Tres componentes – y todos los alrededor

Electrón + Protón + Neutrón Átomo + Átomo

Molécula + Molécula Líquido Cristal Material

Propiedades

Electrón

• El electrón (Del griego ελεκτρον, ámbar), comúnmente representado como e−) es una partícula subatómica denominada leptón, que se cree que es una de las partículas fundamentales (es decir, que no puede ser dividida en constituyentes más pequeños) de acuerdo con el modelo estándar de partículas.

Electrón• El electrón es una partícula elemental, lo que significa

que no tiene una subestructura (al menos los experimentos no la han podido encontrar). Por ello suele representarse como un punto, es decir, sin extensión espacial. Sin embargo, en las cercanías de un electrón pueden medirse variaciones en su masa y su carga. Esto es un efecto común a todas las partículas elementales: la partícula influye en las fluctuaciones del vacío en su vecindad, de forma que las propiedades observadas desde mayor distancia son la suma de las propiedades de la partícula más las causadas por el efecto del vacío que la rodea.

Electrón• Como toda partícula subatómica, la

mecánica cuántica predice un comportamiento ondulatorio de los electrones en ciertos casos, el más famoso de los cuales es el experimento de Young de la doble rendija en el que se pueden hacer interferir ondas de electrones. Esta propiedad se denomina dualidad onda corpúsculo.

Propiedades y comportamiento de los electrones

• El electrón tiene una carga eléctrica negativa de −1,6 × 10−19 culombios y una masa de 9,1 × 10−31 kg (0,51 MeV/c2), que es aproximadamente 1800 veces menor que la masa del protón.

• El electrón tiene un spin 1/2, lo que implica que es un fermión, es decir, que se le puede aplicar la estadística de Fermi-Dirac.

• Los electrones y los positrones pueden aniquilarse mutuamente produciendo un fotón. De manera inversa, un fotón de alta energía puede transformarse en un electrón y un positrón.

• Hay una constante física llamada radio clásico del electrón, con un valor de 2,8179 × 10−15 m. Es preciso tener en cuenta que éste es el radio que se puede inferir a partir de la carga del electrón descrito desde el punto de vista de la electrodinámica clásica, no de la mecánica cuántica. Por lo tanto esta constante se refiere a un concepto desfasado, aunque útil para algunos cálculos.

Electrones en el Universo

• Los científicos creen que el número de electrones existentes en el universo conocido es de al menos 1079. Este número asciende a una densidad media de alrededor de un electrón por metro cúbico de espacio.

• Basándose en el radio clásico del electrón y asumiendo un empaquetado esférico denso, se puede calcular que el número de electrones que cabrían en el universo observable es del orden de 10130. Por supuesto, este número es incluso menos significativo que el propio radio clásico del electrón.

Protón

• En física, el protón (en griego protón significa primero) es una partícula subatómica con una carga eléctrica de una unidad fundamental positiva (+)(1,602 x 10–19 culombios) y una masa de 938,3 MeV/c2 (1,6726 × 10–27 kg) o, del mismo modo, unas 1836 veces la masa de un electrón. Experimentalmente, se observa el protón como estable, con un límite inferior en su vida media de unos 1035 años, aunque algunas teorías predicen que el protón puede desintegrarse. El protón y el neutrón, en conjunto, se conocen como nucleones, ya que conforman el núcleo de los átomos.

• El protón tiene un momento angular intrínseco, o espín, y por tanto un momento magnético. Por otra parte, el protón cumple el principio de exclusión. El número atómico de un elemento indica el número de protones de su núcleo, y determina de qué elemento se trata.

Neutrón

• Es una partícula fundamental sin carga eléctrica que, junto con los protones, representa un componente fundamental de los núcleos del Atomo.

Un neutrón es un barión neutro formado por dos quarks down y un quark up. Forma, junto con los protones los núcleos atómicos. Fuera del núcleo atómico es inestable y tiene una vida media de unos 15 minutos emitiendo un electrón y un antineutrino para convertirse en un protón. Su masa es muy similar a la del protón.

