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