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UNIVERSIDAD NACIONAL JORGE BASADRE GROHMANN

CENTRO PREUNIVERSITARIO

QUMICA

Ing. Javier Nez Melgar

TACNA - PERU

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PRIMERA EDICIN 2002

DERECHOS RESERVADOS COPYRIGHT Centro Pre Universitario de la Universidad Nacional Jorge Basadre Grohmann Tacna

Ninguna parte de este libro puede ser reproducida, grabada en sistema de almacenamiento o trasmitida en forma alguna, ni por cualquier procedimiento, ya sea electrnico, mecnico, reprogrfico, magntico o cualquier otro sin autorizacin previa y por escrito del Centro Pre Universitario

Exclusivo para enseanza en los claustro de la U.N.J.B.G.

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INDICEQUMICA INORGANICA

CAPTULO IPRINCIPIOS ELEMENTALES

1.1. NATURALEZA DE LA QUMICA 11.2. MATERIA 31.3.CAMBIOS DE LA MATERIA 61.4.PROPIEDADES QUIMICAS Y FSICAS 91.5 ENERGA 101.6 RADIACIN ELECTROMAGNTICA 121.7 MEDICIN EN QUMICA 16

CAPITULO IITOMOS Y MOLCULAS2.1 DE DEMOCRITO A DALTON 282.2 DESCUBRIMIENTO DEL ELECTRN 282.3 EL MODELO DE THOMSON 312.4 LA RADIOACTIVIDAD 312.5 EL MODELO NUCLEAR 322.6 EL TAMAO DEL ATOMO 342.7 QUE MANTIENE UNIDO AL NCLEO 352.8 NMERO ATOMICO 362.9 MOLECULAS E IONES 382.10 PESOS ATOMICOS 392.11 EL MOL 392.12 ENERGIA Y TRANSFORMACIN NUCLEAR 40

CAPITULO IIIEL ATOMO Y SU ESTRUCTURA ELECTRNICA3.1.ESPECTROS ATOMICOS Y EL MODELO DE BOHR 503.2. VISION MODERNA DEL ATOMO 543.3. NMEROS CUNTICOS 573.4 PRINCIPIO DE EXCLUSIN DE PAULI 603.5 CONFIGURACION ELECTRNICA DE LOS ELEMENTOS 61

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3.6. REGLA DE HUND 63

CAPITULO IVPERIODICIDAD DE LAS PROPIEDADES DE LOS ELEMENTOS4.1 PERIODICIDAD DE LA CONFIGURACIN ELECTRNICA DE LOS

ELEMENTOS 684.2. LA LEY PERIDICA 714.3. FAMILIAS QUMICAS 764.4. ENERGIA DE IONIZACION 774.5. AFINIDAD ELECTRNICA 784.6. RADIO ATOMICO 804.7. ELECTRONEGATIVIDAD 81

CAPITULO VEL ENLACE QUMICO5.1. EL ENLACE IONICO 875.2. ENLACE COVALENTE 895.3. RESONANCIA 975.4. ORBITALES ATOMICOS : HIBRIDACIN 102

CAPITULO VINOMENCLATURA INORGANICA6.1. ELEMENTOS 1106.2. IONES SENCILLOS 1116.3 FUNCIONES QUIMICAS INORGNICAS 1126.4. OXIDOS 1146.5. HIDROXIDOS 1196.6. OXOACIDOS 1196.7. SALES 121

CAPITULO VIIMTODOS DE IGUALACIN EN LAS ECUACIONES QUMICAS7.1. ECUACION QUMICA 1287.2. BALANCEO DE ECUACIONES 1307.3. TIPOS DE REACCIONES QUMICAS 132

CAPITULO VIIIESTEQUIOMETRIA8.1. EL MOL 1468.2 TIPOS DE FORMULA 151

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8.3 COMPOSICION PORCENTUAL A PARTIR DE LA FORMULA 1528.4. FORMULA EMPIRICA A PARTIR DE LA COMPOSICION

PORCENTUAL 1538.5. RELACIONES EN PESO EN LAS ECUACIONES QUMICAS 157

CAPITULO IXDISOLUCIONES ACUOSAS9.1. TIPOS DE SOLUCION 1669.2 SOLUBILIDAD 1679.3 CONCENTRACION DE LAS SOLUCIONES 172

QUMICA ORGANICA

CAPITULO IINTRODUCCIN1.1 ENLACES EN LOS COMPUESTOS ORGANICOS 1861.2 GRUPOS FUNCIONALES 1881.3 REACTIVIDAD QUMICA 1881.4 MECANISMOS DE REACCION 190

CAPITULO IIALCANOS2.1 NOMENCLATURA DE LOS ALCANOS 196

2.1.1 NOMBRES COMUNES 1962.2. PROPIEDADES FISICAS DE LOS ALCANOS. CONCEPTO

DE HOMOLOGIA 2072.3. REACTIVIDAD QUIMICA DE LOS ALCANOS.- 2092.4. CONFORMACIONES 214

CAPITULO IIICICLOALCANOS3-1 PROPIEDADES FISICAS DE LOS CICLOALCANOS 2173.2 NOMENCLATURA DE LOS CICLOALCANOS 2173-3 ISOMERA GEOMETRICA EN LOS CICLOALCANOS 2193.4-ESTABILIDADES DE CICLOALCANOS; TENSION DEL ANILLO.- 2203.5 CALORES DE COMBUSTIN 220

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CAPITULO IV ALQUENOS4.1 NOMENCLATURA DE LOS ALQUENOS Y CICLOALQUENOS 2304.2 ESTRUCTURA Y PROPIEDADES DE LOS ALQUENOS 2334.3 ESTEREOISOMERIA DE ALQUENOS 2334.4 REACCIONES QUMICAS DE LOS ALQUENOS 236

CAPITULO VALQUINOS5.1. NOMENCLATURA 2375.2 PROPIEDADES FISICAS DE LOS ALQUINOS 2385.3 ETINO 2385.4. REACCIONES DE ADICION DE LOS ALQUINOS 2395.5. LOS ALQUINOS COMO ACIDOS 2405.6 INPORTANCIA COMERCIAL DE LOS ALQUINOS 241

CAPITULO VIHIDROCARBUROS AROMATICOS6.1 NOMENCLATURA DE LOS ARENOS 2436.2 PROPIEDADES FISICAS DE LOS ARENOS 2456.3 REACCIONES DE LOS HIDROCARBUROS AROMTICOS 246

CAPITULO VIIALCOHOLES Y ETERES7.1 NOMENCLATURA 2507.2 AICOHOLES Y ETERES 2527.3. PREPARACIN DE ALCOHOLES 2537.4 REACCIONES DE LOS ALCOHOLES Y ETERES 2557.5 USOS 256

CAPITULO VIIIALDEHDOS Y CETONAS8.1 NOMENCLATURA DE LOS ALDEHIDOS Y CETONAS 2598.2 PROPIEDADES FSICAS DE ALDEHIDOS Y CETONAS 2618.3 SNTESIS DE ALDEHIDOS Y CETONAS 2618.4 REACCIONES DE ALDEHDOS Y CETONAS 2638.5 USOS PRINCIPALES DE ALDEHDOS Y CETONAS 266

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CAPITULO IXACIDOS CARBOXILICOS9.1 NOMENCLATURA 2689.2. PROPIEDADES FISICAS DE LOS ACIDOS CARBOXILICOS 2699.3 REACCIONES DE LOS ACIDOS CARBOXLICOS 2709.4 USOS 271

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PRESENTACION El Centro Pre-Universitario de la Universidad Nacional Jorge Basadre Grohmann que inici sus actividades el 04 de enero de 1988 gracias al empuje de sus autoridades y un grupo de docentes

Ante la carencia de textos didcticos de preparacin, la Jefatura del Centro Pre-Universitario decidi iniciar la elaboracin de los mismos dirigido a llenar este vaco existente. Los docentes concientes del esfuerzo que se deba dedicar respondieron al llamado y fruto de ello es esta serie iniciada en el CEPU verano 2002-II con ejemplares que solo abarcaban unos cuantos cursos, y que hoy en el verano 2003-II se complace en presentar un grupo de 12 textos que cubre todas las materias que se ensean en el Centro Pre-Universitario.

En el rea especifica de Qumica esta tarea ha sido llevada a cabo por el Ingeniero Javier Nez Melgar de la Facultad de Educacin, profesional de amplia experiencia, y esperamos que su esfuerzo rinda el fruto esperado, y que los jvenes sepan responder con mayor dedicacin y esfuerzo.

Joven estudiante pensando en tu preparacin para el ingreso a la Universidad es que se ha preparado este texto, que nos ha demandado bastante esfuerzo humano y material, y que es posible que contenga errores, pero creemos que es as como se avanza, y en el camino se irn corrigiendo. Ahora te planteamos el reto de que sepas responder ante este esfuerzo

Nuestro agradecimiento a la Sra. Doris Medrano y Sr. Wilber Quispe Prez quienes llevaron a cabo el tipeo del original, y a los Srs. Juan Loza y Carlos Chipana encargados de la reproduccin en nuestro centro de impresiones

Ing. Salomn Ortiz QuintanillaJefe del Centro Pre-Universitario de la UNJBG

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CAPTULO IPRINCIPIOS ELEMENTALES

1.1. NATURALEZA DE LA QUMICA

La qumica es una ciencia que estudia la naturaleza de la materia y los cambios que sufre en su composicin. Esta ciencia constituye una rama de las ciencias fsicas estrechamente relacionada con la fsica y que se extiende a varias disciplinas, desde la biologa hasta la geologa.

No es posible trazar una lnea divisoria entre la qumica y las otras ciencias fsicas y naturales; por ejemplo hoy en da la biologa ha venido a depender considerablemente de la qumica celular; la geologa estudia en parte la composicin qumica de rocas y minerales. Por consiguiente, la qumica se puede encontrar en casi todas las ciencias naturales.

Slo en el ao 600 A.C. surgieron los comienzos de la teora qumica. Tales, filsofo, astrnomo y gemetra, nacido en Mileto en el Asia menor, en el ao 640 A.C. observ que el agua se encuentra en grandes cantidades en el cuerpo del hombre y de otros seres vivos. De aqu, por razonamiento deductivo, sugiri la teora de que el agua era la sustancia fundamental de la que todas las cosas materiales estaban hechas. Posteriormente Anaxmenes tambin de Mileto y que muri alrededor del 525 A.C., propuso que el aire era la sustancia primordial. Herclito filsofo de principios del siglo V A.C., postul al fuego como sustancia elemental. El filsofo Empdocles, fue el primero en expresar la idea de que la materia estaba compuesta de cuatro elementos : aire, tierra, fuego y agua.