Neutrón

• Algunas de sus propiedades: • Masa: mn = 1.672x10-24 gr

• Vida media: τn = 886.7 ± 1.9 s • Momento magnético: n = -1.9130427 ±

0.0000005 βN

• Carga: qn = (-0.4 ± 1.1) x 10-21 e

Neutrón• El neutrón es necesario para la estabilidad

de casi todos los núcleos atómicos (la única excepción es el hidrógeno), ya que interactúa fuertemente atrayéndose con neutrones y protones, pero no se repele con ninguno, como sí lo hacen los protones, que se atraen nuclearmente pero se repelen electrostáticamente.

Fisión nuclear

• Los neutrones son fundamentales en las reacciones nucleares: una reacción en cadena se produce cuando un neutrón causa la fisión de un átomo fisible, produciéndose un mayor número de neutrones que causan a su vez otras fisiones. Según esta reacción se producza de forma controlada o incontrolada tenemos:

• reacción incontrolada: sólo se produce cuando tenemos una cantidad suficiente de combustible nuclear -masa crítica-; fundamento de la bomba nuclear.

• reacción controlada: mediante el uso de un moderador en el reactor nuclear; fundamento del aprovechamiento de la energía nuclear.

Átomo• En física y química, átomo (del latín atomus, y éste del

griego άτομος, indivisible) es la unidad más pequeña de un elemento químico que mantiene su identidad o sus propiedades y que no es posible dividir mediante procesos químicos.

• El concepto de átomo como bloque básico e indivisible que compone la materia del universo ya fue postulado por la escuela atomista en la Antigua Grecia. Sin embargo, su existencia no quedó demostrada hasta el siglo XIX. Con el desarrollo de la física nuclear en el siglo XX se comprobó que el átomo puede subdividirse en partículas más pequeñas.

Estructura Atómica

• La teoría y practica aceptadas hoy es que el átomo se compone de un núcleo de carga positiva formado por protones y neutrones, en conjunto conocidos como nucleón, alrededor del cual se encuentra una nube de electrones de carga negativa.

El Núcleo Atómico

• El núcleo más sencillo es el del hidrógeno, formado únicamente por un protón. El núcleo del siguiente elemento en la tabla periódica, el helio, se encuentra formado por dos protones y dos neutrones. La cantidad de protones contenidas en el núcleo del átomo se conoce como número atómico, el cual se representa por la letra Z y se escribe en la parte inferior izquierda del símbolo químico. Es el que distingue a un elemento químico de otro. Según lo descrito anteriormente, el número atómico del hidrógeno es 1 (1H), y el del helio, 2 (2He).

El Núcleo Atómico• Otros términos menos utilizados relacionados con la estructura

nuclear son los isótonos, que son átomos con el mismo número de neutrones. Los isóbaros son átomos que tienen el mismo número másico.

• Debido a que los protones tienen cargas positivas se deberían repeler entre sí, sin embargo, el núcleo del átomo mantiene su cohesión debido a la existencia de otra fuerza de mayor magnitud, aunque de menor alcance conocida como la interacción nuclear fuerte.

• El núcleo del isótopo más común del átomo de hidrógeno (también el átomo estable más simple posible) es un único protón. Los núcleos de otros átomos están compuestos de nucleones unidos por la fuerza nuclear fuerte. El número de protones en el núcleo determina las propiedades químicas del átomo y qué elemento químico es.

El Núcleo Atómico

• La cantidad total de nucleones que contiene un átomo se conoce como número másico, representado por la letra A y escrito en la parte superior izquierda del símbolo químico. Para los ejemplos dados anteriormente, el número másico del hidrógeno es 1(1H), y el del helio, 4(4He).

• Existen también átomos que tienen el mismo número atómico, pero diferente número másico, los cuales se conocen como isótopos. Por ejemplo, existen tres isótopos naturales del hidrógeno, el protio (1H), el deuterio (2H) y el tritio (3H). Todos poseen las mismas propiedades químicas del hidrógeno, y pueden ser diferenciados únicamente por ciertas propiedades físicas.

