Curso: Química General

Profesor

ALEJANDRO MONCAYO -LASSO, Dr. Facultad de Ciencias

E-mail: amoncayo@una.edu.co

Bogotá D.C. 2011

QUÍMICA Se define como el estudio de la materia y

de los cambios que esta experimenta

Es básica en otras

disciplinas

Mejoramiento de la calidad

de vida

Contaminación ambiental

Física, Salud, Geologia, Biología

Electricidad, computadores,

CD

Calentamiento del planeta, hueco en la

capa de ozono

ESTUDIO DE LA QUÍMICA

MÉTODO CIENTÍFICO

OBSERVACIÓN REPRESENTACIÓN INTERPRETACIÓN

Macroscópica Microscópica

Símbolos y Ecuaciones

Explicación del fenómeno

HIPÓTESIS

MÉTODO CIENTÍFICO

OBSERVACIÓN REPRESENTACIÓN INTERPRETACIÓN

Obtención de datos

Cualitativo Cuantitativo

GENERALES MEDICIÓN

HIPÓTESIS LEY

TEORÍA

UNIFICADOR

Probadas

LA MATERIA Definición Cualquier cosa que ocupa un espacio y

tiene masa

Sustancias Mezclas

Elementos Compuestos Heterogénea Homogénea

Posee composición constante definida y propiedades que la

distinguen

Combinación de dos ó mas sustancias en

las que conservan sus propiedades

LA MATERIA

SÓLIDO LÍQUIDO GASEOSO

TRES ESTADOS

4

3

2

1

5 6

1 Fusión

2 Solidificación

3 Ebullición

4 Condensación

5 Sublimación

6 Deposición

LA MATERIA

PROPIEDADES

FÍSICAS QUÍMICAS

Se puede medir sin que haya cambio en la

composición o identidad

Para observarlas se debe efectuar un cambio químico

Extensivas Intensivas Depende de la

cantidad de materia Ej: Volumen, masa,

longitud

No depende de la cantidad de materia

Ej: Densidad, Temperatura

MEDICIONES Macroscópicas Microscópicas

Mediciones directas Mediciones Indirectas

Conferencia General de Pesas y Medidas (1960)

SISTEMA INTERNACIONAL DE MEDIDAS (SI)

Masa

Peso

Cantidad de materia del objeto

Fuerza que ejerce gravedad sobre el objeto

Densidad

Masa / Volumen

Kg / m3

UNIDADES SI BASICAS CANTIDAD

BASICA

NOMBRE DE LA UNIDAD

SÍMBOLO

LONGITUD

METRO

m MASA

KILOGRAMO

kg

TIEMPO

SEGUNDO

s CORRIENTE

ELECTRICA

AMPERE

A

TEMPERATURA

KELVIN

K

CANTIDAD DE SUSTANCIA

MOL

mol

INTENSIDAD LUMINOSA

CANDELA

cd

PREFIJOS SI MULTIPLO

PREFIJO

SIMBOLO

1018

exa

E

1015

peta

P

1012

tera

T

109

giga

G

106

mega

M

103

kilo

k

102

hecto

h

10

deca

da

NOTACIÓN CIENTÍFICA

ES FRECUENTE OBTENER NUMEROS DEMASIADO GRANDES O DEMASIADO PEQUEÑOS

EJEMPLOS: Un gramo de hidrogeno contiene 602 200 000 000 000 000 000 000 átomos

Un átomo de hidrogeno posee una masa de 0.00000000000000000000000166 g

N x 10n DONDE 1≤ N < 10

n ES UN NUMERO ENTERO (+ O -)

Notación en potencias de 10

Manejo de Números

N x 10n DONDE 1≤ N < 10

n ES UN NUMERO ENTERO (+ O -)

a) Exprese 568,762 en notación científica

568,762 = 5,68762 x 102

Observe que el punto decimal se ha movido dos lugares hacia la izquierda, por lo que n = 2

b) Exprese 0,00000772 en notación científica

0,00000772 = 7,72 x 10-6

Observe que el punto decimal se ha movido seis lugares hacia la derecha, por lo que n = -6