Leucipo y Demcrito 400 aos A.C., fueron los primeros defensores de la discontinuidad, Demcrito denomin tomos a estos grnulos pequesimos e indivisibles. Por lo tanto el concepto de que la materia no es indefinidamente subdivisible se conoce como atomismo.La primera qumica (alquimia) se extendi desde Alejandra por todo el mundo rabe, donde la bsqueda ms afanosa...era la transmutacin de los metales, y el elixir de la salud inmortal (Gibbon). Ambos objetivos eran perseguidos al mismo tiempo. Exista la creencia general de que una sustancia capaz de transmutar metales en oro y plata transfigurara todo lo que tocara. Al cuerpo

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2 QUMICA Centro Pre Universitario de la UNJBG humano le sera otorgada la salud eterna, y al alma la perfeccin espiritual. Muchos escritos sobre la alquimia reflejaban el misticismo de las religiones de Oriente Medio y posteriormente, de Extremo Oriente. Las fuerzas de la alquimia sufrieron un cambio poco despus del ao 1500, fundamentalmente por el trabajo de un Suizo, Philipus Aureolus Theophrastus Bombastus Von Hohenheim. Mejor conocido con el seudnimo de Paracelso, que significa mejor que Celsus. Paracelso emple mtodos alqumicos con el fin de encontrar medicinas para curar enfermedades. Durante su vida adquiri una gran reputacin como fabricante de drogas y como mdico en gran parte de Europa.

Durante el renacimiento se puso de moda buscar la verdad mediante la razn y disminuy el nmero de alquimistas charlatanes. El objeto de atencin de la alquimia pasaran a ser temas tales como las propiedades de los gases, temas que, nos parecen mucho menos ocultos que los anteriores objetos de investigacin.

En 1743, nace el qumico francs A.L. Lavoisier, quien se interes en el proceso de la combustin, pero a diferencia de muchos dise cuidadosamente sus experimentos. Lavoisier procedi a quemar todo lo que caa en sus manos, incluso un diamante, pudo explicar correctamente que la aparente prdida de peso que acompaaba la combustin de una sustancia como la madera es simplemente el resultado de los productos de combustin de carcter gaseoso.

Para mejor comprensin del amplio campo de la qumica podemos dividirla en las siguientes partes.

La qumica inorgnica que se encarga de estudiar a todos los elementos y sus compuestos.

La qumica orgnica que estudia principalmente a los compuestos del carbono, excluyendo al CO, CO2, H2CO3 y sales que contengan al in 23CO .

La fisicoqumica que estudia el equilibrio y la termodinmica de las reacciones qumicas, as como la energa asociada al cambio qumico.

La qumica analtica que se encarga de dar a conocer los principios y mtodos tcnicos del anlisis qumico, tiene como objetivo la determinacin de la composicin qumica de las sustancias o de sus mezclas. Se subdivide en:

a) Qumica analtica cualitativa que identifica los diversos elementos e iones

[Escribir texto]

que intervienen en la composicin de una sustancia.

b) Qumica analtica cuantitativa que determina la cantidad de cada elemento o in que entra en la composicin de la sustancia.

1.2. MATERIA

La qumica se define a menudo como la investigacin de la materia y los cambios que esta sufre. Qu es entonces la materia y qu se entiende por cambio?

Materia es todo aquello que tiene una masa y ocupa un lugar en el espacio. Los metales, las plantas, el hombre, las perlas y los minerales son algunas de las innumerables cosas que estn compuestas por materia.

El efecto de la gravedad sobre la masa se llama peso, es uno de los aspectos ms tiles de la materia con que est relacionado el qumico.

Considerando primero los tipos existentes de materia, se observa que su estado es variable. Un slido puede ser cambiado por lquido al aumentar la temperatura y sufrir otro cambio por gas al seguir aumentando esta. Este cambio de estado va asociado con la energa porque sta hace que las molculas vibren ms vigorosamente. Cuando las molculas absorben energa (Fig. 1.1 ) hay un movimiento que ocasiona desorden, lo que es posible porque la energa permite a las molculas vencer las fuerzas de atraccin al tener energa para moverse a mayor velocidad y a mayores distancias

4 QUMICA Centro Pre Universitario de la UNJBG

Fig. 1.1Esta tendencia hacia el desorden se llama a menudo incremento de la entropa.Los dos tipos de sustancias (Fig. 1.2) son elementos y compuestos. Cada uno de los elementos es una sustancia simple constituida por una sola clase de tomos. Alrededor de 90 de ellos se hallan en la naturaleza y el resto son artificiales. A cada uno se le asigna un smbolo, tal como Zn para el Cinc, y un nmero conocido como nmero atmico (Zn = 30), designado como 30Zn. El nmero atmico nos permite conocer la cantidad de protones (cargas positivas) en el ncleo.

Otra clase de sustancias es la de los compuestos. Un compuesto est constituido por dos, ms, tipos de tomos unidos entre s.

A cada elemento o compuesto se le asigna una frmula que represente su composicin atmica, y con subndices apropiados se indica la relacin del nmero de tomos de cada elemento en el compuesto. Por ejemplo el elemento cloro se encuentra ms frecuentemente en la forma de molcula diatmica y se representa por la frmula Cl2. El compuesto benceno est constituido molecularmente por seis tomos de carbono y seis tomos de hidrgeno y se representa por la frmula C6H6. La sal comn, llamada tambin cloruro de sodio, se representa por NaCl, aunque esta especie qumica est realmente constituda por iones, si bien en la proporcin de un in sodio por cada in cloruro : Na+ Cl-.

[Escribir texto]

Cuando se juntan dos o ms sustancias, sin relacin definida de pesos, se habla de mezclas. Una solucin, tal como cloruro de sodio disuelto en agua, es un tipo especial de mezcla llamada mezcla homognea. Los trminos homogneo y heterogneo se aplican a soluciones y mezclas propiamente dichas respectivamente. De ordinario se usa el criterio de diferenciacin visual para hacer una diferencia entre ambos fenmenos. Por ejemplo, una fruta es una mezcla heterognea debido a que es posible distinguir sus partes basndose en las diferencias de color, textura, dureza, etc., pero el aire es una solucin, es decir una mezcla homognea dado que no podemos distinguir visualmente sus partes.

La distincin entre soluciones verdaderas y coloides es materia de grado ms que de forma y la clasificacin es muy arbitraria. En general, las soluciones estn compuestas de mezclas ntimas de partculas de tamao atmico, inico o molecular, con la limitacin adicional de que los iones o molculas involucradas son relativamente pequeas. Por otro lado, los coloides contienen molculas ms grandes o iones de agregados estables de pequeas partculas. De esta manera se puede usar una clasificacin operativa:

6 QUMICA Centro Pre Universitario de la UNJBG

Fig. 1.2

[Escribir texto]

Una solucin es una mezcla homognea cuyas partculas componentes son

menores que ~ 310 03A .

1.3. CAMBIOS DE LA MATERIA

Estos se clasifican en fsicos y qumicos (Fig. 1.3)

C A M B I O S D E L A M A T E R I A

F I S I C O S Q U M I C O S

( N o s e f o r m a n n u e v a s s u s t a n c i a s )( S e f o r m a n n u e v a s s u s t a n c i a s )Fig. 1.3

Un cambio del estado slido al lquido, es un cambio fsico ya que no hay cambio en la composicin e implica una fusin (Fig. 1.4); en la ebullicin ocurre un cambio del estado lquido al estado gaseoso. La conversin de un slido a gas se llama sublimacin y ciertas sustancias como el yodo y el dixido de carbono a 1 atm de presin, presentan esta propiedad. A menudo, las mezclas de lquidos se pueden separar gracias a sus diferencias en sus puntos de ebullicin. A baja temperatura, el componente lquido que tiene el punto de ebullicin ms bajo se vaporizar en mayor proporcin que otros componentes. Enfriando el vapor a su temperatura de condensacin se obtiene un lquido ms rico en el primer componente. Este proceso llamado destilacin puede repetirse para cada una de las diferentes porciones del destilado con el fin de separar completamente los componentes de la mezcla original (destilacin fraccionada).

Fig. 1.4

8 QUMICA Centro Pre Universitario de la UNJBG El trmino fase puede confundirse con estado. Un estado es una de las tres formas de la materia: gas, lquido o slido; pero una fase es una parte homognea de un sistema, fsicamente distinta, y que puede estar en cualquiera de los tres estados. As, dos lquidos inmiscibles como el agua y el tetracloruro de carbono, estn en el mismo estado, pero si se colocan en el mismo recipiente, ser dos fases separadas (Fig. 1.5). Cualquier sistema con ms de una fase se llama heterogneo (Fig. 1.6).

Fig. 1.5 Fig. 1.6

Cambio qumico es aquel que partiendo se sustancias llamadas reactivos permite producir sustancias nuevas llamadas productos. Cuando el total de los reactivos se convierten en productos, se dice que la reaccin es estequiomtrica. La reaccin de este tipo se puede representar de la manera que a continuacin se indica:

A+B C+D

Reactivos Productos

Las reacciones cuyos productos reaccionan entre si para volver a formar los reactivos iniciales hasta llegar a un equilibrio se llaman reacciones en equilibrio

A + B C + D

La prueba de que se efecta un cambio qumico implica una o ms de las siguientes circunstancias

1. Se produce un gas

[Escribir texto]

Zn(s) + 2 HCl(aq) Zn Cl2(aq) + H2(g)

2. Se forma un precipitado

Ag+(aq) + Cl(aq) Ag Cl(s)

3. Se observa un cambio de energa

CH4(g) + 2 O2(g) CO2(g) + 2 H2O(l )

4. Ocurre un cambio de color

N2 O4(g) 2N O2(g)

gas incoloro gas pardo rojizo

Como puede verse, una ecuacin representa una reaccin qumica que identifica a las sustancias que toman parte en la reaccin, por sus frmulas.

Se indica el estado fsico de los reactivos y productos, usando:

(g) para sustancias en estado gaseoso(s) para slidos( l) para lquidos puros(aq) para sustancias disueltas en agua

Observe que las ecuaciones se ajustan, no pudindose cambiar los subndices de las frmulas. El ajuste se refiere no slo a la cantidad de tomos en cada miembro de la ecuacin, tambin se refiere a la carga elctrica.

Otra consideracin que es importante para el cambio estequiomtrico es el hecho de que, en condiciones ordinarias, la materia no se crea ni se destruye. Si se empieza con cinco gramos de reactivos se debe terminar con cinco gramos de productos. La medicin de materia perdida por su conversin en energa en un cambio qumico ordinario no es detectable en el laboratorio. Slo en cambios como el que ocurre en una explosin atmica se puede medir la conversin de materia en energa. La ecuacin de Einstein establece que, realmente, materia y energa son las dos caras de la misma moneda

E = m c2

donde: E = energa

10 QUMICA Centro Pre Universitario de la UNJBG m = masac2 = velocidad de la luz al cuadrado

1.4. PROPIEDADES QUIMICAS Y FSICAS

Como ha podido verse las propiedades qumicas de las sustancias son aquellas que se asocian en las reacciones qumicas: procesos en los cuales las distribuciones electrnicas alrededor de los ncleos de las especies participantes se alteran sin que se produzca cambio en la composicin nuclear. Otros ejemplos son procesos tales como la reaccin del sodio metlico con el agua para formar hidrgeno en forma de gas e hidrxido de sodio; la combustin de la gasolina en el motor de un automvil; la fermentacin de los azcares; y la fabricacin de jabn a partir de grasas.

