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TEMA 1(parte I):PRINCIPIOS BSICOS DE LA ESTRUCTURA ATMICA Y MOLECULARPROF. ALEXIS PEA

11TEMA 1: Principios bsicos de la estructura atmica y molecular.Concepto de partculas, molculas y tomos.Elementos qumicos, smbolos, nmero atmico.Istopos, nmero msico.Peso atmico, tomo gramo.Peso molecular, molcula gramo, concepto de mol. Concepto de enlace qumico.Concepto de in, formacin de iones, carga inica.Fortaleza del enlace inico.Propiedades de los slidos inicos.Enlace covalente. Combinaciones que conducen al enlace covalente. Propiedades.Relacin entre el enlace qumico y la tabla peridica.

I UNIDAD22El tomo de los griegos33410,0 g Cu10,0 g Cu20,0 g Cu5,06 g S7,06 g S+++15,06 g CuS2,00 g S15,06 g CuS10,0 g Cu5,06 g S15,06 g CuSLEY DE LAS PROPORCIONES DEFINIDAS (1799-Proust)Muestras diferentes de un mismo compuesto siempre contienen los mismos tipo de elementos y en la misma proporcin de masa Leyes ponderales5LEY DE LAS PROPORCIONES MLTIPLES (Dalton)

Si dos elementos pueden combinarse para dar ms de un compuesto, la masa de uno de los elementos que se combina con una masa fija del otro, mantiene una relacin de nmeros enteros pequeos

Leyes ponderalesLa materia esta compuesta de tomos, que son las partculas mas pequeas que puede contener los compuestos y no se alteran ni se dividen durante los cambios qumicos.Todos los tomos de un elemento (sustancia formada por tomos iguales) tienen las mismas propiedades fsicas como tamao, masa, forma, etc. y qumicas como la capacidad de combinacin.Los tomos no pueden ser creados o convertidos en tomos de otros elementos.Los compuestos se forman por la agrupacin de tomos iguales o diferentes que mantienen entre ellos una proporcin fija, especificada por nmeros enteros sencillos. John Dalton (1800)

NaCaEstructura atmica

66LEY DE CONSERVACIN DE LA MASA (LAVOISIER)No se produce un cambio apreciable en la masa de las reacciones qumicas

Leyes ponderales

7

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Tubo de Rayos catdicos y los electrones

Tomado y modificado de BROWN, et al 2004. Estructura atmica8

1897 Joseph John Thomson estudiando si los rayos catdicos se desviaban en presencia de campos elctricos y magnticos, comprob que tenan carga elctrica negativa y hall su relacin carga/masa (1,76.1011 C/kg).8Representacin del aparato de MillikanTomado y modificado de BROWN, et al 2004. Estructura atmicaDescubrimiento de la masa del electrn9

Q = -1,6.10-19 CM = 9,1.10-28 g910PROBLEMAS QUE PLANTE EL DESCUBRIMIENTO DEL ELECTRNSi la materia es neutra, adems de electrones debe haber carga positiva en los tomos, pero cmo se encuentran dentro del tomo?

Si los electrones tienen masa tan pequea,dnde se encuentra la mayor parte de la masa de los tomos?

Por qu las partculas que se obtenan de los tomos eran siempre electrones y nunca partculas con carga positiva?Modelo atmico de Thompson

Estructura atmica111904Imagin a los tomos como esferas macizas de carga positiva neutralizada por los electrones, que estaran incrustados en ellas.11Experimento de Rutherford 1911Estructura atmicaDiseo experimental de Rutherford para medir la dispersin de las partculas causadas por una lmina de oro

Tomado y modificado de: http://concurso.cnice.mec.es/cnice2005/93_iniciacion_interactiva_materia/curso/materiales/atomo/modelos.htm1212

Modelo atmico de RutherfordEstructura atmicaTomado y modificado de: http://concurso.cnice.mec.es/cnice2005/93_iniciacion_interactiva_materia/curso/materiales/atomo/modelos.htmDispersin de las partculas causadas por una lmina de oro

13Que los tomos estaban casi vacos, pues la mayora de las partculas las atravesaban.