Helium atom

Interacciones eléctricas entre protones y electrones

• La estabilidad del átomo se debe a la acción de dos fuerzas opuestas que hacen mantenerse a distancia a los electrones del núcleo. Los protones están fuertemente cargados de electricidad positiva y los electrones negativamente. La interacción entre estas partículas hace que los electrones se sientan poderosamente atraídos por la carga eléctrica contraria de los protones, dando como resultado una centrípeta que tiende a atraer a los electrones hacia el núcleo.

• La existencia de una fuerza antagónica (fuerza centrífuga), la cual es debida a la increíble velocidad a la que gira el electrón sobre el núcleo, contrarresta a la fuerza de atracción y hace posible que los electrones se mantengan siempre a determinadas distancias del núcleo. El famoso físico danés Niels Bohr, calculó la velocidad a la cual gira el electrón alrededor del núcleo en ¡no menos de siete mil billones de revoluciones por segundo (7 × 1015)!

• Lo más maravilloso e increíble del átomo es el hecho de que algo tan sólido y aparentemente estático como una roca esté íntegramente formado por partículas en contínuo movimiento.

Modelo atómico de RutherfordEste modelo fue desarrollado por el físico Ernest Rutherford a partir de

los resultados obtenidos en lo que hoy se conoce como el experimento de Rutherford en 1911. Representa un avance sobre el modelo de Thomson, ya que mantiene que el átomo se compone de una parte positiva y una negativa, sin embargo, a diferencia del anterior, postula que la parte positiva se concentra en un núcleo, el cual también contiene virtualmente toda la masa del átomo, mientras que los electrones se ubican en una corteza orbitando al núcleo en órbitas circulares o elípticas con un espacio vacío entre ellos. A pesar de ser un modelo obsoleto, es la percepción más común del átomo del público no científico. Rutherford predijo la existencia del neutrón en el año 1920, por esa razón en el modelo anterior (Thomson), no se habla de éste.

Por desgracia, el modelo atómico de Rutherford presentaba varias incongruencias:Contradecía las leyes del electromagnetismo de

James Clerk Maxwell, las cuales estaban muy comprobadas mediante datos experimentales. Según las leyes de Maxwell, una carga eléctrica en movimiento (en este caso el electrón) debería emitir energía constantemente en forma de radiación y llegaría un momento en que el electrón caería sobre el núcleo y la materia se destruiría. Todo ocurriría muy brevemente.

No explicaba los espectros atómicos.

Modelo de Bohr • Este modelo es estrictamente un modelo del átomo de hidrógeno tomando

como punto de partida el modelo de Rutherford, Niels Bohr trata de incorporar los fenómenos de absorción y emisión de los gases, así como la nueva teoría de la cuantización de la energía desarrollada por Max Planck y el fenómeno del efecto fotoeléctrico observado por Albert Einstein.

• De acuerdo a esto, el átomo propuesto por Bohr consiste en un núcleo de hidrógeno alrededor del cual gira en órbitas circulares un electrón, ocupando la órbita permitida de menor energía, es decir, la más cercana al núcleo. El número de órbitas permitidas para el electrón se encuentra restringido por su nivel energético, y el electrón puede pasar a una órbita de mayor energía solamente absorbiendo una cantidad de energía específica (cuanto). El proceso inverso también es posible, que un electrón pase de una órbita de mayor energía a una de menor, liberando una cantidad específica de energía.

Modelo de Schrödinger: Modelo Actual

• Densidad de probabilidad de ubicación de un electrón para los primeros niveles de energía.

Modelo de Schrödinger: Modelo Actual

• En el modelo de Schrödinger se abandona la concepción de los electrones como esferas diminutas con carga que giran en torno al núcleo, que es una extrapolación de la experiencia a nivel macroscópico hacia las diminutas dimensiones del átomo. En vez de esto, Schrödinger describe a los electrones por medio de una función de onda, el cuadrado de la cual representa la probabilidad de presencia en una región delimitada del espacio. Esta zona de probabilidad se conoce como orbital. La gráfica siguiente muestra los orbitales para los primeros niveles de energía disponibles en el átomo de hidrógeno y oxígeno.

