Departamento de Quimica

Consignas del Trabajo PrácticoQuímica General e Inorgánica

4to Año• 1- a-Luego de la relectura y análisis del siguiente PPT de Mecánica

Cuántica, elabora una síntesis, a modo de apunte, sobre los temasinvolucrados (Puede ser texto, cuadro, mapa o red).

b- Pensa y escribí un diálogo imaginario entre Bohr y Rutherford donde ambos debaten en defensa de sus modelos atómicos.

• 2-Resuelve *todos* lo problemas de Estequiometría del otro apunte aquí presente además de los 41 problemas de la guía de la asignatura.

SOBRE LA MECÁNICA CUÁNTICA

Con Uds. los responsables:

UN DESFILE DE MODELOS

DESCUBRIMIENTO DE LA RADIACTIVAD

• Fue descubierto casualmente por Henri Becquerel en 1896.

• Estudiaba los fenómenos de fluorescencia y fosforescencia, con Pechblenda, encima de una placa fotográfica envuelta en papel negro y las exponía al sol.

• Los días siguientes no hubo sol y dejó en un cajón la placa envuelta con papel negro y con la sal de Uranio encima.

• Después de varios días nublados la placa también se veló.

• Marie Curie llamaría más tarde radiactividad a este fenómeno.

Henri Becquerel

¿Que estudia la Mecánica Cuántica?•La Mecánica cuántica es la parte de la FÍSICA que estudia el movimiento de las partículas muy pequeñas•¿Cuándo se considera que se inició? •Todo comenzó en el año 1900, cuando el físico alemán Max Planck (PN 1918) se enfrentaba a enormes dificultades para medir la radiación que emiten los cuerpos negros. Qué son estos cuerpos?? Son objetos teóricos que absorben toda la radiación que incide sobre ellos y posteriormente la emiten.

Que se pensó respecto a los cuerpos negros?

• Esquema de un cuerpo negro

MAX PLANCK E= h ν

¿Pero qué pensó Planck por ese entonces?El paso de gigante que dio Planck consistió en considerar que la energía no era emitida como algo continuo, sino que pensó que era mucho más fácil si se imaginaba pequeños paquetes de energía , que llamó CUANTOS , saliendo al exterior. ¿Y Einstein que tuvo que ver con todo esto?En 1905, estudiaba ciertos metales que emiten electricidad cuando reciben luz, llegando a la sorprendente conclusión de que se podía considerar la luz como un conjunto de pequeños paquetes que golpeaban a los electrones y les hacían abandonar el metal.

ESOS PAQUETES ENERGETICOS SE LLAMARON

FOTONES φῶς

Llamado así en 1926 por el físico Gilbert Lewis.

ADEMÁS …

ONDA -ONDA• Perturbación vibracional donde se trasmite

energía • ¿Qué se propaga?La Energía• ¿Cómo se propaga?1. Por el movimiento de cuerpos materiales2. Mediante ondas: El cuerpo que la posee no se desplaza

Los parámetros de una onda son:

• Longitud de onda• Amplitud• Frecuencia …………… V= λ ν

QUE ES UNA ONDA ELECTROMAGNETICA??

Existen muchos tipos de ondas.Las del agua, de sonido, y de la luz.James Maxwell propuso que la luz esta formada por ondas con un componente eléctrico y otro magnético.Con igual λ y frecuencia.La longitud se mide en gral en nm. ¿A que velocidad viajan?A continuación se verá distintos tipos de radiación EM.

Espectro electromagnético

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» ESCENA 1

» ESCENA 2

» RECOMENDAMOS VER O LEER “CONTACTO” DE CARL SAGAN.

Resumen• Vimos: Ideas de modelos atómicos(Dalton, Thomson, Rutherford, Bohr,) Descubrimiento de la radiactividad en días nublados Max Planck y los cuerpos negros: energía discreta Ondas y La radiación electromagnética. Einstein y los fotones.

¿Qué relación guarda la longitud de onda con la energía?

Algunas observaciones que dieron origen a la teoría cuántica:

Los sólidos cuando se calientan emiten rad EM. La cantidad de Energía radiante emitida depende de λ Las leyes de Termodinámica no podían explicar todas las

observaciones. La Física clásica suponía que los átomos y moléculas

absorbían o emitían Energía en forma continua. Planck propone lo contrario: absorción o emisión de

energía en cantidades discretas CUANTOS

Algunas Fórmulas

• V= λ ν• C= λ ν (Para ondas electromagnéticas)• E= h ν Ecuación de Planck para la energía de un cuanto.

• h = 6,63 .10 -34 Js Constante de PlanckSegún esta teoría la energía siempre se emite en

múltiplos de h ν La teoría de Planck explicaba los datos

experimentales.