Que hay una zona cargada positivamente, ya que algunas partculas retrocedan o se desviaban. Esta zona debe estar muy concentrada ya que es mayor el nmero de desviaciones que de choques.

Conclusiones de Rutherford

1314DESCUBRIMIENTO DEL PROTNEn 1886, Goldstein utiliz un tubo de rayos catdicos con un ctodo perforado y observ unos rayos que iban en sentido opuesto a los rayos catdicos, es decir, salan del nodo (+) y se movan hacia el electrodo negativo o ctodo.Estos rayos positivos eran desviados por campos elctricos y magnticos, lo que demuestra su naturaleza elctrica, aunque de signo contrario a la de los rayos catdicos.

La relacin carga/masa de las partculas positivas s depende del tipo de gas encerrado en el tubo.15DESCUBRIMIENTO DEL NEUTRNCon el descubrimiento del protn, surgi la pregunta: cul es la estructura del ncleo?Cmo pueden permanecer los protones, siendo cargas del mismo signo, en un espacio tan reducido?

En 1920, Rutherford sugiri la existencia de otra partcula sin carga a la que llam neutrn. Entre protones y neutrones existiran fuerzas atractivas de una nueva naturaleza (fuerzas nucleares) que superasen a las fuerzas de repulsin elctricas.

16Descubrimiento del neutrnBOMBARDE BERILIO CON PARTCULAS Y DETECT POR PRIMERA VEZ A LOS NEUTRONES YA PREDICHOS EN 1920 POR RUTHERFORD.

Las partculas fundamentales constituyentes del tomo Descubiertas hasta ese momento:

J. Chadwick, 1932PartculaCarga (C)Masa (g)Masa (U)Electrn-1,6.10-199,1.10-280,00055Protn1,6.10-191,673.10-241,0076Neutrn 01,675.10-241,0090

173.- Modelo de Bohr (1913)

El dans Niels Bohr elabora un nuevo modelo atmico para superar los fallos del modelo nuclear de Rhuterford, a saber:

1.- Cualquier carga en movimiento emite energa, por tanto el electrn terminara chocando con el ncleo.2.- El n de protones, electrones y neutrones no explicaba que hubiera tomos con propiedades muy diferentes (Li y He) y otros con propiedades muy parecidas (Li y Na). No explicaba cmo estaban distribuidos los electrones.

3.- Tampoco se explica el hecho de que cada elemento qumico genera un espectro de emisin caracterstico.

18MODELO DE BOHR ( Compagin el tomo nuclear de Rutherford con la nueva fsica que estaba surgiendo, fsica cuntica):

1.- Mientras el electrn est en una rbita determinada no irradia energa (rbita estacionaria).

2.- Un electrn no puede encontrarse a cualquier distancia del ncleo (el radio de la rbita est cuantizado), por lo tanto la energa del sistema ha de tener unos valores determinados.

3.- Es slo cuando el electrn pasa de una rbita a otra cuando emite o absorbe la diferencia de energa E en forma de radiacin electromagntica (fotones).

Estructura atmicaCorreccin de Sommerfeld

En 1916, Sommerfeld modific el modelo de Bohr considerando que las rbitas del electrn no eran necesariamente circulares, sino que tambin eran posibles rbitas elpticas.

1920FALLOS DEL MODELO DE BOHRSLO PODA EXPLICAR EL ESPECTRO DE EMISIN DEL HIDRGENO.

NO PODA EXPLICAR POR QU EN UN MISMO ESPECTRO HABA UNAS RAYAS MS INTENSAS QUE OTRAS.

EN EL ENLACE QUMICO, NO PODA EXPLICAR POR QU UNAS MOLCULAS SON LINEALES ( CO2) Y OTRAS ANGULARES (H2O).

