QUIMICA GENERAL ( MB 312 )
Profesora: Clara Turriate M.
Marzo 2015
Capitulo ICapitulo I• Estructura Atómica
• Reacciones nucleares
Comprender la estructura electrónica de los átomos a partir de las experiencias que lo dieron origen.Comprender por que los átomos se combinan en determinadas proporciones para formar compuestos.Relacionar el conocimiento adquirido con las propiedades de los elementos.
Comprender las reacciones que ocurren en el núcleo de los átomos.Conocer las aplicaciones de la energía nuclear y sus efectos en la vida.Identificar los principales peligros de la utilización de la energía nuclear.
MPORTANCIA DE LA QUÍMICAMPORTANCIA DE LA QUÍMICA
La quimica es una ciencia central, porque sirve de apoyo a otras ciencias como la física, la biología, la geología, la petroquímica, medicina, etc. Además permite satisfacer las necesidades humanas en diferentes áreas o campos de la actividad humana.
ESTRUCTURA ESTRUCTURA ATOMICAATOMICA
Estructura atómicaEstructura atómica
FILOSOFOS GRIEGOS
Primeras ideas aproximadamente 450 a.c.
Se desarrollaron muchas teorías:
Teoría atomística: LEUCIPO Y DEMOCRITO
TEORIA ARISTOTELICA. Aristóteles
Materia- agua, tierra, aire y fuego.
TEORIA ATOMICA DE DALTON (1803- 1808)
Marca el principio de la era moderna de la
QUIMICA.
TEORIA ATOMICA MODERNATEORIA ATOMICA MODERNA
Tuvieron que pasar veinte siglos para
que J. Dalton retomara las ideas de
Demócrito (resultados experimentales de
Lavoisier, Proust, y de muchos otros
científicos).
Esta es la primera teoría científica que considera que la materia no es continua, sino que está dividida en átomos
(1766-1844),
John Dalton químico inglés
“La teoría del atomismo no La teoría del atomismo no fue aceptado hasta fue aceptado hasta comienzos del siglo XIX, en comienzos del siglo XIX, en la J.Dalton (1808) sentó las la J.Dalton (1808) sentó las bases de la teoría atómica.bases de la teoría atómica.
La teoría atómica de Dalton La teoría atómica de Dalton
(1808)(1808)1. Los elementos están formados por partículas
extremadamente pequeñas llamadas átomos. Todos los átomos de un mismo elemento son idénticos, tienen igual tamaño, masa y propiedades químicas. Los átomos de un elemento son diferentes a los átomos de todos los demás elementos.
2. Los compuestos están formados por átomos de más de un elemento. En cualquier compuesto, la relación del número de átomos entre dos de los elementos presentes siempre es un número entero o fracción sencilla.
3. Una reacción química implica sólo la separación, combinación o reordenamiento de los átomos; nunca supone la creación o destrucción de los mismos.
ESTRUCTURA DEL ATOMOESTRUCTURA DEL ATOMOUna serie de investigaciones que empezaron en la década de 1850 – siglo XX demostraron que los átomos en realidad poseen estructura interna (partículas subatomcas: electrones , protones, neutrones, etc.
ATO
MO
NUCLEO
ELECTONES
Partículas subatómicas fundamentalesPartículas subatómicas fundamentales
Partícula Masa
(g) Carga
(Coulombs) Carga
(unitaria)
Electrón (e-) 9.1 x 10-28 -1.6 x 10-19 -1
Protón (p+) 1.67 x 10-24 +1.6 x 10-19 +1
Neutrón (n) 1.67 x 10-24 0 0
masa p = masa n = 1840 x masa e-
Masa (uma)
5.486 x 10-4
1,0087
1.0073
1 uma = 1,66054x10-24 g
CLASIFICACIÓN DE LAS PARTICULAS SUBATOMICAS
Fermiones
Bosones
Fotones o cuantos.- Es estable y, por lo tanto no decae espontáneamente en ninguna otra partícula.
CLASIFICACIÓN DE LAS PARTICULAS SUBATOMICAS
Partículas de masa ligera y de interacción débil.La más ligera de las cuatro, con masa en reposos igual a cero es el neutrino El muon tiene una masa en reposo de 200 veces mayor que del electrón
Partículas pesadas y de interacción fuerte, como los protones y neutrones
Tiene espín cero o entero.2 quarks
Tiene espín ½.3 quarks
Hadrones.
