QUMICA

QUMICACLAVE: AEC-1058INGENIERA EN SISTEMAS COMPUTACIONALES

IBQ. RODRIGO LPEZ LUVIANOCARACTERIZACIN DE LA ASIGNATURAEsta asignatura aporta al perfil del Ingeniero la capacidad para analizar fenmenos qumicos y elctricos involucrados en el comportamiento de diferentes tipos de materiales.

La materia es fundamento de otras, vinculadas directamente con las de la especialidad. Pertenece al bloque de ciencias bsicas, da soporte de manera particular en el estudio los temas: estructura, arreglos y movimiento de los tomos, propiedades qumicas y elctricas de los materiales, conocimiento de la microestructura, entre otros.OBJETIVO GENERAL DEL CURSO:Comprender la estructura de la materia y su relacin con las propiedades fsicas y qumicas, enfocadas a sus aplicaciones a los dispositivos elctricos y electrnicos as como a las tcnicas requeridas para la construccin de equipos o sistemas electrnicos.

COMPETENCIAS PREVIAS:

Conocer conceptos bsicos de qumica y fsica (tomo, luz, tabla peridica)Realizar operaciones aritmticas y algebraicasTrabajar en equipoParticipar de manera responsable bajo normas de seguridad.

UNIDAD 1. TEORA CUNTICA Y ESTRUCTURA ATMICA1.1. El tomo y sus partculas subatmicas1.1.1. Rayos catdicos y rayos andicos1.1.2. Radiactividad1.2. Base experimental de la teora cuntica1.2.1. Teora ondulatoria de la luz1.2.2. Radiacin del cuerpo negro y teora de Planck1.2.3. Efecto fotoelctrico1.2.4. Espectros de emisin y series espectrales1.3. Teora atmica de Bohr1.3.1. Teora atmica de Bohr-Sommerfeld1.4. Teora cuntica1.4.1. Principio de dualidad. Postulado de Broglie1.4.2. Principio de incertidumbre de Heisenberg1.4.3. Ecuacin de onda de Schrdinger1.4.3.1. Significado fsico de la funcin de onda 21.4.3.3. Nmeros cunticos y orbitales atmicos1.5. Distribucin electrnica en sistemas polielectrnicos1.5.1. Principio de Aufbau o de construccin1.5.2. Principio de exclusin de Pauli1.5.3. Principio de mxima multiplicidad de Hund1.5.4. Configuracin electrnica de los elementos y su ubicacin en la clasificacin peridica1.5.5. Principios de radiactividad.1.6. Aplicaciones tecnolgicas de la emisin electrnica de los tomosCOMPETENCIA ESPECFICA A DESARROLLARRelacionar y utilizar las bases de la qumica moderna en su aplicacin para el conocimiento de la estructura atmica, orbitales atmicos, configuracin electrnica.1.1. El tomo y sus partculas subatmicastomo: Unidad bsica de un elemento que puede intervenir en una reaccin qumica.

Considerado hasta el siglo XX como una partcula extremadamente pequea e indivisible.

Las partculas subatmicasElectrn: es una partcula elemental estable cargada negativamente que constituye uno de los componentes fundamentales del tomo. Fue la primera partcula elemental descubierta. Hacia finales del siglo XIX se dedic un esfuerzo considerable a investigar las descargas elctricas en los gases enrarecidos.

PROTN: es una partcula cargada positivamente que se encuentra dentro del ncleo atmico. El nmero de protones en el ncleo atmico es el que determina el nmero atmico de un elemento, como se indica en la tabla peridica de los elementos.

NEUTRN: Un neutrn es una partcula subatmica contenida en el ncleo atmico. No tiene carga elctrica neta, a diferencia de carga elctrica positiva del protn. El nmero de neutrones en un ncleo atmico determina el istopo de ese elemento.

1.1.1. Rayos catdicos y rayos andicos

Tubo de rayos catdicos: consta de un tubo de vidrio al cual se le ha sacado casi todo el aire. Un campo magntico externo. Una pantalla fluorescente. Placas cargadas elctricamente y una fuente de voltaje.Qu ocurre en el experimento del tubo de rayos catdicos?Al conectar la fuente de voltaje, la placa con carga negativa (ctodo), emite un rayo invisible.Este rayo catdico se dirige hacia la placa positiva (nodo), el cual atraviesa hasta el extremo del tubo.Cuando el rayo alcanza el extremo (pantalla fluorescente) produce una fuerte luz brillante.