Principio enunciado en 1927 por el alemn Werner Heisenberg segn el cual no puede ser conocida con exactitud y simultneamente la posicin y la cantidad de movimiento de un electrn..

PRINCIPIO DE INCERTIDUMBRE

Estructura atmica212122MODELO CUNTICO ACTUALEl francs Louis de Broglie (1924) propuso que los electrones poseen no slo propiedades como partculas sino que tambin se comportan como ondas.

Un ao despus, Davisson y Germer lo comprobaron experimentalmente al obtener la difraccin de electrones.

Entre 1925 y 1930, cientficos como el aleman Werner Heisenberg, el austriaco Erwin Schrdinger y el ingls Paul Dirac desarrollaron la mecnica cuntica.

El estado de un electrn se obtendra mediante la ecuacin que Schrringer postulada en 1926. Teniendo en cuenta el principio de incertidumbre dichas ecuaciones no se pueden resolver, pero se obtienen la llamada funcin de onda .

CONCEPCIN ACTUAL DEL TOMO

Estructura atmica

2323

Orbitales atmicosEstructura atmica

ORBITAL SORBITALES P

PXPYPZ2424

Orbitales atmicosEstructura atmica

Tomado y modificado de: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/d2/Orbitales_d.jpg2525Modelo ms especfico tomando en cuenta los diferentes subniveles de energa y representacin del atmo cuntico

Estructura atmica26

26Resumen

Es la partcula ms pequea de un elemento que mantiene su identidad a travs de los cambios qumicos y fsicos.Es una partcula formada por un conjunto de tomos iguales o diferentes: O2, N2,H2, Cl2, Br2, H2O, CO2, otras.

MolculatomoProtn (P+)m= 1,673*10-24Neutrn (N)m= 1,675*10-24Electrn (e-)m= 9,109*10-28EstructuraAtmicaNcleoCorteza27Nmero Atmico (Z): Valor que seala el numero de protones contenido en el ncleo atmicoNmero Msico (A): representa la suma de los protones y neutrones presentes en el ncleo atmico.28Resumen: evolucin de los modelos atmicos

Nmeros cunticosN CUANTICOSIMBOLOVALORESPrincipal (Energa)n1 +Secundario(forma)0 n-1Magntico(orientacin)m

-

SpinMs+ ; -Distribucin electrnica 2929RELACIN ENTRE LOS NMEROS CUANTICOS Y LOS ORBITALES ATMICOS

nm

N de orbitalesDesignacin de los orbitales atmicos

10011s2010-10+11

32s

2p30Distribucin electrnica 30ORDEN DE LLENADO DE SUBNIVELESSubnivelesspdfnivelN de e-261014121s282s2p3183s3p3d4324s4p4d4f5325s5p5d5f6186s6p6d787s7p31Distribucin electrnica

31Principio de exclusin de PauliNo es posible que dos electrones de un tomo tengan los mismos cuatro nmero cunticos.a) b) c)1s21s21s232Distribucin electrnica 32Regla de Hund:La distribucin electronica ms estable es la que tiene el mayor nmero de espines paralelos

33Distribucin electrnica Px Py Pz33

La Tabla Peridica

Durante el siglo XIX, los qumicos comenzaron a clasificar a los elementos conocidos de acuerdo a las similitudes de sus propiedades fsicas y qumicas.El final de aquellos estudios es la Tabla Peridica Moderna

Johann Dobereiner

En 1829, clasific algunos elementos en grupos de tres, que denomin triadas.

Los elementos de cada triada tenan propiedades qumicas similares, as como propiedades fsicas crecientes.

Ejemplos: Cl, Br, I Ca, Sr, BaJohn Newlands

En 1863 propuso que los elementos se ordenaran en octavas, ya que observ, tras ordenar los elementos segn el aumento de la masa atmica, que ciertas propiedades se repetan cada ocho elementos.

Dmitri MendeleevEn 1869 public una Tabla de los elementos organizada segn la masa atmica de los mismos.

