UNIDAD I CONCEPTOS BASICOS

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INDICE 1 ................................................................................................................... CONCEPTOS BSICOS. 3 1.1 Elementos, compuestos y mezclas. ................................................................................... 3 1.2 Estados de agregacin de la materia. ................................................................................ 6 El Estado slido ...................................................................................................................... 6 El Estado Lquido.................................................................................................................... 7 El Estado Gaseoso ................................................................................................................... 7 1.3 Cambios de estado de agregacin. .................................................................................... 9 1.3.1 1.3.2 El punto de fusin. .................................................................................................. 10 Punto de ebullicin.................................................................................................. 11

1.4 Deficinin de fase. .......................................................................................................... 12 PROBLEMARIO .................................................................................................................... 12 BIBLIOGRAFA .................................................................................................................... 15

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1 CONCEPTOS BSICOS.El filsofo griego Aristteles pensaba que las sustancias estaban formadas por cuatro elementos: tierra, aire, agua y fuego. Posteriormente discurra otra corriente paralela, el atomismo, que postulaba que la materia estaba formada de tomos, partculas indivisibles que se podan considerar la unidad mnima de materia. Esta teora, propuesta por el filsofo griego Demcrito de Abdera no fue popular en la cultura occidental dado el peso de las obras de Aristteles en Europa. Sin embargo tena seguidores (entre ellos Lucrecio) y la idea se qued presente hasta el principio de la edad moderna. Entre los siglos III A.C. y el siglo XVI D.C. la qumica estaba dominada por la alquimia. El objetivo de investigacin ms conocido de la alquimia era la bsqueda de la piedra filosofal, un mtodo hipottico capaz de transformar los metales en oro. En la investigacin alqumica se desarrollaron nuevos productos qumicos y mtodos para la separacin de elementos qumicos. De este modo se fueron asentando los pilares bsicos para el desarrollo de una futura qumica experimental. La qumica como tal comienza a desarrollarse entre los siglos XVI y XVII. En esta poca se estudi el comportamiento y propiedades de los gases establecindose tcnicas de medicin. Poco a poco fue desarrollndose y refinndose el concepto de elemento como una sustancia elemental que no poda descomponerse en otras. Tambin en esta poca se desarroll la teora del flogisto para explicar los procesos de combustin. A partir del siglo XVIII la qumica adquiere definitivamente las caractersticas de una ciencia experimental. Se desarrollan mtodos de medicin cuidadosos que permiten un mejor conocimiento de algunos fenmenos, como el de la combustin de la materia, descubriendo Lavoisieri el oxgeno y sentando finalmente los pilares fundamentales de la moderna qumica. Ahora bien podramos definir a la qumica como el estudio de la materia y de los cambios que experimenta la misma. Hay que tener en cuenta que la qumica trata de aprovechar las propiedades y los cambios de las sustancias.

1.1 Elementos, compuestos y mezclas.La materia es cualquier cosa que ocupa un espacio y tiene masa. La materia es cualquier cosa que se puede ver, tocar,sentir, medir etc. (como agua, tierra, madera) o no (como el aire). Los qumicos distinguen varios subtipos de materia segn su composicin y propiedades. La clasificacin de la materia comprende las sustancias, las mezclas, los elementos y los compuestos. Elemento: sustancia que no puede ser descompuesta o dividida en sustancias ms simples por medios qumicos ordinarios y hace referencia a una clase de tomos, todos ellos con el mismo nmero de protones en su ncleo. Se conocen ms de 118 elementos, algunos se han encontrado en la naturaleza, formando parte de sustancias simples o de compuestos qumicos. Otros han sido creados artificialmente en los aceleradores de partculas o en reactores atmicos. Estos ltimos son inestables y slo existen durante milsimas de segundo. Los nombres de los elementos proceden de sus nombres en griego, latn, ingls o llevan el nombre de su descubridor o ciudad en que se descubrieron.(Figura 1.1) Estos son ejemplos de nombres de elementos, solo por mencionar algunos: Hidrgeno (H): del griego engendrador de agua. Helio (He): de la atmsfera del Sol (el dios griego Helios). Se descubri por primera vez en el espectro de la corona solar durante un eclipse en 1868, aunque la mayora de los cientficos no lo aceptaron hasta que se aisl en la Tierra.

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Litio (Li): del griego lithos, roca. Berilio (Be) de beriio, esmeralda de color verde. Boro (B): del rabe buraq. Carbono (C): carbn. Nitrgeno (N): en griego nitrum, engendrador de nitratos Oxgeno (O): en griego engendrador de xidos (oxys).

Numero Atmico

1

Smbolo Nombre de elemento Masa Atmica

HHidrogeno 1.00794

Figura 1.1. Esta imagen muestra un ejemplo de elemento en este caso Del hidrogeno, donde muestra su smbolo numero atmico masa atmica

El descubrimiento del elemento 118 (ununoctio) por un equipo del Lawrence Berkeley National Laboratory en 1999 fue ms tarde retractado porque no fueron capaces de repetir tal experimento. La sustancia podemos decir que es una forma de materia que tiene una composicin definida (constante) y propiedades caractersticas.Descartes denomin sustancia a todo aquello que no necesita de algo anterior para existir. Segn el cientfico Mauricio Zrate (1695-1735) afirmaba que la sustancia aparte de ser la materia por la cual estn formados los cuerpos es la cantidad de protones en el centro de una sustancia homognea. Esto fue probado en el ao 1786. Algunos ejemplos:Son el agua, el amoniaco, el azcar, el oro y el oxigeno. Las sustancias difieren entre s en su composicin y pueden identificarse por su apariencia, olor, sabor y otras propiedades. Una mezcla es una combinacin de dos o ms sustancias en la cual las sustancias conservan sus propiedades caractersticas,tambin mezcla es materia formada al juntar dos o ms materiales diferentes sin que suceda una reaccin qumica (los objetos no se unen entre s). Algunos ejemplos familiares son el aire, el refresco, la leche, etc. Aunque no hay cambios qumicos en una mezcla, las propiedades fsicas de una mezcla, tales como su punto de fusin, pueden diferir de las de sus componentes. Las mezclas pueden ser separadas usualmente en sus componentes originales por mtodos mecnicos. Las mezclas no tienen una composicin constante por tanto, las muestras de aire recolectadas de varias ciudades probablemente tendrn una composicin distinta debido a su diferencia en altitud y contaminacin. Existen diferentes tipos de mezclas, las homogneas y las heterogneas. Cuando la mezcla es homognea, las sustancias que la forman se disuelven en el lquido y se reparten uniformemente en l, en cada gota se encuentra sustancia disuelta, Las mezclas homogneas estn formadas por una sola fase, es decir, no se pueden distinguir las partes, ni an con la ayuda de un microscopio electrnico ordinario, presenta la misma composicin en cualquiera de sus partes.

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ste es el caso del agua del mar, o bien agregar azcar a un vaso de agua, o preparar una taza de caf; en todos los casos, ya sea la sal, el azcar o el caf, se disuelven en el agua y se reparten en ella.(Figura 1.2.)Figura 1.2. Muestra una mezcla homognea, los componentes de la mezcla son: sal y agua

Las mezclas heterogneas estn formadas por sustancias que no se llegan a disolver, se van al fondo, es decir, se sedimentan, o permanecen suspendidas (flotan), Las partes de una composicin heterognea pueden ser separadas mecnicamente unas de otras. Por ejemplo: si en una cubeta se coloca agua y se le agregan piedras pequeas, stas se irn al fondo del recipiente, o si por ejemplo, se pone a calentar azcar para convertirlo en caramelo y se le agrega nuez en pedacitos, la nuez no llegar a disolverse en el caramelo. Hay que tener en cuenta que las Mezclas se pueden separar por diferentes mtodos, los ms comunes son: Filtracin: Consiste en hacer pasar la mezcla por un papel filtro o por un colador. Este mtodo se utiliza cuando las partculas son pequeas, por ejemplo agua con almidn. Cristalizacin: Se requiere que la mezcla llegue a su punto de ebullicin y que el lquido se evapore, las partculas se quedan en suspensin unidas en forma de cristales. Esto sucede por ejemplo al hervir el agua con sal, el agua se convierte en vapor y la sal permanece en el recipiente.

