Tema 1 Repaso de conceptos y observaciones bsicas. Estructura del tomo.

1. La nueva fsica.2. Experimento de Rutherford.3. Propiedades del electrn, protn y neutrn.4. Emisin de rayos X.5. Modelo atmico de Bohr6. Modelo mecanocuntico

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1. Repaso de conceptos y observaciones bsicas1. Repaso de conceptos y observaciones bsicas

Todas las sustancias pueden dividirse en dos clases: una sustancia elemental consta de tomos de un nico tipo; una sustancia compuesta consta de tomos de dos o ms tipos.

1.1. Ley de las proporciones definidas: cuando dos o ms elementos se combinan para formar un compuesto, sus masas en ese compuesto estn en una relacin fija.

1.2. Ley de las proporciones mltiples: cuando dos (A y B) o ms elementos se combinan para formar ms de un compuesto, las masas del elemento A que se combinan con una masa fija del elemento B estn en una relacin de nmeros enteros sencillos.

1.3. Ley de combinacin de volmenes: Cuando dos gases se combinan en una reaccin qumica a una presin y temperatura determinadas, sus volmenes guardan una relacin de nmeros enteros sencillos.

Aparece un problema: un litro de oxgeno pesa ms que un litro de vapor de agua. Si ambos volmenes tuvieran el mismo nmero de tomos, el tomo de oxgeno pesara menos cuando forma agua que cuando est solo. Solucin: Hiptesis de Avogadro:

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1.4. Hiptesis de Avogadro: Un mismo volumen de cualquier gas, a las mismas condiciones de presin y temperatura, contiene el mismo nmero de partculas (tomos o molculas).

1.5. Definicin de mol: La IUPAC y la International Organization for Standardization (ISO) adoptaron en 1971 la siguiente definicin de mol (http://physics.nist.gov/cuu/Units/mole.html):

1. El mol es la cantidad de sustancia de un sistema que contiene tantas entidades elementales como tomos hay en 0.012 kilogramos de carbono 12. Su smbolo es mol. 2. Al emplear el mol, se debe especificar a qu entidades elementales se refiere, ya sean tomos, molculas, iones, electrones u otras partculas.

1.6. Nmero de Avogadro: El nmero de partculas que contiene un mol es igual a:

NA = 6.022 141 29 x 1023 mol-1

1.7 u.m.a: se define la unidad de masa atmica (u.m.a , simplemente u) como la doceava parte de la masa de un tomo de 12C. Otro nombre para esta unidad es Dalton.

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http://physics.nist.gov/cuu/Units/mole.html

2. Estructura del tomo2. Estructura del tomo2.1. La nueva fsica: La fisica clsica no poda explicar fenmenos como el de la emisin de luz por los cuerpos calientes y el efecto fotoelctrico. En 1874 Stoney sugiri que la electricidad exista en unidades discretas. Crookes, utilizando tubos que contenan gas a baja presin, estudi los rayos catdicos, y se comprob que estos rayos estn formados por electrones, y que se transmiten en lnea recta. (Vdeo: https://www.youtube.com/watch?v=CsjLYLW_3G0). Aos ms tarde Thomson determin la relacin entre la carga y la

de los electrones; En 1909 Millikan, con su experimento de lagota de aceite determin la carga del electrn. En 1925 se descubri que el electrn tiene una propiedad que se denominaspin, y que es similar a que el electrn gire sobre s mismo.En 1895 Rntgen, utilizando tubos de Crookes descubri quesi en stos se recubre el tubo con una lmina de cartn negro,

aparece una fluorescencia en la pantalla. Estos rayos, cuya naturaleza se desconoca, se denominaron rayos X. A comienzos de siglo Becquerel y Curie estudiaron minerales fluorescentes y descubrieron que emitan radiaciones que podan ser desviadas por campos magnticos. En 1899 Rutherford dio a conocer que la radiacin del Uranio se deba al menos a dos tipos de partculas que llam (ncleos de 4He2+) y (electrones). Ms tarde se descubri la radiacin gamma, que tiene una muy alta frecuencia y energa.

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https://www.youtube.com/watch?v=CsjLYLW_3G0https://www.youtube.com/watch?v=UFiPWv03f6ghttps://www.youtube.com/watch?v=CsjLYLW_3G0

2.2. Experimento de Rutherford: se lanzan partculas contra una lmina de oro de un espesor de 10-6 m. Sorprendentemente, la mayora de las partculas atraviesan la lmina de oro. Un pequeo porcentaje de partculas es desviado. (Vdeo: http://www.youtube.com/watch?v=XBqHkraf8iE)

2.3. Propiedades del electrn, protn y neutrn: (Vdeo: http://www.youtube.com/watch?v=kBgIMRV895w)partcula Carga (C) Masa (Kg)

electrn -e = -1.6021765 1019 9.109 382 91 x 10-31

protn e = 1.6021765 1019 1.672 621 777 x 10-27

neutrn 0 1.674 927 351 x 10-27

masa del protn 1836 x masa del electrn5/12

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http://www.youtube.com/watch?v=XBqHkraf8iEhttp://www.youtube.com/watch?v=kBgIMRV895whttp://www.youtube.com/watch?v=XBqHkraf8iEhttp://www.youtube.com/watch?v=kBgIMRV895w

2.4. Emisin de rayos X: Aunque hemos visto que los tomos tienen un ncleo positivo muy pequeo, alrededor del cual se encuentran electrones, no sabemos en este punto del tema cuntos electrones hay en un tomo de cada elemento qumico. Un tomo de plata tiene el mismo nmero de electrones que uno de sodio? Si se aumenta la energa de una muestra de un elemento, ste emite rayos X. Si ordenamos los elementos por orden creciente de masa atmica, y los numeramos, existe una correlacin entre la frecuencia de los rayos X emitidos, y ese nmero:

ee

La masa atmica se debe principalmente a los protones(y neutrones) de cada elemento, de manera que el nmero natural quehemos asignado, y que llamaremosnmero atmico, indica el nmerode protones de cada elemento, ypuesto que los tomos son neutros,podemos saber su nmero de electrones.

