Estructura de la Materia I

Estructura de la Materia
Antecedentes de la teoría atómica
n
n
n
n
n
Demócrito (400 a.C.): la materia está compuesta por
partículas indivisibles llamadas átomos.
Ley de las proporciones definidas: en un compuesto
dado los elementos se combinan siempre en las mismas
proporciones.
Ley proporciones equivalentes.
Ley de la conservación de la materia: en una reacción
química la masa antes y después de la reacción es la
misma.
Experimentos con gases realizados por Gay-Lussac.
Teoría Atómica de Dalton (1808)
Postulados
John DALTON
• Todos los átomos de un elemento dado son idénticos.
• Los átomos de elementos diferentes tienen masas diferentes.
• En una reacción química, los átomos no se crean ni se
destruyen, sino que se recombinan para formar nuevas
sustancias.
•Los compuestos están formados por una combinación
específica de átomos de distintos elementos.
TEORÍA ATÓMICA DE DALTON (1808)
MATERIA
ÁTOMOS
Principio de Avogadro
Amadeo
Avogadro (1822)
MATERIA
En las mismas condiciones de P y T,
volúmenes iguales de distintos gases
tienen el mismo número de moléculas.
MOLÉCULAS
ÁTOMOS
Stanislao CANNIZZARO (1858)
Determinación del Peso atómico (PA) de
elementos que forman compuestos gaseosos.
Compuesto PMR (H2 = 2) P Oxígeno
(en un mol)
Agua
18
16
Oxígeno
32
32
Óxido Nítrico 30
16
Dióxido de
carbono
32
44
Michael FARADAY (1833)
1. El peso de sustancia depositado en un electrodo por
una cierta cantidad de electricidad es siempre el
mismo.
2. Los pesos de distintas sustancias transformados en
un electrodo por una cantidad fija de electricidad son
proporcionales a sus pesos equivalentes.
Relación entre electricidad y partículas
George Stoney (1874)
Hipótesis: la electricidad era creada por
unos corpúsculos elementales que llamó
electrones
Cálculo de su carga (experimentos de
electrólisis)
Rayos catódicos
Los gases son aislantes eléctricos, pero a bajas
presiones (0,01 atm) y altos voltajes, se
“descomponen”, conducen la corriente eléctrica y
emiten luz.
Placa perforada
Rayos catódicos
• Se mueven en línea recta.
• Provocan fluorescencia en el vidrio y otros materiales
• Se desvían en un campo magnético, igual que las
partículas negativamente cargadas.
Propiedades de los Rayos Catódicos
• Se propagan en línea recta
s Proyectan sombra de cuerpos opacos que obstruyen su
trayectoria y mueven hélices livianas.
s Propiedades independientes del material del cátodo y
del gas presente en el tubo.
s Los campos eléctricos y magnéticos desvían los rayos
como lo harían con cargas negativas.
•Tienen masa
• Son universales
Electrones
• Tienen carga eléctrica negativa
Relación carga:masa del electrón
(e/m)
J.J. Thomson (1897)
r
e-
H: intensidad campo magnético
r: radio curvatura producida
e: carga del electrón
m: masa del electrón
v: velocidad del electrón
E: intensidad campo eléctrico
a) Se aplica el campo magnético
Fuerza ejercida por el campo magnético = Hev
Fuerza centrífuga = mv2
Hev = mv2 / r
/r
e/m = v / Hr
b) Luego se aplica el campo eléctrico (Se
retorna el haz a la posición central)
Feléctrica = F magnética
Hev = Ee
e/m = E/H2r
v = E/H
e/m =-1,759 108C/g
más de 1000
veces mayor que la de cualquier ión.
Robert A. MILLIKAN (1906-1914)
Determinación de la carga y
masa del electrón
En ausencia de campo eléctrico, la gota cae y
alcanza una velocidad constante debido a la
resistencia del aire:
v elocidad
Fuerza neta
mg
=
=
Resistencia de la viscosidad 6π η r
m
m
δ= =
V 4 πr3
3
Midió experimentalmente v y densidad;
Se calcula m y r (masa y radio de la gota,
respectivamente)
Si se aplica un campo eléctrico E, cambia la
fuerza neta sobre la gota:
Fuerza neta
qe − mg
v' =
=
Resistencia de la viscosidad
6π η r
Midió experimentalmente v’ y calculó q.e:
eran múltiplos de 4,8 10-10 uee (1,6 10-19coul)
Dado que: e/m =-1,759 108 coul/g
m= 9,1 10-28 g
Carga del
electrón
Medida de e/m para iones positivos
(Goldstein y Thompson, 1886)
Rayos Canales:
• atraviesan un cátodo perforado
• se originan en el ánodo y tienen carga positiva
• la relación q/m (igual a v/Hr) varía con el gas
• Es máxima para el H (protón) = 9,63 x 104 C/g
• El protón tiene igual carga que el electrón pero
de signo contrario y masa igual a 1 u.m.a.