Decantacin: En este caso se deja reposar la mezcla hasta que las partculas slidas se asienten; en ese momento ya se puede vaciar el lquido, quedando en el fondo del recipiente las partculas slidas. Este mtodo se usa con mezclas que tienen partculas pesadas como puede ser la arena Teniendo en cuenta que las sustancias pueden ser elementos o compuestos. Decimos que un elemento es una sustancia que no se puede separar en sustancias ms simples por medios qumicos.Los compuestos son sustancias formadas por dos o ms elementos unidos qumicamente en proporciones definidas y tambin est formado por molculas o iones con enlaces estables. Ejemplo: Carbono + Oxigeno = Dixido de Carbono (C + O2 CO2). A gran diferencia de las mezclas. Los elementos de un compuesto no se pueden dividir o separar por procesos fsicos (decantacin, filtracin, destilacin, etctera), sino slo mediante procesos qumicos. La relacin que existe entre elementos, compuestos, mezclas y sustancias se explica en la (Figura 1.3)

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Materia

Mezclas

Separacin por mtodos fsicos

Sustancias Puras

Mezclas Homogneas

Mezclas Heterogneas

Compuestos

Figura 1.3. Tabla donde se muestra la relacin entre elementos, compuestos, mezclas y sustancias

Separacin por mtodos qumicos

Elementos

1.2 Estados de agregacin de la materia.Los estados de agregacin de la material son tres: Slido, Lquido y Gaseoso. Los cuales tienen las siguientes caractersticas: El Estado slido FORMA VOLUMEN COMPRESIBILIDAD FUERZAS INTERMOLECULARES Todos los slidos tienen forma propia. Todos los slidos tienen volumen propio. Los slidos no pueden comprimirse. En un slido las fuerzas intermoleculares que predominan son las de ATRACCIN.

Las partculas que los forman se encuentran ordenadas espacialmente, ocupando posiciones fijas, dando lugar a una estructura interna cristalina, debido a que las fuerzas intermoleculares son muy fuertes. Las partculas pueden ser: molculas, tomos o iones. Si las partculas son tomos, los mismos estn unidos por enlaces covalentes que son muy fuertes, pero los tomos deben mantener una posicin fija, sino el enlace se rompe. Estos slidos son muy duros, pero frgiles, y presentan puntos de fusin y ebullicin elevados, como el diamante. Si las partculas son molculas, las mismas se encuentran unidas entre s. Estos slidos son blandos, y presentan puntos de fusin y ebullicin bajos, como el azcar. Si las partculas son iones, puede tratarse de metales: iones positivos rodeados de electrones, que son buenos conductores de la corriente elctrica, duros y presentan puntos de fusin y ebullicin altos, como por ejemplo cobre, oro y plata.

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Puede tratarse de compuestos inicos:debido a la fuerte atraccin electrosttica entre los iones opuestos, son slidos duros, pero frgiles y no conducen la corriente elctrica. Cuando se encuentran en solucin diluida, dicha solucin conduce la corriente elctrica.

El Estado Lquido

FORMA VOLUMEN COMPRESIBILIDAD FUERZAS INTERMOLECULARES QUE PREDOMINAN

Adoptan la forma del recipiente que los contiene. No vara. Son incompresibles. En un lquido las fuerzas intermoleculares de ATRACCIN y REPULSIN se encuentran igualadas.

Supongamos que tenemos una jeringa a la cual se le quit la aguja y se ha sellado con calor el orificio por el que normalmente sale el lquido. A esta jeringa le agregamos una cierta cantidad de agua o alcohol o el lquido que deseemos para el ensayo. Una vez hecho esto colocamos en su lugar el mbolo e intentamos vencer la resistencia del lquido utilizado comprobaremos que no podemos vencer dicha resistencia, por lo que podemos inducir que todos los lquidos son incompresibles. Cada molcula se encuentra rodeada por otras molculas que la atraen, en el interior del lquido, siendo iguales todas las fuerzas de atraccin, por lo que es como si no se efectuara ninguna fuerza sobre la misma. Las molculas de la superficie se mantienen unidas a travs de una fuerza que se manifiesta en la tensin superficial. Las fuerzas intermoleculares son lo suficientemente fuertes como para impedir que las molculas se separen, pero no para mantenerlas fijas. Debido a las fuerzas de atraccin los lquidos tienen volumen propio. El Estado Gaseoso

FORMA VOLUMEN COMPRESIBILIDAD FUERZAS INTERMOLECULARES

Los gases adoptan la forma total del recipiente que los contiene. Ocupan el mayor volumen posible. Los gases pueden comprimirse. En un gas las fuerzas intermoleculares que predominan son las de EXPANSIN.

Adoptan la forma del recipiente que los contiene, pero ocupando todo su volumen. A un recipiente le agregamos una cierta cantidad de gas para el ensayo. El gas ocupar todo el espacio del recipiente. Utilizando el mbolo del recipiente hacemos presin sobre la masa de gas (aumentando la presin), observaremos que podemos reducir el volumen que ocupaba originalmente (figura 1.4).

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Figura 1.4 Representacin del mbolo haciendo presin

Podemos repetir la experiencia con otros gases, por lo que se puede inducir que todos los gases son compresibles. Luego, tambin podemos aumentar, en la medida que el recipiente lo permita, el volumen que ocupa el gas, o sea descomprimirlo (disminuyendo la presin sobre la masa de gas). Las molculas de un gas se encuentran unidas por fuerzas intermoleculares muy dbiles, por lo que estn muy separadas y se mueven al azar. Plasma: Se dice plasma a un gas constituido por partculas cargadas (iones) libres y cuya dinmica presenta efectos colectivos dominados por las interacciones electromagnticas de largo alcance entre las mismas. Con frecuencia se habla del plasma como un estado de agregacin de la materia con caractersticas propias, diferencindolo de este modo del estado gaseoso, en el que no existen efectos colectivos importantes. Generalmente un plasma est formado por igual nmero de cargas positivas y negativas, lo que anula la carga total del sistema. En tal caso se habla de un plasma neutro o casi-neutro. Tambin existen plasmas no neutros o inestables, como el flujo de electrones dentro de un acelerador de partculas, pero requieren algn tipo de confinamiento externo para vencer las fuerzas de repulsin electrosttica. Los plasmas ms comunes son los formados por electrones e iones. En general puede haber varias especies de iones dentro del plasma, como molculas ionizadas positivas (cationes) y otras que han capturado un electrn y aportan una carga negativa (aniones). Por lo general las partculas de una determinada especie localizadas en un punto dado no tienen igual velocidad: presentan por el contrario una distribucin que en el equilibrio trmico es descrita por la distribucin de Maxwell-Boltzmann. A mayor temperatura, mayor ser la dispersin de velocidades (ms ancha ser la curva que la representa). Una medida de tal dispersin es la velocidad cuadrtica media que, en el equilibrio, se denomina tambin velocidad trmica. Es frecuente, aunque formalmente incorrecto, hablar tambin de velocidad trmica y de temperatura en plasmas lejos del equilibrio termodinmico. En tal caso, se menciona la temperatura que correspondera a una velocidad cuadrtica media determinada. La velocidad trmica de los electrones es:

Los plasmas forman el estado de agregacin, ms abundante de la naturaleza. De hecho, la mayor parte de la materia en el Universo visible se encuentra en estado de plasma. Algunos ejemplos de plasmas son: Producidos artificialmente: En el interior de los tubos fluorescentes (iluminacin de bajo consumo). En las pantallas planas. En Soldaduras de Arco elctrico bajo proteccin por Gas (TIG, MIG/MAG, etc.) Materia expulsada para la propulsin de cohetes. La regin que rodea al escudo trmico de una nave espacial durante su entrada en la atmsfera. El interior de los reactores de fusin. Las descargas elctricas de uso industrial. Las bolas de plasma.