Lothar MeyerAl mismo tiempo que Mendeleeiev, Meyer public su propia Tabla Peridica con los elementos ordenados de menor a mayor masa atmica.

Qu es un periodo? Es el conjunto de elementos que ocupan una lnea horizontal.Son los elementos que presentan igual nmero de niveles con electrones en su envoltura a pesar de que sus propiedades qumicas son diferentes.

Qu es un grupo? Los elementos que conforman un mismo GRUPO presentan propiedades fsicas y qumicas similares.Las columnas verticales de la Tabla Peridica se denominan GRUPOSs1s2d1d2d3d4d5d6d7d8d9d10p1p2p3p4p5p6Los elementos del mismo GRUPO tienen la misma configuracin electrnica del ltimo nivel energtico.1IA2IIA3IIIB5VB6VIB7VIIB9VIIIB11IB12IIB17VIIA16VIA15VA14IVA13IIIA4IVBNO METALESGASES NOBLESSEMIMETALESAgrupacionesM E T A L E SNmero msico y los istopos Se denominan istopos a los tomos de un mismo elemento, cuyos ncleos tienen cantidad diferente neutrones, y por tanto, difieren en masa. ProtioDeuterioTritioTomado y modificado de: http://es.wikipedia.org/wiki/Is%C3%B3topo

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Istopos Ejemplo: El carbono y sus principales istoposIndique el nmero de protones, neutrones para cada una de las siguientes especies:

Cuntos protones, neutrones y electrones tienen el siguiente istopo del cobre? Istopos, nmero msico

4646Especies qumicas cargadas. Estas pueden ser: Aniones y cationes .

Cationes: Iones cargados positivamente, es decir perdieron electrones con respecto a su tomo neutro.

Aniones: Iones cargados negativamente, es decir ganaron electrones con respecto a su tomo neutro.

Los iones 47Los iones47FORMACIN DE IONES : Ejercicios

3d4s3d4sFe [Ar]3d6 4s2Fe+3 [Ar]3d548Los iones4849El tomo La materia visible EL MOL El molEl molUn mol de una sustancia es la cantidad de esa sustancia que contiene 6,02 . 1023 de sus partculas representativas

En un mol de distintas muestras hay el mismo nmero de partculas (NA)49La masa de un mol ser proporcional a la masa de sus partculas representativasN de moles =

1 molde carbono1 molde cobre

12 gNA tomosde CLos tomos de Cu son ms pesados que los de C50El mol51Molcula de ...un elementoun compuesto. 1 mol de tomos de Cu es 1 t-g de Cu. En 1 mol hay 6,02 . 1023 tomos de CuEn 1 mol de tomos de Cu hay 63,55 g de CuEn 1 mol de molculas de Al2(SO4)3 hay . . . 2 . 6,02 . 1023 tomos de aluminio3 . 6,02 . 1023 tomos de azufre12 . 6,02 . 1023 tomos de oxgenoEn 1 mol de molculas de Al2(SO4)3 hay 342,17 g de sustancia2 tomos de aluminio3 tomos de azufre12 tomos de oxgenoPor ejemplo: Al2(SO4)3 diatmico: H2 , N2 , O2 , F2 , Cl2 , Br2 , I2 (cada molcula tiene 2 tomos)RELACIN ENTRE TOMO, MOLCULA Y MOLEl mol52 Se toma como referencia, la masa de un tomo de carbono, a la que se asigna el valor de 12 u (unidades de masa atmica). As la masa de un tomo de hidrgeno resulta 1 u; y la de un tomo de oxgeno, 16 uSe llama masa atmica de un elemento a la masa de uno de sus tomos medida en unidades de masa atmica (u)La masa molecular de un compuesto es la masa de una de sus molculas medida en unidades de masa atmica (u). Corresponde a la suma de la masa de sus tomos.Masa atmica y molecular Masa atmica y molecular