Manejo de Números

Manejo de Números

Adición y sustracción

Manejo de Números

Multiplicación y División

ES LA MEDIDA DE LA

CONCORDANCIA ENTRE EL VALOR MEDIDO Y SU VALOR

REAL

Precisión vs Exactitud

PRECISIÓN

SE REFIERE A LA CONCORDANCIA ENTRE LOS VALORES DE UNA

MISMA MEDICIÓN

EXACTITUD

Cifras significativas

� Número mínimo de dígitos en que se expresa un valor sin que se pierda la exactitud

� Corresponde a todos los dígitos ciertos y el primer digito incierto

Se midió 25 mL, expréselo con el numero correcto de cifras significativas si se midió en:

Bureta, probeta, pipeta graduada, pipeta volumétrica, matraz aforado

Cuantas cifras hay en cada uno de los siguientes valores:

6.023 x 1023, 99.99, 0.0200, 1 x 104

Cifras significativas

REGLAS PARA REDONDEAR

SI SE DISEA REDONDEAR UN NUMERO HASTA CIERTO

PUNTO, SIMPLEMENTE SE ELIMINAN LOS DIGITOS QUE

SIGUEN AL ÚLTIMO QUE DESEA CONSERVARSE.

MIRE EL DIGITO QUE LE SIGUE AL ULTIMO QUE SE

CONSERVA:

• SI ES MENOR QUE 5, EL DIGITO PRECEDENTE (EL ULTIMO

QUE SE CONSERVA) PERMANECE INALTERADO

• SI ES IGUAL O MAYOR QUE 5, EL DIGITO PRECEDENTE SE

INCREMENTA EN UNA UNIDAD.

Cifras significativas

REGLAS PARA REDONDEAR

a) Redondee a 3 c.s. 8,724 con 3 c.s. 8,72 b) Redondee a 3 c.s. 8,727 con 3 c.s. 8,73 c) Redondee a 3 c.s. 0,425 con 3 c.s. 0,43

En multiplicación y división el número de c.s. del producto o el cociente está determinado por el núme ro original que tiene el número mas pequeño de c.s. 2.8 x 4.5039 = 12.61092 se redondea a 13 6.85 / 112.04 = 0.0611388789 se redondea a 0,0611

LAS CONVENCIONES DE CIFRAS SIGNIFICATIVAS NO APLICAN A “NUMEROS EXACTOS”: ELLOS TIENEN UN NUMERO INFINITO DE CIFRAS SIGNIFICATIVAS Ejemplos: 1 pie 12 pulg (Exactamente)

CUALQUIER NUMERO ENTERO

1 pulg 2.54 cm (Exactamente)

CIFRAS SIGNIFICATIVAS

CIFRAS SIGNIFICATIVAS EN OPERACIONES ARITMETICAS

LA INCERTIDUMBRE DE UNA CANTIDAD CALCULADA ESTA LIMITADA POR LA INCERTIDUMBRE DE LAS MEDICIONES.

En otras palabras: NO SE PUEDE OBTENER UN RESULTADO PRECISO A PARTIR DE DATOS IMPRECISOS.

Es decir: UN RESULTADO NO PUEDE SER MAS PRECISO QUE LOS DATOS QUE LO ORIGINAN

ANALISIS DIMENSIONAL (METODO DEL FACTOR UNITARIO)

UNA TÉCNICA SENCILLA PERO SISTEMÁTICA ÚTIL PARA RESOLVER PROBLEMAS NUMÉRICOS

SE BASA EN LA RELACIÓN QUE EXISTE ENTRE DIFERENTES UNIDADES QUE EXPRESAN LA MISMA CANTIDAD FÍSICA

LA CLAVE PARA EL ANÁLISIS DIMENSIONAL ES UTILIZAR CORRECTAMENTE LOS FACTORES DE EQUIVALENCIA (CONVERSIÓN) PARA CAMBIAR DE UNA UNIDAD A OTRA.

Ejemplo Cifras significativas � Un gas a 25 ºC llena un recipiente cuyo volumen es de

1.05 x 103 cm3. El recipiente lleno de gas tiene una masa de 37.600 g (masa obtenida restando la masa del recipiente). Cuál es la densidad del gas a 25 ºC ?

Cuantas cifras significativas debe tener la densidad?