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Plasmas terrestres: Los rayos durante una tormenta. La ionosfera. La aurora boreal. Plasmas espaciales y astrofsicos: Las estrellas (por ejemplo, el Sol). Los vientos solares. El medio interplanetario (la materia entre los planetas del Sistema Solar), el medio interestelar (la materia entre las estrellas) y el medio intergalctico (la materia entre las galaxias). Los discos de acrecimiento. Las nebulosas intergalcticas. Ambiplasma (Figura 1.5)

Figura 1.5 Esfera de plasma

Condensado de Bose-Einstein: El condensado de Bose-Einstein es el estado de agregacin de la materia que se da en ciertos materiales a muy bajas temperaturas. La propiedad que lo caracteriza es que una cantidad macroscpica de las partculas del material pasan al nivel de mnima energa, denominado estado fundamental. El condensado es una propiedad cuntica que no tiene anlogo clsico. Debido al Principio de exclusin de Pauli, slo las partculas bosnicas pueden tener este estado de agregacin. Esto quiere decir que los tomos se separan y forman iones. A la agrupacin de partculas en ese nivel se le llama condensado de Bose-Einstein. En la dcada de 1920, Satyendra Nath Bosey Albert Einstein publican conjuntamente un artculo cientfico acerca de los fotones de luz y sus propiedades. Bose describe ciertas reglas para determinar si dos fotones deberan considerarse idnticos o diferentes. Esta se llama la Estadstica de Bose (o a veces la Estadstica de Bose-Einstein), y Einstein aplica estas reglas a los tomos preguntndose cmo se comportaran los tomos de un gas si se les aplicasen estas reglas. As descubre los efectos que vienen del hecho de que a muy bajas temperaturas la mayora de los tomos estn al mismo estado cuntico, que sera el menos energtico posible. (Figura 1.6)

Figura 1.6. Condensado de Bose-Einstein

1.3 Cambios de estado de agregacin.En qumica se denomina cambio de estado a la evolucin de la materia entre varios estados de agregacin sin que ocurra un cambio en su composicin. Los tres estados bsicos son el slido, el lquido y el gaseoso. (Figura 1.7) Existen varias formas para lograr el cambio de estados como son:

Figura 1.7 Solido, liquido, condensacin, gaseoso, fusin, vaporizacin, sublimacin, sublimacin regresiva.

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La siguiente tabla indica cmo se denominan los cambios de estado.

Inicial\

Final

Slido

Lquido Fusin

Gas Sublimacin Ebullicin

Slido Lquido Gas Solidificacin Sublimacin inversa

Condensacin

1.3.1 El punto de fusin. Fusin: Es un proceso fsico que consiste en el cambio de estado de la materia del estado slido al liquido. Es la temperatura a la cual una sustancia pasa del estado slido al estado lquido. En las sustancias puras, el proceso de fusin ocurre a una sola temperatura y el aumento de temperatura por la adicin de calor se detiene hasta que la fusin es completa. Este punto depende de la presin, siendo tanto ms alta cuanta mayor presin soporte el lquido. El punto de fusin del elemento mercurio es de 234,31 K (-38,83 C). Algunos materiales, como el vidrio, pueden endurecerse sin cristalizarse; a esto se le llama un slido amorfo. A diferencia del punto de ebullicin, el punto de fusin es relativamente insensible a la presin atmosfrica. El material con el ms alto punto de fusin es el grafito, con un punto de fusin de 3.948 K. Sublimacin o Volatilizacin: Es el proceso fsico que consiste en el cambio de estado de la materia slida al estado gaseoso, sin pasar por el estado lquido. Los slidos tienen presiones de vapor caractersticas, que oscilan con la temperatura como sucede con lquidos. Acrecentando la temperatura, aumenta tambin la presin del vapor del slido. El suceso de la estabilizacin de un slido con vapor saturado, que vara su presin con la temperatura, a esa inflexin se llama curvatura de sublimacin. Se determina como sublimacin el indicar la conversin directa slidovapor, sin la intervencin lquida. Por ejemplo la purificacin del yodo, azufre, naftaleno o cido benzoico resultan muy viables por sublimacin, debido a que las presiones de vapor de estos slidos tienen valores bastante elevados. Los olores caractersticos de muchas sustancias slidas como las nombradas, son debidos a que estas sustancias tienen una presin de vapor apreciable a temperatura ambiente. Sublimacin Inversa: Es el proceso inverso a la sublimacin progresiva, pero esto ocurre solo en laboratorios, no en la naturaleza. Por ejemplo, cuando se producen vapores al calentarse cristales de yodo y luego se pone sobre ellos un objeto que est muy fro; entonces, los vapores se transformarn nuevamente en cristales de yodo. Cualquier sustancia pura puede sublimarse, esto debido a condiciones de bajas presiones y temperaturas a la que se produce dicha transicin. Solidificacin: Es un proceso fsico que consiste en el cambio de estado de la materia de lquido a slido, producido por una disminucin en la temperatura. Es el proceso inverso a la fusin. En general, los compuestos disminuyen de volumen al solidificarse, aunque no sucede en todos los casos; en el caso del agua aumenta.

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Ebullicin es el proceso fsico en el que un lquido pasa a estado gaseoso. Se realiza cuanto latemperatura de la totalidad del lquido iguala al punto de ebullicin del lquido a esa presin. Si se contina calentando se absorbe calor pero sin aumentar la temperatura, hasta que la

totalidad de la masa pasa al estado gaseoso; y recin en ese momento contina subiendo la temperatura.

1.3.2

Punto de ebullicin.

Es la temperatura a la cual un elemento o compuesto qumico pasa del estado lquido al gaseoso (figura 1.8). A la inversa se denomina punto de condensacin. Figura 1.8punto de Ebullicin