NÚMEROS CUÁNTICOS Schroedinger desarrolló una ecuación matemática para

resolver la posibilidad de localización de un electrón en un átomo en términos de probabilidad dicha ubicación esta determinada por 4 parámetros llamados números cuánticos los cuales tienen valores dependientes entre sí, estos números son (n), (l), (m), y (ms) cuyo significado y valores posibles son:

• (n) - Es el número cuántico principal y representa el nivel de energía en el cual hay la mayor probabilidad de encontrar un electrón determinado de un átomo, este número puede tomar los valores del 1 al infinito pero con los elementos conocidos hasta hoy es suficiente con 7 niveles.

NÚMEROS CUÁNTICOS • (l)   - Es el número cuántico secundario o azimutal, representa el subnivel

de energía en el cual hay gran probabilidad de encontrar un cierto electrón de un átomo, este número se asocia con la forma de la nube electrónica y se interpreta como el desdoblamiento de los niveles de energía en subniveles, sus valores dependen de (n) y van desde 0 hasta (n-1).

•  • Si n = 1 subnivel•   l (un valor) • • l = 0 s•  • Si n = 2•   l (dos valores)•  • l = 0 ; l = 1 s ; p•   • Si n = 3 • • l = 0 ; l = 1 ; l = 2 s ; p ; d•  •   Si n = 4 •  • l = 0 ; l = 1 ; l =2 ; l = 3 s ; p ; d ; f

NÚMEROS CUÁNTICOS

• (m) - Es el número cuántico magnético significa la orientación de los orbitales en el espacio y se puede interpretar como el desdoblamiento de los subniveles. Se entiende como Orbital o Reempe a aquella región del espacio donde existe la mayor probabilidad de encontrar un par de electrones con sentido de giro opuesto. Los valores que puede tener este número dependen de ( l ) y se deducen por la fórmula (2 l

+ 1) y van desde -1, 0, +1.

NÚMEROS CUÁNTICOS• (ms) - Es el cuarto número cuántico y se conoce

también como el número cuántico de spin, que indica el campo eléctrico que se forma por el giro del electrón sobre su propio eje y como ese giro solo puede ser en dos sentidos, es decir a la derecha o a la izquierda, los valores para (ms) solo podrán ser ½ y - ½.

• En los siguientes cuadros podrás visualizar los conceptos en forma integrada.

Moléculas • La molécula puede definirse como la parte más pequeña de un

compuesto (sustancia pura formada por combinación de dos o más elementos químicos) que mantiene sus propiedades químicas. Una molécula es una partícula formada por un conjunto de átomos ligados por enlaces covalentes, metálicos, o iónicos de forma que permanecen unidos el tiempo suficiente como para completar un número considerable de vibraciones moleculares. Las moléculas lábiles pueden perder su consistencia en tiempos relativamente cortos, pero si el tiempo de vida medio es del orden de unas pocas vibraciones, estamos ante un estado de transición que no se puede considerar molécula. Hay moléculas de un mismo elemento, como O2, O3, N2, P4..., pero la mayoría de ellas son uniones entre diferentes elementos.

Moléculas• Tipos de enlaces en las moléculas• En las moléculas, se puede imaginar que los pares electrónicos compartidos

mantienen unidos a los átomos entre sí. A este enlace se le llama enlace covalente. Dependiendo de la diferencia de electronegatividad entre los átomos, el enlace será puramente covalente, o presentará cierta polaridad o contribución iónica.

• Fuerzas moleculares• Las moléculas rara vez se encuentran sin interacción entre ellas, salvo en gases

enrarecidos. Así, pueden encontrarse en redes cristalinas, como el caso de las moléculas de H2O en el hielo o con interacciones intensas pero que cambian rápidamente de direccionalidad, como en el agua líquida. El estudio de las interacciones específicas entre moléculas, incluyendo el reconocimiento molecular es el campo de estudio de la química supramolecular.

• Estas fuerzas son fundamentales para propiedades como la solubilidad o el punto de ebullición. Algunas de ellas, en orden decreciente de intensidad, son:

• Puente de hidrógeno. • Interacción dipolo-dipolo. • Fuerzas de Van der Waals. • La dinámica molecular es un método de simulación por computadora que utiliza

estas fuerzas para tratar de explicar las propiedades de las moléculas.