(q/m) p = 9,63 x 104 C/g
(q/m) e- 1,76 x108 C/g
mp = 1837
me
MODELO ATÓMICO DE THOMSON
Ø
Átomo contiene partículas más pequeñas de carga (-).
Ø Los átomos son neutros
contienen cargas (+).
Ø Los electrones son muy livianos
la masa del átomo
está asociada con la carga positiva (+).
Ø Si la carga positiva contiene la mayor parte de la masa
atómica
ocupará la mayor parte del volumen.
El átomo es una esfera uniforme de electricidad positiva
de radio 10-8 cm, con los electrones dentro de ella en el
agrupamiento electrostático más estable.
MODELO ATÓMICO DE THOMSON
RADIOACTIVIDAD
Rayos Alfa: partículas con 2 cargas positivas y masa de
4 umas (He2+)
Rayos Beta: electrones
Rayos gamma: radiación electromagnética
Experimento de Rutherford
(1911)
Resultados esperados por Rutherford, de
acuerdo al modelo de Thompson
Comparación de los dos modelos atómicos
Modelo de Thompson
Modelo de Rutherford
Otros resultados obtenidos por Rutherford…
• Diámetro del núcleo
• Carga Z (número
atómico)
Diámetro átomo (10-8 cm) ≅ 105. diámetro núcleo (10-13 cm)
El núcleo concentra el 99,97% de la masa en 10-39 cm3
Moseley (1913)
Bombardeo de átomos con electrones
de alta energía
Se expulsa un electrón interno y un electrón externo
ocupa el lugar emitiendo rayos X
(1/λ) α Z2
Diferencias entre Z y PAR
Existencia del neutrón (Chadwick-1932)
Z: Número atómico = Nº protones
A: Número másico = Nº protones + Nº neutrones
ISÓTOPOS : igual Z y diferente A
A
X
Z
Isótopos y PAR
75.77% 35Cl
100 %
19F
1.4% 204Pb
24.1% 206Pb
22.1% 207Pb
52.4% 208Pb
24.23% 37Cl
ESTRUCTURA ATÓMICA
Espectroscopía
Análisis de la radiación electromagnética
emitida o absorbida por las sustancias.
Radiación Electromagnética
Puede interpretarse como campos magnéticos
y eléctricos variables, oscilantes en el tiempo y
en la distancia.
Movimiento de una onda
Es causado por un
desplazamiento en un medio
Se caracteriza por la
amplitud (altura de la cresta
o pico), longitud de onda y
frecuencia.
ONDAS
λ: longitud de onda (unidades: longitud)
ν: frecuencia (unidades: tiempo-1)
La luz se comporta como una onda
de radiación electromagnética
•Las ondas electromagnéticas se originan a partir
de cargas eléctricas en movimiento.
•El movimiento de las cargas provoca fluctuaciones
en los campos eléctrico y magnético.
Caracterización de ondas
La radiación electromagnética se caracteriza por
su longitud de onda, su frecuencia y su amplitud.
La longitud de onda (λ) es la distancia entre dos
puntos idénticos en ciclos consecutivos (p.ej.
Distancia entre dos máximos o mínimos)
Caracterización de ondas
La Frecuencia de una onda es el número de
ciclos de onda que pasan a través de un punto
en la unidad de tiempo.
La Amplitud de una onda es su altura: la
distancia desde una línea de base hasta el
máximo.
Onda Electromagnética
Campo
Eléctrico
Campo
Magnético
Velocidad de la luz
2,998 108 m s-1
ν =
Frecuencia
1 Hz= 1 s-1
(Hz: hertz)
c
λ
= c ν
Número de onda
(1/λ)
Se mide en cm-1
Longitud de onda
(cm, µm, nm, Å,
1 m = 100 cm = 109 nm = 1010 Å
(Å: ángstrom)
Espectro electromagnético
Espectro Continuo
Luz blanca pasada
por un prisma
produce un
espectro de colores
de forma continua.