� =�

� � =

��,��

�, ������

5 c.s. 3 c.s.

� = 0,0358095238�

��� � = 3,58�10��

�

���

UNIDAD DADA X UNIDAD DESEADA = UNIDAD DESEADA UNIDAD DADA • UNO PUEDE USAR MAS DE UN FACTOR EN LA SOLUCIÓN DE UN PROBLEMA • SI EN UN CÁLCULO NO SE OBTIENEN LAS UNIDADES DESEADAS, DEBE HABER UN ERROR

ANALISIS DIMENSIONAL

Ejemplo 1: análisis dimensional �Una persona promedio tiene unos 200 mg de

colesterol por cada 100 mL de sangre. Si el volumen total de sangre de un individuo es 25.0 L ¿Cuántos gramos de colesterol contiene este individuo?

25��� !"�#��1�10��� !"�#�

1��� !"�#��

200��$%&� '�#%&

100���� !"�#��

�1�$%&� '�#%&

1�10��� !"�#�= ()*+,-./0.1,-

OJO : USO DE LA CALCULADORA

LAS CALCULADORAS GENERALMENTE MUESTRAN MAS CIFRAS DE LAS QUE SON SIGNIFICATIVAS.

EN OPERACIONES DE DOS O MAS PASOS, PARA MINIMIZAR ERRORES ORIGINADOS EN EL “REDONDEO”, RETENGA AL MENOS UN DIGITO ADICIONAL DESPUES DE CADA PASO. COMO REGLA GENERAL, ES MEJOR REDONDEAR SOLO LA RESPUESTA FINAL

Ejemplo 2: análisis dimensional : TENEMOS UNA HOJA DE PAPEL DE ALUMINIO CON UN GROSOR DE 8.0 X 10-5 cm. CUAL ES EL GROSOR EN µm ?

1- SE DA UNA DISTANCIA DE 8.0 X 10-5 cm 2- QUEREMOS µm 3- FACTORES DE CONVERSION A CONSIDERAR: cm m 102 cm = 1 m ó 1cm = 10-2m m µm 106 µm = 1 m ó 1µm = 10-6m

Ejemplo 3: análisis dimensional

LA DISTANCIA ENTRE ÁTOMOS DE CARBONO EN UN DIAMANTE ES DE 154 pm CONVIERTA ESTA DISTANCIA EN mm

¿CUAL ES LA MASA EN GRAMOS DE 1.00 GALÓN DE AGUA? LA DENSIDAD DEL AGUA ES DE 1.00 g/mL Información útil: 1 gal = 4,5461 L

LA DOSIS RECOMENDADA DE ELIXOFILINA® , UNA DROGA UTILIZADA PARA TRATAR EL ASMA, ES DE 6 mg POR kg DE “PESO” (DEL PACIENTE). CALCULAR LA DOSIS EN MILI-GRAMOS PARA UNA PERSONA DE 150 lb. 1 lb = 453.59 g

Ejemplo 4: análisis dimensional

150�2�453,59�

1�2�

14�

1000��6���&6�%76&6"!

14��

� 8)9:*;..-<=,><-<?@

EL RADIO DE UN ÁTOMO DE ALUMINIO ES DE

1.43 Å. CUÁNTOS ÁTOMOS DE ALUMINIO SE

NECESITARÍAN PARA HACER UN COLLAR DE UNA

PULGADA DE LARGO? ASUMIR QUE LOS ÁTOMOS SON ESFÉRICOS 1Å= 1.0 X 10-10 m

Ejemplo 5: análisis dimensional

CUÁNTOS CENTIMETROS CÚBICOS DE UNA ALEACIÓN QUE CONTIENE 0.22 % DE ORO DEBEN PROCESARSE PARA OBTENER $100 000 EN ORO. LA DENSIDAD DE LA ALEACIÓN ES 8.0 g/cm3, Y EL PRECIO DEL ORO ES $ 418 000 POR ONZA “TROYANA”. 14.6 Oz.Troyana = 1 Lb. 1Lb = 453.59 g

Ejemplo 6: análisis dimensional

Teoría Atómica

Democrito (Siglo V a. C.)