La temperatura de una sustancia o cuerpo es una medida de la energa cintica de las molculas. A temperaturas inferiores al punto de ebullicin, slo una pequea fraccin de las molculas en la superficie tiene energa suficiente para romper la tensin superficial y escapar. Al llegar al punto de ebullicin la mayora de las molculas es capaz de escapar desde todas partes del cuerpo, no solo la superficie. Sin embargo, para la creacin de burbujas en todo el volumen del lquido se necesitan imperfecciones o movimiento, precisamente por el fenmeno de la tensin superficial. Un lquido puede calentarse pasado su punto de ebullicin. En ese caso se dice que es un lquido sobrecalentado. En un lquido sper calentado, una pequea perturbacin provocar una ebullicin explosiva. Condensacin: Es proceso fsico que consistente en el paso de una sustancia en forma gaseosa a forma lquida. Es el proceso inverso a la ebullicin. Aunque el paso de gas a lquido depende, entre otros factores, de la presin y de la temperatura, generalmente se llama condensacin al trnsito que se produce a presiones cercanas a la ambiental. Cuando se usa una sobrepresin elevada para forzar esta transicin, el proceso se denomina licuefaccin. La condensacin es un proceso regido con los factores en competicin de energa y entropa. Mientras que el estado lquido es ms favorable desde el punto de vista energtico, el estado gas es el ms entrpico. Esto tiene dos consecuencias inmediatas: La condensacin se produce al bajar la temperatura (por ejemplo, con el roco en la madrugada), esto es, al primar el factor energtico frente al entrpico. La condensacin, a una temperatura dada, conlleva una liberacin de energa. Esto tiene parte de la responsabilidad de la sensacin de temperatura mayor en un ambiente muy clido y muy hmedo: la humedad que condensa en nuestra piel nos est transmitiendo un calor adicional. Adicionalmente, esta humedad hace intil el proceso natural de refrigeracin por sudor y evaporacin. Los dos parmetros de los que depende que una sustancia o mezcla se encuentre en un estado o en otro son temperatura y presin. La temperatura es una medida de la energa cintica de las molculas y tomos de un cuerpo. Un aumento de temperatura o una reduccin de la presin favorecen la fusin, la evaporacin y la sublimacin, mientras que un descenso de temperatura o un aumento de presin favorecen los cambios opuestos.

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1.4 Deficinin de fase.Usamos el termino fase para describir un estado especifico de la materia, como: s, l, g. El compuesto H2O existe: en la fase solido. ( tambin llamamos e estos estados de la materia; una transicin de ma fase a otra es un cambio de fase. Cambiar su fase s a l.

PROBLEMARIO1.- Diga el smbolo qumico de cada uno de los elementos siguientes:Boro Litio Cromo Fsforo Potasio Plata Tungsteno Antimonio 2.- Identifique los elementos qumicos representados por los smbolos siguientes: SMBOLO Si Be F Na Hf Au Ar As NOMBRE DEL ELEMENTO

3.- Los elementos ms importantes que componen los alimentos que tomamos tienen los siguientes smbolos: C, H, O, N, P, S, Ca, K, Cl, Na, Mg, y Fe. De el nombre de estos elementos C: H: O: N: P: S: Ca: K: Cl: Na: Mg: Fe

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4.- Cuntos protones y electrones hay en los tomos siguientes? Smbolo Nm. Electrones Nm. Protones Nm. Neutrones

5.-El isotopo de uranio utilizado para generar energa nuclear tiene 143 neutrones en su ncleo. Cules de los smbolos qumicos completos, tanto sobre ndice como subndice para estos isotopos del uranio? 6.- Llene los espacios vacios del cuadro siguiente: Smbolo Protones Neutrones Electrones Nm. de masa

27 56 60 102 53 42

7.- Describa los tres estados de la materia y cite ejemplos de sustancias q se encuentren en cada uno de ellos: 8.- Identifique cada una de las sustancias siguientes como un gas, un slido y un lquido bajo condiciones ordinarias: a) oro b) etanol c) helio d) bromo e) monxido de carbono 9.- Del estado fsico de la materia de cada una de las sustancias de la siguiente tabla. En condiciones ordinarias Producto qumico Acido Sulfrico Nitrgeno Oxigeno Etileno Amoniaco Cal Hidrxido de sodio Acido fosfrico Cloro 10.- Clasifique cada una de las siguientes como sustancias puras (P) o como mezclas homogneas (Mh) o heterogneas (Mhe) a) Bixido de silicio (cuarzo) b) Gasolina

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c) Un pastel de frutas d) Una moneda de oro puro 11.-Clasifique cada una de las siguientes sustancias como: elemento (E), compuesto (C), Mezcla homognea (Mh) o mezcla heterognea (Mhe) a) Diamante b) Agua con amoniaco c) Cristales de yodo d) Aderezo de ensalada e) Cloruro de magnesio 12.- Seale si las propiedades indicadas a continuacin son fsicas o qumicas: a) El hidrogeno es un gas incoloro b) El potasio es un metal suave c) El fosforo se inflama cuando se expone al aire d) El diamante es las sustancias ms duras que existe Fsica e) El oxigeno es comburente 13.- Clasifique los siguientes cambios en fsicos o qumicos: a) La trituracin de la carne de res en un molino b) El tostado del pan c) La separacin de los componentes del petrleo por destilacin d) El empaamiento de la plata e) La fusin del hielo f) La decoloracin de la camisa 14.- Indique cual de los siguientes son procesos qumicos y cuales fsicos: a) Deslustre de la plata b) Corte de un diamante c) Combustin de la gasolina d) Conversin del vino en vinagre 15.- Indique dos ejemplos de cada uno de los trminos siguientes: Materia: Sustancia: Mezcla: 16.- Seale tres ejemplos de mezclas homogneas y tres de mezclas heterogneas 17.- Estado de agregacin en el que las fuerzas de atraccin entre partculas son muy Dbiles 18.- Estado de agregacin con forma definida 19.- Estado de agregacin con forma indefinida pero con volumen definido 20.- En qu proceso un lquido se convierte en gas? a) Fusin. b) Vaporizacin. c) Condensacin.

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d) Sublimacin. 21. En qu proceso un lquido se convierte en slido? a) Solidificacin. b) Condensacin. c) Sublimacin regresiva. d) Fusin.

BIBLIOGRAFA

John C. Kotz y Paul M. Treichel. Qumica y Reactividad Qumica. Mxico. Quinta Edicin. Editorial Thompson. 2003. Nmero de Pginas 997.

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Raymond Chang. Qumica. Mxico. Novena Edicin. Mc Graw Hill. 2007. Nmero de Pginas 1080.

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UNIDAD II TEORA CUNTICA Y ESTRUCTURA ATMICA

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UNIDAD II

TEORA CUNTICA Y ESTRUCTURA ATMICA

2 ................................................................... TEORA CUNTICA Y ESTRUCTURA ATMICA ...................................................................................................................................................18 2.1 Base experimental de la Teora Cuntica ........................................................................ 18 2.1.1 2.1.2 2.1.3 Radiacin del cuerpo negro y Teora de Planck ..................................................... 18 Efecto Fotoelctrico ................................................................................................ 20 Espectro de Emisin y Series Espectrales............................................................... 21

2.2 Teora atmica de Bohr ................................................................................................... 27 2.3 Ampliacin de la Teora de Bohr: Teora Atmica de Somerfeld .................................... 31 2.4 Estructura atmica........................................................................................................... 32 2.2.1 Principio de Dualidad del electrn (onda-particula). Postulado de De Broglie ...... 33 3 ................................................................................................................................................... r = n ...................................................................................................................................................34 2.4.2 Principio de Incertidumbre de Heissenberg ................................................................. 34 2.4.3Ecuacin de Onda de Schrodinger ................................................................................ 35 2.5 Teora Cuntica y Configuracin Electrnica ................................................................. 41 2.5.1 2.5.2 2.5.3 2.5.4 2.5.5 2.6.1 2.6.2 Niveles de Energa de los Orbitales ........................................................................ 44 Principio de Exclusin de Pauli .............................................................................. 45 Principio de Aufbau o de Construccin .................................................................. 46 Principio de Mxima multiplicidad de Hund .......................................................... 47 Configuracin electrnica de los elementos ........................................................... 47 Foto multiplicadores por fibra ptica (aplicacin en optoelectrnica). .................. 49 Cmo se transforman los cdigos digitales a imgenes? ...................................... 50

2.6 Aplicaciones del tema en la ingeniera ........................................................................... 49

PREGUNTAS Y PROBLEMAS ............................................................................................ 52 BIBLIOGRAFA .................................................................................................................... 56

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TEORA CUNTICA Y ESTRUCTURA ATMICA

La Teora Cuntica es uno de los pilares fundamentales de la Fsica actual. Recoge un conjunto de nuevas ideas introducidas a lo largo del primer tercio del siglo XX para dar explicacin a procesos cuya comprensin se hallaba en conflicto con las concepciones fsicas vigentes. Su marco de aplicacin se limita, casi exclusivamente, a los niveles atmico, subatmico y nuclear, donde resulta totalmente imprescindible. En el tomo distinguimos dos partes: el ncleo y la corteza. - El ncleo es la parte central del tomo y contiene partculas con carga positiva, los protones, y partculas que no poseen carga elctrica, es decir son neutras, los neutrones. La masa de un protn es aproximadamente igual a la de un neutrn. Todos los tomos de un elemento qumico tienen en el ncleo el mismo nmero de protones. Este nmero, que caracteriza a cada elemento y lo distingue de los dems.