Las propiedades fsicas son aquellas que afectan directa o indirectamente nuestros sentidos y nos permiten describir los objetos; se subdividen en extensivas (dependen de la cantidad de muestra) e intensivas (no dependen de la cantidad de muestra), no implican cambios mayores en las distribuciones electrnicas alrededor de los ncleos. Entre ellas estn:

Densidad, la relacin entre la masa y el volumen de una sustancia. Las densidades de los lquidos o gases se pueden determinar midiendo independientemente la masa y el volumen de la sustancia. En el caso de los slidos, la densidad en ms difcil de determinar. En primer lugar, se mide la masa del slido, pesndola en una balanza. El volumen se determina de manera indirecta, midiendo el volumen de lquido desplazado por el slido.

Punto de fusin, la temperatura a la que una sustancia pura cambia de slido a lquido. El punto de fusin de una sustancia pura es idntico a su punto de congelacin.

Punto de ebullicin, la temperatura a la que un lquido hierve formando un vapor.

Solubilidad, el grado en que una sustancia se disuelve en un determinado solvente. La solubilidad se suele expresar como los gramos de soluto disueltos en 100 g de agua, cuando el solvente es el agua y a determinada temperatura.

Midiendo varias propiedades fsicas y comparndolas con valores conocidos, es posible identificar una sustancia. Supongamos que una sustancia tiene una

[Escribir texto]

densidad igual a 0,659 g/ml, su punto de fusin es de 94 C, su punto de ebullicin es de 69 C, y su solubilidad en ter es muy grande. Obviamente se trata de hexano ya que las propiedades mencionadas coinciden con las propiedades fsicas del hexano que aparecen en los manuales correspondientes.

1.5 ENERGA

La relacin entre la masa y la energa est regida por la ecuacin de Einstein E = m c2 en donde la energa en ergios, E, es equivalente a la masa en gramos, m, por el cuadrado de la velocidad de la luz, c. La velocidad de la luz en el vaco es 2,998 x 1010 cm / s. Entonces, 1 gramo de masa es equivalente a 1 x (2,998 x 1010 cm / s)2 es decir, aproximadamente 9 x 1020 ergios.

Antes de seguir adelante conviene hacer la siguiente puntualizacin. Normalmente nos referimos a c como la velocidad de la luz, y sin duda lo es. Sin embargo, usando una terminologa ms correcta deberamos referirnos a ella como la velocidad de la radiacin electromagntica. La luz visible es nicamente una clase particular de una gran variedad de ondas, todas las cuales se mueven a velocidad c. Esta familia incluye rayos ultravioletas, ondas de radio, rayos X, microondas y rayos gamma. Se puede pensar en todas ellas como compuestas de fotones, aunque la longitud de onda del fotn correspondiente a cada clase es diferente. Todas se mueven a la misma velocidad y la luz visible no tiene ninguna caracterstica especial sino que es un miembro ms de la familia de radiaciones electromagnticas.

La energa se define como la capacidad de realizar trabajo y el trabajo se define como el producto de la fuerza por la distancia a lo largo de la cual actua. As, en ltimo trmino, la energa esta relacionada con la capacidad de producir una fuerza que acte a lo largo de una distancia determinada. Por ejemplo, al levantar un objeto pesado los msculos del brazo ejercen una fuerza que contraresta la fuerza de la gravedad que atrae el objeto. Esta fuerza acta a lo largo de toda la distancia que desplazamos el objeto. Se ha realizado trabajo (fuerza x distancia) sobre el objeto y con ello el objeto ha adquirido tambin la capacidad de realizar trabajo.

Por ejemplo, si el objeto cae ejercer una fuerza sobre cualquier otro objeto que encuentre a su paso. En definitiva cuando levantamos un objeto realizamos trabajo sobre el mismo; pero cuando ha sido ya levantado, l a su vez, puede realizar trabajo sobre otra cosa y por tanto, posee energa. Esta energa, esta asociada con la posicin del objeto (cuanto ms alto est, ms energa tiene) y recibe el nombre de energa potencial.

12 QUMICA Centro Pre Universitario de la UNJBG En este ejemplo hemos hablado de la energa que adquiere un objeto al ser levantado en presencia de un campo gravitacional. Pero hay otras clases de energa potencial asociadas con otras clases de fuerzas. Por ejemplo si el electrn del tomo que se muestra en la figura 1.7; se encuentra originalmente en el punto A y lo desplazamos a hasta B, tenemos que realizar trabajo para superar la fuerza elctrica atractiva entre el ncleo y el electrn. El electrn adquiere energa potencial en este proceso, del mismo modo que el objeto adquiri energa al elevarlo en contra de la fuerza de la gravedad. En consecuencia, el movimiento de electrones en las proximidades del ncleo o la redistribucin de electrones en un conjunto de tomos cambiar la energa del sistema.

Fig. 1.7

Dado que este tipo de redistribucin tiene lugar en las reacciones qumicas, nos referimos a menudo a esta clase de energa, como energa potencial qumica para distinguirla de la energa potencial gravitatoria. Por ejemplo, la energa que se obtiene de la combustin de la gasolina, necesaria para poner un coche en movimiento, proviene en ltima instancia de la energa potencial qumica liberada al convertirse largas cadenas de hidrocarburos en otras ms pequeas con la consiguiente redistribucin de electrones.

Tambin hay una energa asociada al movimiento, la llamada energa cintica. Por ejemplo, en el juego de bolos debe ejercerse una fuerza con la mano a lo largo de una distancia para conseguir que la bola se deslice sobre la pista. Cuando la bola alcanza los bolos algunos de ellos salen despedidos por los aires (adquiriendo energa potencial en el proceso) y otros son simplemente desplazados. As, pues, se suministra energa a la bola con la mano, de la misma manera que se suministra energa a un objeto al levantarlo contra un campo gravitacional. Materialmente, la energa cintica se describe como la mitad del producto de la masa de la partcula por su velocidad al cuadrado.

[Escribir texto]

Ec = 2

2mv

A finales del siglo diecinueve, los fsicos conocan dos tipos de energa cintica y potencial -, y muchas subclases de cada una de ellas. Saban, adems, que aunque la energa de un sistema aislado poda cambiar de forma, la energa total del sistema se mantena constante en el tiempo. Por ejemplo, hemos dicho que la energa qumica de la gasolina poda convertirse en la energa cintica de un automvil. Este es un proceso en el que la energa cambia de forma, pero la energa del coche siempre ser menos que ( como mucho igual a) la energa potencial cedida por la gasolina. Esta conclusin segn la cual la energa no se crea ni se destruye recibe el nombre de principio de conservacin de la energa y constituye uno de los pilares de la fsica clsica.

UNIDADES DE ENERGALa unidad de energa mecnica es el ergio, o sea la energa producida cuando una dina de fuerza acta a lo largo de una distancia de 1 cm. Una dina es la fuerza que al actuar sobre 1 g de masa produce una aceleracin de 1 cm/s2. Un julio es 107 ergios. La energa calorfica se mide en caloras y una calora es la energa calorfica necesaria para elevar la temperatura de 1 g de agua de 15 a 16C. Una calora es equivalente a 4.18 julios. Se debe mencionar otra unidad de energa para ahondar en esta rea. Las aplicaciones prcticas de los electrn-voltios (eV) en los laboratorios no son tan amplias como las caloras y los julios, pero tienen su uso. Un electrn-voltio es la cantidad de energa que obtiene un electrn al pasar entre dos puntos que tienen una diferencia de potencial de un voltio.

1.6 RADIACIN ELECTROMAGNTICA

Las cargas elctricas originan en un punto del espacio, perturbaciones, en este caso vibraciones, no materiales que se propagan en forma de movimiento ondulatorio, dando lugar a campos elctricos y magnticos; hay propagacin de la perturbacin pero no de materia. Los campos elctricos y magnticos se propagan perpendicularmente entre s constituyendo la radiacin electromagntica. Todo el conjunto de radiaciones electromagnticas da lugar al espectro electromagntico. En toda radiacin hay que considerar su energa, su longitud de onda y su frecuencia.

La longitud de onda, , es la distancia entre dos puntos con las mismas caractersticas en el camino que sigue la radiacin; es decir, la distancia entre

14 QUMICA Centro Pre Universitario de la UNJBG el pico de una y otra cresta. El otro smbolo en el diagrama (a) es la altura de la onda llamada amplitud Fig. 1.8. La longitud de onda se mide en unidades de longitud, y segn la radiacin que se considere, se expresa desde Km = 105 cm a m = 102 cm, hasta nm = 10-9m y angstrons A = 10-8cm, eligindose para cada tipo de radiacin las unidades ms cmodas de manejar.

Fig. 1.8

La frecuencia, v, es el nmero de vibraciones en la unidad de tiempo. Se mide en s-1, ciclos por segundo, o hertz (Hz), unidad as denominada en honor a Heinrich Hertz.

La relacin que liga la longitud de onda, , y la frecuencia, , es:

= vc

, siendo c la velocidad de la luz = 3 x 1010 cm/s.

A cada radiacin le corresponde una determinada energa radiante, E, que se relaciona con la longitud de onda y la frecuencia, por las expresiones:

E = h v y E = h c/ ; h es una constante universal, la constante de Planck, y su valor es h = 6,625 x 10-27 erg.s; como vemos h tiene las dimensiones de energa multiplicada por tiempo.

Ejemplo 1.1.

Cul es la frecuencia de una radiacin electromagntica cuya longitud de onda es 250 nm?

1) Se ordena los datos verificando que las unidades sean las adecuadas = x = 250 nm = 2,5 x 10-5 cmc = 300 000 km/s = 3 x 1010 cm/s

[Escribir texto]

2) Resolviendo la ecuacin

= c

= cmxscmx

5

10

105.2/103

= 1.2 x 1015 ciclos/s ( herts)

Se deduce de la ecuacin que relaciona la energa radiante con la longitud de onda, E = h c/ , que las ondas con menor longitud son las que tienen una mayor energa; por el contrario las ondas de mayor longitud han de corresponder a las de menor energa (Fig. 1.9).

La luz blanca, compuesta por los distintos colores, es el conjunto de radiaciones electromagnticas que impresionan al sentido de la vista.

Si la luz blanca, pasa a travs de un prima ptico, al salir ha cambiado de direccin, se ha refractado, y adems se dispersa: es decir, el haz emergente se ha descompuesto en sus colores o sus radiaciones electromagnticas de diferente longitud de onda.

16 QUMICA Centro Pre Universitario de la UNJBG Fig. 1.9

Recogiendo el haz emergente sobre una pantalla tendremos un espectro de emisin continuo (Fig. 1.10), compuesto por diversos colores, el color rojo corresponde a la radiacin de menor energa y el violeta a la mayor energa.

Fig. 1.10

Ejemplo 1.2.