Materia formada por muchas partículas pequeñas e indivisibles llamadas Átomos

No aceptada por Platón y Aristoteles John Dalton (1808)

�Todos los elementos formados por átomos, los átomos de un elemento difieren a los átomos de otro elemento

� Los compuestos están formados por átomos de varios elementos, la relación entre los elementos presentes son números enteros pequeños

�Una reacción química no conlleva a la creación o destrucción de los átomos

Teoría Atómica

Ley de las proporciones definidas: (Proust 1799)

Muestras diferentes de un mismo compuesto siempre contienen los mismos elementos y en la misma proporción de masa

Ley de las proporciones múltiples:

Si dos elementos forman un compuesto, la masa de un o de los elementos que se combina con una masa fija d e otro mantiene una relación de números enteros pequeños

Ley de la conservación de la masa:

La materia no se crea ni se destruye

Estructura Atómica

Átomo Unidad básica de un elemento que puede intervenir en una combinación química

Dalton El átomo es una partícula indivisible

Se demostró que el átomo lo conforman partículas aun mas pequeñas Partículas subatómicas

Partículas subatómicas

Electrones Protones Neutrones

Estructura Atómica

Tubo de rayos catódicos Electrón (J.J. Thomson)

Stoney 1891 sugiere el nombre de electrón a las unidades discretas de la electricidad

1895

J.J. Thomson e/m =-1.76 x 108 C/g

R. Millikan (1911) Carga de e =-1.6022 x 10 -19C

Masa del electrón = 9.10x 10 -28g

Átomos neutros Partículas (+) que neutralicen

Protones

Estructura Atómica

Radiactividad Antoine Becquerel Accidentalmente descubre radiactividad con Uranio. Marie Curie sugiere el nombre de radiactividad para emisión espontánea de partículas y/o radiación.

Desintegración de sustancias radiactivas producen tres tipos de rayos:

Rayos αααα Rayos γγγγ Rayos ββββ

Partículas positivas

Electrones Sin carga

Estructura Atómica

J.J. Thomson El átomo es como una esfera uniforme cargada +, y dentro se encuentran los electrones

Protones Poseen igual carga que el electrón pero 1840 veces su masa

Modelos Atómicos

E. Rutherford Las cargas (+) concentradas en un conglomerado central en el atomo, llamado NÚCLEO (1910)

Masa del núcleo es la mayor parte de la masa del átomo pero solo 1/10 13 volumen total

Radio atómico ≈ 100 pm Radio núcleo ≈ 5 x 10-3pm

Estructura Atómica

El neutrón

Modelo Rutherford no explicaba la masa atómica debe existir otra partícula subatómica

James Chadwick (1932)

Probó la existencia de partículas neutras con masa ligeramente mayor a la del protón

Partícula Masa (g) Carga (C)

Electrón 9.10939 x 10-28 -1.6022 x 10-19

Protón 1.67262 x 10-24 +1.6022 x 10-19

Neutrón 1.67493 x 10-24 0

EL NÚMERO DE PROTONES EN EL NÚCLEO DE UN ÁTOMO DETERMINA SU IDENTIDAD. ESTE NÚMERO SE CONOCE COMO NÚMERO ATÓMICO ( Z )

Estructura Atómica

EL NÚMERO TOTAL DE PROTONES Y NEUTRONES EN EL NÚCLEO SE DEFINE NÚMERO DE MASA ( A )

A = Z + neutrones

Átomos de un mismo elemento con diferente número de masa

Isotopos

OJO: SOLO LOS ELECTRONES DE UN ÁTOMO ESTÁN INVOLUCRADOS EN UNA REACCIÓN QUÍMICA

EAZ

Estructura Atómica

Isóbaros Isótopos de diferente elemento con igual número de masa

26Fe 57 18Ar 40

20Ca 40 27Co 57

A LA MASA DEL ISOTOPO “CARBONO 12“ SE LE

ASIGNÓ (ARBITRARIAMENTE (POR ACUERDO

INTERNACIONAL) 12 “ UNIDADES DE MASA ATOMICA ”

(uma)

UNA uma ES EXACTAMENTE 1/12 DE LA MASA DE UN ATOMO DE CARBONO 12

EL ÁTOMO DE CARBONO 12 SIRVE COMO ESTÁNDARD (REFERENCIA)

LA ESCALA DE LOS PESOS ATÓMICOS

BASADA EN LA MASA DEL ISÓTOPO “CARBONO 12“ AL CUAL SE LE ASIGNO (ARBITRARIAMENTE – POR ACUERDO

INTERNACIONAL –) 12 “UNIDADES DE MASA ATÓMICA”

(umas) En otras palabras ...

