UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA FACULTAD DE INGENIERA

ESCUELA DE CIENCIAS DEPARTAMENTO DE QUMICA GENERAL

QUMICA GENERAL 1

Pequesima estrella, parecas

para siempre enterrada

en el metal: oculto, tu diablico

fuego. Un da

golpearon en la puerta minscula:

era el hombre. Con una descarga

te desencadenaron, viste el mundo,

saliste por el da, recorriste ciudades,

tu gran fulgor llegaba a iluminar las vidas...

(Oda al tomo)

Pablo Neruda

teora atmica

i.q. byron ren aguilar uck

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1. Introduccin: la Materia

Toda definicin y clasificacin cientfica es arbitraria y su importancia depende de si es til o no para la correlacin e interpretacin de ciertos resultados experimentales. Si as es, entonces se dice que la clasificacin corresponde con un modelo cientfico de la realidad; lo cual quiere decir que la ciencia no confunde nunca sus modelos con la realidad (cualquier cosa que esta palabra signifique). La Qumica es la ciencia que estudia a la materia, su organizacin y los cambios en su organizacin a nivel microscpico, es decir, en una extensin del orden de 1 fermi o mayor1, hasta unos cuantos Amstrongs. Pero todava no hemos dicho qu entendemos, en Qumica, por materia. Qu es la materia? La Qumica la define como todo aquello que tiene masa; la masa es la propiedad inercial de un sistema; un sistema es una parte del universo que el cientfico observa y es inercial si opone resistencia al cambio en el estado de su movimiento. O sea, si un sistema observado es algo que opone resistencia al cambio en el estado de su movimiento, decimos que ese sistema est formado por materia. La materia posee muchas caractersticas; por ejemplo: toda materia tiene extensin y se mueve siempre a una velocidad menor que la de la luz. En la Fsica de nuestro siglo, la materia se considera como una forma de energa, que se crea por el Principio de Incertidumbre operando sobre el par tiempo-energa en las interacciones cunticas; en Qumica, sin embargo, los modelos de partculas visualizadas como puntos-masas sigue siendo importante, pues con su ayuda se pueden explicar, de modo relativamente fcil, muchos fenmenos qumicos. Estos puntos masas, que la qumica considera las estructuras fundamentales, son los tomos; la organizacin de los tomos en diferentes estructuras origina los compuestos, y los compuestos las mezclas. La estructura interna de los tomos determina cmo estos se organizan para formas estructuras ms complejas. Esta estructura interna la forman: un ncleo y, en torno de l, electrones viajando distancias estelares. A continuacin veremos el papel que juegan estas dos estructuras internas en el comportamiento de los tomos; pero antes, mostraremos los objetivos y el plan de exposicin para tratar este tema, y tambin una muy breve resea histrica del concepto de materia, que tanto ha llevado y trado en las historias de las ciencias y las filosofas, y en nombre del cual se ha derramado sangre de hermanos en revoluciones y contrarrevoluciones.

2. Objetivos:

Se quiere que al estudiar este tema, la y el estudiante: 2.1 Objetivos Generales

2.1.1 Comprenda el objeto de estudio de la Qumica, sus diferentes visualizaciones y sus

relaciones histricas y ontolgicas con las otras reas cientficas. 2.1.2 Advierta la utilidad de la clasificacin cientfica de la materia, sin dejar de observar esta

es puramente una abstraccin. 2.2 Objetivos Especficos

2.2.1 Conozca la evolucin del concepto de materia, desde la especulacin antigua hasta el modelo cientfico cuntico.

2.2.2 Adquiera la destreza necesaria para calcular la masa que posee la materia, y advierta claramente la distincin entre estos dos conceptos, desde el punto de vista de la Qumica.

2.2.3 Adquiera la destreza necesaria para describir la energa de los electrones por medio de los nmeros cunticos.

1 1 fermi = 1E-15 m es el tamao de 1 protn (velo ms adelante). La Fsica Cuntica estudia a la materia en su organizacin a niveles menores de 1 fermi, es decir, estudia la organizacin interna del ncleo. La Biologa y Ciencias Sociales estudian a la materia en su organizacin ms alta: organismos vivos y sociedad.

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2.6 Distinga claramente la funcin del ncleo, la de los electrones y la de la operacin conjunta de los dos en el fenmeno qumico, es decir, en la organizacin de los tomos en estructuras ms complejas.

3. Contenido y calendarizacin

Unidad 2. Teora Atmica (8 perodos) 2.1 Clasificacin de la materia 2.1.1 Mezclas 2.1.2 Compuestos 2.1.3 Elementos 2.1.4 tomos 2.1.4.1 Modelos atmicos: historia 2.1.4.2 Partculas subatmicas 2.1.4.2.1 El ncleo 2.1.4.1.1.1 Protones 2.1.4.1.1.2 Neutrones 2.1.4.2.2 Electrones 2.2 El ncleo 2.2.1 Protones: identidad atmica 2.2.1 Protones y neutrones: istopos y masa atmica 2.3 El electrn 2.3.1 La reempe 2.3.2 Nmeros cunticos: estado energtico basal del electrn. 2.3.3 Configuracin electrnica 2.3.3.1 Principios 2.3.3.2.1 Mnima energa 2.3.3.2.2 De exclusin de Pauli 2.3.3.2 Regla de Hund 2.3.3.3 Convenios 2.3.3.4 Magnetismo 2.3.3.4 Especies isoelectrnicas 2.3.4 Estados excitados: saltos cunticos 2.3.5 Energa radiante: Observables asociados a la radiacin

electromagntica: longitud de onda, frecuencia de onda, velocidad de propagacin, energa.