Aplicacin de los rayos catdicos

En el siglo XX, luego de que se descubrieron algunas de sus funcionalidades, su uso ms popular fue en lostelevisores,en tubos de rayos catdicos. Esta nueva tecnologa permita la visualizacin de imgenes a travs de la proyeccin de los rayos en forma constante sobre una pantalla cubierta de fsforo y plomo.

1.1.2. RADIACTIVIDADMarie Curie, sugiri el nombre de radiactividad para describir la emisin espontnea de partculas y/o de radiacin.

El decaimiento o descomposicin de las sustancias radiactivas produce tres tipos de rayos.- Rayos : Consisten en partculas cargadas positivamente y se alejan de la placa con carga positiva.- Rayos : Son electrones y son rechazados por la placa negativa- Rayos : No tienen carga y no les afecta el campo externo.1.2. Base experimental de la teora cuntica1.2.1. Teora ondulatoria de la luz

Longitud (): Distancia entre puntos idnticos Amplitud: Distancia vertical de la media a la cresta Frecuencia (): Nmero de ondas por unidad de tiempoEjercicios de prcticaFrmula = Donde: = velocidad en metro/segundo (m/s) = longitud en metros (m) = frecuencia en Hertz (Hz)

Calcule la velocidad de una onda cuya longitud de onda y frecuencia son 17.4 cm y 87.4 Hz, respectivamente.Calcule la frecuencia de una onda cuya velocidad y longitud de onda son 713 m/s y 1.14 m, respectivamente.

Radiacin electromagnticaTiene un componente de campo elctrico y otro de campo magntico.stos tienen la misma longitud de onda y frecuencia. Y por tanto la misma velocidad.

Clerk Maxwell proporcion una descripcin matemtica que describe el comportamiento general de la luz:

La radiacin electromagntica es la emisin y trasmisin de energa en forma de ondas electromagnticas.La velocidad de la luzLas ondas electromagnticas viajan en el vaco a 3.00 x108 m/s 186,000 millas por segundo.La velocidad puede variar de un medio de propagacin a otro.Se utiliza el smbolo c para expresar la velocidad de la luz.

Ejercicios de prcticaLa longitud de onda de la luz verde de un semforo se sita alrededor de 522 nm. Cul es la frecuencia de esa radiacin?

= c/

Cul es la longitud de onda una onda electromag-ntica cuya frecuencia es de 3.64 x107 Hz?

1.2.2. Radiacin del cuerpo negro y teora de PlanckLos slidos cuando se calientan, emiten radiacin electromagntica.

Los tomos y las molculas pueden emitir o absorber energa radiante solo en cantidades discretas, como pequeos paquetes o cmulos

Planck le dio el nombre de cuanto a la mnima cantidad de energa que poda ser emitida o absorbida en forma de radiacin electromagntica.

E = h h -> Constante de Planck = 6.63x10-34Js

La cantidad de energa radiante emitida por un objeto a cierta temperatura depende de su longitud de onda.El cuerpo negro

La superficie de un cuerpo negro es un caso lmite, en la que toda la energa incidente es absorbida, y toda la energa incidente desde el interior es emitida.No existe en la naturaleza un cuerpo negro incluso el negro humo refleja el 1% de la energa incidente1.2.3. Efecto fotoelctricoLos electrones son lanzados desde la superficie de ciertos metales expuestos a la luz de por lo menos una mnima frecuencia, denominada frecuencia umbral

El nmero de electrones emitidos era proporcional a la intensidad de la luz pero no as las energas de los electrones emitidos.

Albert Einstein hizo una suposicin extraordinaria:

Un rayo de luz es en realidad una corriente de partculas de luz, llamados fotones.Un fotn debe tener una energa E:

E = h

Los electrones se mantienen en un metal por fuerzas de atraccin, as que para removerlos se requiere luz suficientemente alta para que la energa h sea igual a la energa de enlace entonces se liberaran los electrones.

h = KE + BEDonde KE es la energa cintica de los electrones liberados y BE es la energa del enlace del electrn en un metal.Ejercicio de prcticaCalcule la energa (en joules) de:Un fotn con una longitud de onda de 5.00 x104nm (infraroja)Un fotn con una longitud de 5.00 x10-2nm (rayos x)

E = hc/ Naci un dilema La teora de Einsten coloc a los cientficos en un dilema:

Por un lado explica el efecto fotoelctrico de forma satisfactoria, pero por otro, no es congruente con el comportamiento ondulatorio de la luz.