UNA uma ES EXACTAMENTE 1/12 DE LA MASA DE UN ATOMO DE CARBONO 12 Es decir, EL ATOMO DE CARBONO 12 SIRVE COMO STANDARD (REFERENCIA)

C126

ESCALA DE PESOS ATÓMICOS (cont.)

�LA MASA ATÓMICA DE UN ISOTOPO ES SU MASA EN umas.

�LA MASA ATÓMICA DE UN ELEMENTO SE ENCUENTRA TABULADA COMO EL PROMEDIO PONDERADO DE SU MEZCLA NATURAL DE ISOTOPOS

Ejemplo: LA MASA ATOMICA DEL CARBONO NO ES 12 SINO 12.011 umas

ISOTOPO % ABUNDANCIA MASA(uma)

C 12

6

C 13

6

98.89 12

1.11 13.00335

11 . 1 89 . 98 00335 . 13 11 . 1 12 89 . 98

++++ ×××× ++++ ×××× ==== MASA ATÓMICA DEL

CARBONO NATURAL

EL NÚMERO DE AVOGADRO

El número de Avogadro es un número de cosas o partes, llamado un mol. Es semejante a una docena que representa 12 unidades de algo o a un millón que representa 106 unidades; un mol es 6,023 x 1023 unidades. Así, se puede hablar de un mol de gente, un mol de manzanas, un mol de átomos. Esto significa que un mol de cualquier elemento son 6,023 x 1023 átomos de ese elemento

EL PESO MOLECULAR -GRAMO, EL MOL Y EL PESO FORMULA -GRAMO

El peso molecular de un compuesto, expresado en gramos, se denomina peso molecular-gramo, y corresponde al peso de un conjunto de 6,023 x 1023 moléculas (un mol de moleculas); por consiguiente: un peso molecular-gramo de un compuesto contiene un mol de moléculas

ESTRUCTURA ELECTRONICA DE LOS ATOMOS

� QUEREMOS ENTENDER LOS PROCESOS INVOLUCRADOS EN LAS REACCIONES QUIMICAS. � DEBEMOS APRENDER SOBRE LA DISPOSI- CION DE LOS ELECTRONES EN LOS ATOMOS (LAS CONFIGURACIONES ELECTRONICAS). � TEORIA CUANTICA. BASADA EN SU MAYORIA EN EL ESTUDIO DE LA LUZ EMITIDA Y ABSORBIDA POR LOS ATOMOS. PRIMERO... NATURALEZA DE LA RADIACION ELECTROMAGNETICA.

TERMINOLOGIA DE LAS ONDAS

� UNA ONDA SE CARACTERIZA POR SU LONGITUD DE ONDA O SU FRECUENCIA

� ALGO FAMILIAR: LAS ONDAS DEL AGUA UNA CARACTERISTICA IMPORTANTE ES SU NATURALEZA REPETITIVA LA LONGITUD DE ONDA, λλλλ, ES LA DISTANCIA ENTRE DOS PUNTOS IDENTICOS Y ADYACENTES DE LA ONDA, POR EJEMPLO ENTRE DOS “CRESTAS“ ADYACENTES.

LA FRECUENCIA, νννν, ES EL NUMERO DE CRESTAS QUE PASAN POR UN PUNTO DADO EN LA UNIDAD DE TIEMPO. UNIDAD ciclos/s, 1/s ó s -1 ó Hz.

Propiedades de ondas

Wavelength (λ) is the distance between identical points on successive waves.

Amplitude is the vertical distance from the midline of a wave to the peak or trough.