Frmulas qumicas53Frmula molecular y representacin de algunas molculas sencillasOHHH2OOOHHH2O2 OOCCO2 OOO2 OOOO3 COCOLas frmulas moleculares indican el tipo y el nmero real de tomos que forman la molcula de una sustanciaLas frmulas que indican solamente el nmero relativo de tomos de cada tipo presente en una molcula se llaman frmulas empricas. Sus subndices son siempre los nmeros enteros ms bajos posibles Frmula emprica y molecular

5354Por ejemplo: para el etanol su frmula estructural resumida es CH3-CH2OH, su frmula molecular es C2H6 O y su frmula emprica es (CH3)n O

Frmulas qumicas

En una molcula, formada por distintos tomos no todos contribuyen igual a la masa total de la molcula, por ejemplo en el cido clorhdrico ( HCl) el tomo de cloro (35,5 umas) contribuye ms a la masa molecular (36,5 umas) que el hidrgeno (1 uma). Estas contribuciones se pueden expresar en forma de % y es lo que se llama COMPOSICIN CENTESIMAL de una molcula.

Me=masa del elemento n=subndice del elemento en la frmulaM=masa molecular.55Ejemplo: El anlisis de cierto compuesto revela que su composicin en masa es 30,435 % de N y 69,565 % de O. Si la masa molecular del compuesto es 92, hallar su frmula emprica y su frmula molecular. DATO: masas atmicas relativas N = 14u ; O = 16ua) Clculo de la frmula empricab) Clculo de la frmula molecularLa frmula molecular ser un mltiplo de la emprica:(NO2)n

Si los resultados no fueran redondeables se multiplican TODOS por dos o por 3Frmulas qumicasUna muestra de Cl est compuesta por un 80% de moles de 35Cl con masa atmica 35,00 y un 20% de 37Cl con masa atmica 37,00. Calcular el peso atmico promedio en la muestra.

El Bromo tal como se presenta en la naturaleza es una mezcla de dos istopos: el 79Br, en una proporcin del 50,54 % y el 84Br en una proporcin del 49,46% . Sus masa atmicas relativas son respectivamente 79,918 y 80,916. Calcular el peso atmico medio del bromo.56Ejercicios56Cuntos moles de tomos de Helio hay en 140,40 g de Helio?

Calcular la masa de 2,32 moles de tomos de carbono?

Cuntos tomos hay en 20 g de boro? M=10,811g/mol

Cuntos gramos de Cu hay en una cantidad de 4,63 x 10 21 tomos de Cu? M= 63 g/mol

57Ejercicios57 http://www.educaplus.org/play-74-Constructor-de-%C3%A1tomos.html (Construir tomos y iones virtuales)

http://rabfis15.uco.es/Modelos%20At%C3%B3micos%20.NET/Modelos/ModBohr.aspx

http://concurso.cnice.mec.es/cnice2005/93_iniciacion_interactiva_materia/curso/materiales/atomo/aconstruir.htm(material terico y practico)

http://profmokeur.ca/quimica/co (Tabla peridica interactiva de orbitales)

Ejecutar las aplicaciones:

5858http://www.educaplus.org/play-74-Constructor-de-%C3%A1tomos.html (Construir tomos y iones virtuales)

http://rabfis15.uco.es/Modelos%20At%C3%B3micos%20.NET/Modelos/ModBohr.aspx

http://concurso.cnice.mec.es/cnice2005/93_iniciacion_interactiva_materia/curso/materiales/atomo/aconstruir.htm (material terico y practico)Ejecutar las aplicaciones:

59ElementoMasa relativa del elementoMasa atmica (M)N relativo de tomos

(se divide la masa por m)Relacin ms sencilla

(se divide por el menor)Frmula emprica

Nitrgeno30,43514 EC \F(30,435;14) = 2,174 EC \F(2,174;2,174) = 1NO2

Oxgeno69,56516 EC \F(69,565;16) = 4,348 EC \F(4,348;2,174) = 2