La luz se posee ambas propiedades, tanto de partcula como de onda

La luz tiene una naturaleza dual: corpuscular y ondulatoria1.3. Teora atmica de BohrNewton demostr que la luz solar est compuesta por varios componentes de colores.

Se inici con el estudio de los espectros de emisin, es decir, espectros continuos o lneas espectrales de la radiacin emitida por las sustancias.El espectro de emisin de una sustancia se obtiene al suministrar a una muestra de cualquier material energa.

El espectro de emisin del sol y de un slido calentado es continuo. Todas las longitudes de onda de la luz visible estn representadas en el espectro.

En los gases no hay una distribucin continua de longitudes de onda.Se producen lneas brillantes en diferentes partes del espectro visible.Corresponden a longitudes de onda especficas.

Niels Bohr estudi el tomo de hidrgenoLa explicacin del espectro de emisin del Hidrgeno de Bohr es muy complejo y actualmente ya no se considera correcto.Sin embargo, hizo suposiciones importantes que explican la posicin de las lneas espectrales.Los electrones se mueven en rbitas circulares.Cada rbita tiene una energa particular.La energa del movimiento del electrn est cuantizada.La emisin de un tomo energizado se debe a la cada de un electrn de una rbita de mayor energa. Originando un cuanto de energa.Bohr demostr que las energas que el electrn puede tener en el tomo de hidrgeno estn dadas por :En = -RH(1/n2)Donde:RH , la constante de Rydberg, tiene un valor de 2.18x10-18 JEl nmero n, es un entero, llamado nmero cuntico principal; que puede tomar valores de n = 1, 2, 3El signo negativo significa que la energa del electrn es menor que la energa del electrn libre en consecuencia de ser un electrn alejado del ncleo.Cuando n = 1: En alcanza el valor energtico ms negativo, lo cual corresponde al estado ms estable. A este estado se le conoce como estado Basal o estado fundamental. El tomo alcanza el estado energtico ms bajo.

Para n = 2, 3 Cada uno de estos niveles se les denomina estado excitado o nivel excitado. Tienen mayor energa que el estado basal Son menos estables Entre mayor sea n, mayor es el radio del orbital. Cuanto ms excitado se encuentre un electrn ms estar alejado del ncleo

La diferencia de energas entre los estados inicial y final es:

E = Ef Ei E = (-RH/n2f)-(-RH/n2i) E = RH [(1/n2f)-(1/n2i)]

Est variacin produce la liberacin de un fotn, entonces:E = hv = RH [(1/n2f)-(1/n2i)]

Cuando se emite un fotn ni > nfE ser negativo, es decir se perder energa hacia el entorno.

Cada nivel de energa corresponde a la energa asociada a un estado energtico permitido en una rbita.

Se asocia la serie de emisin de acuerdo al nivel de energa.1.4. Teora cuntica 1.4.1. Principio de dualidad. Postulado de Broglie

Por qu el electrn en el tomo de Bohr Est restringido a viajar en rbitas alrededordel ncleo a ciertas distancias fijas?En 1924 Louis de Broglie proporcion una solucinRazon que si las ondas luminosas se pueden comportar como una corriente de partculas, entonces quiz las partculas como los electrones pueden tener propiedades ondulatorias.Un electrn enlazado a un ncleo se comporta como una onda estacionaria. De esta forma la longitud de onda debe caber en la circunferencia de la rbita.

2r = n

Donde r es el radio de la rbita, es la longitud de onda de la onda del electrn y n = 1, 2, 3

Dado que n es un entero, r solo puede tener diferentes valores cuando n aumenta por lo que la energa del electrn depende del tamao de la rbita su valor debe estar cuantizado.

Broglie lleg a la conclusin de que las ondas se pueden comportar como partculas y stas pueden exhibir propiedades ondulatorias.