2.1 Base experimental de la Teora CunticaEncontramos que la base experimental de la teora cuntica se encuentra en dos teoras anteriores, que trataban de explicar la naturaleza de la luz, los rayos x, la luz UV, etc. Estas teoras son: Teora CORPUSCULAR formulada por Isaac Newton en 1675. Esta teora supone que la luz se transmite en forma de partculas (corpsculos). La teora se abandon en los primeros aos del siglo XIX, cuando pareca demostrarse que la radiacin electromagntica consista en ondas. Sin embargo a fines del siglo se demostr que en ciertas circunstancias la luz se debe considerar ms bien como partculas que como ondas. Teora ONDULATORIA formulada por Christian Huygens. Esta teora dice que la luz es transmitida por radiacin electromagntica en forma de ondas. La teora es antigua lo mismo que la teora corpuscular (de partculas) opuesta. Durante siglos no se pudo hacer distincin entre ellas mediante comprobaciones hasta que se demostr la interferencia de la luz en 1801. Como esto no se poda explicar por radiacin de partculas, el problema pareca resuelto. Unos decenios ms tarde, se descubri el efecto fotoelctrico que no se puede explicar por una sola de estas teoras, por lo tanto del punto de vista moderno para la teora cuntica, es que la radiacin electromagntica tiene naturaleza dual; manifiesta propiedades ondulatorias en ciertas situaciones y propiedades corpusculares en otras. La teora cuntica moderna sostiene que la luz se traslada en pequeos paquetes (llamados cuantos o fotones) que pueden manifestar propiedades ondulatorias y corpusculares.

2.1.1 Radiacin del cuerpo negro y Teora de PlanckLA RADIACIN DEL CUERPO NEGRO, se trata de un irradiador ideal y es aquel cuerpo capaz de absorber sobre su superficie toda la radiacin que incide sobre l, para luego emitirla y transmitirla por medio de radiacin a otro cuerpo. La cantidad de la radiacin que este cuerpo absorbe se refleja en el incremento de su temperatura, a mayor radiacin absorba, mayor ser su temperatura. Un ejemplo: es al calentar un metal, ste absorbe la radiacin, y luego, cuando lo tocamos, nos transmite dicha radiacin. (Podemos notar su incremento de temperatura al absorber la radiacin).

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LA TEORA DE PLANCK. Introducida en 1900 para explicar la radiacin del cuerpo negro de los cuerpos calientes. Esta teora llamada teora cuntica se basa en la idea de que la energa (u algunas otras cantidades fsicas) solamente pueden variar en ciertas cantidades discretas para un sistema dado. Los slidos, cuando se calientan, emiten radiacin electromagntica que abarca una gran gama de longitud de onda. La luz tenue de un calentador elctrico y la luz blanca brillante de una lmpara de tungsteno son ejemplos de radiacin proveniente de slidos calentados (cuerpos negros). Las mediciones hechas en la ltima parte del siglo XIX demostraron que la cantidad de energa radiante emitida por un objeto a cierta temperatura depende de su longitud de onda. Los intentos por explicar esta dependencia en funcin de la teora ondulatoria establecida y de las leyes de la termodinmica tuvieron xito slo en parte. Una teora explicaba la dependencia de longitudes de onda corta no la de longitudes de onda ms largas. Otra teora explicaba la dependencia de las longitudes de onda largas pero no la de las cortas. Pareca que algo importante faltaba en las leyes de la fsica clsica. Planck resolvi el problema con una suposicin que se apartaba radicalmente de los conceptos establecidos. La fsica clsica supona que los tomos y las molculas podan emitir (o absorber) cualquier cantidad arbitraria de energa radiante. Planck sostena que los tomos y las molculas podan emitir (o absorber) energa radiante slo en cantidades discretas, como pequeos paquetes o cmulos. Planck le dio el nombre de cuantos a la mnima cantidad de energa que poda ser emitida (o absorbida) en forma de radiacin electromagntica. La energa E de un solo cuanto est dada por:

E cuantos

= h

Donde h es la constante de Planck cuyo valor es 6.63 x10-34(J/s) joule/segundo, y es la frecuencia de la radiacin. (Hz = 1/s) Para entender mejor esta teora es necesario saber que es una ONDA y sus PROPIEDADES. Una onda se puede considerar como una perturbacin vibracional por medio de la cual se transmite la energa. Las propiedades fundamentales de una onda son: Longitud, amplitud y frecuencia. La longitud de una onda (lambda) es la distancia entre puntos idnticos en ondas sucesivas. La frecuencia (nm) es el nmero de ondas que pasan por un punto particular en un segundo. (Figura 2.1) J.1 S S Figura 2.1

Otra caracterstica importante de las ondas es su velocidad, la cual depende del tipo de onda y del medio por el que viaja (por ejemplo: aire, agua o vaco): La velocidad (u) de la onda es el producto de su longitud de onda por su frecuencia:

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U = donde = longitud de onda La longitud de onda se expresa en metros, centmetros o nanmetros y la frecuencia se mide en Hertz (Hz), donde: 1 Hz = 1 ciclo /s

2.1.2 Efecto FotoelctricoSe llama efecto fotoelctrico a la formacin y liberacin de partculas elctricamente cargadas que se produce en la materia, cuando es irradiada con luz u otra radiacin electromagntica. Con el descubrimiento de los e se reconoci que estos se pierden cuando los metales se exponen a los rayos UV, y ste fenmeno fue denominado efecto fotoelctrico. Einstein sugiri que un rayo de luz es en realidad una corriente de partculas de luz, que ahora se conocen como fotones. Utilizando como punto de partida la teora de Planck para la radiacin, Einstein dedujo que cada fotn debe tener una energa dada por la ecuacin:

E (fotn) = hDonde es la frecuencia de la luz. Los e se mantienen en un metal por fuerzas de atraccin, as que para removerlos del metal se debe de emplear luz de frecuencia suficientemente alta para liberar los electrones. Un rayo de luz resplandeciente, sobre una superficie metlica se puede considerar como disparar un rayo de partculas (fotones) sobre los tomos del metal. Si la frecuencia de los fotones es tal que h es exactamente igual a la energa de enlace de los electrones en el metal, entonces la luz tendr suficiente energa para soltar los e, si se utiliza luz de mayor frecuencia, entonces no slo se rompern los enlaces de los electrones, sino que estos tambin adquirirn algo de energa cintica. Esta situacin se resume en la ecuacin: h= EC+EE EC= Energa cintica de los electrones emitidos [EC= mU2] EE=Energa de enlace del electrn en el metal. Ahora considere dos rayos de luz que tienen la misma frecuencia (que es mayor que la frecuencia umbral) pero distintas intensidades. El rayo de la luz ms intenso consta de un mayor nmero de fotones por consiguiente, desprende ms electrodos de la superficie del metal que el rayo de luz ms dbil. As que cuando ms intensa sea la luz mayor ser el nmero de electrones emitidos por el metal de prueba; a mayor frecuencia de luz, mayor ser la energa cintica de los electrones emitidos. El trmino efecto fotoelctrico designa varios tipos de interacciones similares. En el efecto fotoelctrico externo se liberan electrones en la superficie de un conductor metlico al absorber energa de la luz que incide sobre dicha superficie. Este efecto se emplea en la clula fotoelctrica, donde los electrones liberados por un polo de la clula, el fotoctodo, se mueven hacia el otro polo, el nodo, bajo la influencia de un campo elctrico. Un APARATO para estudiar el efecto fotoelctrico. (Figura 2.2) La luz de cierta frecuencia cae sobre una superficie limpia de un metal. Los electrones liberados son atrados hacia el electrodo positivo. El flujo de electrones se registra mediante el medidor.