Mesones Bariones
Quaks: partícula más pequeña que contiene la materia.
TEORIA DE LOS QUAKSTEORIA DE LOS QUAKS
En 1964 Murray Gell- Mann y Georges Zweing propusieron una teoría para explicar la constitución interna de los hadrones: Teoría de los quarks.
Según esta teoría los hadrones están compuestos de otras partículas elementales, que denominaron quarks.
Los quarks propuestos presentan propiedades particulares; en especial con relación a la carga del protón, tienen carga fraccionaria.
Según la simetría partícula antipartícula se encontró que cada quark le correspondía su anti quark.
Características de los quarks
Elementales
De
acue
rdo
al s
pin
Clara Turriate17
Carecen de estructura interna, no experimentan interacciones fuertes
Clara Turriate 18
DESARROLLO DE LA TEORIA ATOMICA
400a.C.
1803
1895
1896
1897
1898
1909
1911
Demócrito
Materia=átomos
J. Dalton
Teoría atómica
W. Roentgen
Rayos X
H. Becquerel
Radioactividad
J.J. Thomson
Electrón
M. y P. Curie
Radio y polonio
R. Millikan
Carga-electrón
E. Rutherford
Núcleo átomo
1913
N. Bohr
Modelo capas
DESARROLLO HISTÓRICO DE LOS MODELOS ATÓMICOS
21Clara Turriate
Clara Turriate
22
P. DIRAC - JORDAN
En el Presente: Modelo
matemático Probabilístico
Thomson 1879(budin de pasas)
Dalton(1808)(esfera rígida
A finales del siglo XIX una serie de evidencias experimentales no podían ser explicadas por las teorías clásicas( Maxwell, Newton)
Los espectros discontinuos de los elementosLa radiación del cuerpo negro. El efecto fotoeléctricoLos calores específicos de los sólidos
Espectros de emisión y absorción
Cada átomo es capaz de emitir o absorber radiación electromagnética, aunque solamente en algunas frecuencias que son características propias de cada uno de los diferentes elementos químicos.
El espectro más sencillo es el de hidrógeno.
Clara Turriate 24
espectro de emisión
espectro de absorción
Clara Turriate 25
ONDAS
TEORÍA CLÁSICA DE LA RADIACIÓNTEORÍA CLÁSICA DE LA RADIACIÓN
En 1900, MaxPlanck predijocon todo éxitola forma de lacurva.
EECUANTO CUANTO
E = h E = h
Premio Nobel Física, 1918
Constante de Planck (h)h = 6.625 x 10-34 J•s
E = h c /
Clara Turriate 27
Fotón deluz rojaemitido
Átomo de Li en estado bajo de energía
Átomo de Li emocionado
En
erg
ía
La luz tiene ambos: 1. naturaleza de onda2. naturaleza de partícula
“Efecto fotoeléctrico”. Resuelto por Einstein en 1905
Fotón es una “partícula” de luz
Luzincidente
Asumió que la energía de la radiación electromagnética, está cuantizada
Los “corpúsculos” de radiación electromagnética fueron denominados fotones .
Energía fotón = Energía mínima + Energía cinética
h = Eo + ½(mv²) h = ho + ½(mv²)
Efecto fotoeléctricoEfecto fotoeléctrico
Si se ha alcanzado la frecuencia del umbral, aumentar la intensidad aumenta solamente el
número de los electrones expulsados.Clara Turriate 29
Más luz
Electrón
MetalNúcleo
Electrón
Si se aumenta la frecuencia, los electrones
expulsados viajarán más rápidamente
MODELO ATÓMICO MODERNOMODELO ATÓMICO MODERNOEl comportamiento de la materia a escala muy pequeña ( como
los electrones) es estudiada por la mecánica cuántica.
Se desarrollo durante la primera mitad del siglo XX y se basa
en:
Estados estacionarios de Bohr
Dualidad de la materia
Principio de incertidumbre de Heinsemberg
Cuantización órbitas atómicas
Premio Nobel Física, 1922
Niels Bohr(1885-1962)(Manchester, UK)(Copenhagen, Denmark)
La energía de loselectrones está
cuantizada
DUALIDAD DE LA MATERIA
Los electrones se comportan a la vez como ondas y como
partículas.
