UNIDAD I.“ESTRUCTURA ATÓMICA.”

QUÍMICA: Es la ciencia que describe la materia, sus propiedades y los cambios que experimenta y las variaciones de energía que acompañan a dichos procesos.

Por su amplitud se divide en ramas:Química OrgánicaQuímica InorgánicaBioquímicaElectroquímicaFisicoquímicaTermoquímicaQuímica Analítica, etc.

La química en la vida diaria

Partículas Subatómicas Fundamentales:Conforman la estructura de toda la materia:

Electrón Protón Neutrón

En 1800, Humphrey Davy observó que al pasar corriente eléctrica a través de algunas sustancias, éstas se descomponían. Por eso propuso que los elementos de un compuesto químico se mantenían juntos debido a fuerzas eléctricas.

En 1832-33 Michael Faraday, determinó la relación cuantitativa que existía entre la cantidad de electricidad que se empleaba en la electrólisis y la cantidad de reacción química que se producía.

En 1874, George Stoney estudió con cuidado las investigaciones de Faraday y sugirió que las unidades de carga

eléctrica estaban asociadas con los átomos. En 1891 sugirió asignarles el nombre de electrones.

La evidencia más convincente de la existencia de los electrones surgió de los experimentos con Tubos de rayos catódicos (Tubo de Crookes):

Rayos Catódicos

(-) (+)

Alta Tensión

(-)

(-) (+)

Alta Tensión

(+)1) Los rayos catódicos son negativos

(-) (+)

Alta Tensión

2) Los rayos catódicos poseen masa

(-)

Alta Pantalla Tensión (+) Fluorescente

3) Los rayos catódicos viajan en línea recta

En 1897, J.J. Thomson, estudió con más detalle estas partículas con carga negativa y les dio el nombre de electrones.

Potencial Aplicado entre PP’

Fe = Ee = V e …..(1)D

E= Intensidad del campo eléctricoe= Carga sobre un rayo catódico

V= Tensión Aplicadad= Distancia entre placas PP’

También se puede aplicar la 2ª Ley de Newton:

F = ma ………(2)

m= Masa de un rayo catódicoa= aceleración

Igualando las dos ecuaciones: V e = ma ………… (3) d

L p O’

O

d y P’ l

y l L

L l , la curvatura del rayo catódico mientras se encuentra en el campo eléctrico es tan ligera que se puede considerar prácticamente lineal.Cuando se aplica el campo eléctrico la velocidad de los rayos catódicos en

dirección “y” es cero. Cuan do se aplica, los rayos se aceleran en esta dirección, desde una velocidad inicial cero:

0

y = v0 t + ½ at2

y = ½ at2 ……………. (4)

t = Tiempo que transcurre durante la aceleración entre las placas PP’

v = l ……... (5)t

Para medir la velocidad de los rayos se puede aplicar un campo magnético perpendicular al campo eléctrico:

Fm = BevFm = Fuerza del campo magnéticoB = Intensidad del campo magnéticov = Velocidad

Se logra regresar el haz de rayos catódicos al punto O. Por lo tanto:

Fe = Fm , y sustituyendo:

V e = Bevd

v = V ………. (6) Bd

Combinando las ecuaciones 4, 5 y 6:

a = 2 yV2

l2 d2 B2 Sustituyendo en ec. 3:

V e = m2 y V2 e = 2 yV2d

d l2 d2 B2 m l2 d2 B2 V

e = 2 yV El valor aceptado m l2 d B2 es:

e = 1.75882 x 108 coulm gr

Sacar conclusiones.

Experimento de Millikan,

“Determinación de la carga eléctrica del electrón”.

Fuerzas que actúan sobre la gota de aceite:Fw =Fuerza descendente debido al peso.Fb =Fuerza ascendente de empuje(Desplazamiento que hace la gota de aceite de un volumen equivalente de aire)

Fuerza neta = Fw - Fb Conforme la gota se acelera, se establece una fuerza de resistencia Fr, que actúa oponiéndose a la fuerza descendente neta.Después de un corto tiempo, la gota ya no se acelera, a = 0.

Balance de fuerzas: 0Fw – Fb - Fr = ma = 0

Equivalencia de cada fuerza.Se supone que la gota es esférica:

Fw = mg = 4/3r3acg

m = Masa de la gotar = Radio de la gota

ac = Densidad de la gota

g = Gravedad

Fb = 4/3r3a g

a = Densidad del aire

Fr = 6rv …..Ecuación de Stokes

= Viscosidad del medio (aire)v = Velocidad terminal constante.

Sustituyendo en cada fuerza:

4/3r3acg - 4/3r3a g - 6rvd = 0

4/3r3g (ac - a) = 6rvd

Despejar r:r = √ 9v /2 g(ac−a)

La velocidad terminal descendente se puede determinar en forma experimental observando el tiempo que se requiere para que la gota recorra la distancia “d” entre las estrías del objetivo y utilizando vd=d/t.

