Teoria Cuántica y Estructura Atómica MCQ Fernando Bedolla Cazares [email protected] ¿Qué es la Química? Ciencia que estudia la composición y propiedades de las sustancias y las reacciones por las que unas sustancias se transforman en otras. El lenguaje de la Química es un lenguaje científico universal que se emplea ampliamente fuera de la Química. Geologia Astronomia Química Física Farmacologia Medicina Biologia 2 QUÍMICA ORGÁNICA E INORGÁNICA (aspectos macroscópicos) Las propiedades observables de la materia (lo que percibimos) -Detergentes -Productos de limpieza -Combustión -Bioquímica -Fertilizantes -Polímeros -Tintes -Revelado fotográfico -Baterías -Mantenimiento de piscinas -Reactivos -Medicamentos QUÍMICA FÍSICA (aspectos microscópicos) La estructura atómica de la materia (organización atómica y molecular) -Espectros -Radiación -Partículas subatómicas -Orbitales -Ecuaciones químicas -Interacciones moleculares -Cinética -Química teórica Importancia de la Química La química es una ciencia central, porque sirve de apoyo a otras ciencias como la física, la biología, la geología, la petroquímica, etc. Además permite satisfacer las necesidades humanas en diferentes áreas o campos de la actividad humana. 3 Áreas de aplicación: - Medicina - Nutrición - Agricultura - Textiles - Medioambiente - Arqueología - Astronomía - Industria Materia RAE: Del Lat. Materia 1. f. Realidad espacial, y perceptible por los sentidos, de la que están hechas las cosas que nos rodean y que, con la energía, constituye el mundo físico. Básicamente cualquier cosa que tenga masa y ocupe espacio. Sustancia Cantidad de materia homogénea cuya composición es fija y químicamente definida. Estados de la Materia Un sólido es una forma rígida de la materia. • Un líquido es una forma fluida de la materia que tiene la capacidad de adoptar la forma de la parte del recipiente que ocupa. • Un gas es una forma fluida de la materia que llena completamente cualquier recipiente que lo contenga. • Un plasma es un estado fluido similar al estado gaseoso pero en el que determinada proporción de sus partículas están cargadas eléctricamente. Es el estado más frecuente en el Universo. 4 Masa Es la medida de la cantidad de materia que posee un cuerpo. Peso Es la fuerza con la que la Tierra atrae la masa, por la acción de la gravedad, hacia su centro. El peso se determina multiplicando la masa por la aceleración de la gravedad. Sus unidades de medida dependerán de las que posean la masa y la aceleración de la gravedad, las cuales pueden ser: Newton (N), Dinas, Libra-fuerza, entre otros. 5 La materia está formada por átomos, iguales o diferentes en cualesquiera proporciones. • Las sustancias están formadas por átomos,iguales o diferentes, en una proporción definida. • Los elementos son sustancias que sólo tienen un tipo de átomos. Por ahora, conocemos 118 elementos, muchos de ellos no naturales. • Los compuestos químicos están formados por entidades iguales de agrupaciones de átomos diferentes (moléculas discretas o redes atómicas). 6 Clasificación de la Materia Materia Sustancias Puras Mezclas Separación Física Composición Fija Composición Variable 7 Elemento iguales Compuesto Homogeneas diferentes 1 fase Separación Química O2, O3, N2, Plata, Aluminio H2O, CO2, HCl, NaCl Café con leche Agua con azúcar, mayonesa, gasolina Heterogeneas Ensalada, sopa, arena 2 fases Coloides Suspensiones La disolución contiene sustancias químicas tal que el tamaño molecular de la partículas sea inferior a 10-9 m. Se llama mezcla coloidal cuando el tamaño de partícula va de 1x10-9 m a 2 x10-7 m. Se llama suspensión cuando el tamaño de las partículas es del orden de 2 x10-7 m. Estructura del Átomo y Teoría Cuántica Primera observación directa de electrones en el espacio orbital de un átomo (la función de onda real de un átomo de H. Para obtener esta imagen, los investigadores utilizaron un microscopio cuántico 8 Concepción del Átomo Teoría Atomista (Siglo V a.C.) Leucipo pensaba que sólo había un tipo de materia. Sostenía, además, que si dividíamos la materia en partes cada vez más pequeñas, acabaríamos encontrando una porción que no se podría seguir dividiendo. Leucipo Su discípulo, Demócrito, bautizó a estas partes indivisibles de materia con el nombre de átomos, término que en griego significa “que no se puede dividir”. Para el año 400 a. de C. Demócrito y Leucipo propusieron la primera teoría atómica llamada la "Discontinuidad de la Materia". Demócrito Los atomistas pensaban que: - Todo está hecho de átomos. - Las propiedades de la materia varían según como se agrupen los átomos. - Los átomos no pueden verse porque son muy pequeños. - Los átomos son eternos. 