2.3.6 Energa radiante y saltos cunticos.

4. Historia de un concepto.

4.1 En el Nombre de Al, Clemente y Misericordioso. En el siglo V antes de Nuestro Seor, Demcrito conjetur que un cuerpo macroscpico, por ejemplo un pieza de oro, no puede ser dividido infinitamente en partes, sino que la materia est compuesta por pequesimas partculas que no pueden subdividirse; todo en el universo est formado por dos cosas: estas partculas y el vaco; as nosotros, el pan que comemos, el suelo donde dormimos, el cielo hacia donde vemos y los dioses inmortales. Demcrito llam (tomo = indivisible) a estas partculas.

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Antes de l, escuelas hindes (y despus Empdocles) haban planteado que existan cuatro elementos: fuego, tierra, aire y agua; y dos interacciones: odio y amor2 . Al unir las dos ideas, se puede plantear una "teora de la materia" segn la cul, los tomos de Demcrito eran de cuatro clases diferentes, correspondientes a la nomenclatura dada por Empdocles. Podemos imaginar que los tomos de fuego y aire aman el vaco y por tanto ascienden hacia l; los de tierra y agua lo odian, y por tanto descienden3. A pesar de que el influyente Aristteles neg este modelo de la materia4, la concepcin atmica sirvi como modelo para muchos pensadores, que no la dejaron morir; ya durante el imperio Romano, la encontramos en la obra del poeta Lucrecio. Tras la cada de Roma, la mayora de los grandes pensadores emigr hacia el oriente5, perseguidos por el odio de los cristianos. A partir de aqu, existen aos oscuros para la filosofa natural en occidente: la edad media. En oriente, sin embargo, en el siglo VII, el estudio de la naturaleza empieza un perodo que an no ha cesado. En la primera parte de ese siglo, surge una nueva religin: el Islam. Los rabes empiezan sus conquistas y una vez que el imperio se consolida, la ciencia se desarrolla en grandes avances bajo la proteccin de los Califas, que llenan de bibliotecas sus ciudades y sus palacios6. Sus filsofos introdujeron en Europa, a travs de Espaa, los conocimientos, muy enriquecidos, que haban adquirido desde los griegos y egipcios, y sus descubrimientos propios7. Europa redescubre la gran tradicin filosfica a partir de ellos y la retoma hacia el fin de la edad media. Entre todas las corrientes de pensamiento iba la Qumica, que los rabes aprendieron de los filsofos de Alejandra, en Egipto, y en la cual hicieron grandes avances. Esta haba nacido a partir de la Alquimia, aunque a estas alturas tanto sus objetivos como sus mtodos no podran ser ms diferentes. Alquimia deriva de el-kimya, que era el nombre con que los rabes conocan a Egipto8. Y vean ustedes que hasta aqu haba sobrevivido la idea de los tomos. En el siglo XVII, los experimentos de Lavoisier demostraron que la masa se conserva en las reacciones qumicas; los de Proust, que todos los compuestos contienen a los elementos en proporciones definidas. Dalton se dio cuenta de que estos resultados podan explicarse fcilmente si se postulaba que cada elemento estaba formado por partculas discretas, es decir, indivisibles. Dalton revive los tomos de Demcrito, no ya como una idea filosfica sino con todo el carcter formal de la experimentacin, es decir, la verificacin de los observables. La naturaleza corpuscular de la materia fue aceptada como modelo cientfico. 4.2 Clasificacin de la materia Una vez que se acepta la naturaleza corpuscular de la materia como modelo, se puede hacer la siguiente clasificacin: de ms grande a ms pequeo: 1. Mezcla: materia formada por combinacin fsica macroscpica (no por enlace qumico) de compuestos y/o elementos distintos. Las mezclas pueden ser homogneas, si la magnitud de sus observables es la misma en cualquiera de sus partes; si no es as, la mezcla es heterognea.

2 La idea ha de ser ms antigua, la clasificacin dada por cuatro elementos persiste hoy en la astrologa judiciaria, cuyo origen es mesopotmico. Varias ideas como esta, con ms o menos elementos fueron defendidas en ese tiempo. 3 Esto es una mera simplificacin. Los griegos incluso especularon acerca de la forma que tendran los tomos de estas diferentes clases: los de agua son redondos y por eso fluyen, los de fuego tienen puntas y por eso queman, etc. 4 Aristteles neg el modelo, pero no la materia; Platn