Se ioniza el medio mediante rayos X, la gota absorbe una o más cargas negativas.Se aplica un campo eléctrico entre las placas PP’.

La gota queda bajo la influencia de una fuerza coulombica Fe:

Fe = EqE = Intensidad del campo eléctrico.

q = Carga total sobre la gota.

Haciendo que la gota ascienda, logrando velocidad constante:

Nuevo balance de fuerzas:

- Fw + Fb - Fr + Fe = 0

Sustituyendo las expresiones equivalentes:

-4/3r3acg+4/3r3ag- 6rva+Eq=0

-4/3r3g (ac - a)- 6rvasc + Eq = 0

Puesto que E = V/D , Se resuelve para q:

q = 4/3r3g (ac - a)+ 6rvasc

V/D

Se repite el experimento y se obtienen los siguientes valores:

q = 4.806 x 10-19 Cq = 8.01 x 10-19 Cq = 1.602 x 10-19 C Cargaq = 3.204 x 10-19 C Fundamental

Para determinar la masa del electrón se utiliza la relación e/m de los rayos catódicos:

e/m = 1.75882x108 Coul/gr

m= 1.602x10-19 C = 9.109x10-28 gr 1.75882x8 C

gr

Problema.En un experimento de la gota de aceite, determinada gota cayó libremente con velocidad de 2.26x10-4 m/s entre placas horizontales separadas 5 mm. Al aplicar un voltaje de 1600 volts, la gota se elevó en forma constante a 0.9x10-4 m/s.Encuentre el radio de la gota y su carga, si la viscosidad del aire es 1.8x10-5

N·s/m2; y las densidades del aceite y el aire fueron 900 kg/m3 y 0.001293 gr/cm3, respectivamente.

R = 1.44x10-6 mR q = 4.85x10-19 C

Descubrimiento del protón.

Rayos canales.

En 1886, Eugene Goldstein (1850-1930) fue el primero en observar que un tubo de rayos catódicos también generaba un haz de partículas con carga positiva que se desplazaba hacia el cátodo.

Rayos catódicos

+

- Rayos Canales

Átomo Catión + e-

Características de los rayos canales:1. Campos eléctricos y magnéticos

desvían sus partículas de un modo que revela su carga positiva

2. La razón e/m de los rayos positivos es considerablemente menor que para los electrones.

3. La razón e/m de los rayos positivos depende de la naturaleza del gas residual en el tubo; se obtiene la razón e/m más alta si el gas presente es H, para otros gases e/m es una fracción entera de esta razón.

El protón es una partícula cargada positivamente, su estudio se debe en gran parte a Eugene Goldstein quien  realizó experimentos con Rayos Catódicos en los cuales se introdujo Hidrógeno gas a baja presión, observando la presencia de Rayos que viajaban en dirección opuesta a los Rayos Catódicos. El llamó a estos “Rayos Positivos” Protones. Se determinó la relación e/m para el protón resultando ser:

e/m = +9.5791 x 104 Coulomb/g

A los protones se les asignó el símbolo H+

y se determinó que la carga del protón es

igual a la del electrón sólo que de signo contrario (+).

q(H+) = +1.602 x 10-19 Coulomb

Así mismo, se determinó la masa del Protón siendo ésta de:

m(H+) = 1.6726 x 10-24 g

Descubrimiento del Neutrón:

Para el descubrimiento del neutrón se requirió del conocimiento de la radioactividad.

En 1896 Henry Becquerel descubrió la “radioactividad natural” provenientes de un compuesto de uranio.

Radioactividad.Reacción Química Ordinaria:

1. No se forman nuevos elementos.2. Sólo participan electrones.3. Se absorben o se desprenden

cantidades de energía relativamente pequeñas.

4. La velocidad de reacción depende de factores como concentración, temperatura, catalizadores y presión.

Reacción Nuclear:1. Los elementos pueden convertirse

en otros elementos.2. Intervienen las partículas que

forman el núcleo.3. Se absorben o se desprenden

cantidades enormes de energía.4. No influyen factores externos en la

velocidad de reacción.La radioactividad natural se compone fundamentalmente de las siguientes radiaciones:

Rayos alfa, : Núcleos de Helio, masa 4, carga +2, transformación de la materia, baja penetración.

Rayos beta, - : Electrones (del núcleo), sin masa, sin número atómico, carga -1, transforma la materia, penetración de baja a moderada.

Rayos gamma, : Sin masa, sin número atómico, no transforma la materia, radiación electromagnética de alta frecuencia, alta penetración.