EFECTO FOTOELECTRICO• 1905 Einstein resolvía un misterio de la física

• hν = Ec+ w Ec= hv –w• Qué relación guarda la energía del fotón y del

electrón??

Consecuencias importantes:

Teniendo en cuenta que :

hν = Ec+ w Ec= hv – w

1- Que relación guarda la energía del fotón y del electrón??

2- Y con la frecuencia? Que es w?3-Cuánto más intensa es la luz ¿qué sucede?

1905Fue gracias a este estudio por el que Einstein recibió el

Premio Nóbel, por la descripción del llamado efecto

fotoeléctrico, el cual ahora utilizamos en

aparatos como placas solares o

células fotoeléctricas,

siendo el silicio el mejor material

fotosensible utilizado.

• Explicación de Einstein del EF• Al incidir la onda sobre la superficie metálica, un electrón

en reposo absorbe un fotón de energía • E = hν, siendo ν la frecuencia de la onda y h la constante de

Planck. • Si W es la energía necesaria para extraer al electrón de la

superficie metálica, este escaparía de la misma con una energía cinética Ec = hν - W.

• La energía cinética máxima obtenida depende solo de la frecuencia de la radiación incidente, pero no de su intensidad. En cambio, el número de electrones emitidos es función de la cantidad de fotones incidentes (es decir, de la intensidad de la radiación).

• La emisión de electrones es instantánea, como la transferencia de energía fotón-electrón.

Tenemos dos problemas

Problema 1: Calcula la energía en joules, de a. un fotón de longitud de onda de 5 .10 4 nm(IR) Y b. de un fotón de 5.10 -2 nm (RX).

Problema 2: la energía de un fotón es 5.87 .10 -20 J. Cuál es su longitud de onda en nanómetros?

Aplicaciones del Efecto Fotoeléctrico

• Fotodiodos y Fotomultiplicadores en el control de productos industriales.

• Transmisiones por fax. • Tubos de televisión • Amplificadores de imágenes. • Células fotoeléctricas usadas para detección y,• Equipos fotovoltaicos de los paneles de energía

solar.

Qué tuvo que ver Bohr en la Física del siglo XIX ?

• En 1913 Bohr propuso un esquema general para explicar los espectros atómicos basándose en el concepto de cuantización de la energía que Planck postuló.

• Para Bohr el átomo sólo puede existir en un cierto número de estados estacionarios cada uno con una energía determinada.

• La energía solo puede variar por saltos sucesivos, correspondiendo cada salto a una transición de un estado a otro. En cada salto el átomo emite(ó absorbe si el salto es alejándose del núcleo) luz de frecuencia bien definida dada por

• En el caso del átomo de Hidrógeno los niveles de energía posibles están dados por la fórmula

Niels Henrik David Bohr

Bohr con su teoría contribuyo a explicar los espectros de los átomos

Espectros de emisión y espectros de absorción: Cuando un elemento irradia energía no lo hace en todas las longitudes de onda. Solamente en aquellas de las que está “provisto”. Esas longitudes de onda sirven para caracterizar, por tanto, a cada elemento. También ocurre que cuando un elemento recibe energía no absorbe todas las longitudes de onda, sino solo aquellas de las que es capaz de “proveerse”. Coinciden por tanto, las bandas del espectro en las que emite radiación con los huecos o líneas negras del espectro de absorción de la radiación, como si un espectro fuera el negativo del otro.

• Surgió una pregunta : ¿Por qué el electrón del átomo está

restringido a viajar solo en ciertos niveles a determinadas distancias del núcleo?Ni el mismo Bohr podía explicarlo.

• En 1924 Louis de Broglie razono que si las ondas luminosas pueden comportarse como partículas , entonces quizá las partículas pudiesen…

Louis Victor Pierre Raymond duc de Broglie

Un electrón enlazado al núcleo se comporta como una onda estacionaria

de Broglie argumentó que si el e se comporta como una OE la long de onda debe caber exactamente en la circunferencia de la órbita, de lo contrario parte de la onda se cancelaria a si misma en cada vuelta sucesiva…

Relación entre circunferencia y onda es

2 π r = n λ ¿Qué nos dice esta relación? r puede tomar ciertos valores ya que

n aumenta de 1 a2,a3, etc. Las propiedades de partícula y onda

se relacionan mediante la expresión: λ = h / mν

Evidencias Experimentales!! Sólo un par de años después, éstas fueron confirmadas experimentalmente por Davisson (1881-1958) y Germer (1896-1971), que observaron la difracción de electrones sobre un material cristalino, y obtuvieron imágenes de interferencia características de ondas. Los experimentos de G.P. Thomson (1892-1975) de difracción de electrones sobre sustancias policristalinas, confirmaron la hipótesis propuesta por de Broglie. Curiosamente, J.J. Thomson estableció el carácter corpuscular de los electrones al medir su relación carga-masa, y su hijo G.P. Thomson, 30 años después, establecía su carácter ondulatorio con estos experimentos de difracción.