Cul es la energa de un fotn de luz roja ( = 760 nm)? 1) Se ordena los datos verificando que las unidades sean las adecuadas

E = xh = 6,62 x 10-27 ergio. s

= c

= cmxscmx

5

10

106,7/103

2) Resolviendo la ecuacin

E = h c

E = cmx

scmsergiox5

1027

106,7/103.1062,6

[Escribir texto]

E = 2,6 x 10-12 ergios

1.7 MEDICIN EN QUMICA NOTACION CIENTFICA

Es un mtodo de expresar nmeros que debido a su eficiencia es muy utilizado. Es una escritura con exponentes. El exponente indica cuantas veces se multiplica un valor por s mismo. A continuacin unos ejemplos:

22 = 2 x 2 = 4

33 = 3 x 3 x 3 = 27

103 = 10 x 10 x 10 = 1 000

270 = 2,7 x 102

400 = 4,0 x 102

Cuando un nmero es menor que 1, se aplica el mismo mtodo, pero se invierte la direccin en que se desplaza el punto decimal. La inversin se indica por medio de exponentes negativos.

0,1 = 1 x 10-1

0,01 = 1 x 10-2

0,035 = 3,5 x 10-2

0,0005 = 5,0 x 10-4

MANEJO DE EXPONENTES

1.Cuando la operacin implica multiplicacin, sume los exponentes algebraicamente; por ejemplo:

103 x 104 = 107 102 x 10-8 = 10-6

2.Cuando la operacin implica divisin, reste el exponente del divisor del exponente del numerador, por ejemplo:

18 QUMICA Centro Pre Universitario de la UNJBG

42

6

101010

=

52

3

101010

=

3.Cuando la operacin involucra races o potencias, divida el exponente por el nmero de la raz, o multiplique el exponente por el nmero de la potencia, respectivamente; por ejemplo:

2 810 = 28

10 = 410

5 1010 = 510

10 = 210

( 210 )3 = 102x3 = 106

( 110 )-3 = 10(-1) (-3) = 103

UNIDADES SI

UNIDADES BASICAS

El Sistema Internacional de Unidades o Sistema Internacional (SI), que viene a ser una ampliacin del sistema mtrico, fue adoptado en la 11 Conferencia General de Pesos y Medidas en 1960. Est construido a partir de siete unidades bsicas, representando cada una de ellas una magnitud fsica en particular (tabla 1.1).

[Escribir texto]

Magnitud fsica

1. Longitud metro m2. Masa kilogramo kg3. Tiempo segundo s4. Temperatura kelvin k5. Cantidad de sustancia mole mol6. Intensidad de corriente amperio A7. Intensidad de Luz candela cd

Nombre de la Unidad Smbolo

Tabla 1.1 Unidades bsicas del SI

De las siete unidades de la tabla 1.1, las cinco primeras son particularmente tiles en qumica general. Se definen as:1. El metro se defini en 1960 como igual a 1 650 763, 73 veces la longitud

de onda de una cierta lnea en la regin del rojo-naranja, del espectro de emisin del criptn 86.

2. El kilogramo es la masa igual a la de un bloque de platino-iridio que se conserva en la Oficina Internacional de Pesos y Medidas de Svres, en Francia.

3. El segundo se defini en 1967 como el tiempo que tardan en producirse 9 192 631 770 perodos de una determinada lnea del espectro de microondas del cerio-133.

4. El kelvin es 1/273,16 del intervalo de temperatura entre el cero absoluto y el punto triple del agua (0,01C = 273,16K).

5. El mol es la cantidad de sustancia que contiene el mismo nmero de entidades elementales que la constituyen que los tomos que hay en 0,012kg, exactamente, de carbono-12.

Prefijos usados con unidades SI

Las fracciones decimales y potencias del SI se designan usando los prefijos de la tabla 1.2. Los ms usados en qumica general aparecen subrayados.

20 QUMICA Centro Pre Universitario de la UNJBG

Factor Factor

1012 tera T 10-1 deci d109 giga G 10-2 centi c106 mega M 10-3 mili m103 kilo k 10-6 micro u102 hecto h 10-9 nano n101 deca da 10-12 pico p

10-15 femto f10-18 atto a

Tabla 1.2 Prefijos del SI

Prefijo Smbolo Prefijo Smbolo

CONVERSIN DE UNIDADES DEL SI EN OTRAS UNIDADES

TEMPERATURANuestros cuerpos son muy sensibles a los cambios de temperatura. Cuando nos acercamos a un fuego sentimos calor porque su temperatura es mayor que la nuestra. Cuando abrimos el refrigerador percibimos el fro porque su temperatura es ms baja que la nuestra. La temperatura es el factor que determina la direccin del flujo de calor. En general, cuando dos objetos de distinta temperatura se ponen en contacto el calor fluye desde el que tiene la temperatura mayor al que la tiene menor. Los termmetros de mercurio que usamos en el laboratorio, estn divididos en grados centgrados o Celsius, en honor del astrnomo Anders Celsius (1704 - 1744). En esta escala el punto de fusin del agua se hace igual a 0C y el punto de ebullicin a una atmsfera a 100C. En pases de habla inglesa es comn una escala basada en el trabajo de Daniel Fahrenheit (1688 - 1736), un fabricante alemn de aparatos cientficos que fue el primero en utilizar el termmetro de mercurio. En esta escala los puntos normales de fusin y ebullicin del agua son 32 y 212, es decir:

32F = 0C; 212F = 100C

La relacin entre la temperatura expresada en ambas escalas es:

F = 9/5 (C) + 32

Otra escala de temperatura, de especial utilidad cuando se trabaja con gases,

[Escribir texto]

es la escala absoluta o escala Kelvin. La relacin entre las temperaturas K y C es:

K = C + 273 (Fig. 1.11.)

Esta escala lleva el nombre de Lord Kelvin, que mostr matemticamente, que es imposible alcanzar una temperatura inferior a 0 K.

CONVERSIN DE UNIDADES POR FACTORES UNITARIOS

Cualquier cantidad puede multiplicarse por la unidad sin cambiar su valor. As mismo podemos expresar el valor de una cantidad cambiando las dimensiones mediante la conversin de una medida al equivalente total de sus unidades: cambian los nmeros pero no cambia el valor. Por ejemplo, si alguien pregunta el nmero de centmetros que hay en dos metros, respondemos 200cm.

2 m x mcm

1100 = 200 cm

- -Fig. 1.11

22 QUMICA Centro Pre Universitario de la UNJBG

El factor unitario 100cm/1m tiene el valor de la unidad debido a que cualquier fraccin cuyo numerador y denominador son equivalentes, es igual a uno. La conversin se hace multiplicando la cantidad por los factores unitarios apropiados hasta que puedan cancelarse todas las dimensiones, excepto las deseadas en la respuesta.

Ejemplo 1.3.

Convierta 20 pulgadas a centmetros:Primero, busque el factor de conversin

20 pulgadas x adapucm

lg154,2

factor de conversin

Segundo, proceda a eliminar las unidades asegurndose que su respuesta contiene las unidades deseadas

20 pulgadas x adapucm

lg154,2

50.8 cm

Ejemplo 1.4.

Convierta 3 caloras a ergios usando los factores adecuados

3cal xcaljulios

18,4

x julioergios

110 7

12,54 x 107 ergios

Expresando el resultado con una sola cifra entera y en notacin cientfica

1,254 108 ergios

PROBLEMAS RESUELTOS

EJEMPLO TIPO SOBRE UNIDADES. FACTORES DE CONVERSIN

[Escribir texto]

1. Un tren corre a 90 millas por hora Cul es su velocidad en metros por segundo?A partir de las relaciones:

1 milla = 1,609 km1 km = 1 000 m1 hora = 60 minutos1 minuto = 60 s

se buscan los factores de conversin, de manera que se cancelen las unidades dadas y queden las que se piden

90 horamillas

x milla

km609,1 x

kmm1000

x 601

utoshora

min x

suto

60min1

90 horamillas

= 40,22 sm

2. Cul es la masa en libras de un objeto cuya masa es de 2 400g. La relacin entre ambas unidades es 1 libra = 453,6g?

Por tanto:

1 = libra

g6,453y 1 = g

libra6,453

1

multiplicando 2 400g por el factor de conversin

glibra

6,4531

, igual a 1, se tiene

2 400g x glibra

6,4531

= 5,289 libras

3. Transforme 5,50 x 10-5 cm en nm a partir de las relaciones

1 m = 100cm

24 QUMICA Centro Pre Universitario de la UNJBG 1nm = 10-9m

Se buscan los factores de conversin

5,50 x 10-5 cm x cmm

1001

x m

nm910

1

5,50 x 10-5 cm = 5,50 x 102 nm

4. Convierta 300ml en litros usando notacin cientfica

300ml = 3 x 102 ml

multiplicando por el adecuado factor de conversin

3 x 102 ml mll

3101 = 0,3 l = 3 x 10-1 litros

5. Cul es la densidad en g/cm3 de un lquido 840 cm3 del cual pesan 1 kg?

Dado que 1kg = 1000g

1cm3 pesar 840

1000g, es decir 1,190g

Por tanto, la densidad es 1,190g/cm3

6. Cul es el costo de 3 litros de un aceite de densidad 0,8g/cm3, que se vende a 3 soles el kilogramo? Usando factores de conversin.

3 litros x 1000 litrocm 3 x 0,8 3cm

g x g

kg1000

1 x 3 kg

soles

7.2 soles

7. A 4C, la densidad del agua en el sistema ingls es 62,43 libras/pie cbico. Cul es el volumen en litros ocupado por 1200g de agua?

Volumen = densidadmasa

= cbicopielibras

g/43,62

2001

[Escribir texto]

librascbicopieg

43,622001

x g

libra6,453

1 x

cbicopielitros316,28

= 1.2 litros

8. Expresar la temperatura 100 F en C.

Como los 32F corresponden al 0C, hay que restar primero 32 del valor Fahrenheit para conocer los grados Fahrenheit situados por encima del C.

100F - 32F = 68F

Sabemos que 100C = 180F, el factor de conversin es

1 = FC

180100

= FC

95

Por tanto

68F x FC

95

= 37,7C

9. Expresar la temperatura de 50C en F. Para convertir C en F usamos la

expresin:

59 C

+ 32 = F

5)50(9 C

+ 32 = F

122F

10. Expresar la temperatura 68F en grados absolutos Kelvin.Como los 32F corresponden al 0C, usamos la expresin ya conocida:

59 C

+ 32 = F

26 QUMICA Centro Pre Universitario de la UNJBG

C = 9

5)32( F

20C

Al valor encontrado en grados centgrados se le suma 273 para obtener la temperatura absoluta en grados Kelvin

20C + 273 = 293K

11. Si la energa cintica de una pelota en movimiento es 5 X 107 ergios. Cul es su valor en julios?

Partiendo de la relacin: 1 julio = 107 ergios, se tiene el factor de conversin

x 107 ergios x ergiosjulio

7101

= 5 julios

EJEMPLO TIPO SOBRE LA ENERGA

12. Cul es la frecuencia de una radiacin cuya longitud de onda es 750 nm?

1) Ordenando datos y verificando compatibilidad de unidades

c 3 x 1010 cm/s

750 nm = 7,5 x 10-5 cm

?