Ejemplos:

92U238 90Th234 + 2He4

90Th234 91Pr234 + -

Los rayos gamma en todos los casos acompañan a la emisión alfa y beta.

FISIÓN.La fisión es la fragmentación de núcleos radioactivos en otros de menor masa.235U92 + 10 136Xe54 + 90Sr38 + 1010

FUSIÓN.La fusión es la combinación de núcleos ligeros para formar uno más pesado.2D1 + 2D1

4He2

D = Deuterios (Isótopo del H)

Como la (masa de deuterios) es mayor que la masa del He, esa diferencia de masa se le llama: Defecto de masa. La cual se convierte en energía según la ecuación de Einstein:

E = mc2

Viene siendo la energía del sol.Experimento de James Chadwick, 1932.

Rayos Protones Neutrones

Detector

Material Placa de Placa deRadioactivo Berilio Parafina

9Be4 ( , ) 12C6

9Be4 + 4He2 12C4 + 10

Masa del neutrón:m(0) = 1.6750 x 10-24 g

Propiedades de las partículas subatómicas fundamentales:

NOMBRE PROTÓN NEUTRÓN ELECTRÓN

CARGA ELÉCTRICA CGS +1.602X10-19 C 0 -1.602X10-19 C ATÓMICA +1 0 -1

MASA CGS 1.673X10-24g 1.675X10-24g 9.109X10-28 gATÓMICA 1.0073 uma 1.0087 uma 0.00055 uma

uma = unidad de masa atómicaunidad de masa atómica = 1.66057x10-27 kg

MODELOS ATÓMICOS.

Modelo atómico de Dalton y Modelo atómico de Thomson:(Investigación.)

Modelo Atómico de Rutherford:2 %

98 %

Fuente deRayos Laminilla de oro

Características:1. La mayor parte de la masa del

átomo y toda su carga positiva se concentra en una región muy pequeña llamada núcleo.

2. La magnitud de la carga del núcleo es diferente para átomos distintos, siendo aparentemente más o menos igual a la mitad del valor

numérico del peso atómico del elemento.

3. Fuera del núcleo debe haber un número de electrones igual al número de unidades de carga nuclear y sólo ocupan una fracción muy pequeña del volumen total de este, es decir, el átomo en su mayor parte es espacio vacío.

Núcleos de OroRayos

Laminilla de oro.

Experimento de Balmer:

Longitud de onda decreciente

Luz visible

Fuente de Rendija Prismaluz(Excitación de Placamoléculas de H2, fotográficacon el fin de quese disociaran “átomos”excitados de H.

Longitud de onda():

6,563Å 4,861Å 4,341Å 4,102Å

H H H H

Porción visible del espectro electromagnético

Ecuación que representa a las 4 líneas espectrales principales:

1 = R ( 1 - 1 ) 22 na

2

Donde: R=Constante de Rydberg, 109,677 cm-1

= Longitud de onda.

Con aparatos más sofisticados y de mayor resolución, la ecuación se transformó en:

1 = R ( 1 - 1 ) nb

2 na2

nb = Línea correspondiente al límite de la serie.na = Líneas sucesivas.

FÍSICA CUÁNTICA.Radiación Electromagnética:Las ideas acerca de la distribución de los electrones en los átomos han evolucionado con lentitud y mucha de la información se ha obtenido de los espectros de emisión, los cuales se generan cuando los átomos se excitan por medios eléctricos o térmicos. La excitación produce radiación que se hace pasar a través de un prisma de vidrio refractor de donde salen líneas brillantes, o bandas, que se imprimen en una placa fotográfica. Para poder entender la naturaleza de los espectros atómicos, se requiere del entendimiento de la radiación electromagnética.

Todos los tipos de radiación electromagnética, o energía radiante, pueden describirse en términos de ondas. Para caracterizar cualquier onda, se debe especificar su longitud de onda y su frecuencia.Toda radiación electromagnética viaja a la misma velocidad, que es la velocidad

de la luz (3x1010cm/s), y se determina mediante la siguiente ecuación:

f = cf = frecuencia, s-1

= longitud de onda, nm, pm, Å, etc.

La radiación electromagnética es una forma de desplazamiento de la energía.

TIPO DE LONGITUD DE FRECUENCIARADIACIÓN ONDA (nm) Hz (s-1)

10-3 1020

RAYOS GAMMA 10-1 1018

RAYOS X

ULTRAVIOLETA 10 1016

VISIBLE 103 1014

INFRARROJO

105 1012

MICROONDAS 107 1010

109 108

ONDAS DE 1011 106

RADIO Y TV

1013 104

La relación cuantitativa entre la frecuencia y la energía fue desarrollada por Max Planck.En 1900 Max Planck propone la teoría cuántica para la energía radiante: “La Energía Radiante sólo puede ser emitida o absorbida en cantidades discretas llamadas cuantos”.