Premio Nobel Física, 1929
Louis De Broglie (1892-1987)
¿Por qué es cuantizada la energía del electrón?
De Broglie (1924) razonó que el electrón es partícula y onda.
2πr = n
v = velocidad del e-m = masa del e-
vmh.
Ecuación de EinsteinE=mc2
(C– velocidad de la luz)
Ecuación de Planck:E = h۷
(energía de un fotón)
h۷ = mc2
۷/c =mc= p = h/p
Momento lineal = P
Longitud de onda =
De Broglie propuso que esta
relación era válida también
para una partícula de
materia y no solo para un
electrón.vmh.
h
Argumentos y ecuación de DeBroglie
Premio Nobel Física, 1932
W. Heisenberg (1901-1976)
Principio de incertidumbre
•Heinsemberg (1927): “Es imposible conocer la posición y el momento de una partícula simultáneamente”
Incertidumbre en el momento = p
Incertidumbre en la posición = x
p = mv
p = m. v
p x h 4
Formulación de la ecuación generalde la mecánica cuántica.
Premio Nobel Física, 1933
-3 -2 -1 1 2 3
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Erwin Schrodinger(1887-1961) (AUS)Graz, Berlin, Dublin
Un electrón queda completamente descritopor su función de onda.
= Probabilidad de encontrar electrón en x
2)(x
2)(x
Conocida como ecuación de onda, describe el comportamiento de un electrón dotándolo de la naturaleza ondulatoria y corpuscular simultáneamente.
ECUACIÓN DE SCHRODINGER
Donde:
m: masa del electrón
V: Energía potencial
E: energía total
función de onda del electrón
representa la probabilidad de encontrar al
electrón en una región del espacio.
Solución de esta ec.
f(n,l,ml)
Ecuación de Schrödinger para Ecuación de Schrödinger para
un átomo hidrogenoideun átomo hidrogenoideSolución :
n= 1,2,3,….
La ecuación de Schrodinger sólo se puede resolver exactamente para el átomo de hidrógeno.
Experimento:doble rendijaExperimento:doble rendija
• DIRAC – JORDAN completaron la ecuación de Schodinger incorporando la teoría general de la relatividad de Einstein a la mecánica cuántica y es precisamente donde aparece un cuarto número cuántico denominado “spin” (ms)
= f(n,l,ml, ms) Compartió el Premio Nobel
con Schodinger 1933
Números cuánticos
Describen los estados energéticos del electrón y también
proporciona las características fundamentales del orbital.
Un electrón queda completamente definido por los cuatro
números cuánticos: n, l, ml, ms.
Número Número cuánticocuántico
Significado Significado físicofísico
Valores Valores permitidospermitidos
Principal Principal (n)(n)
Nivel energéticoNivel energéticoDistancia del electrón al Distancia del electrón al
núcleo.núcleo.
n: 1,2, ……n: 1,2, ……
Secundario Secundario o azimutal o azimutal (l)(l)
Subnivel energéticoSubnivel energéticoForma del orbitalForma del orbital
l= 0 s ; l = 1 p; l = 2 dl= 0 s ; l = 1 p; l = 2 dl =3 fl =3 f
l = 0,1,2, (n-l = 0,1,2, (n-1)1)
MagnéticoMagnético
(m(mll)) orientación del orbital orientación del orbital
(2l+1)(2l+1)mmll= -= -l,..,0,..+ll,..,0,..+l
Espín (mEspín (mss)) Sentido de giro del Sentido de giro del electrónelectrón
mmss = = ± 1/2± 1/2
Ψnlml(x,y,z)Números cuánticos
Clara Turriate 42
“Orbital atómico es la región del espacio alrededor del núcleo en la que existe gran probabilidad de encontrar un electrón con una energía determinada”.
ORBITA
ORBITALΨ(n,l,ml,ms) (x,y,z)
Orbitales atómicos
ORBITALES ATOMICOS
NOMBRE DEL ORBITAL
FORMA DEL ORBITAL
0 s1p2d3f4g5h6.7.
Esférica2 lóbulos4 lóbulosFormas difíciles de representar...