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Luz incidente

Metal

Figura 2.2 Aparato para estudiar el efecto fotoelctrico

Fuente de voltaje

Medidor

2.1.3 Espectro de Emisin y Series EspectralesEspectro de emisin es la radiacin emitida por las sustancias, ya sea continua o en forma de lneas. ESPECTRO Serie de colores semejante a un arcoris en este orden: violeta, azul, verde, amarillo, anaranjado y rojo que se produce al dividir una luz compuesta como la luz blanca en sus colores constituyentes. El arcoris es un espectro natural producido por fenmenos meteorolgicos. Puede lograrse un efecto similar haciendo pasar luz solar a travs de un prisma de vidrio. La primera explicacin correcta de este fenmeno la dio en 1666 el matemtico y fsico britnico Isaac Newton. Cuando un rayo de luz pasa de un medio transparente como el aire a otro medio transparente, por ejemplo vidrio o agua, el rayo se desva; al volver a salir al aire vuelve a desviarse. En esta desviacin la magnitud de la refraccin depende de la longitud de onda de la luz. La luz violeta, por ejemplo, se desva ms que la luz roja al pasar del aire al vidrio o del vidrio al aire. As, una mezcla de luces roja y violeta se dispersa al pasar por un prisma en forma de cua y se divide en dos colores. ESPECTRO DE EMISIN Desde el siglo XVII cuando Newton demostr que la luz solar est formada por varios componentes de colores que se pueden recombinar para producir luz blanca, los qumicos y los fsicos han estudiado las caractersticas de los espectros de emisin, es decir espectros constituidos o lneas espectrales de la radiacin emitida por la sustancia. El espectro de emisin de una sustancia se obtiene al suministrar a una muestra de material energa trmica o alguna otra forma de energa (como una descarga elctrica de alto voltaje si la sustancia es gaseosa). Una barra de hierro al rojo caliente o blanco caliente recin sacada de una fuente de alta temperatura produce un resplandor caracterstico. Este resplandor visible es la parte de su espectro de emisin que es percibida por el ojo. El calor que emite la barra de hierro representa otra parte de su espectro de emisin: la regin del infrarrojo. Una caracterstica comn del espectro de emisin del SOL y

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de un slido calentado es que ambos son continuos, es decir, todas las longitudes de onda de luz visible estn representadas en el espectro. Los espectros de emisin de los tomos en la base gaseosa no muestran una distribucin continua de longitudes de onda desde el rojo al violeta; en lugar de ello, los tomos producen lneas brillantes en distintas partes del espectro visible. Estos espectros de lneas corresponden a las emisiones de luz solo a longitudes de onda especficas. (En la figura 2.3 se muestra el diagrama de un tubo de

Placa fotogrfica ColimadorAlto voltaje

Prisma Tubo de descarga Luz separadora en varios componentes

Espectro de lneas

descarga que se utiliza para cambiar los espectros de emisin.)Figura 2.3 Un dispositivo experimental para estudiar los espectros de emisin de tomos y molculas. El gas en estudio est en un tubo de descarga que contiene dos electrodos. Cuando los electrones fluyen del electrodo negativo al positivo chocan con el gas. Este proceso de colisin con el tiempo lleva a la emisin de luz por los tomos (o molculas). La luz emitida se separa en sus componentes por medio de un prisma. Cada componente de color de enfoca en una posicin definida, de acuerdo con su longitud de onda, y forma una imagen colorida del colimador a la placa fotogrfica. Las imgenes de color se denominan lneas espectrales. b) Espectro de emisin de lneas de los tomos de hidrgeno.

ESPECTROS DE BANDAS La mayor parte de la informacin que tienen los fsicos sobre la estructura del tomo se ha obtenido mediante la espectroscopia. Los espectros moleculares son igualmente tiles para determinar la estructura de las molculas, algo que interesa a los qumicos an ms que a los fsicos. La mayora de los espectros moleculares son espectros de bandas, es decir, estn formados por una serie de bandas brillantes cada una de las cuales es similar a un fragmento del espectro continuo, separadas por zonas oscuras. Estas bandas no son en realidad continuas, sino que estn formadas por muchas lneas muy juntas que pueden resolverse mediante espectroscopios de alta resolucin. El espaciado de las lneas en cualquier serie de bandas moleculares depende de si el espectro es rotacional o vibracional. Como los niveles de energa rotacionales pueden ser excitados por energas bajas, estn poco separados y las lneas de una banda rotacional estn muy

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apretadas, sin apenas espacios intermedios. Los niveles vibracionales, en cambio, estn mucho ms separados, por lo que las lneas de una banda vibracional estn ms espaciadas. Tambin es posible excitar los niveles de energa electrnicos de una molcula, y las transiciones de los electrones entre dichos niveles dan lugar a las lneas electrnicas del espectro molecular, muy separadas entre s. SERIES ESPECTRALES Comnmente se puede apreciar este fenmeno en las luces de nen de nuestros das. Las luces de nen son tubos llenos de elementos gaseosos (generalmente nen). Cuando una corriente elctrica atraviesa el gas, el elemento produce un color definido (generalmente rojo). Cuando una luz de un elemento animado atraviesa un prisma, slo se puede ver lneas especficas (u ondas) de luz. A estas delgadas lneas se les llama lneas o series espectrales.(Figura 2.4) Por ejemplo, cuando se calienta el hidrgeno y la luz atraviesa un prisma, se puede ver la siguiente lnea espectral:Figura 2.4 Lneas espectrales que da al momento de calentar el hidrogeno y la luz atraviesa el prisma