Planck desarrolló una ecuación que define la energía de un cuanto de Energía Radiante:

E= hfDonde,

  E = Energía Radiante (erg, J, cal)

 h=Constante de Plank (6.63x10-

34 Joule-seg)

 f =  Frecuencia (seg-1)

En 1905 Albert Einstein propuso que los cuantos son paquetes llamados “fotones”.

Desarrollar:Experimento del Efecto Fotoeléctrico.

Tarea: Traer el espectro electromagnético.

Hacer tabla de unidades de longitud pequeñas.

Problemas:1. En el espectro de emisión del

Hidrógeno se observa una línea verde de longitud de onda 4.86x10-

7m. Calcule la energía de un fotón de esta luz verde.

(R=4.09x10-19J/fotón)

2. Calcule la longitud de onda que tiene la energía que se requiere para romper un mol de enlaces químicos cuya energía es 100 kcal/mol. Suponga que un enlace químico necesita un cuanto para romperse.

Modelo atómico de Bohr.

Postulados de Bohr:

1. Los electrones se mueven alrededor del núcleo en órbitas circulares.

2. Las fuerzas coulómbicas de atracción entre el electrón y el núcleo mantienen al átomo unido.

3. Cada órbita estable en un átomo es un estado estacionario discreto. Un electrón en un estado estacionario está asociado con una energía fija, aun cuando se mantiene en órbita alrededor del núcleo. Mientras que el electrón se encuentre en un estado estacionario, no irradia ninguna energía.

4. Sólo son permitidas aquellas órbitas en las cuales el momento angular del electrón en órbita sea un múltiplo entro de h/2, en donde h es la constante de Planck. En otras palabras, el momento angular del electrón en el átomo está cuantizado.

5. Cuando un electrón salta de un estado estacionario que posee una energía E1 a otro estado estacionario que posee una energía E2, se emite o se absorbe un cuanto de energía, lo cual depende de si el segundo estado se encuentra a mayor o menor energía que el primero. La frecuencia f de la radiación asociada con el salto está dado por hf = | E1 – E2 |

6. Para todas las demás consideraciones, el sistema obedece a las leyes de la mecánica y electrostática clásica.

N 7 6E 5n 4 Pfund

e Brackettr 3g Paschení a 2

Balmer

1Lyman

Diagrama de niveles de energía para el átomo de Hidrógeno. Las transiciones desde un nivel estacionario a otro dan lugar a las líneas espectrales.

Las series espectrales en el átomo de Hidrógeno:

Serie Espectral Región nb na

Lyman Ultravioleta 1 2,3,4,…Balmer Visible 2 3,4,5,…Paschen Infrarrojo 3 4,5,6,…Brackett Infrarrojo 4 5,6,7,…Pfund Infrarrojo 5 6,7,8,…

Ejercicios: 1. Determine la energía involucrada en la transición de un electrón en el átomo de H que pasa del nivel 5 al nivel 2.Determine las transiciones electrónicas de mayor y menor energíapara cada serie espectral.3. Un electrón de un átomo de hidrógeno experimenta una transición desde un nivel dado na, al nivel 2. Si el fotón emitido tiene una longitud de onda de 434 nm, ¿Cuál es la magnitud de na?4. Determine la energía requerida para expulsar al electrón de un átomo de hidrógeno.

Principio de Dualidad de la Materia de Louis de Broglie.Naturaleza ondulatoria de los electrones

Este principio establece lo siguiente:

“Cualquier partícula de materia de masa m, que viaja a una velocidad v, lleva asociada una longitud de onda .”

Ec. De Planck Ec. De Einstein

E = hf E = mc2

hf = mc2

Como, c2 = c chf = m c chf = m c c

de f = c f = 1c

h = mv

Despejando: = h mv

Problema:Determine la longitud de onda de un electrón que viaja a 3x109 cm/s, y de una bala de 15.2 gr que viaja a 300 m/s.

El electrón tiene un comportamiento ondulatorio en su trayectoria alrededor del átomo.

Para tener una órbita estable debe completar un número entero de longitudes de onda:Perímetro,

2r = nSustituyendo , se tiene:

2r = nh Reordenando: mv

mvr = nh 2

Equivalente al Postulado de Bohr.La contribución de Bohr fue importante para la comprensión del comportamiento de los electrones en los átomos, pero tenía muchas situaciones que no explicaba satisfactoriamente.

Principio de Incertidumbre de Heisenberg

“No es posible determinar con precisión la velocidad y la posición de un electrón en un átomo.”

Porque al momento de querer ver al electrón con una “luz” de la misma longitud de onda que el electrón describe en su trayectoria, la energía transmitida lo hace cambiar tanto su velocidad como su posición.