• Experimento de doble ranura.

http://www.youtube.com/watch?v=x53UGGB7XMI

Algo curiosoEn 1894, con solo 28 anos de edad, Thomson fue nombrado director del Laboratorio Cavendish, cargo en el que permaneció por 25 años. En 1906recibió el Premio Nobel de Física. Pero tal vez un hecho que destaca aunmás su envergadura científica es que ocho de sus alumnos también recibieronel Premio Nobel, entre ellos su propio hijo, G. P. Thomson, pero por demostraciones opuestas a las del padre

Otros cálculos

• a-Calcula la longitud de onda asociada a una pelota de tenis que se desplaza a 62 m/s y su masa es de 6.10 -2 kg.

• b- Repite el calculo para un electron a la misma velocidad pero con una masa de 9,1095 .10 -31 kg

• Piensa conclusiones acerca de los resultados anteriores.

Resumamos algo de lo vistohasta ahora

• Planck con los paquetes discretos de energía• Einstein con los fotones que “disparan”

electrones• Bohr con los niveles de energía definidos• de Broglie con el electrón como onda y

materia.

Pero ¿Cómo se podía precisar la posición de la

onda?

AL RESPECTO DE ESTE INTERROGANTE

Werner Heisenberg (Físico alemán 1901-1976) nos acercó su

Principio de Incertidumbre

En síntesis, se puede describir que el principio de incertidumbre postula que en la mecánica cuántica es imposible conocer exactamente, en un instante dado, los valores de dos variables canónicas conjugadas (posición-impulso, energía-tiempo, …, etc.) de forma que una medición precisa de una de ellas implica una total indeterminación en el valor de la otra. Matemáticamente, se expresa para la posición y el impulso en la siguiente forma:

Δx Δp ≥ h/2π donde Δx, incertidumbre en la medida de la posición; Δp,

incertidumbre en la medida del impulso; para la energía, E, y el tiempo, t, se tiene ΔEΔt ≥ h/2π ; en ambas relaciones el límite de precisión posible viene dado por la constante de Planck, h.

Δx Δp ≥ h/2π

Consecuencias del Ppio de Incertidumbre de Heisenberg.

• Si se conoce con precisión el momento de una partícula entonces se hará menos precisa la posición de la misma(ΔX se hará mayor)

• Por esto no puede determinarse con exactitud la posición de los electrones en la nube extranuclear!!

Werner Heisenberg

DANIEL CRAIG COMO HEISENBERG

1926ERWIN SCHRÖDINGER

• Utilizo una técnica matemática muy compleja para llegar a su Ecuación de onda que lleva su nombre:

Esta ecuación es análoga a la ecuación de la energía mecánica de Newton

La función de onda Ψ

• No tiene significado fisico directo.• Pero si lo tiene su cuadrado, Ψ2 , ya que indica

la posibilidad de encontrar al electrón en cierta región alrededor del núcleo.( Analogía con la teoría ondulatoria de la luz)

• La EOS especifica los posibles estados energéticos del electrón del H. Estos estados se caracterizan por un conjunto de números cuánticos.

Ψ2

• Define la distribución de densidad electrónica alrededor del núcleo en el espacio 3D.

• Las regiones de alta densidad presentan mayor probabilidad de encontrar al electrón.

• Surge el concepto de orbital atómico, como la función de onda del electrón en el átomo.

• Es válida para el átomo de H y sirve como aproximación para átomos poli electrónicos.

NUMEROS CUANTICOSn, l, m , s

Numero Cuántico NC Secundario Principal o Azimutal NC de espín

Electrónico

Forma del NC magnético orbital rotación

Orientación de laEnergía del orbital nube en el espacioDistancia al núcleo

Orbitales f

PARA TENER EN CUENTA

Los cuatro números cuánticos permiten identificar a un electrón en un orbital de cualquier átomos . Es como el “domicilio” de un electrón.

Además debemos conocer la Configuración Electrónica esto es como están distribuidos los electrones en niveles y subniveles.

Valores de los números cuánticos• Valores permitidos

numero Valores posibles

n Enteros desde 1,2,3,etc

l Enteros desde 0 hasta (n-1)

m Enteros entre –l y +l (incluye el 0)

s -1/2 y + 1/2

ALGUNOS PRINCIPIOS DE LA MC

• PRINCIPIO DE EXCLUSION DE PAULI Esta regla establece que dos electrones en un átomo no pueden tener los cuatro números cuánticos iguales.

Wolfgang Ernst Pauli (1900-1958)

PRINCIPIO DE MAXIMA MULTIPLICIDAD DE HUND

La distribución mas estable de electrones en los subniveles es aquella que tenga el mayor numero de espines paralelos.

Friedrich Hund (1896-1997)

FIN