se han ido llenando de electrones con la notacin clsica de los orbitales: 1s22s22p6 Para ir metiendo los electrones en los orbitales tenemos que seguir el diagrama de Meller, que nos indica como aumentan los orbitales de energa.

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EJEMPLO DE CONFIGURACIN ELECTRNICA DE UN ELEMENTO: y Establecer la configuracin electrnica de un elemento consiste en indicar la distribucin de los electrones que tiene un tomo de dicho elemento. y Se van indicando por orden los distintos orbitales ocupados por electrones y el n de electrones que tienen, siguiendo la regla de Meller. y Terminamos de llenar cuando hemos llegado al nmero total de electrones que corresponden a ese elemento. Ejemplos: H (Z=1). Tiene un solo electrn, que ir al orbital 1s. As: H : 1s1 He (Z = 2): 1s2 Li (Z = 3): 1s2 2s1 C (Z = 6): 1s2 2s2 2p4 Rb (Z = 37): 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 y Nota: cuando tenemos un in, hay que calcular previamente el nmero de electrones que tiene el tomo, a partir del nmero atmico y la carga elctrica. Ejemplos: Na+: (Z = 11, pero tiene 1 e- menos) 1s2 2s2 p6 Se-2 : (Z = 34, pero tiene 2 e- de ms) 1s2 2s2 p6 3s2 p6 d10 4s2 p6

6. Organizacin del sistema peridico:y En el sistema peridico los elementos estn colocados atendiendo a dos propiedades: o En filas por orden creciente de su nmero atmico (Z). o En columnas atendiendo a los elementos con caractersticas qumicas similares. A las COLUMNAS del sistema peridico se les denomina GRUPO. A las FILAS del sistema peridico se les denomina PERIODO. La utilidad del sistema peridico reside en que los elementos de un mismo grupo poseen propiedades qumicas similares. Dentro de los diferentes grupos se tiende a agrupar aquellos que tienen las mismas caractersticas. Por ejemplo segn la facilidad que tengan los elementos en perder o ganar electrones podemos distinguir 4 grupos de elementos qumicos: o Metales: Tienden a transformarse en iones positivos. o No Metales: Tienden a transformarse en iones negativos. o Semimetales: Tienden a transformarse en iones positivos pero con dificultad. o Inertes: No tienden a transformarse en iones.

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7. Configuracin electrnica y periodicidad:y y La razn de que los elementos de un mismo grupo posean las mismas propiedades qumicas se explica por su configuracin electrnica. En cualquier grupo se encuentra que todos los elementos de este, tienen en su capa de valencia (ultima capa) el mismo nmero de electrones alojados en un orbital del mismo tipo. Los elementos de un mismo grupo poseen el mismo nmero de electrones en su capa ms externa y por lo tanto su comportamiento qumico es similar. Lo nico que les diferencia es el periodo en que se encuentran y por lo tanto su ltimo nmero cuntico principal n, es decir, se diferencian en el nmero de orbitales que tienen. Los electrones de la capa de valencia se denomina electrones de valencia. La ltima capa donde se encuentra un electrn de un tomo es de gran importancia. La configuracin electrnica del ltimo nivel (capa) ocupado es fundamental a la hora de ver las propiedades qumicas de los elementos, ya que son esos electrones ms externos, los que van a interaccionar con los electrones externos de otros tomos, dando lugar a las reacciones qumicas. Si miramos en la tabla peridica, todos los elementos del mismo grupo tienen iguales propiedades qumicas. Esto se debe a que poseen la misma configuracin electrnica en su capa ms externa.

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8. Propiedades peridicas de los elementos:TENDENCIAS EN EL RADIO ATOMICO: y El tamao del radio atmico y por lo tanto del tomo: o Aumentan al descender en un grupo. o Disminuye al avanzar en el periodo. y Esto ocurre porque: o A medida que descendemos en un grupo tenemos ms capas externas lo que hace que aumente el radio. o El tamao disminuye al avanzar en un periodo porque la ltima capa sigue siendo la misma pero la carga positiva del ncleo aumenta. Esto

hace que los electrones de una capa sean atrados mas disminuyendo el radio.