Desapareado o semilleno
Vacio
Representación de orbitales S
Apareado o saturado
ORBITALES dORBITALES f
ORBITALES ATOMICOS
Representa la manera en que lo electrones se distribuyen entre los diferentes orbitales.
Los orbitales se llenan en orden de energía creciente.
n
Z R - E2
2
H
n
Z R - E2
2
H
Clara Turriate 48
nZ R - E
2
efectivo2
H
Niveles de energía de un átomo de hidrógeno
Niveles de energía de un átomo poli- electrónico
Principios de la configuración electrónica
Principio de mínima energía (aufbau)• Los electrones entran en los orbitales en orden
creciente de energía (EERR =n+l) =n+l). A igual número de la suma predominará el del número cuántico principal más bajo.
1s2 < 2s2 < 2p6 < 3s2 <... # de electrones
nivel 2 2p3
subnivel (l =1)
Clara Turriate 49
Principio de Pauli
“En un átomo no puede existir dos electrones con los 4 números cuánticos iguales”.
(a) (b) (c) 2He : 1s2 1s2 1s2
Principios de la configuración electrónica
Regla de Hund “cuando se agregan electrones a una subcapa a medio
llenar, la configuración más estable es aquella que tiene el mayor número de electrones desapareados”.
Clara Turriate 50
Ejemplo: (a) 6C: ___ ___ 1s2 2s2 2px 2py 2pz (b) 2px 2py 2pz (c) 2px 2py 2pz
Mas estable
Finalmente:Finalmente: La posición de un electrón en un átomo no se puede saber con certeza. Lo único que podemos decir es que existe una probabilidad de que el electrón se encuentre en un lugar dado. Según la mecánica cuántica, esta probabilidad depende de la energía del átomo.
Clara Turriate
51
Para ilustrar este fenómeno las figuras a continuación Para ilustrar este fenómeno las figuras a continuación muestran el resultado, de una simulación en el computador. muestran el resultado, de una simulación en el computador. La probabilidad es proporcional a la densidad de puntos La probabilidad es proporcional a la densidad de puntos rojos. rojos.
Nivel de energía n=3, m=2Nivel de energía n=2Nivel de energía n=1
Clara Turriate 521 s
2 s
3 s
2 p
3 p
4 fE
nerg
ía
4 s4 p 3 d
5 s
5 p4 d
6s
6 p5 d
n = 1; l = 0; m = 0; s = – ½n = 1; l = 0; m = 0; s = – ½n = 1; l = 0; m = 0; s = + ½n = 1; l = 0; m = 0; s = + ½n = 2; l = 0; m = 0; s = – ½n = 2; l = 0; m = 0; s = – ½n = 2; l = 0; m = 0; s = + ½n = 2; l = 0; m = 0; s = + ½n = 2; l = 1; m = – 1; s = – ½n = 2; l = 1; m = – 1; s = – ½n = 2; l = 1; m = 0; s = – ½n = 2; l = 1; m = 0; s = – ½n = 2; l = 1; m = + 1; s = – ½n = 2; l = 1; m = + 1; s = – ½n = 2; l = 1; m = – 1; s = + ½n = 2; l = 1; m = – 1; s = + ½n = 2; l = 1; m = 0; s = + ½n = 2; l = 1; m = 0; s = + ½n = 2; l = 1; m = + 1; s = + ½n = 2; l = 1; m = + 1; s = + ½n = 3; l = 0; m = 0; s = – ½n = 3; l = 0; m = 0; s = – ½n = 3; l = 0; m = 0; s = + ½n = 3; l = 0; m = 0; s = + ½n = 3; l = 1; m = – 1; s = – ½n = 3; l = 1; m = – 1; s = – ½n = 3; l = 1; m = 0; s = – ½n = 3; l = 1; m = 0; s = – ½n = 3; l = 1; m = + 1; s = – ½n = 3; l = 1; m = + 1; s = – ½n = 3; l = 1; m = – 1; s = + ½n = 3; l = 1; m = – 1; s = + ½n = 3; l = 1; m = 0; s = + ½n = 3; l = 1; m = 0; s = + ½n = 3; l = 1; m = + 1; s = + ½n = 3; l = 1; m = + 1; s = + ½n = 4; l = 0; m = 0; s = – ½n = 4; l = 0; m = 0; s = – ½n = 4; l = 0; m = 0; s = + ½n = 4; l = 0; m = 0; s = + ½n = 3; l = 2; m = – 2; s = – ½n = 3; l = 2; m = – 2; s = – ½n = 3; l = 2; m = – 1; s = – ½n = 3; l = 2; m = – 1; s = – ½n = 3; l = 2; m = 0; s = – ½n = 3; l = 2; m = 0; s = – ½n = 3; l = 2; m = + 1; s = – ½n = 3; l = 2; m = + 1; s = – ½n = 3; l = 2; m = + 2; s = – ½n = 3; l = 2; m = + 2; s = – ½n = 3; l = 2; m = – 2; s = + ½n = 3; l = 2; m = – 2; s = + ½n = 3; l = 2; m = – 1; s = + ½n = 3; l = 2; m = – 1; s = + ½n = 3; l = 2; m = 0; s = + ½n = 3; l = 2; m = 0; s = + ½n = 3; l = 2; m = + 1; s = + ½n = 3; l = 2; m = + 1; s = + ½n = 3; l = 2; m = + 2; s = + ½n = 3; l = 2; m = + 2; s = + ½n = 4; l = 1; m = – 1; s = – ½n = 4; l = 1; m = – 1; s = – ½n = 4; l = 1; m = 0; s = – ½n = 4; l = 1; m = 0; s = – ½n = 4; l = 1; m = + 1; s = – ½n = 4; l = 1; m = + 1; s = – ½n = 4; l = 1; m = – 1; s = + ½n = 4; l = 1; m = – 1; s = + ½n = 4; l = 1; m = 0; s = + ½n = 4; l = 1; m = 0; s = + ½n = 4; l = 1; m = + 1; s = + ½n = 4; l = 1; m = + 1; s = + ½n = ; l = ; m = ; s = n = ; l = ; m = ; s =
ORDEN EN QUE SE RELLENAN LOS ORBITALES
ORDEN EN QUE SE RELLENAN LOS ORBITALES
Paramagnética
electrones paralelos
2p
Diamagnética
todos los electrones apareados
2p
PROPIEDADES DEL ÁTOMO
Clara Turriate 53
Clara Turriate 54
Sustancias paramagneticasLos materiales paramagnéticos se caracterizan por átomos con un momento magnético neto (µ ≠0), que tienden a alinearse paralelo a un campo aplicado.
Los materiales diamagnéticos se magnetizan débilmente en el sentido opuesto al del campo magnético aplicado. (µ = 0)
Sustancias diamagneticas
• Es la fuerza con la que es atraída una sustancia paramagnética por un campo magnético externo = i (i +2)
MOMENTO MAGNETICO (µ)
La susceptibilidad paramagnética de una sustancia se mide en términos de un momento magnético µ, que se relaciona con el número de electrones no apareados (i)
En los materiales ferromagnéticos un campo magnético externo produce una alineación de los momentos dipolares magnéticos, que puede persistir aunque no haya campo magnético externo.
Ejemplo: Fe
[Ne] 3s2 3p6Ar 18
1s 2s 2p 3s 3p
Na 11 [Ne] 3s1
Ar 18 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6
“Kernel” Palabra alemana que significa corazón.Se puede realizar la distribución electrónica haciendo uso de la distribución electrónica de un gas noble más cercano.
Configuración electrónica estableocurre cuando un átomo completa ocho electrones en la ultima capa.
Electrones de
valencia
CONFIGURACIÓN ELECTRÓNICA NORMAL Y SIMPLIFICADA (Kernel)
Superconductividad a altas
temperaturas
Estructuras finas en los
enlaces químicos.
Hornos de microondas.
El tomógrafo de positrones.
La cobaltoterapia con el uso
del isótopo radiactivo Co-60
El ordenador cuántico
Reactores nucleares
para centrales eléctricas.
El microscopio
electrónico (SEM) de
barrido ó scanner, con una
ampliación de objetos del
orden de 50 nm.
Los rayos Láser.
.La ingeniería genética.
Aplicaciones de las características atómicas.
CONCLUSION FINAL
Compresión de la naturaleza a escala atómica=
Mecánica Cuántica