= h/m

= longitud de onda h = constante de Planck m = masa = frecuencia

Esta ecuacin implica que una partcula en movimiento se puede tratar como si fuera una onda, y en una onda se pueden observar propiedades de una partcula.Ejercicio de prcticaCalcule la longitud de onda de la partcula en los siguientes dos casos:

El servicio ms rpido en el tenis es de unas 140 millas por hora o 62 m/s. Calcule la longitud de onda asociada a una pelota de 6 x10-2 kg que viaja a esa velocidad.Calcule la longitud de onda asociada a un electrn que se mueve a 62 m/s. 1.4.2. Principio de incertidumbre de Heisenberg. Es imposible conocer simultneamente el momento p (definido como la masa por la velocidad) y la posicin de una partcula con certidumbre x p h/4

Cmo se podra precisar la posicin de una onda?x p h/4 Donde x y p son las incertidumbres en las mediciones de posicin y momento.

Expresa que si se mide con precisin el momento de una partcula, el conocimiento de la posicin se har menos preciso.Si se conoce la posicin de la posicin, la medicin de su momento ser menos preciso.Al aplicar este principio se puede ver que en realidad el electrn no viaja en la rbita alrededor del ncleo con una trayectoria bien definida.1.4.3. Ecuacin de onda de ScrdingerEspecifica los posibles estados energticos que el electrn del tomo de hidrgeno puede ocupar.

Identifica las correspondientes funciones de onda 2.

Estos estados energticos se caracterizan por un conjunto de nmeros cunticos.

Con estos nmeros se puede construir un modelo comprensible del tomo de hidrgeno.1.4.3.1. Significado fsico de la funcin de onda 2No podemos precisar la posicin del electrn en un tomo.

El concepto de densidad electrnica da la probabilidad de encontrar un electrn en un tomo.

El cuadrado de la funcin de onda 2, define la distribucin de la densidad electrnica alrededor del ncleo en el espacio tridimensional.

Las regiones de alta densidad electrnica representan una posibilidad alta de localizar un electrn.

El orbital atmico se puede considerar como la funcin de onda del electrn de un tomo.

Cuando se dice que un electrn est en cierto orbital, significa que la probabilidad de localizar a un electrn en el espacio se puede por 2 asociada por ese electrn.

1.4.3.2. Nmero cunticos y orbitales atmicos.En la mecnica cuntica se requieren tres nmero cunticos para describir los electrones en el hidrgeno.

Nmero cuntico principalNmero cuntico del momento angularNmero cuntico magnticoNmero cuntico spn

Nmero cuntico principal (n)Puede tener valores enteros 1, 2, 3.

Se relaciona con la distancia promedio del electrn al ncleo en un determinado orbital.

A mayor valor de n, mayor esla distancia promedio del elec-trn al ncleo, es mayor el Orbital y el menos estable.

Nmero cuntico del momento angular (l)Indica la forma de los orbitales.

Los valores de l dependen del valor del nmero cuntico principal.

Tiene todos los valores posibles de 0 a n-1

Nmero cuntico magntico (ml)Describe la orientacin del orbital en el espacio.

Su valor depende de l , para cierto valor de l hay (2 l +1) valores enteros de ml

Para n = 2; l = 1, se indica que hay una subcapa 2p, y que en esta subcapa hay tres orbitales 2p (porque hay tres valores de ml dados por -1, 0, 1)

Nmero cuntico espn (ms)Indica los dos movimientos posibles de movimiento de un electrn

Tiene valores de + y

Este nmero cuntico indica que los electrones giran sobre su propio eje.

Al girar alrededor del ncleo generan un campo magntico.

El movimiento del espn es completamente aleatorio.Orbitales atmicosOrbitales s

Se representa dibujando un diagrama de contorno de superficie que englobe el 90% de la densidad electrnica.

Todos los orbitales s tienen forma de esfera pero de diferentes tamaos.

Hay una probabilidad de 90% de encontrar al electrn dentro de una esfera de 100 pm de radio alrededor del ncleo.Orbitales pComienzan con el nmero principal n = 2

Para n = 2 se tendrn tres orbitales 2p: 2px, 2py y 2pz

En un diagrama de contorno de superficie los orbitales p se dibujan como dos lbulos a los lados opuestos del ncleo.

Estos orbitales aumentan de tamao desde 2p a 3p a 4p.

Orbitales dEmpiezan cuando n = 3

Se tienen 5 orbitales 3d (3dxy, 3dyz, 3dxz, 3dx2-y2 y 3dz2)

Todos los orbitales d para un mismo valor de n tienen idntica energa.

1.5. Distribucin electrnica en sistemas polielectrnicos

Los cuatro nmeros cunticos permiten identificar completamente un electrn en cualquier orbital de cualquier tomo.