EOS
El espectro continuo visible
λ ~ 650 nm
λ ~ 575 nm
λ ~ 500 nm
λ ~ 480 nm
λ ~ 450 nm
Los diferentes
colores de luz
corresponden a las
diferentes
frecuencias y
longitudes de onda.
Ejercicios:
1.- Identificar la onda con
a) Mayor frecuencia
b) Mayor longitud de onda
c) Mayor velocidad de propagación
d) Mayor número de onda
Ejercicios:
1.- Calcular la longitud de onda para una estación de radio
que transmite a 92.1 MHz. (1MHz = 106 Hz)
2.- Calcular las longitudes de onda de las luces del
semáforo. (verde: 5.75 1014 Hz, amarillo: 5.15 1014 Hz, rojo:
4.27 1014 Hz)
Cuerpo negro
Kirchhoff, 1862
• Objeto ideal (modelo) que absorbe el 100% de la
radiación incidente.
• No refleja ni transmite radiación.
• Emite radiación al ser calentado.
Modelo para estudiar la emisión de
radiación electromagnética
Radiación del CUERPO NEGRO
1000 K: emisión en el rojo
1500 K: emisión en el amarillo
2000 K: emisión en el blanco
Catástrofe
ultravioleta
No se puede
explicar con la
teoría
electromagnética
clásica.
Max Planck propone que el oscilador que da
origen a la radiación puede transferir solamente
“cuantos o paquetes de energía”
E=hν
h = 6,626 10-34 J s-1= 6,626 10-27 erg s-1
EFECTO FOTOELÉCTRICO
Expulsión de electrones de un metal cuando su
superficie se expone a radiación electromagnética.
Efecto fotoeléctrico
Únicamente la luz con una frequencia por
encima de un cierto umbral provoca la
emisión de electrones.
El flujo de corriente
es independiente de la
intensidad de la luz!
La energía cinética de
los e- es proporcional a
la frecuencia, pero no
depende de la amplitud!
Radiación electromagnética está compuestas
por partículas (fotones), cuya energía es E= hυ
Einstein, 1905
hν
=
Φ
+ ½ me v 2
Energía Energía
provista necesaria
por el fotón para
expulsar
un electrón
Energía
cinética del
electrón
expulsado
½ me v 2 =
hν
− Φ
½ me v2 = h υ – h υo
Ejemplo
La función trabajo de un metal es 2 eV. Calcular la energía
cinética y la velocidad de los electrones emitidos por luz de
longitud de onda de (a) 700 nm, (b) 550 nm, (c) 400 nm.
(1eV = 1.602 x 10-19 J).
Ejercicios:
1.- La función trabajo del Cs es 2.14 eV. Calcular la energía
cinética y la velocidad de los electrones emitidos por luz
de longitud de onda de (a) 700 nm, (b) 300 nm. (1eV =
1.602 x 10-19 J).
2.- Cuando la luz de longitud de onda de 4500 Å incide sobre
una superficie de sodio metálico limpia se extraen
electrones cuya máxima energía es 6.4 x 10-13 erg. ¿Cual
es la máxima longitud de onda de la luz que extraerá
electrones del sodio metálico? ¿Cuál es función trabajo
del sodio?
ESPECTROS ATÓMICOS
Litio
Sodio
Potasio
Cobre
ESPECTROS ATÓMICOS DE EMISIÓN
VAPOR
ATÓMICO
ENERGÍA
ESPECTROS ATÓMICOS DE EMISIÓN
Lámpara de Hidrógeno
Espectro de líneas discretas
(en el rango de la luz visible)
serie de Balmer
1 / λ = RH
(1/22
- 1/n2
2)
1885
SERIE
ULTRAVIOLETA
200
SERIE
VISIBLE
400
SERIE
INFRARROJA
600
800
1000
1200
1400
1600nm
ECUACIÓN DE RYDBERG
1 / λ = RH (1/n12 - 1/n22)
RH = constante de Rydberg = 109677 cm-1
n1 = 1 (ultravioleta)
n1 = 2 (visible)
n1 = 3 (infrarroja)
n1 = 4 (infrarroja)
n2 = 2, 3, 4, ….
n2 = 3, 4, 5, ….
n2 = 4, 5, 6, ….
n2 = 5, 6, 7, ….
Serie de Lyman
Serie de Balmer
Serie de Paschen
Serie de Brackett
ESPECTROS ATÓMICOS DE ABSORCIÓN
Ejercicio:
Calcular las longitudes de onda de las líneas de la serie de
Lyman (n1= 1) utilizando la ecuación de Rydberg, e
identificarlas en el espectro de absorción.
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600nm