7.1

Longitud de onda

Amplitud Dirección de propagación de la onda

TERMINOLOGIA DE LAS ONDAS

PARA UNA ONDA QUE VIAJA A UNA VELOCIDAD c, LA LONGITUD DE ONDA Y LA FRECUENCIA ESTAN RELACIONADAS ASI:

OJO:λλλλ Y νννν SON INVERSAMENTE PROPORCIONALES

LA RADIACION ELECTROMAGNETICA (EM) CONSISTE EN VARIACIONES REPETITIVAS Y REGULARES DE CAMPOS ELECTRICO Y MAGNETICO.

c = λν

LA RADIACION ELECTROMAGNETICA

LOS CAMPOS ELECTRICO Y MAGNETICO QUE COMPONEN UNA ONDA ELECTROMAGNETICA VIBRAN EN DOS PLANOS MUTUAMENTE PERPENDICULARES

TERMINOLOGIA DE LAS ONDAS

� LA MAS OBVIA: LA LUZ VISIBLE (DETECTABLE POR EL OJO HUMANO)

λλλλ : ∼∼∼∼ 4 x 10-7m (VIOLETA) ∼∼∼∼ 7 x 10-7m (ROJO)

νννν : 7.5 x 1014 Hz 4.3 x 1014 Hz

TERMINOLOGIA DE LAS ONDAS

EN EL VACIO LA VELOCIDAD DE LA LUZ ES LA MISMA PARA TODAS LAS LONGITUDES DE ONDA

LA LUZ VISIBLE REPRESENTA SOLO UN PEQUEÑO SEGMENTO DEL “ESPECTRO ELECTROMAGNETICO”

Estructura Electrónica del Átomo Teoria Clásica La energía contenida y transportada por una onda electromagnética es proporcional al cuadrado de las amplitudes máximas

La energía de una onda depende solo de la amplitud y no de λλλλ ni la νννν

T1

T3

T2 T2 T1 T3 > >

λλλλ

Inte

nsid

ad

Planck (1900)

Un sistema mecánico solo puede tener ciertos valores

de energía

Cuantos E = nh νννν h = 6.6262 x 10-34 J·s

νννν h E ==== Estructura Electrónica del Átomo

Cuanto Fotón

Efecto Fotoeléctrico

νννν0

Frecuencia del fotón

Ene

rgía

del

el

ectr

ón

Efotón = Eescape + Ecinética

E = E0 + Ec

hνννν = hνννν0 + ½ mv 2

νννν0 = Frecuencia Umbral

>Efotón = > Ecinética

Intensidad αααα n fotones

> Intensidad > número de electrones Detectores fotónicos

Efecto Fotoeléctrico

CUANDO LA RADIACION

ELECTROMAGNETICA

ILUMINA LA

SUPERFICIE DEL METAL

SE PUEDEN EMITIR

ELECTRONES

Ejemplo: El Cesio (Cs) es un metal que se usa a menudo en “oj os eléctricos” para puertas automáticas que se abren po r si solas. La cantidad de energía requerida para ionizar (arran car un electrón de) un átomo de Cesio es de 3.89 eV. (electrón voltios; 1eV= 1.60 x 10 -19 J.) Mediante cálculos, examine la posibilidad de que un rayo de luz amarilla con λλλλ = 5230 Å ionice un átomo de Cesio. Si no, cual debería ser la λλλλ (en nm) de la luz con la energía justa para ionizar un átomo de Cesio

Efecto fotoeléctrico

Estructura Electrónica del Átomo

Átomo de Hidrógeno (Teoría de Bohr – 1913)

Explicación de la emisión de la luz Espectro

Postulados:

�Los electrones tienen únicamente ciertos estados de energía permitidos Niveles energéticos

�Los electrones en un estado de energía no irradian, su mínima

energía es cuando n = 1 (Cerca al núcleo) �La única manera de que un electrón cambie de energí a es

pasando de un nivel de energía a otro (Salto brusco)

�Para que el electrón varíe de energía es necesario excitarlo ya que el se hallará en un estado de menor energía (Estado basal)

�En cualquier nivel de energía el electrón se mueve en orbita �Los estados de movimiento del electrón permitidos s on

aquellos en los que el momento angular está cuantiz ado en múltiplos de h/2 ππππ

Teoría de Bohr

n =1

n = 2 Fotón

∆∆∆∆E = Ef - Ei

En = - RH (1/n2)