9 Teoría Continuista (1500-1800) Del año 400 a.C. hasta finales de 1500, el átomo fue olvidado. Aristóteles había creído que toda la materia estaba hecha de 4 elementos: fuego, agua, tierra y aire, esta teoría se llamó continuista. Como Aristóteles era un sabio, la gente aceptaba la teoría de los cuatro elementos. Los continuistas pensaban que: - Los átomos no existen. No hay límite para dividir la materia. - Si las partículas, llamadas átomos, no pueden verse, entonces es que no existen. - Todas las sustancias están formadas por las combinaciones de los 4 elementos básicos: agua, aire, tierra y fuego. Después de este gran descubrimiento, ocurrió un estancamiento de las investigaciones acerca de la estructura de la materia, hasta que en el siglo XIX, se iniciaron las primeras 10 Teoría de Dalton (1808) Dalton publicó sus ideas sobre el modelo atómico de la materia las cuales han servido de base a la química moderna. Los principios fundamentales de esta teoría son: 1. La materia está formada por minúsculas partículas indivisibles llamadas átomos. 2. Hay distintas clases de átomos que se distinguen por su masa y sus propiedades. Todos los átomos de un elemento poseen las mismas propiedades químicas. 3. Los compuestos se forman al combinarse los átomos de dos o más elementos en proporciones fijas y sencillas. De modo que en un compuesto los átomos de cada tipo están en una relación de números enteros o fracciones sencillas. 4. En las reacciones químicas, los átomos se intercambian de una a otra sustancia, pero ningún átomo de un elemento desaparece ni se transforma en un átomo de otro elemento. 11 Teoría de Thompson (1904) El modelo de Thomson consistía en una esfera uniforme de materia cargada positivamente en la que se hallaban incrustados los electrones de un modo parecido a como lo están las semillas en una sandía. Este sencillo modelo explicaba el hecho de que la materia fuese eléctricamente neutra, pues en los átomos de Thomson la carga positiva era neutralizada por la negativa. Además los electrones podrían ser arrancados de la esfera si la energía en juego era suficientemente importante. Teoría de Rutherford (1911) En 1911, Rutherford empleó las partículas alfa para determinar la estructura interna de la materia (experimento de la lámina de oro). A partir de ese experimento dedujo que: La mayoría de las partículas atraviesan la lámina sin desviarse (99,9%). *Núcleo: aquí se concentra casi la totalidad de la masa del átomo, y tiene carga positiva. *Corteza: está formada por los electrones, que giran alrededor del núcleo describiendo órbitas circulares Así mismo, también dijo que la materia es neutra, ya que la carga positiva del núcleo y la negativa de la corteza se neutralizan entre sí. 12 Rutherford dedujo que: - La materia está casi vacía; el núcleo es 100.000 veces más pequeño que el radio del átomo. - La mayoría de las partículas alfa no se desvían porque pasan por la corteza, y no por el núcleo. - Las que pasan cerca del núcleo se desvían porque son repelidas. Teoría de Bohr (1913) Basándose en las ideas previas de Max Plank, Bohr supuso que el átomo sólo puede tener ciertos niveles de energía definidos. Bohr establece así, que los electrones sólo pueden girar en ciertas órbitas de radios determinados. Estas órbitas son estacionarias, en ellas el electrón no emite energía: la energía cinética del electrón equilibra exactamente la atracción electrostática entre las cargas opuestas de núcleo y electrón. El electrón sólo puede tomar así los valores de energía correspondientes a esas órbitas. Los saltos de los electrones desde niveles de mayor energía a otros de menor energía o viceversa suponen, respectivamente, una emisión o una absorción de energía electromagnética (fotones de luz). El modelo atómico de Bohr tuvo que ser abandonado al no poder explicar los espectros de átomos más complejos. La idea de que los electrones se mueven alrededor del núcleo en órbitas definidas tuvo que ser desechada. 13 Modelo atómico Mecano-cuántico (Schrödinger y Heisenberg (1920) Es un modelo de gran complejidad matemática. No se habla de órbitas, sino de orbitales. Un orbital es una región del espacio en la que la probabilidad de encontrar al electrón es máxima. Los orbitales atómicos tienen distintas formas geométricas. 