TENDENCIA DE LA ENERGIA DE IONIZACIN: y La energa necesaria para arrancar el electrn ms externo de un tomo en el estado gaseoso se denomina 1 energa de ionizacin (EI). Na + EI Na+ + eArrancar el siguiente electrn del ion monopositivo requiere una segunda energa de ionizacin y as sucesivamente. La energa de ionizacin: o Crece al avanzar en un periodo: Esto es porque el tamao atmico disminuye y aumenta la carga positiva del ncleo. Esto hace que los electrones estn ms atrados y cueste ms arrancarlos. o La energa de ionizacin disminuye al descender en un grupo: Esto es porque el tamao atmico aumenta y el ltimo electrn se halla ms alejado del ncleo y cueste menos arrancarlo. La energa de ionizacin de los gases nobles es la ms alta.

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TENDENCIA A LA ELECTRONEGATIVIDAD: y La electronegatividad de un elemento es la tendencia que tienen sus tomos a atraer hacia si los electrones cuando se combinan con tomos de otro elemento. La electronegatividad es difcil de medir y siempre son valores relativos. Se mide en lo que se llama la escala de Pauli:

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o Dando al tomo mas electronegativo, el flor, el valor 4,0. o Y al tomo menos electronegativo, el cesio, el valor 0,7. La tendencia de la electronegatividad en el sistema peridico es igual que la de la energa de ionizacin: o Crece al avanzar en un periodo. o Disminuye al descender en un grupo. Con la diferencia que la electronegatividad es casi nula en los gases nobles.

TENDENCIA DE LA AFINIDAD ELECTRONICA: y y Afinidad electrnica (A.E.): Energa que desprende un tomo del elemento en estado gaseoso al captar un electrn en su ltima capa. Si comparamos con la E.I., el concepto es justo el contrario. Si para quitar un electrn hay que suministrar energa, al aadir un electrn, se desprender energa. Esto, sin embargo, tiene excepciones, ya que para los elementos que tienen la ltima capa llena (gases nobles) o alguna subcapa llena o a medio llenar, puede darse el caso en que sea necesario darle energa al tomo para que acepte el electrn. Sin entrar en un estudio en profundidad, en general podemos decir que la A.E. vara de la misma forma que la E.I.

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9. Gases nobles y la regla del octeto:y En la naturaleza conocemos gran variedad de sustancias simples y compuestas, constituidas por combinaciones de tomos, ya sean del mismo o de diferentes elementos. y Sin embargo, salvo los gases nobles, no encontramos sustancias formadas por tomos individuales. y Cualquier sistema tiende a la mxima estabilidad. y Normalmente se consigue con la mnima energa. y Del mismo modo, dos o ms tomos se unen porque el conjunto tiene menos energa que la suma de los tomos por separado. y Si los gases nobles no tienen tendencia a unirse a otros tomos, es porque ya poseen la mxima estabilidad posible. y Una unin con otro tomo no desprender energa. La caracterstica comn a todos los gases nobles, y que hace que estn situados en el mismo grupo, es su configuracin electrnica. y Independientemente del periodo en que se encuentren, todos poseen 8 electrones en su ltima capa (subcapas s y p completas, s2p6), y todas las capas anteriores completas. y Los dems elementos intentarn alcanzar dicha configuracin, tomando, cediendo o compartiendo electrones con otro tomo. y A esta tendencia se le denomina Regla del octete de Lewis: Los tomos alcanzan su mxima estabilidad cuando poseen 8 electrones en su ltima capa, con las subcapas s y p completas. y Para conseguir lo anterior, en unos casos se transfieren electrones de un tomo a otro, formndose iones (enlace inico); en otros, comparten uno o ms pares de electrones (enlace covalente), esto depender de cuanto valga X (diferencia de electronegatividad).

10.y

Diagramas de Lewis.Los diagramas de Lewis constituyen una forma sencilla de representar simblicamente cmo estn distribuidos los electrones de la ltima capa en un tomo. Lo veremos con varios ejemplos.