∆∆∆∆E = RH (1/n i2 – 1/nf

2) = hνννν

RH: constante de Rydberg = 2.18 x 10 -18 J

Espectro continuo y discontinuo

Espectro continuo

400 nm

700

600

500

V

Huella dactilar del

átomo

Espectro de líneas

Espectro de emisión E

nerg

ía

n = 1

n = 4

n = 3

n = 2

Serie de Lyman

Serie de Paschen

Serie de Balmer

Serie de Brackett

UV IR IR Vis-UV Ejemplo

Calcular la longitud de onda de la radiación emitida cuando un electrón cae del nivel 4 al nivel 2

Teoría de Bohr exitosa para interpretar el espectro de H

E = hν

E = hν

Naturaleza dual del electrón Louis Broglie (1924) Un electrón enlazado al núcleo se

comporta como una onda estacionaria

λλλλ = h / mv Partícula

E = hνννν = mc 2

Fotón

mc = h/ λλλλ = p

Momento del fotón

Comparar el momento y λλλλ de un rayo X con λλλλ= 10-8 cm, de un electrón en movimiento a una v= 10 8 cm/s y de un automovil de m = 1000 kg que viaja 60 km/h

Dualidad onda – Partícula es evidente únicamente en sistemas de dimensiones atómicas

2ππππr = nλλλλ

Principio de incertidumbre de Heisenberg

� ES UNA CONSECUENCIA DE LA NATURALEZA DUAL (ONDA / PARTICULA) DE LA MATERIA.

� EL PRINCIPIO ESTABLECE QUE ES IMPOSIBLE CONOCER EXACTAMENTE EL MOMENTO* Y LA POSICION DE UNA PARTICULA SIMULTANEAMENTE . MOMENTO (O CANTIDAD DE MOVIMIENTO ) p DEFINIDO COMO EL PRODUCTO DE LA MASA POR LA VELOCID AD:

p = mv

� En forma de ecuación: ����x����p ≥≥≥≥

ππππ 4 h

El tratamiento mecánico-cuántico de los átomos requ iere matemáticas avanzadas.

La ecuación incorpora el comportamiento de partícul a, en términos de masa, m, y de onda en términos de la función de onda, ψψψψ (psi ), que depende de la localización espacial del sistema ( e.g.:un electrón en un átomo)

(((( )))) 0 8

2

2

2

2

2

2

2

2

==== −−−− ++++ ∂∂∂∂ ∂∂∂∂ ++++

∂∂∂∂ ∂∂∂∂ ++++

∂∂∂∂ ∂∂∂∂ ψψψψ

ππππ ψψψψ ψψψψ ψψψψ V E

h m

z y x

Mecánica cuántica Erwin Schrödinger (1926)

Ecuación que describe comportamiento y energía de l as partículas subatómicas

Mecánica cuántica � Los estados de energía permitidos en átomos y moléc ulas

se describen con un grupo de números llamados númer os cuánticos

� Átomos y moléculas poseen varias formas de energía - nos enfocaremos en sus energías electrónicas.

Cada solución a la ecuación de Schrödinger describe un posible estado de energía para el sístema y esta descrita en términos de los números cuánticos

ψψψψ2 Intensidad

ψψψψ2(x,y,z)

Probabilidad de encontrar al electrón en un punto x, y, z

ORBITAL

Orbital atómico � Las distribuciones de probabilidad se denominan

orbitales atómicos y están directamente relacionado s con los números cuánticos

� Debido a que un electrón no tiene una posición defi nida en el átomo, se utilizan términos como: densidad electrónica, nube de carga electrónica ó simplement e nube electrónica para representar el concepto de probabilidad

Ecuación Schrödinger resuelve exactamente átomo de hidrógeno

Para describir la distribución electrónica la mecánica cuántica precisa tres números cuánticos

Números cuánticos

n: NUMERO CUANTICO PRINCIPAL

� DESCRIBE EL NIVEL ENERGETICO PRINCIPAL QUE OCUPA UN ELECTRON TAMBIEN SE RELACIONA CON LA DISTANCIA PRO - MEDIO DEL ELECTRON AL NUCLEO. � TOMA VALORES ENTEROS POSITIVOS:

n = 1, 2, 3, 4, .......... también letras K, L, M, N ..........