750 nm x nmm

9101

x mcm

1100

= 7,5 x 10-5 cm

2) Resolviendo la ecuacin

= c

= cmscm

5

10

105.7/103

=

= 4 x 1014 s-1 ( hertz)

13. Cul es la energa de un fotn de luz violeta ( = 420 nm)?

[Escribir texto]

1) Ordenando datos para la frmula E = hv

E ?

h 6.62 x 10-27 ergios (s)

= c

= cmscm

5

10

102.4/103

2) Resolviendo la ecuacin

E = cm

scmsergios5

1027

102.4)/103()(1062.6

E = 4.7 x 10-12 ergios

14. A qu velocidad se mueve un objeto de 4g cuya energa cintica es de 8 x 106 ergios?

1) Ordenando datos para la ecuacin

E = 2

2mv

v ?

m 4g

E 8 x 106 ergios

Despejando la velocidad y resolviendo la ecuacin

E = 2

2vm

mE2

= v 2

Dado que las unidades usadas son del sistema c.g.s, la velocidad se

28 QUMICA Centro Pre Universitario de la UNJBG obtendr en cm/s.

v = mE2

v = gergios

41082 6

v = 2 x 103 cm/s

15. Cul es la cantidad de energa que se produce en una explosin nuclear en la que 3g de materia se han transformado ntegramente en energa?

1) Ordenando para la ecuacin E = mc2

E ?

m 3g

c 3 x 1010 cm/s

2) Resolviendo la ecuacin

E = m c2

= 3g x 9 x 1020 cm2/s2

E = 2,7 x 1021 ergios

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CAPITULO IITOMOS Y MOLCULAS

2.1 DE DEMOCRITO A DALTON

Demcrito pensaba que el mundo estaba formado por dos cosas, el vaco y diminutas partculas a las que llam tomos, palabra que viene del griego y significa indivisible. Tambin opinaba que los tomos eran muy pequeos y no podan destruirse ni fragmentarse.

En 1808 John Dalton, profesor ingls de ciencias, destac que el comportamiento qumico de la materia poda explicarse suponiendo que la materia est compuesta de tomos. Dalton propuso:

1. Que la materia est compuesta de pequeas partculas llamadas tomos.2. Los tomos son permanentes e indivisibles y no pueden crearse ni

destruirse.3. Todos los tomos de un elemento son idnticos en todas sus propiedades

y los tomos de elementos diferentes tienen propiedades diferentes.4. El cambio qumico consiste en la combinacin, separacin o

reordenamiento de tomos.5. Los compuestos estn constituidos por tomos de elementos diferentes en

proporciones fijas.

Al igual que Demcrito, Dalton crey incorrectamente que el tomo era la partcula ms pequea de la materia. Experimentos posteriores demostraron que los tomos estn constituidos por unidades todava ms pequeas. Hasta hoy da los fsicos han determinado ms de 100 partculas subatmicas diferentes. Afortunadamente, slo tres partculas subatmicas son importantes en el estudio introductorio de la qumica: el electrn el protn y el neutrn.

2.2 DESCUBRIMIENTO DEL ELECTRON

- 29 -

30 QUMICA Centro Pre Universitario de la UNJBG A mediados del siglo diecinueve, los fsicos experimentaban con un nuevo fenmeno que se intua iba a cambiar drsticamente la excesivamente simplificada imagen atmica de la materia. Por aquel entonces se estaban estudiando las propiedades elctricas de los gases enrarecidos mediante un aparato especial. Dicho aparato consista en un tubo de vidrio, en cuyo interior se haba hecho un vaco casi total, y que llevaba en cada extremo una placa metlica.

Cuando se aplico una diferencia de potencial elctrico entre las dos placas, se observ un extrao fenmeno. Una fina lnea de gas brillante se formaba cerca de la placa cargada negativamente (el ctodo) y se extenda hacia la placa cargada positivamente (el nodo). El anlisis de la luz emitida por el tubo indicaba que esta fina lnea estaba formada por residuos de gas que se haban calentado al circular alguna cosa a travs del mismo. A esta cosa desconocida se llam rayos catdicos, y la investigacin se centr en la naturaleza de su identidad.

J.J. Thomson, fsico ingls, despus de aos de investigacin, en 1897, demostr que los campos elctricos y magnticos podan desviar a los rayos catdicos de su trayectoria rectilnea (Fig. 2.1). A menos que estos rayos fueran un chorro de partculas cargadas elctricamente, no deberan conducirse de esa manera. Thomson prob que los rayos catdicos eran partculas negativas, a las que se dio el nombre de electrones.Las partculas componentes de los rayos catdicos tienen siempre la misma carga elctrica y la misma masa. Como sus propiedades son independientes del material catdico, se puede concluir que estn presentes en toda la materia.

Fig. 2.1

tomos y Molculas 31

En un elegante experimento Thomson aplic simultneamente un campo elctrico y uno magntico a rayos catdicos y a partir de sus resultados pudo calcular la razn carga-masa (e/m) del electrn. El valor de esta razn es:

e/m = 1.76 x 108 C g-1Donde C representa al coulomb, una unidad de carga elctrica.

La primera medida precisa de carga del electrn fue hecha por Robert A. Millikan en 1909. En el experimento (Fig. 2.2), los electrones son producidos por la accin de rayos X sobre las molculas de las cuales est compuesto el aire. Pequeas gotas de aceite recogen electrones y adquieren cargas elctricas. Las gotitas de aceite se depositan entre dos placas horizontales y la masa de una sola gota se determina midiendo su velocidad de cada.

a c e i t ea t o m i z a d o

g o t a e n o b s e r v a c i n

p l a c a d e l c o n d e n s a d o r

Fig. 2.2

Cuando las placas estn cargadas, la velocidad de cada de la gota se modifica debido a que la gota cargada negativamente es atrada hacia la placa positiva. Las medidas de la velocidad de cada en estas circunstancias permiten calcular la carga de la gota. Debido a que una gota dada puede recoger uno o ms electrones, las cargas calculadas en esta forma no son idnticas. Sin embargo, todas son mltiplos sencillos del mismo valor, el cual, se supone, es la carga de un electrn.

El valor de la carga es 1.6 x 10-19C.

Combinando el valor de la carga del electrn con la razn carga-masa, encontramos la masa del electrn.

32 QUMICA Centro Pre Universitario de la UNJBG

m = mee/

= 1819

1076,1106,1

gCC

= 9,1 x 10-28 g

2.3 EL MODELO DE THOMSON

Que hay en el tomo adems de electrones?Cul es la estructura de los tomos?. En 1898 J.J. Thomson razon as: al moverse los electrones de un tomo dejan un in positivo cuya masa es mayor que la del electrn. Cada tomo est entonces compuesto de una gran masa positiva ms una cierta cantidad de electrones distribuidos de manera uniforme, tal como granos de arena engastados en una bola de manteca, cada electrn manteniendo su carga negativa particular. La teora no era la correcta, pero proporciono a los cientficos un modelo con que trabajar , de forma que su posterior reestructuracin condujo a una comprensin ms precisa de la estructura atmica. (Fig. 2.3)

Fig. 2.32.4 LA RADIOACTIVIDAD

En febrero de 1896, Becquerel envolvi una placa fotogrfica con papel negro de doble espesor recubierto con sulfato doble de uranilo y potasio, y lo expuso al sol durante varias horas. Al desenvolver la placa apareci impresionado el contorno correspondiente a la cubierta qumica. Becquerel pens que se haba producido radiacin X en las sales de uranio por efecto de la luz solar como ocurra en la fosforescencia; pero dos das ms tarde, al intentar repetir el experimento , el tiempo apareci muy nuboso y, por lo tanto, guard el dispositivo en una habitacin. El 1 de marzo, Becquerel desenvolvi la placa, y encontr de nuevo impresionado en ella el contorno correspondiente a la sal de uranio. Independientemente de lo que hubiera excitado a las dos placas, no tena nada que ver con los rayos solares ni con la fosforescencia, sino que deba ser una forma de radiacin desconocida proveniente, como se supo despus del propio uranio y sin ninguna influencia externa. Esta capacidad de emitir radiacin de manera espontnea se llama radioactividad.

A raz del descubrimiento de Becquerel, otros cientficos se sumaron a la investigacin. En 1898 Marie y Pierre Curie, colegas de Becquerel en la

tomos y Molculas 33

Sorbona, investigaron el componente activo de la pechblenda. Consiguieron aislar un gramo de un nuevo elemento a partir de una tonelada de material. Este elemento tena una radioactividad ms intensa que el uranio. Le llamaron polonio por el pas en el que haba nacido Marie Curie. Seis meses despus aislaron otro elemento, fuertemente radioactivo el radio.Podemos caracterizar los tipos de radioactividad ms comunes como:

1. La radiacin alfa ( ) consiste en una emisin de partculas cargadas positivamente con carga + 2 y masa 4 en la escala de masas atmicas. Estas partculas son idnticas a los ncleos de helio, 42 He

2. La radiacin beta ( ) consiste en una emisin de partculas cargadas negativamente de propiedades idnticas a los electrones, 01 e

3. La radiacin gamma ( ) consiste en una emisin de fotones de alta energa y de longitud de onda muy corta ( = 0.0005 a 0.1 nm)

2.5 EL MODELO NUCLEAREn 1907, Rutherford abandon Montreal para convertirse en profesor de la universidad de Manchester, en Inglaterra, en 1908 recibi el Premio Nbel de Qumica por su trabajo en radiactividad. En 1909, Hans Geiger y Ernest Marsden, que trabajaban en el departamento de Rutherford en Manchester, llevaron a cabo experimentos en los que un haz de partculas alfa se diriga contra una delgada hoja metlica. Las partculas alfa provenan de tomos radiactivos naturales ya que no existan aceleradores de partculas por aquellos das. El proceso de las partculas dirigidas contra la hoja metlica quedaba determinado mediante contadores de centelleo, pantallas fluorescentes que brillan cuando incide sobre ellas una partcula de stas. Algunas de las partculas atravesaban el metal; otras eran desviadas y emergan formando un cierto ngulo con el haz original; finalmente, y para sorpresa de los experimentadores algunas rebotaban en la hoja metlica y volvan en la misma direccin de incidencia. (Fig. 2.4.)