14 En 1916, el físico alemán Arnold Sommerfeld modificó el modelo de Bohr en el sentido que las órbitas permitidas para los electrones debían ser elípticas más que circulares. Estructura del átomo Partícula Masa (kg) Carga (C) Carga unitaria Electrón 9.10939 x 10-28 -1.6022 x 10-19 -1 Protón 1.67262 x 10-24 +1.6022 x 10-19 +1 1.67493 x 10-24 0 0 Neutrón 15 Principio de incertidumbre de Heisenberg Formulado por el físico alemán Werner Heisenberg en 1927, y que afirma que no es posible especificar con exactitud simultáneamente la posición y el momento lineal de una partícula subatómica. En otras palabras, cuanta mayor certeza se busca en determinar la posición de una partícula, menos se conoce su cantidad de movimiento lineal. Propiedades de la Radiación Electromagnética La radiación solar es la energía emitida por el Sol, que se propaga en todas las direcciones a través del espacio mediante ondas electromagnéticas. Medir la radiación solar es importante para un amplio rango de aplicaciones, en las áreas de ingeniería, arquitectura, agricultura, ganadería, salud humana y meteorología, 16 La radiación electromagnética (REM) no necesita un medio para su propagación por lo que se propaga fácilmente en el vacío. La REM se propaga como un flujo de partículas discretas, o paquetes ondulatorios, de energía denominados fotones, la energía de un fotón es proporcional a la frecuencia de la radiación. Longitud de onda (l): es la distancia lineal entre dos puntos equivalentes de ondas sucesivas. Frecuencia (n): es el número de oscilaciones del campo por segundo es igual a P-1 (P = Periodo en segundos); la frecuencia depende de la fuente y permanece invariable. 17 Teoría Cuántica Es una teoría física que describe las propiedades dinámicas de las partículas subatómicas y las interacciones entre la materia y la radiación. Las bases de la teoría fueron sentadas por el físico alemán Max Planck, que en 1900 postuló que la materia sólo puede absorber o emitir energía en pequeñas unidades discretas llamadas cuantos. 18 Planck logro establecer que la energía de estos fotones es directamente proporcional a la frecuencia de la radiación que los emite, estableciendo así la formula que decía que la energía (E) es igual a la constante de Planck (h) por la frecuencia de la radiación (n). 𝐸 =ℎ𝑣 Por último, dio el valor para dicha constante que quedo establecido con el siguiente valor: ℎ = 6.63𝑥10!"# 𝐽. 𝑠 La dualidad onda-partícula, resolvió una aparente paradoja, demostrando que la luz y la materia pueden, a la vez, poseer propiedades de partícula y propiedades ondulatorias. Esta dualidad onda-partícula se aplica a los haces de electrones, protones, de otras partículas elementales. El campo eléctrico es el responsable de la mayoría de los fenómenos como: la transmisión, la refracción, la reflexión, y la absorción. Cuando un haz de luz choca con una partícula en suspensión parte de la luz se dispersa, parte de la luz se refleja y parte de la luz se absorbe. La dispersión de la luz depende de: la longitud de onda de la luz (λ), del tamaño de la partícula y del índice de refracción de la partícula en relación con el medio que la rodea. Espectros de Emisión y Series Espectrales Al hacer incidir un haz (de luz) con una l determinada los electrones de los átomos pueden saltar a niveles superiores de energía. 19 Entonces, cuando uno de estos electrones vuelve al nivel inferior, emite un fotón en una de las frecuencias especiales de ese elemento (fluorescencia) y a eso es lo que se llama espectro de emisión. Los elementos químicos en estado gaseoso y sometidos a temperaturas elevadas producen espectros discontinuos en los que se aprecia un conjunto de líneas que corresponden onda. T3: ¿Qué fenómenos ópticos de la radiación luminosa son utilizados en el área del análisis químico? 20 Orbitales Atómicos y Configuración Electrónica En 1927 pudo comprobarse experimentalmente la hipótesis de De Broglie al observarse un comportamiento ondulatorio de los electrones en los fenómenos de difracción. Elorbital atómico es una zona del espacio donde existe una alta probabilidad (superior al 90%) de encontrar al electrón. Esto supone considerar al electrón como una nube difusa de carga alrededor del núcleo con mayor densidad en las zonas donde la probabilidad de que se encuentre dicho electrón es mayor. 