ESPECTROSCOPIOSon los aparatos para observar visualmente un espectro. En 1859, los cientficos alemanes Gustav Robert Kirchhoff y Robert Wilhelm Bunsen fueron los primeros en darse cuenta de que cada elemento emite y absorbe la luz de colores caractersticos, que componen su espectro. Desarrollaron el espectro de prisma en su forma moderna y lo aplicaron al anlisis qumico. Este instrumento que es uno de los dos tipos principales de espectroscopio, est formado por una rendija, un conjunto de lentes, un prisma y un ocular. La luz que va a ser analizada pasa por una lente colimadora, que produce un haz de luz estrecho y paralelo, y a continuacin por el prisma. Con el ocular se enfoca la imagen de la rendija. De hecho, lo que se ve son una serie de imgenes de la rendija, conocidas como lneas espectrales, cada una con un color diferente, porque el prisma separa la luz en los colores que la componen. La ESPECTROSCOPA Raman, descubierta en 1928 por el fsico indio Chandrasekhara Venkata Raman, se ha empleado mucho recientemente en qumica terica. Los espectros Raman se forman cuando, en determinadas condiciones, la luz visible o ultravioleta se absorbe y luego se vuelve a emitir a una frecuencia ms baja despus de provocar la rotacin o vibracin de las molculas. La espectroscopia es la ciencia que se encarga del estudio de la radiacin electromagntica emitida o absorbida por las sustancias. Los mtodos magnticos de espectroscopia en la regin del espectro de las radiofrecuencias, son muy tiles para proporcionar informacin qumica sobre las molculas y mostrar su estructura detallada. Estos mtodos son la resonancia magntica nuclear (RMN) y la resonancia de espn electrnico (REE); esta ltima tcnica tambin se denomina resonancia paramagntica de electrones. Estos mtodos se basan en el hecho de que los electrones y protones giran sobre s mismos como pequeos trompos. Para alinear los ejes de giro, se coloca la muestra en un campo magntico. Los electrones o protones de la muestra invierten repentinamente sus ejes de giro cuando se suministra la radiofrecuencia adecuada. ESPECTRO CONTINUO El espectro continuo es aquel donde se representan todas las longitudes (para slidos) de onda de la luz. Los espectros de emisin de tomos en fase gaseosa, por otro lado, no muestran una distribucin continua de desde el rojo al violeta; en lugar de ello, los tomos emiten luz slo a longitudes de onda especficas. Dichos espectros se llaman espectros de lneas por que la radiacin se identifica por la aparicin de lneas brillantes en el espectro.

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La forma de espectro ms sencilla, llamada espectro continuo, es la emitida por un cuerpo slido o lquido que puede ser llevado hasta altas temperaturas. Estos espectros no presentan lneas porque contienen luz de todos los colores, que suceden sin solucin de continuidad como el arcoris.Los espectros continuos slo se pueden analizar con mtodos espectrofotomtricos. En el caso de un emisor ideal, llamado cuerpo negro, las intensidades de los colores del espectro slo dependen de la temperatura. Dos de las leyes que rigen la distribucin de energa en un espectro continuo afirma que la energa total por unidad de tiempo radiada por un cuerpo negro es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura absoluta; la ley de desplazamiento de Wien afirma que, a medida que aumenta la temperatura, el espectro de radiacin de un cuerpo negro se desplaza hacia las frecuencias altas de forma directamente proporcional a la temperatura absoluta. LNEAS ESPECTRALES Las lneas espectrales se producen por transiciones de electrones entre niveles de energa en tomos, molculas e iones. La absorcin ocurre cuando un electrn gana energa (absorbiendo un fotn) y salta a un nivel de energa superior. La emisin ocurre cuando el electrn hace una transicin de un nivel de energa superior a uno inferior, emitiendo un fotn. En ambos casos, la energa del fotn corresponde a la diferencia de energa entre los niveles superior e inferior, y la longitud de onda del fotn es proporcional a esa energa. (Figura 2.9 situada en la pgina 38) Una lnea espectral es una lnea oscura o brillante en un espectro uniforme y continuo, resultando de un exceso o una carencia de fotones en un estrecho rango de frecuencias, comparado con las frecuencias cercanas. El estudio de las lneas espectrales permite realizar un anlisis qumico de cuerpos lejanos siendo la espectroscopia uno de los mtodos fundamentales usados en la astrofsica aunque es utilizada tambin en el estudio de la Tierra. Cuando los gases o vapores de una sustancia qumica se calientan en un arco elctrico o en un mechero de Bunsen, se produce luz. Si un rayo de sta luz se pasa a travs de un prisma, se produce un espectro de lneas. Este espectro est formado por un nmero limitado de lneas coloreadas, cada una de las cuales corresponde a diferentes de la luz. El espectro de lneas de cada elemento es nico o cada elemento tiene un espectro de emisin nico. Las lneas caractersticas de los cuerpos atmicos se pueden utilizar en anlisis qumico para identificar tomos desconocidos, as como las huellas digitales sirven para identificar a una persona. Un espectro de emisin de lneas de tomos de hidrgeno. (Fig. 2.5)

400 nm

500 nm

600 nm 700 nm Figura 2.5 Espectro de emisin de lneas

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

C = = (3.289x1015 1/s) (

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2

1 ) n

2

n= 3, 4, 5,

En la cual n es un nmero igual o mayor a 3. Est relacin, propuesta por J. J. Balmer en 1885, fue derivada de observaciones experimentales y no se bas sobre ninguna teora de la estructura atmica. La serie de lneas espectrales en la regin del visible que se describen por la ecuacin de Balmer se llama serie de Balmer.

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ESPECTRO ELECTROMAGNTICO La radiacin electromagntica queda dividida segn su longitud de onda. A continuacin se comentan algunos aspectos relativos a estas divisiones:

Las ondas de radio son generadas por circuitos electrnicos, como osciladores LC, y son utilizadas en comunicaciones. Las microondas abarcan la zona desde 1 mm hasta 30 cm. Resultan adecuadas para los sistemas de radar, navegacin area y para el estudio de las propiedades atmicas de la materia. Las ondas infrarrojas son llamadas tambin onds trmicas ya que estas ondas son producidas principalmente por cuerpos calientes y son absorbidas fcilmente por la mayora de los materiales. La energa absorbida aparece como calor. Estas ondas comprenden longitudes de onda desde 1 mm hasta 4x10-7 m.

o

o o

La luz visible es la parte del espectro que puede percibir el ojo humano. Incluye las longitudes de onda desde 4x10-7 hasta 7x10-7 metros o lo que es lo mismo, desde 400nm hasta 700nm. Los diferentes colores corresponden a ondas de diferente longitud de onda. La luz ultravioleta (6x10-8 - 3.8x10-7) es producida principalmente por el sol. Es la causa de que la gente se ponga morena. Los rayos X y los rayos gamma son ondas de gran energa que daan la estructura de los tejidos humanos.

La radiacin electromagntica es la emisin y transmisin de energa en forma de ondas electromagnticas. La figura siguiente 2.6 muestra diversos tipos de radiacin electromagntica, las cuales tiene distintas longitudes de onda y frecuencia. Las ondas largas de radio se emiten por medio de grandes antenas, como las que emplean las radiodifusoras. Las ondas de luz visible, ms corta, se produce por el movimiento de los electrones dentro de los tomos y las molculas. Las ondas ms cortas que tambin tiene la frecuencia ms alta, se asocian a los rayos que se producen por cambios en el ncleo del tomo. Cuanto mayor sea la frecuencia ms energa ser la radiacin. Por lo tanto, la radiacin ultravioleta, los rayos X son radiacin de alta energa.

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Figura 2.6 Este esquema recoge las diversas regiones del llamado espectro electromagnticoindicado sus frecuencias (en hercios) y longitudes de onda (en metros).