Moléculas• La estructura molecular puede ser descrita de diferentes

formas. La fórmula química es útil para moléculas sencillas, como H2O para el agua o NH3 para el amoníaco. Contiene los símbolos de cada elemento que contiene la molécula, así como su proporción por medio de los subíndices.

• Para moléculas más complejas, como las que se encuentran comúnmente en química orgánica, la fórmula química no es suficiente, y vale la pena usar una fórmula estructural, que indica gráficamente la disposición espacial de los distintos grupos funcionales.

Moléculas• Figura. Representaciones de la terpenoid, atisane, 3D (centro izquierda) y 2D

(derecha). En el modelo 3D de la izquierda, los átomos de carbón están representados por esferas grises; las blancas representan a los átomos de hidrógeno y los cilindros representan los enlaces. El modelo es una representación de la superficies molecular, coloreada por áreas de carga eléctrica positiva (rojo) o negativa (azul). En el modelo 3D del centro, las esferas azul claro representan átomos de carbón, las blancas de hidrógeno y los cilindros entre los átomos son los enlaces simples

Temperatura• La temperatura es un parámetro termodinámico del estado de un sistema

que caracteriza el calor, o transferencia de energía.• Concretamente, dado un sistema en él se pueda expresar como suma de

energías cinéticas de todas las partículas, y suma de energías potenciales de partículas tomadas por pares (es decir, H=T+V donde V = Σi<j V(rij)), entonces tendremos que se cumple 3/2 N KBT = 1/n * Σi<n1/2 mivi². Siendo KB la constante de Boltzmann.

• Para medir la temperatura se utiliza el termómetro.• Multitud de propiedades fisicoquímicas de los materiales o las sustancias

varían en función de la temperatura a la que se encuentren, como por ejemplo su estado (gaseoso, líquido, sólido, plasma...), la densidad, la solubilidad, la presión de vapor o la conductividad eléctrica. Así mismo es uno de los factores que influyen en la velocidad a la que tienen lugar las reacciones químicas.

• En el Sistema Internacional de Unidades, la unidad de temperatura es el kelvin. Sin embargo, está muy generalizado el uso de otras escalas de temperatura, concretamente la escala Celsius (o centígrada), y, en los países anglosajones, la escala Fahrenheit.Tambien existe la escala Rankine (°R) que establece su punto de referencia en el mismo punto de la escala Kelvin, es la escala utilizada en el Sistema Ingles Absoluto. Una diferencia de temperatura de un kelvin equivale a una diferencia de un grado centígrado.

Sin embargo, es importante entender que la temperatura y el

calor son conceptos inherentemente macroscopicos.

Sistema

• Un sistema es un conjunto de elementos organizado y autocontenido. El concepto tiene dos usos muy diferenciados, que se refieren respectivamente a los sistemas de conceptos y a los objetos reales más o menos complejos y dotados de organización.

Sistemas conceptuales

• Un sistema conceptual o sistema ideal es un conjunto organizado de definiciones, nombres, símbolos y otros instrumentos de pensamiento o comunicación. Ejemplos de sistemas conceptuales son las Matemáticas, la Lógica formal, la Nomenclatura binomial o la notación musical.

Sistemas reales

• Los sistemas reales intercambian con su entorno energía, información y, en la mayor parte de los casos, también materia. Una célula, un ser vivo, la Biosfera o la Tierra entera son ejemplos de sistemas naturales. El concepto se aplica también a sistemas humanos o sociales, como una sociedad entera, la administración de un estado, un ejército o una empresa. O a una lengua, que es un sistema conceptual complejo en cuya aparición y evolución participan la biología y la cultura.

Sistemas reales• El concepto de sistema implica una fuerte

abstracción, tendente a encontrar lo común a entidades muy diferentes. El esfuerzo por encontrar leyes generales del comportamiento de los sistemas reales es el que funda la Teoría de sistemas y, más en general, aquella tendencia de la investigación a la que se alude como pensamiento sistémico o Sistémica, en cuyo marco se encuentran disciplinas y teorías como la Cibernética, la Teoría de la información, la Teoría de juegos, la Teoría del caos y otras.