El mismo Rutherford dio con la solucin. Cada partcula alfa tiene una masa superior a 7 000 veces la del electrn, y pueden moverse a velocidades prximas a la de la luz. Si una de estas partculas choca contra un electrn, la aparta fcilmente de su camino. Las desviaciones se producen por las cargas positivas que poseen los tomos del metal; pero si el modelo de Thomson fuera correcto no se producira el rebote de las partculas incidentes. Si la esfera de carga positiva rellenara el tomo, las partculas alfa deberan atravesarlo puesto que el experimento mostraba que la mayora de las partculas

34 QUMICA Centro Pre Universitario de la UNJBG atravesaban la hoja metlica. Pero si la bola de manteca permita el paso a una partcula debera permitir el paso a todas; salvo que toda la carga positiva estuviera concentrada en un estrecho volumen mucho menor que el de todo el tomo, en cuyo caso una partcula alfa poda incidir ocasionalmente sobre esta densa concentracin de carga y de materia saliendo rebotada; mientras tanto la gran mayora de partculas alfa incidentes pasaran por el espacio vaco intermedio entre las zonas positivamente cargadas de los tomos.

h o j a m e t l i c a

c o n t a d o rd e

c e n t e l l e o

p a r t c u l a s

Fig. 2.4Slo con esta disposicin la carga positiva del tomo poda hacer retroceder en su camino, a veces, a las partculas alfa, poda desviar ligeramente a otras en su trayectoria y tambin era posible que en otras ocasiones las dejara prcticamente sin perturbar (Fig. 2.5). La mayora de las partculas subatmicas pasaban directamente, pocas eran desviadas casi en la misma direccin incidente.

tomos y Molculas 35

h o j a m e t l i c a

p a r t c u l a s

Fig. 2.5

La dimensin del ncleo, comparada con las dimensiones del tomo, es sumamente pequea; esto indica la alta concentracin de masa-carga elctrica positiva, en el ncleo. Ahora, con respecto a los electrones, Rutherford propuso que se situaran a manea de satlites al rededor del ncleo, describiendo diferentes trayectorias aunque sin definirlas. Segn el modelo de Rutherford, si una carga elctrica en movimiento y acelerada irradia energa electromagntica, un electrn ligado al ncleo de un tomo debera precipitarse sobre el ncleo, de manera que el tomo no sera estable y producira un choque que generara energa. La teora ms implantada sobre la manera de contrarrestar esta tendencia del tomo al colapso era suponer que los electrones giran en rbitas alrededor del ncleo, como lo hacen los planetas alrededor del sol. Pero los movimientos orbitales suponen una aceleracin continua y esa celeridad de la partcula en rbita puede no cambiar, aunque si cambia la direccin del movimiento, y ambos celeridad y direccin juntos definen la velocidad, que es el factor ms importante. Como la velocidad de los electrones en rbita cambiaba, stos deberan irradiar energa y, al perderla precipitarse en espiral sobre el ncleo. De modo que, an acudiendo a movimientos orbtales, los cientficos deban aceptar la idea del colapso del tomo de Rutherford.

2.6 EL TAMAO DEL ATOMO

Una fecunda investigacin posterior ha demostrado que el ncleo est

36 QUMICA Centro Pre Universitario de la UNJBG compuesto de neutrones y protones. Los protones, descubiertos por E. Goldstein al observar en 1886 los fenmenos de luminosidad detrs de un ctodo perforado, tienen un peso relativo muy cercano a 1 UMA y soportan la unidad de carga +1.

Los neutrones descubiertos por J. Chadwick tambin tienen un peso relativo muy cercano a 1 UMA, pero son elctricamente neutros. A ambas partculas se les llama nucleones por encontrarse en el ncleo. La suma de protones y neutrones se denomina nmero de masa.

Un dimetro nuclear tpico es de unos 6 x 10-15 m. Si consideramos que un ncleo tpico alberga en su interior de diez a veinte nucleones y que un tomo tpico tiene de diez a quince electrones, entonces en la tabla siguiente se presentan tamaos bastante corrientes.

Longitud (m)Radio del protn 8 x 10-16Radio de un ncleo tpico 3 x 10-15Radio de un tomo tpico 3 x 10-10

Podemos comparar el volumen del ncleo con el volumen de un tomo suponiendo que ambos son esfricos. La frmula del volumen de una esfera de radio R es:

V = 3

4 3Rpi

Por lo que el volumen del protn es:

V = 3

)108(4 316pi = 2,1 10-45 m3

Y el volumen del ncleo es:

V = 3

)103(4 315pi = 1,1 10-43 m3

mientras que el volumen del tomo resulta ser:

V = 3

)103(4 310pi = 1,1 10-28 m3

Un protn ocupa como puede verse casi el 2% de nuestro ncleo tpico.

tomos y Molculas 37

Si ahora comparamos el tamao del ncleo con el tamao del tomo:

A

N

VV

= 2843

101,1101,1

= 10-15

En otras palabras el ncleo ocupa el 0.000000000000001% del volumen del tomo. El resto, a excepcin de los diminutos electrones es espacio vaco.

Por tanto, si nuestro ncleo fuera del tamao de una pelota de ftbol, el resto del tomo consistira slo en unos cuantos electrones del tamao de un garbanzo dispersados en el interior de una esfera de 30 kilmetros de dimetro con el baln en el centro.

2.7 QUE MANTIENE UNIDO AL NCLEO

Antes vimos que el ncleo posee carga elctrica positiva por los protones que contiene. Una de las leyes bsicas de la fsica establece que cargas del mismo signo se repelen. Si la fuerza repulsiva no estuviera compensada por alguna otra fuerza, el ncleo del tomo se rompera en pedazos. Dado que esto no ocurre, debemos concluir que existe algn tipo de fuerza que mantiene la cohesin del ncleo.

La magnitud de esta fuerza no tiene precedente en la naturaleza. Si bien la repulsin entre dos cargas elctricas es algo bien conocido, el hecho de que en el interior del ncleo stas se encuentren a solo 10-13 centmetros de distancia. Representa una escala muy especial.

El hecho de la existencia del ncleo nos lleva a la conclusin de que debe haber un proceso en la naturaleza capaz de contrarrestar la repulsin entre los protones. Este proceso debe producir fuerzas mucho ms poderosas que las que actan en el mundo macroscpico, los fsicos denominaron a este proceso la interaccin fuerte.

2.8 NMERO ATOMICO

En 1913, H.G.J. Moseley estudi el problema de la carga nuclear y el nmero atmico. Su experimento requera el tipo especial de tubo de rayos catdicos que W.C. Roentgen us en 1896 para la produccin de rayos x (Fig. 2.6).

c t o d o a n t i c t o d o

r a y o s x

n o d o

38 QUMICA Centro Pre Universitario de la UNJBG

Fig. 2.6

Los rayos catdicos inciden sobre un blanco en donde se producen radiaciones electromagnticas con longitudes de onda muy pequeas, la penetrante radiacin es conocida como rayos x.

En el tubo de rayos x, Moseley us como blancos a diferentes metales y midi las longitudes de onda de los rayos resultantes. Observ una relacin entre la longitud de onda de los rayos x emitidos y un nmero entero, Z, caracterstico de cada metal, Z vino a ser el nmero atmico. La ecuacin de Moseley que relaciona la frecuencia de los rayos producidos por los diferentes elementos, con su nmero atmico es:

= )( bZa +

en donde a y b son constantes. As se estableci la evidencia experimental directa de los nmeros atmicos y la base fundamental para el ordenamiento de la tabla peridica.

Cualquier tomo especfico puede designarse usando el siguiente simbolsmo. Precediendo inmediatamente al smbolo qumico del elemento se encuentra el nmero atmico Z, como un subndice y el nmero de masa A como superndice. Por lo tanto:

AX

Z

indica un tomo del elemento X con un nmero atmico Z y un nmero de masa A.

Todos los tomos de un elemento dado tienen el mismo nmero atmico y por

tomos y Molculas 39

consiguiente tanto la misma carga nuclear como el mismo nmero de electrones en la regin extranuclear. Los tomos que tienen el mismo nmero atmico pero diferentes nmeros de masa, se denominan istopos de la palabra griega que significa el mismo lugar.

Por ejemplo hay tres istopos del hidrgeno:

HyHH 3121

11 ,

Estos istopos difieren en masa por que diferentes nmeros de masa significan diferentes nmeros de neutrones (A Z ) en el ncleo. Entonces, los istopos se definen como tomos del mismo elemento que tienen diferentes nmeros de neutrones. Tambin es oportuno indicar que se conoce como isbaros a los tomos de elementos qumicos diferentes, que tienen el mismo nmero de masa.

Por ejemplo :

NyC 147146

Se conoce como istonos a los tomos que poseen igual nmero de neutrones

Por ejemplo

ByC 115126

2.9 MOLECULAS E IONES

La unidad estructural bsica de la mayora de las sustancias, es la molcula.

Una molcula es un grupo de dos o ms tomos unidos por fuerzas llamadas enlaces qumicos.

La composicin de una molcula se puede indicar mediante la formula estructural:

H H H Cl Hidrgeno Cloruro de hidrgeno

Mas simple es utilizar la frmula molecular en la que el nmero de tomos de cada clase se indica por un subndice.

40 QUMICA Centro Pre Universitario de la UNJBG Hidrgeno H2 Cloruro de hidrgeno H Cl

IONESSi se dispone de suficiente energa, se pueden separar uno o varios electrones de un tomo neutro, quedando cargado positivamente. Tambin se pueden aadir electrones a un tomo para formar especies cargadas negativamente. Las partculas cargadas se llaman iones. Un ejemplo de un in positivo (catin) es el in Na+,

tomo de Na in Na+ + e-

Un in negativo (anin) muy frecuente es el in cloruro Cl- que se forma cuando se aade un electrn al tomo de cloro.

tomo de Cl + e- in Cl-

Muchos compuestos estn formados por iones, estos compuestos tienen el mismo nmero de cargas negativas y de cargas positivas.

Ejemplos :

Ba Cl2Na NO3K2 SO4

2.10 PESOS ATOMICOS

Los datos de muchos experimentos realizados han demostrado que la masa del protn es 1837 veces la masa del electrn. El protn y el neutrn esencialmente tienen la misma masa. Como la masa del electrn es demasiado pequea, prcticamente la masa de un tomo se localiza en el ncleo.Las masas de las partculas que componen a los tomos son:

1 electrn = 9,11 x 10-28 g1 protn = 1.673 x 10-24 g1 neutrn = 1,675 x 10-24 g

Para medir las masas atmicas de los elementos se selecciona un tomo de un elemento como patrn y todas las dems se dan en base a sta. Los cientficos utilizan un nclido de carbono, el carbono 12, como patrn para la escala de masa atmica. El tomo de carbono 12 es el nclido del carbono

tomos y Molculas 41

con 6 protones y 6 neutrones en el ncleo. Uno de estos tomos se define como aquel que tiene una masa de 12 unidades de masa atmica. Una unidad de masa atmica se define como 1/12 de la masa del nclido del carbono 12.

El peso atmico de un elemento puede calcularse por las abundancias relativas de los istopos del elemento (esto es, los porcentajes de cada istopo) y las masas de cada istopo (en unidades de masa atmica). Ambos tipos de datos pueden determinarse experimentalmente con una exactitud considerable usando tcnicas de espectrometra de masas, mtodo similar al que empleo Thomson para determinar la relacin carga-masa del electrn.

2.11 EL MOL

Los qumicos tienen su propia unidad para contar; el nmero de Avogadro. Para un qumico, un mol es equivalente a un nmero de Avogadro de unidades. As:

Un mol de tomos de C = 6,022 x 1023 tomos de CUn mol de molculas de H2O = 6,022 x1023 molculas de aguaUn mol de protones = 6,022 x 1023 protonesUn mol de segundos = 6,022 x 1023 segundos

Un mol de sustancia pesa Y gramos, donde Y es la suma de las masas atmicas de los tomos que hay en la frmula. As:

Frmula Masa de un Mol

C 12,01 12,01 gH2O 2(1,008) + 16,00 =18,02 18,02 gNa Cl 22,99 + 35,45 = 58,44 58,44 g

2.12 ENERGIA Y TRANSFORMACIN NUCLEAR

La energa comprendida en los cambios nucleares es como un milln de veces la que se produce en los cambios qumicos. Las caractersticas importantes de los cambios de energa que acompaan a la desintegracin nuclear pueden ser resumidas como sigue:

1. Un cambio muy pequeo en masa est asociado con una energa enorme.

2. La energa del cambio nuclear imparte una velocidad muy alta a las partculas emitidas, hacindolas en esta forma capaces de penetrar

42 QUMICA Centro Pre Universitario de la UNJBG muy profundamente en la materia.

3. Algo de la energa del cambio nuclear puede y usualmente es as, aparecer como radiacin gamma.

4. Algo de la energa de los cambios nucleares puede aparecer como calor.

La notacin comnmente empleada para describir un cambio nuclear se llama a veces reaccin nuclear. En esta notacin se incluyen solo aquellas partculas que intervienen en los cambios nucleares. Por ejemplo, la emisin de una partcula alfa se describe con la expresin:

Ra22688 42

22286 +Rn

Los nmeros de masa se dan como ndices a la izquierda y los nmeros atmicos como subndices tambin a la izquierda de los smbolos; ambos deben estar balanceados para cumplir con el principio de conservacin.