21 Distribución Electrónica en Sistemas Polielectrónicos La configuración electrónica de un átomo es la distribución de los electrones en los subniveles de energía del átomo. Esta configuración se obtiene escribiendo en orden ascendente de energía los símbolos de los subniveles ocupados indicando el número de electrones que contiene. El número de electrones que ocupan los subniveles de un átomo neutral debe ser igual al número atómico del elemento. 22 Principio de Aufbau o de Construcción Este principio enuncia que: Los electrones pasan a ocupar los orbitales de menor energía, y progresivamente se van llenando los orbitales de mayor energía. Se comienza con el orbital de menor energía. Primero debe llenarse el orbital 1s (hasta un máximo de dos electrones). Configuración electrónica de los elementos y su ubicación en la clasificación periódica La configuración electrónica (o periódica) es la descripción de la ubicación de los electrones en los distintos niveles (con subniveles y orbitales) de un determinado átomo. Configuración estándar Se representa la configuración electrónica que se obtiene usando la regla de las diagonales. Aplicando la regla de las diagonales, la configuración electrónica para cualquier átomo, quedara como la siguiente representación dependiendo del elemento y su numero atomico. 23 Configuración condensada o Kernell Los niveles que aparecen llenos en la configuración estándar se pueden representar con un gas noble, donde el número atómico del gas coincide con el número de electrones que llenaron el último nivel. Los gases nobles son He, Ne, Ar, Kr, Xe y Rn. Configuración kernell del carbono: 47Ag = 1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d9 6C = 1s22s22p4 36Kr = 1s22s22p63s23p64s23d104p6 2He =1s2 47Ag = [36Kr] 5s24d9 6C = [2He] 2s22p4 Configuración desarrollada Consiste en representar todos los electrones de un átomo empleando flechas para simbolizar el spin de cada uno. El llenado se realiza respetando el principio de exclusión de Pauli y la Regla de máxima multiplicidad de Hund. 1 10 47Ag = [36Kr] 5s 4d Anomalía en configuración electrónica 24 25 Con las configuraciones electrónicas se identifican los bloques en la tabla periódica. Según el «último nivel electrónico ocupado» la tabla periódica se divide en bloques : bloque s, bloque p, bloque d y bloque f Números cuánticos y Orbitales Atómicos Las expresiones matemáticas de la mecánica ondulatoria indican que el estado de energía de un electrón en un átomo se puede describir por medio de un set de cuatro números cuánticos. Estos números describen el orbital espacial en el que el electrón se mueve en términos de: *Su posición con respecto al núcleo, *Su forma, *Su orientación espacial y *La dirección del spin (giro alrededor del propio eje) del electrón en el orbital. 26 Número cuántico principal (n) Indica la distancia promedio del electrón desde el núcleo. Con valores 1, 2, 3, 4,...... y es la designación del nivel de energía principal de un orbital. El primer nivel de energía es más cercano al núcleo y los otros se encuentran a distancias crecientes. Los electrones del primer nivel de energía tienen las energías más bajas, mientras que los de los niveles más altos tienen niveles de energía crecientes. En algunos textos, los niveles de energía se designan por las letras K, L, M, N, etc. 27 Número cuántico secundario (l) Indica la forma del orbital en el que se mueve el electrón. El número de posibles formas es igual al valor del número cuántico principal n. En el enésimo nivel de energía hay orbitales de n formas posibles. En el primer nivel es posible un orbital de una sola forma, en el segundo dos formas, en el tercero de tres, etc. Para hallar el número de subniveles es un nivel, basta hallar los valores permitidos de “l”, así: •Si n = 1 ; l = 0 (s) •Si n = 2 ; l = 0 (s) , 1 (p) •Si n = 3 ; l = 0 (s) , 1 (p) , 2 (d) •Si n = 4 ; l = 0 (s) , 1 (p) , 2 (d) , 3(f) Si somos observadores notamos que: •En el nivel 1 (n=1), existen 1 subnivel (s) •En el nivel 2 (n=2), existen 2 subnivel (s, p) •En el nivel 3 (n=3), existen 3 subnivel (s, p, d) •En el nivel 4 (n=4), existen 4 subnivel (s, p, d, f) 28 Número cuántico magnético (m) Indica la orientación del orbital en relación a los tres ejes del espacio en un campo magnético. Hay sólo una orientación para un orbital s, mientras que hay tres para el orbital p, cinco para el orbital d y siete para el f. 29 Número