Tipos de sistemas reales

• Los sistemas reales pueden ser abiertos, cerrados o aislados, según que realicen o no intercambios con su entorno. Un sistema abierto es un sistema que recibe flujos (energía y materia) de su ambiente, cambiando o ajustando su comportamiento o su estado según las entradas que recibe. Los sistemas abiertos, por el hecho de recibir energía, pueden realizar el trabajo de mantener sus propias estructuras e incluso incrementar su contenido de información (mejorar su organización interna).

• Un sistema cerrado o un sistema aislado no tiene ningún intercambio con el entorno.

Cuando un sistema tiene la organización necesaria para controlar su propio desarrollo, asegurando la continuidad de su composición y estructura (homeostasis) y la del conjunto de flujos y transformaciones con que funciona (homeorresis), mientras las perturbaciones producidas desde su entorno no superen cierto grado, se denomina sistema autopoyético.La expresión sistemas cibernéticos se les aplica a éstos por su capacidad de control autónomo, dependiente de la existencia de mecanismos de retroalimentación negativa. Los mismos son llamados sistemas disipativos porque la conservación del orden (información) en su seno, y más su ampliación, requieren la disipación permanente de energía.Los sistemas complejos, cibernéticos, autoorganizados y disipativos son a la vez sistemas teleológicos (sistemas adaptativos), que requieren para ser descritos un lenguaje finalístico, que se refiere a sus procesos como funciones y recurre constantemente a explicaciones que empiezan por “para”.

Equilibrio dinámico vs. equilibrio energético

• Los sistemas anteriores presentan una dificultad adicional en su descripción, derivada del uso paradójico de la palabra equilibrio. Tienden a conservar un estado estacionario, compensando las perturbaciones que llegan del entorno, situación que implica un estado de equilibrio dinámico, descrito precisamente por conceptos como homeostasis y homeorresis. A la vez son sistemas disipativos permanentemente alejados del equilibrio termodinámico, dependientes de un flujo permanente de energía de calidad (energía libre) y que, en la ejecución del trabajo de mantener su organización, generan constantemente entropía, la cual exportan más o menos eficazmente al ambiente (neguentropía). Si se corta el flujo de energía, el trabajo de mantenimiento tiene que cesar y comienza la degradación del sistema. En este sentido, la muerte de un organismo es el paso que lo acerca decisivamente al equilibrio. Expresiones como “equilibrio fisiológico” o “equilibrio ecológico” describen lo que en realidad es, en su sentido más físico, un permanente alejamiento del equilibrio termodinámico o energético.

Equilibrio• El término equilibrio puede referirse:

• A una situación específica en que un sistema físico, biológico, económico o de otro tipo en el que existen diferentes factores o procesos, cada uno de los cuales son capaces de producir cambios por sí mismo, pero que puestos en conjunto no producen cambios en el estado del sistema a lo largo del tiempo.

• A una situación en la que ocurre un proceso estacionario.

• A una situación en la que sucede simultáneamente (1) y (2).

En física o ingeniería:

• Equilibrio termodinámico: situación que se da en un sistema físico (es decir, un sistema al que podemos atribuir una energía interna) cuando todos factores exteriores y/o procesos internos no producen cambios de presión, temperatura u otras variables macroscópicas.

• Equilibrio químico: cuando una reacción química de transformación ocurre al mismo ritmo que la transformación inversa, y por tanto no se producen cambios en la cantidad de cada compuesto.

• Equilibrio mecánico: cuando las sumas de fuerzas y momentos sobre todas y cada una de las partes del cuerpo se anulan. .

EquilibrioEn biología:

• Equilibrio puntuado: una parte de la teoría de la evolución que afirma que la especificación ocurre rápidamente en ciertos momentos que van seguidos de largos periodos sin cambios apreciables.

En economía:

• Equilibrio económico: una situación en la que demanda y oferta son iguales o más generalmente en la que los factores susceptibles de provocar cambios se compensan entre si de tal manera que se tiene una situación estática invariable en el tiempo.

En teoría de juegos:

• Equilibrio de Nash: una estrategia colectiva óptima en un juego que involucra a dos o más jugadores

Equilibrio

Situación de un cuerpo que, a pesar de tener poca base de sustentación, se mantiene sin caerse