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2.5. Modelo atmico de Bohr: A partir de los tres postulados, el modelo de Bohr modifica el modelo

Para elaborar su modelo, Bohr uni la teora planetaria de Rutherford, con la nueva teora cuntica deMax Planck, segn la cual la energa est cuantizada, siendo la energa de un cuantos: E = hLa constante h es la constante de Planck (h = 6.62606957 x 10-34 Js = 4.135667516 x 10-15eVs).

Si en esta ecuacin despejamos r, obtenemos un valor de r=n25.29177 x 10-11m = 0.529 n2 .

Aunque el modelo de Bohr tuvo mucho xito explicando las lneas del espectro con de los tomos con un soloelectrn, como el H o el He+ , no era capaz de explicar el efecto Zeeman, en el cual las lneas del espectro delhidrgeno se desdoblan en presencia de un campo magntico. Sommerfeld modific el modelo en 1916 considerando que las rbitas podan ser elpticas.

atmico de Rutherford: ahora ya no es posible cualquier rbita. El modelo de Rutherfordno poda explicar con las leyes de la fsica clsica que el electrn al girar alrededor delncleo no perdiera energa y se precipitara contra el ncleo. El modelo de Bohr describerbitas fijas en el tomo y es capaz de explicar el espectro del hidrgeno.

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(Vdeo: https://www.youtube.com/watch?v=fPt0jXHwqUw) ColegioSan

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https://www.youtube.com/watch?v=fPt0jXHwqUw

En el modelo atmico de Bohr, los electrones estn en rbitas con un radio bien definido, pero adems de lo ya sealado, no poda explicar porqu el electrn no pierde energa

2.6. Modelo mecanocuntico: De Broglie: dualidad onda-corpsculo. El electrn es una partcula, pero tambin se comporta como

una onda. Principio de indeterminacin de Heisenberg: no se puede conocer

la posicin y la velocidad de una partcula exacta y simultneamente. Schrdinger desarroll una ecuacin que permite calcular la

probabilidad de que el electrn est en una pequea regin del espacio. Ya no se habla de rbitas definidas, sino de orbitales: regiones en las que

la probabilidad de encontrar el electrn es mayor. Para un mismo nivel energtico, pueden existir varios orbitales. Al nivel energtico n de Bohr ahora se le denomina nmero cuntico

principal. Existen n2 orbitales para cada nivel de energa correspondiente a un

nmero cuntico n.

rbitas de Bohr

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La mecnica cuntica emplea herrramientas matemticas que sobrepasan con mucho el nivel de bachillerato. Nos limitaremos a sus conclusiones principales, que nos sern de inters para conocer laestructura atmica de cada elemento, la cual explica su colocacin en el sistema peridico(que trataremos en el prximo tema), y sus propiedades qumicas y fsicas. En el cuadro de la pgina 16 puedes ver que cada orbital est caracterizado por tres

nmeros cunticos: principal (n), secundario u orbital (l) y magntico (ml). El cuarto nmero cuntico (ms) caracteriza a cada electrn dentro de su orbital.

El orden de llenado de los orbitales sigue las reglas que tienes en la pgina 20: principio de Aufbau, regla de Hund y principio de exclusin de Pauli.

Un mtodo rpido para averiguar la configuracin electrnica de un elemento, conocido su nmero atmico es el diagrama de Mller que tienes en la pgina 19.

El diagrama anterior nos proporciona la configuracin electrnica de casi todos los elementos, unos pocos, sin embargo, modifican ligeramente la configuracin que les correspondera segn ese diagrama, porque de esa manera el elemento tiene una configuracin ms estable energticamente. Es el caso, por ejemplo del Cr, Cu y Ag, que veremos con ms detenimiento al estudiar el sistema peridico.

En estas direcciones de internet puedes ver representaciones en 3D de los orbitales e interactuar con ellas:Liverpool University: http://www.chemtube3d.com/orbitals-s.htmSam Houston State University, Texas: http://www.shsu.edu/~chm_tgc/BbAIF/PDBs/applet/PDBorbitals.html

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http://www.chemtube3d.com/orbitals-s.htmhttp://www.shsu.edu/~chm_tgc/BbAIF/PDBs/applet/PDBorbitals.html

En los tomos con ms de un electrn, los nmeros cunticos n y l determinan la energa de cada orbital. En la pgina 19 del libro un diagrama muestra la energa de los siguientes orbitales. La figura de la

izquierda tambin lo muestra:

Hemos dicho que los orbitales indican la probabilidad de encontrar un electrn. La grfica de la derecha muestra la distancia a la que la probabilidad es mxima para cada tipo de orbital.

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En el prximo tema veremos la estructura atmica de los diferentes elementos y su colocacin en el sistema peridico.

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En uno de los ejercicios del tema calcularemos la longitud de onda de las lneas del espectro del hidrgeno. Aunque tambin realizaremos los clculos manualmente o con calculadora, el siguiente programa de Python 2.7 los realiza rpidamente:

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Puedes descargar gratuita y legalmente Python e instalarlo en un pendrive que puedes utilizar directamente en cualquier ordenador con Windows, desde la siguiente direccin: http://portablepython.com/

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