cuántico spin (s) Indica la dirección de giro sobre su eje del electrón. Hay dos posibilidades de spin, en la dirección de giro de los punteros del reloj o en contra. Así, cada uno de los orbitales orientados en el espacio, descritos por los tres primeros números cuánticos puede ser ocupado sólo por dos electrones, y éstos deben tener spin opuesto. Como puede tener dos sentidos de giro, el número de espín puede tener dos valores: ½ y - ½. 30 31 Números cuánticos y Orbitales Atómicos Determina los números cuánticos de los siguientes elementos: O8 n= 2 l= 1 m= -1 s= -1/2 Cl17 n= 3 l= 1 m= 0 s= -1/2 32 Identifique el elemento químico cuyos átomos tienen en su nivel más externo la siguiente configuración electrónica Configuración externa Z Símbolo 1s2 2 He Elemento 2s22p6 33 2s22p3 3s23p4 16 2s2 3s1 4s23d104p5 Sodio Br Determine “Z” y el símbolo químico de los elementos de las siguientes series de números cuánticos. (CORREGIDO) n l m s 3 2 1 -1/2 2 0 0 1/2 2 0 0 -1/2 5 1 -1 -1/2 4 0 0 -1/2 5 0 0 +1/2 Z Símbolo Elemento Cu 34 4 Telurio Ca Identifica a que elemento pertenece cada una de las siguientes configuraciones: 1. 1s2 2s2 2p1= 2. 1s2 2s2 2p4= 3. 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6= 4. 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d1= 35 Escribe la configuración electrónica de los siguientes elementos: 1. Galio (Z=31) 2. Niquel (Z=28) 3. Circonio (Z=40) 4. Indio (Z=49) Aplicaciones Tecnológicas de la Emisión Electrónica de los Átomos Un isótopo se refiere a un átomo que pertenece al mismo elemento químico que otro, tiene su mismo número atómico, pero distinta masa atómica. Los isótopos radioactivos se utilizan en la medicina nuclear, principalmente en las imágenes médicas, para estudiar el modo de acción de los medicamentos, entender el funcionamiento del cerebro, detectar una anomalía cardiaca, descubrir las metástasis cancerosas. Las Radiaciones y la Radioterapia Las radiaciones ionizantes pueden destruir preferentemente las células tumorales y constituyen una terapéutica eficaz contra el cáncer. Las diferentes formas de radioterapia“ - La tele radioterapia, consiste en concentrar en los tumores la radiación emitida por una fuente exterior. - La inmunorradioterapia, utiliza vectores radio marcados cuyos isótopos reconocen específicamente los tumores a los que se fijan para destruirlos. 36 Esterilización La irradiación es un medio para destruir los microorganismos" hongos, bacterias, virus. Por esta razón, existen numerosas aplicaciones para la esterilización de los objetos, especialmente médico-quirúrgico. Protección de obras de arte El tratamiento mediante rayos gamma permite eliminar los hongos, larvas, insectos o bacterias alojados en el interior de los objetos a fin de protegerlos de la degradación. Esta técnica se utiliza en el tratamiento de conservación y de restauración de objetos de arte, de etnología, de arqueología. Elaboración de materiales La irradiación provoca, en determinadas condiciones, reacciones químicas que permiten la elaboración de materiales más ligeros y más resistentes, como aislantes, cables eléctricos, envolventes termo retractables, prótesis, etc. 37 Detectores de incendio Una pequeña fuente radioactiva ioniza los átomos de oxígeno y de nitrógeno contenidos en un volumen reducido de aire. La llegada de partículas de humo modifica esta ionización. Por esta razón se realizan y se utilizan detectores radioactivos sensibles a cantidades de humo muy pequeñas. Pinturas luminiscentes Se trata de las aplicaciones más antiguas de la radioactividad para la lectura de los cuadrantes de los relojes y de los tableros de instrumentos para la conducción de noche. Alimentación de energía de los satélites Las baterías eléctricas funcionan gracias a pequeñas fuentes radioactivas con plutonio 239,cobalto 60 o estroncio 90. Estas baterías se montan en los satélites para su alimentación energética. Son de tamaño muy reducido y pueden funcionar sin ninguna operación de mantenimiento durante años. 38 Producción de electricidad Las reacciones en cadena de fisión del uranio se utilizan en las centrales nucleares. 39 Datación Se basa en la velocidad de decaimiento del C14. Cinética del Decaimiento Radiactivo: Velocidad de decaimiento = KN en el tiempo t K = cte de velocidad de 1er orden N= # de núcleos radiactivos presentes en el tiempo t Teoria Cuántica y Estructura Atómica MCQ Fernando Bedolla Cazares [email protected]