La perdida de una partcula beta produce en el tomo del que proviene el aumento de una unidad en el nmero atmico y no altera apreciablemente su masa.

Al2813 012814 +SiLa ganancia o perdida de neutrones por un ncleo atmico puede afectar la masa, pero no el nmero atmico:

nAl 10277 + +Al2813

La ganancia o perdida de neutrones por un ncleo atmico puede afectar la masa y el nmero atmico

nN 10147 + HC

11

146 +

FISION NUCLEAR

Uno de los primeros medios de obtencin de energa nuclear fue el bombardeo de uranio con neutrones. En vez de producirse istopos de uranio por simple transmutacin, se encuentran entre los productos ncleos de masa aproximadamente de la mitad de la del ncleo original de uranio:

Un 2359210 + nLaBr

10

14657

8735 3++

tomos y Molculas 43

Entre los productos de fisin del uranio 235 se han identificado ms de 200 istopos de 35 elementos diferentes, tambin estn neutrones que reaccionan con otros ncleos de uranio 235 y establecen as una reaccin en cadena.

FUSION NUCLEAR

Con elementos como el hidrgeno, helio y litio, se dispone de energa nuclear como resultado de la fusin de ncleos ms pequeos en ncleos ms grandes. Algunas de las posibilidades de obtener energa a partir de estas reacciones se pueden ilustrar en las siguientes ecuaciones nucleares:

HH 2121 + nHe

10

32 +

HH 2121 + HH

11

31 +

HH 21

31 + nHe

10

42 +

La ltima reaccin es unas 100 veces ms rpida que las otras. De ah que est favorecida para la produccin de energa por fusin y probablemente, interviene en la bomba de hidrgeno. Para iniciar las reacciones de fusin se requieren temperaturas del orden del milln de grados. Ya que actualmente el nico medio disponible para obtener estas altas temperaturas son las reacciones de fisin, las reacciones de fusin del hidrgeno son iniciadas con una bomba de fisin.

La fusin de ncleos ligeros es una fuente mucho mayor de energa que la fisin. La fusin de H21 con H

31 para formar He

42 por ejemplo, emite

aproximadamente cuatro veces ms energa por gramo que en la fisin U23592.

PROBLEMAS

1.- Cuntos electrones hay en :a) Un tomo de uranio (nmero atmico del U = 92)?b) Un mol de carbn (nmero atmico del C = 6)?c) 10 g de azufre (nmero atmico del S = 16 y masa atmica del S = 32,06)?

SOLUCION

44 QUMICA Centro Pre Universitario de la UNJBG

a) 92U = 92 protones en el ncleo y por tanto tambin 92 electrones alrededor del ncleo .

b) 6C = 6 protones es el ncleo= 6 electrones en la periferia de cada ncleo.

Como un mol de tomos es igual a 6,023 x 1023 tomos,tendremos 6,023 x 1023 tomos x 6 electrones / tomo = 3,6138 x 1024 electrones

c) 1 mol de S = 32,06g = 6,023 x 1023 tomos de S, entonces en 10 g = x tomos de S

ggSdetomosx

06,321010023,6 23

=

Sdetomosx 23108787,1 =

Multiplicaremos por los electrones contenidos en cada tomo

1.8787 x 1023 tomos de S Sdetomoselectronesx 16

= 3,0059 x 1024 electrones

2.- Escribir los smbolos nucleares de dos istopos de uranio (nmero atmico = 92) que tienen 143 y 146 neutrones respectivamente.

SOLUCION:

Los nmeros msicos deben ser 143 + 92 = 253 ; 146 + 92 = 238; por lo tanto, los istopos son:

U23592 , U23892

3.- Cul es el nmero de protones y electrones del in Na+?

SOLUCION:

tomos y Molculas 45

En la tabla peridica vemos que el nmero atmico del Na (sodio) es 11, por tanto, el Na+ tiene 11 protones y 11-1 = 10 electrones.

4.- Considere el istopo del nitrgeno N147

a) Cuantos protones hay en el ncleo?b) Cuntos neutrones hay en el ncleo?c) cuntos electrones hay en N3-

SOLUCION:

a) Los protones (cargas positivas) en el ncleo estn indicados por su nmero atmico: 7 protones

b) Los neutrones en el ncleo se obtiene restando los protones al nmero de masa; 14 7 = 7 neutrones.

c) La expresin N3- indica que el tomo neutro ha ganado 3 electrones, es decir : 7 + 3 = 10 electrones

5.- Indique el nmero de protones, neutrones y electrones representados por Ne2110 ,

+Li73 y 231

16 S SOLUCION:

Para el Ne,

Nmero de protones = 10Nmero de neutrones = 21 10 =11Nmero de electrones = 10 0 =10

Para el Li+,

Nmero de protones = 3Nmero de neutrones = 7 3 = 4Nmero de electrones = 3 1 = 2

Para el S2-,

Nmero de protones = 16Nmero de Neutrones = 31 16 = 15Nmero de electrones = 16 + 2 = 18

6.- El nmero de masa del aluminio es 27 y tiene una cantidad de neutrones

46 QUMICA Centro Pre Universitario de la UNJBG que es igual a la quinta parte de 70. Cul es el nmero atmico de dicho tomo?

SOLUCION:

A = nmero masa = protones + neutronesZ = nmero atmico = nmero de protonesA = 2770/5 = neutrones14 = neutrones. Si llamamos a los neutrones NA = N + Z Z = A N = 27 14 = 13Z = 13, es el nmero atmico

7. Un tomo tiene 40 neutrones y su nmero masa es el triple de su nmero de protones Cul es el nmero atmico de dicho tomo?

SOLUCION:

A = N + ZN = 40A = 3Z

3Z = 40 + Z 3Z - Z =40

Z = 2

40 = 20

El tomo tiene un nmero atmico de 20.

8.- Cul ser el nmero atmico de un tomo si al ionizarse con carga +5 posee 15 electrones?

SOLUCION :Nmero atmico = Z = nmero de e-Si se ioniza positivamente pierde electronesEntonces Z = nmero de e- + nmero de e- perdidosZ = 15 + 5 = 20

Nmero atmico igual a 20

9.- Si el tomo de fluor tiene 19 nucleones y 10 neutrones Cul es su nmero atmico?

tomos y Molculas 47

SOLUCION :Nucleones = protones + neutrones

19 = Z + 10Z = 19 10 = 9y como Z = 9, es el nmero atmico

10.- Cul es el nmero atmico del hidrgeno?

SOLUCION:El hidrgeno es el elemento qumico ms sencillo ya que tiene un solo protn y por lo tanto el nmero atmico es:

Z = 1

PROBLEMAS DE PESO ATMICO

11.- Calcule el peso atmico del oxgeno con los siguientes datos experimentales

ISTOPOS ABUNDANCIA RELATIVA

MASA (UMA)

O168 99,759 15,995

O178 0,037 16,991

O188 0,204 17,991

ISTOPOS ABUNDANCIA RELATIVA

MASA (UMA)

O168 99,759 15,995

O178 0,037 16,991

O188 0,204 17,991

48 QUMICA Centro Pre Universitario de la UNJBG

SOLUCIN :

%100)()(%)()(% BistopopesoBistopoAistopopesoAistopoatmicopeso +=

100)991,17()204,0()991,16()037,0()995,15()759,99( ++

=atmicopeso

UMAatmicopeso 999,15=

12.- El elemento boro tiene dos istopos, B105 y B115 . Sus masas en la

escala del carbono 12 son 10, 01 y 11, 01 respectivamente. La abundancia ms ligera es del 20,0 por 100 Cul es:

a) La abundancia del ms pesado y b) La masa atmica del boro?

SOLUCION :

a) La suma de abundancias debe ser 100. Por tanto, %0,800,200,100115 ==B

b) Sustituyendo en la ecuacin

umaatmicopeso 81,10100

)01,11()0,80()01,10()0,20(=

+=

13. Cul es la masa molecular del azcar (sacarosa), cuya frmula molecular es C12 H22 O11?

tomos y Molculas 49

SOLUCION

Para hallar la masa molecular basta sumar las masas atmicas de todos los tomos de la molcula

Masa molecular C12H22O11 = 12(12,01) + 22 (1,008) + 11(16,00)

Masa molecular = 342,30

14. Calcular la masa en gramos de 5 x 109 molculas de agua

SOLUCION:

En este caso 6,023 x 1023 molculas de H2O pesan 18,02 gPor tanto

Masa = 5 x 109 molculas de H2O OHdemolculasgx

22310023,6

02,18

Masa = 5 x 10-14Masa = 1,5 x 10-13 g

15.- Una molcula tiene un tomo de P y x tomos del Cl. Es 17.35 veces ms pesada que el tomo de C126 . Cunto vale x?

SOLUCION:La molcula tiene por masa molecular 17.35 veces la masa del C126 es decir:

17,35 x 12,01 = 208,374

Al restar de este valor el peso de un tomo de fsforo nos queda el peso de los tomos de cloro

208,374 30,974 = 177,40

Como cada cloro pesa 35,45, los tomos de cloro son

545,3540,177

=

16.- En el ncleo de un tomo los neutrones y los protones estn en la relacin

50 QUMICA Centro Pre Universitario de la UNJBG de 6 a 4. Si su nmero de masa es 90. Hallar su nmero atmico.

SOLUCION:Nmero masa = protones + neutrones

xx 6490 +=

9010 =x

91090

==x

Neutrones = 6x = 6 x 9 = 54Protones = 4x = 4 x 9 = 36Nmero Atmico = 36

17.- Escriba las reacciones nucleares ajustadas para :a) Emisin de positrn del C116b) Emisin de partcula del Po21884c) Emisin de partcula del Sr9038SOLUCION:a) C116 Be

115

01 ++

b) Po21884 PbHe21482

42 +

c) Sr9038 Ye9039

01 +

20.- Una cierta serie radioactiva natural comienza por el U-238 y termina con el Pb-206. En cada etapa de la serie se produce o bien la prdida de una partcula o bien la de una partcula . Cuntas partculas se liberan en total en toda la serie? Y Cuntas partculas ?SOLUCION:Siendo la partcula igual a , He42 , en tanto que la partcula es igual a e01 ; vemos que solo la primera influir en la diferencia en el nmero de masa 238-206 = 32 lo que corresponde a 8 partculas que se pierden y tambin determinan una diferencia de 16 en el nmero atmico 92-16 =

tomos y Molculas 51

76, como el Pb tiene Z = 82 , la diferencia 82-76 = 6 se debe a que tambin se han perdido 6 partculas .