Caracteriza la energia y la distancia promedio de la órbita con respecto al núcleo CAPAS

Números cuánticos Corrección de

Somerfield: No se observa una linea sino varias, las órbitas pueden ser elípticas

Nuevo número cuántico azimutal ( l)

Puede tener valores de: 0, 1, 2,......(n-1)

NOMBRE DEL

ORBITAL

l 0 1 2 3 4 5 ............

s p d f g h ...........

Subcapa o subnivel

Números cuánticos

n: NUMERO CUÁNTICO PRINCIPAL

� DESCRIBE EL NIVEL ENERGETICO PRINCIPAL QUE OCUPA UN ELECTRON TAMBIEN SE RELACIONA CON LA DISTANCIA PRO - MEDIO DEL ELECTRON AL NUCLEO. � TOMA VALORES ENTEROS POSITIVOS:

n = 1, 2, 3, 4, .......... también letras K, L, M, N ..........

Caracteriza la energía y la distancia promedio de la órbita con respecto al núcleo CAPAS

Números cuánticos Corrección de

Somerfield: No se observa una linea sino varias, las órbitas pueden ser elípticas

Nuevo número cuántico azimutal ( l)

Puede tener valores de: 0, 1, 2,......(n-1)

NOMBRE DEL

ORBITAL

l 0 1 2 3 4 5 ............

s p d f g h ...........

Subcapa o subnivel

Números cuánticos

Efecto Zeeman Cada línea se desdobla en varias en presencia de un campo magnético

Toma valores de: -l,...,-1,0,1,...,+l

Se debe a la interacción del campo magnético del electrón con el campo magnético externo

Varias orientaciones espaciales para cada valor de l

Número cuántico magnético (m l)

Así, para:

llll = 0 mllll = 0 1 ORBITAL

llll = 1 mllll = -1,0,1 3 ORBITALES

llll= 2 mllll = -2,-1,0,1,2 5 ORBITALES

Números cuánticos Número cuántico magnético de SPIN (m s)

El electrón gira sobre su propio eje

Otto Stern y Walther Gerlach (1924)

Demostraron spín del electrón

+ ½ - ½

Orbitales atómicos

Orbital p (l = 1)

r(Ǻ)

Pro

babi

lidad

P

roba

bilid

ad

Pro

babi

lidad

1s

2s

3s Tres orbitales

r(Ǻ)

r(Ǻ)

m l =-1, 0, 1 px, py, pz

Orbitales atómicos

l = 1 (Orbitales p)

Orbitales d (l = 2) 5 orbitales, m l = -2, -1, 0, 1, 2

Configuración electrónica Proceso de Aufbau

Construcción de la estructura electrónica de los e lementos en función del llenado de los orbitales con los ele ctrones

Tres principios Principio de

exclusión de Pauli Los electrones entran primero al subnivel de

menor energía

Regla de Hund

Energía de los orbitales

1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s < 4f < 5d < 6p < 7s

Configuración electrónica Principio de exclusión de Pauli

Dos electrones de un átomo no pueden tener los mism os cuatro números cuánticos (n, l, m l, ms)

Cada nivel posee un número máximo de electrones

2 n2

Regla de Hund La distribución electrónica mas estable en los subniveles es la que tiene el mayor numero de spines paralelos

Los electrones en un subnivel se designan como:

nx y

Configuración electrónica

He 1s2 Li 1s 22s1 Be 1s 22s2 H 1s1

B 1s 22s22p1 C 1s22s22p2

N 1s22s22p3 O 1s22s22p4

F 1s22s22p5 Ne 1s22s22p6

Li [He] 2s 1 Be [He] 2s2 B [He] 2s22p1 Forma abreviada

Ejemplos:

Escribir la configuración electrónica para 24Cr y 29Cu

Diamagnetismo - Paramagnetismo

Electrones desapareados, los dos campos magnéticos

se refuerzan

Electrones apareados, los dos campos magnéticos se

cancelan

Atraídos por un imán No atraído por un imán ó ligeramente repelido

Distribución en la tabla periódica

Lantánidos

Actínidos

De transición

interna

De transición

Gases nobles

Elementos representativos llenado de s y p