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CAPITULO IIIEL ATOMO Y SU ESTRUCTURA

ELECTRNICAEn el ao 1912 las piezas del rompecabezas atmico estaban listas para ser acopladas adecuadamente. Einstein haba establecido como vlida la teora de los cuantos, y haba introducido la idea de los fotones aunque sta no era todava aceptada. Einstein afirm que la energa slo existe realmente en porciones de un tamao determinado. Rutherford haba presentado una nueva imagen del tomo, con un ncleo central pequeo y una nube de electrones circundantes, si bien tampoco esta idea gozaba de la aceptacin general. El tomo de Rutherford, sin embargo, no se corresponda a las leyes clsicas de la electrodinmica. La solucin consisti en utilizar reglas de los cuantos para describir el comportamiento de los electrones dentro de los tomos.

Niels Bohr fue un fsico dans que finaliz su doctorado en el verano de 1911 y viaj a Cambridge en septiembre para trabajar junto a J.J. Thomson en el laboratorio Cavendish. Era un investigador muy tmido y que hablaba un ingls imperfecto por lo que tuvo serias dificultades en encontrar un trabajo adecuado en Cambridge; pero en una visita a Manchester conoci a Rutherford, que se mostr muy interesado por Bohr y su trabajo. En marzo de 1912, Bohr se traslad a Manchester donde comenz a trabajar dentro del equipo de Rutherford, concentrndose especialmente en el problema de la estructura del tomo.

3.1.ESPECTROS ATOMICOS Y EL MODELO DE BOHRCuando un rayo de luz atraviesa un prisma, el rayo se desva o se refracta; la refraccin depende de la longitud de onda. Una onda con una longitud de onda corta se desva ms que una con longitud de onda larga. Debido a que la luz blanca ordinaria est formada por ondas con todas las longitudes de onda en el espectro visible, un rayo de luz blanca se esparce en una banda ancha llamada espectro continuo. El espectro es un arco iris de colores sin espacios; el violeta se convierte en azul, el azul en verde y as sucesivamente.

- 52 -

El tomo y su Estructura Electrnica 53

Cuando los gases o vapores de una sustancia qumica se calientan en un arco elctrico o un mechero de Bunsen, se produce luz. Si un rayo de esta luz se pasa a travs de un prisma, se produce un espectro de lneas (Fig. 3.1). Este espectro est formado por un nmero limitado de lneas coloreadas, cada una de las cuales corresponde a diferentes longitudes de onda de luz. El espectro de lneas de cada elemento es nico.

p r i s m a

e s p e c t r od e l n e a s

Fig. 3.1

Las frecuencias que corresponden a la lneas en la regin visible del espectro del hidrgeno se representan por la ecuacin:

= c

(3.1)

En 1913, Niels Bohr propuso una teora para la estructura electrnica del tomo de hidrgeno que explicaba el espectro de lneas de este elemento. El tomo de hidrgeno contiene un electrn y un ncleo que consiste de un solo protn. La teora de Bohr incluye los siguientes puntos:

1. El electrn del tomo de hidrgeno puede existir solamente en ciertas rbitas esfricas (las cuales se llaman niveles de energa o capas de energa). Estos niveles se hallan dispuestos concentricamente alrededor del ncleo. Cada nivel est designado por una letra (K, L, M, N, O...) o un valor de n (1, 2, 3, 4, 5,...)

2. El electrn posee una energa definida y caracterstica de la rbita en la cual se mueve. El nivel K(n=1), es el nivel ms cercano al ncleo y tiene el radio ms pequeo. Un electrn en el nivel K tiene la energa ms baja posible. Con el aumento de la distancia del ncleo (K, L, M, N, O; n=1,2,3,4,5), el radio del nivel y la energa de un electrn en el nivel

54 QUMICA Centro Pre Universitario de la UNJBG aumenta. El electrn no puede tener una energa que lo coloque entre los niveles permitidos.

3. Cuando los electrones en un tomo estn lo ms cerca posible del ncleo (para el hidrgeno, un electrn en el nivel K), stos se hallan en la condicin de la energa ms baja posible, llamado estado fundamental o basal. Cuando los tomos se calientan en un arco elctrico o mechero de Bunsen, los electrones absorben energa y pasan a niveles exteriores, los que son estados energticos superiores. Se dice entonces que los tomos estn en estados excitados.

4. Cuando un electrn vuelve a un nivel inferior, emite una cantidad definida de energa. La diferencia de energa entre el estado de energa superior y el estado de energa inferior es emitida en la forma de un cuanto de luz. El cuanto de luz tiene una frecuencia y longitud de onda caractersticas y produce una lnea espectral caracterstica. En estudios espectrales, muchos tomos absorben energa al mismo tiempo que otros la emiten. Cada lnea espectral corresponde a una transicin electrnica diferente. Bohr deriv una ecuacin para la energa que tendra un electrn en cada rbita.Simplificada, esta ecuacin es:

E = ,...)3,2,1(2 = nnB

(3.2)

El valor de la constante B es igual a 1 312 Kj/mol.Algunas de las transiciones se indican en la figura 3.2. Observe que el electrn puede volver a:- el estado fundamental ( n = 1 )- un estado excitado ( n = 2,3,... )

El tomo y su Estructura Electrnica 55

n = 5n = 4

n = 3

n = 2

n = 1

B1 6

B9

B4

BFig. 3.2

Ejemplo 3.1 : Calcule la longitud de onda para la primera lnea de la serie de Lyman ( n = 2 a n = 1 )

Solucin.- Usando la ecuacin 3.2

molKjE

41312

2 = = molKj0.328

E1 = molKj

11312

= - 1 312 molKj

E = E2 - E1 = - 328,0 (- 1 312)

E = 984 Kj/mol

Aplicando la ecuacin

56 QUMICA Centro Pre Universitario de la UNJBG

E = ch

984 molKj

= mol

nmKj

.10196,1 5

despejando

98410196,1 5

= nm

5,121= nm

Otra magnitud que se puede calcular con la teora de Bohr es la energa de ionizacin del tomo de hidrgeno. Es la energa que se debe absorber para separar el electrn, en estado gaseoso, empezando desde el estado fundamental:

H(g) H+ (g) + e- ; E = energa de ionizacin

A partir de la ecuacin 3.2, es posible calcular la energa de ionizacin del hidrgeno. Para ello calculamos E cuando un electrn se mueve desde n = 1, E = 1 312Kj/mol, a un estado en que est completamente separado del tomo (n = , E = 0):

E = 0 - (-1 312Kj/mol) = 1 312 Kj/mol

El valor medido de 1 318 Kj/mol concuerda casi perfectamente.

3.2. VISION MODERNA DEL ATOMO

La teora de Bohr para la estructura del tomo de hidrgeno tuvo mucho xito. Los cientficos de aquella poca crean poder predecir los niveles de energa de todos los tomos. Sin embargo, la extensin de las ideas de Bohr a tomos con ms de dos electrones dieron slo concordancia cualitativa con los resultados experimentales. Consideremos, por ejemplo, lo que sucede cuando se aplica la teora de Bohr al tomo de helio. En este caso, los errores en el clculo de las energas y longitudes de onda eran del orden del 5 por 100 en lugar del error del 0,1 por 100 en el tomo de hidrgeno. No pareca que hubiese manera de modificar la teora para que funcionase bien con el helio u otros tomos. De hecho, pronto se hizo patente que haba un problema

El tomo y su Estructura Electrnica 57

fundamental con el modelo de Bohr. La idea de un electrn que se mueve alrededor del ncleo en una rbita definida a una distancia fija del ncleo hubo se ser abandonada.

DUALISMO ONDA-PARTICULAAntes de 1900 se supona que la luz tena naturaleza ondulatoria. Sin embargo, los trabajos de Planck y Einstein sugirieron que en muchos procesos la luz se comportaba como si consistiese de partculas llamadas fotones. En 20 aos, el carcter dualista de la luz, ondulatorio-corpuscular, se acept casi generalmente. En 1924 un joven fsico francs, Luis de Broglie, vino con una idea revolucionaria acerca de la naturaleza de la materia. De Broglie sugiri que las partculas, podrn exhibir propiedades ondulatorias. Mostr que la longitud de onda, , asociada a una partcula de masa m que se mueve a una velocidad v vena dada por:

= mvh

(3.3)

donde h es la constante de Planck. Pocos aos despus, Davisson y Germer, que trabajaban en los laboratorios de la Bell Telephone, comprobaron las predicciones de la teria de De Broglie. Mostraron que un haz de electrones tena propiedades ondulatorias. Adems, la longitud de onda observada era exactamente la predicha por De Broglie.

Fig. 3.3

Por medio de la ecuacin 3,3 es posible mostrar que el nmero cuntico n de la teora de Bohr aparece de una manera natural. Para ello consideremos la figura 3,3. Aqu, imaginamos a un electrn en forma de onda movindose alrededor del ncleo a lo largo de una circunferencia. En estas condiciones hay una restriccin a las longitudes de onda que puede tener el electrn. Las ondas, en sucesivas revoluciones, han de estar exactamente en fase unas con otras. Esto es, deben tener la misma altura (amplitud) en un punto dado. Esto quiere decir, que una onda debe caer en la circunferencia, 2pi r, un nmero

58 QUMICA Centro Pre Universitario de la UNJBG entero de veces. En otras palabras:

2pi r = n (3.4)

Donde es la longitud de onda y n es un nmero entero, es decir, 1, 2, 3,..., pero no 1, 5, 2,1,..., combinando las ecuaciones 3,3 y 3,4 se obtiene

2pi r = mvnh

mvr = pi2nh

Esta es la condicin que Bohr impuso arbitrariamente al momento angular del electrn en el tomo de hidrgeno. Por medio de la relacin de De Broglie esta condicin se hace fsicamente razonable.

EL PRINCIPIO DE INCERTIDUMBRE DE HEISENBERG

Segn los trabajos de De Broglie, Davisson y Germer entre otros, se sabe que los electrones pueden considerarse ms como ondas que como partculas pequeas y compactas que se mueven en rbitas circulares o elpticas. Las partculas muy pequeas, como electrones, tomos y molculas, no obedecen las leyes de la mecnica clsica (o newtoniana) como lo hacen las pelotas de golf o los automviles. El comportamiento de las partculas muy pequeas se describe mucho mejor mediante otro tipo de mecnica, llamada mecnica cuntica. Sin embargo, la mecnica newtoniana es simplemente un caso especial de la mecnica cuntica y vale para todos los casos excepto para partculas muy pequeas.

Uno de los principios fundamentales de la mecnica cuntica es que no puede determinarse con precisin el camino seguido por los electrones alrededor de los ncleos atmicos. El principio de Heisenberg, o principio de incertidumbre, es un principio terico congruente con las observaciones experimentales y establece que es imposible determinar simultneamente y