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ONDA ELECTROMAGNTICA

La propagacin de la luz se explica de la mejor manera con la teora Ondulatoria. Sin embargo puesto que la luz viaja en el vaci sin un medio para vibrar, la onda debe ser fundamentalmente diferente de una onda mecnica, tal como una onda sonora. La luz debe ser una onda auto sostenida. James Clerk Maxwell demostr cmo es posible esto, cuando mostr en 1865 que una carga acelerada puede radiar ondas electromagnticas en el espacio. Maxwell explic que la energa en una onda electromagntica est igualmente dividida entre campos elctricos y magnticos que son mutuamente perpendiculares. Ambos campos oscilan perpendicularmente a la direccin de la propagacin de onda, como se muestra en la siguiente figura (figura 2.7) Figura 2.7 Onda electromagntica

La teora electromagntica sostiene que la luz se propaga como un campo transversal oscilante. La energa se divide igualmente entre el campo elctrico E y el campo magntico B, que son mutuamente perpendiculares. Un campo magntico que se colapsa genera un campo elctrico, y uno elctrico que se extingue genera un campo magntico. De esta manera, una onda luminosa no tiene que depender de la vibracin de materia. Puede propagarse cambiando campos transversales. Dicha onda puede separarse de una regin alrededor de una carga acelerada y viajar por el espacio a velocidad constante. Las ecuaciones de Maxwell predijeron que los efectos trmicos y elctricos, as como la luz, se propaga a la misma velocidad. Las ecuaciones de Maxwell se han confirmado experimentalmente, y hoy en da se sabe que toda la radiacin electromagntica viaja a una velocidad constante de: 3 x 108 m/s (186000 m/s):

8 C=3 x 10

m/s

Velocidad de la luz

El smbolo C se utilizar para representar la velocidad de cualquier onda electromagntica en el vaci. Tales ondas viajaran a menor velocidad en un medio material.

2.2 Teora atmica de Bohr

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En 1993, no mucho despus de los descubrimientos de Planck y Einstein, Niels Bohr ofreci una explicacin terica del espectro de emisin del tomo de hidrgeno. El tratamiento de Bohr es muy complejo y ya no se considera totalmente correcto en todos sus detalles. Sin embargo, introduce un concepto importante: la cuantizacin de la energa de los electrones en el tomo. Cuando Bohr abord inicialmente este problema, los fsicos saban que los tomos estaban formados por electrones y protones. Pensaban en el tomo como una entidad en la que los electrones giraban alrededor del ncleo en orbitas circulares a altas velocidades. Este era un modelo atractivo por qu se parece al movimiento bien comprendido de los planetas alrededor del sol. En el tomo de hidrgeno se vea que la atraccin electrosttica entre el protn (+) solar y el electrn (-) planetario empujaban los electrones hacia adentro y que est fuerza era balanceada exactamente por la aceleracin debida al movimiento circular del electrn. La teora de Rutherford no se pudo mantener de un modo completo, ya que no justificaba la estabilidad del tomo. En 1913, N Bohr crey solucionar el problema de la estabilidad del tomo mediante su modelo atmico. En l se incorporaba la teora cuntica de Planck. (La energa no se emite en forma continua, sino en pequeos paquetes llamados cuantos o fotones, Determin que la energa de un fotn vena dada por la siguiente frmula: E = h En la que E es la energa, h la constante de Planck y la frecuencia de radiacin ondulatoria). Bohr basndose en la mencionada teora de Planck, formul una hiptesis sobre la estructura atmica, los electrones giran alrededor del ncleo describiendo rbitas circulares, pero sin emitir energa. Cuanto mayor es la rbita, mayor es la energa que posee el electrn (vase la figura 2.8). El paso de un electrn de una rbita a otra interior se realiza mediante un desprendimiento de energa. Por lo tanto, para lograr que un electrn salte a una rbita ms externa hay que aportar energa. La cantidad de energa inicial y la final:

E2 E1 = hEl paso del electrn en tercera dimensin

E1

E2

E1

E2

E1

E2

Figura 2.8 Se muestra el paso de un electrn de una rbita a otra interior se realiza mediante un desprendimiento de energa.

E1

E2

Segn Bohr, siempre que un electrn de un tomo excitado salta de una rbita exterior a otra interior, emite una energa que es igual a la energa existente entre las dos rbitas: E2 E1 = h.

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(Figura 2.9)

Figura 2.9 Postulado de Bohr

El producto de la cantidad del movimiento (m ) del electrn por la longitud de la rbita que describe es un mltiplo del cuanto de energa: m2 r=hn Siendo n el orden de las rbitas que recorre el electrn, a partir del ncleo (n = 1, 2, 3). Se denomina n nmero cuntico principal. A partir de estas consideraciones, Bohr estableci las dimensiones orbitales necesarias para que el electrn del tomo de hidrgeno permaneciese estable. El modelo de Bohr se acopia perfectamente, al tomo de hidrgeno, pero no ocurre lo mismo con tomos ms complejos. El modelo atmico de Bohr supone que: - Los electrones giran alrededor del ncleo del tomo con energa constante (por eso no caen al ncleo). - Las rbitas son circulares y estn cuantizadas - en diferentes niveles de energa. - Los niveles cercanos al ncleo son de menor energa. El modelo de Bohr consiste en una serie de postulados que pueden suministrarse de la manera siguiente: 1. El electrn de un tomo de hidrgeno se mueve alrededor del protn central en una rbita circular. Sin embargo, un electrn en un tomo no puede tener cualquier energa; nicamente las orbitas de cierto radio y cierta energa son permitidas. Un electrn en una de estas rbitas se dice que est en un estado de energa permitido (es decir, est cuantizado). 2. En ausencia de energa radiante, un electrn en un tomo queda indefinidamente en uno de los estados de energa permitidos. Cuando est presente la energa radiante, sin embargo, el tomo puede absorber energa. Si esto sucede, el electrn pasa de un estado de energa permitido (estado basal o fundamental) a otro estado (estado excitado). La frecuencia de la energa radiante absorbida () corresponde exactamente a la diferencia de energa (E) entre dos de los estados de energa permitidos:

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E = h Cada una de estas energas permitidas corresponde a una trayectoria circular de radio diferente. En el modelo de Bohr a cada rbita permitida se le asign un nmero entero de n, conocido como nmero cuntico principal, que puede tener valores desde 1 hasta infinito. En 1913, Niels Bohr propuso una teora para la estructura electrnica del tomo de hidrgeno que explicaba el espectro de lneas de ste 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: El electrn del tomo de hidrgeno puede existir solamente en ciertas ORBITAS esfricas (las cuales se llaman niveles de energa o capas de energa), cada nivel est designado por un valor de n= 1, 2, 3, 4, 5 hasta infinito, o por una letra, K, L, M, N, O. El electrn posee una energa definida y caracterstica de la rbita en la cual se mueve. Con el aumento de la distancia del ncleo, el radio del nivel y la energa de un electrn en el nivel aumenta. Cuando los electrones de un tomo estn lo ms cerca posible del ncleo estos se hallan en la condicin de la energa ms baja posible, llamado ESTADO FUNDAMENTAL o BASAL. Cuando los tomos se calientan, los electrones absorben energa y pasan a niveles exteriores, dos que son estados energticos superiores. Se dice entonces que los tomos estn en ESTADO EXCITADO. 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. Bohr deriv una ecuacin para la energa que tendra un electrn en cada rbita. 1 Eorbita = - 2.179X10-18 J ( n2 ) n= 1, 2, 3

El signo (-) es una convencin arbitraria, establece que la energa del electrn en el tomo es menor que la energa de un electrn que ste infinitamente lejos del ncleoii. PROCESO DE EMISIN Segn Bohr, la cantidad de energa emitida por un electrn al pasar o saltar de una rbita exterior (mayor) a otra inferior, emite una energa, que es igual a la diferencia entre la energa inicial y la final: E2 E1 = h PROCESO DE ABSORCIN Los electrones pueden pasar tambin de un nivel energtico inferior a otro superior (menor a mayor), pero para que esto suceda, debe obtener (absorber) cierta cantidad de energa. (Figura 2.10)

Figura 2.10 Una analoga mecnica para el proceso de emisin. La pelota puede caer en cualquier peldao, pero no entre estos.

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2.3 Ampliacin de la Teora de Bohr: Teora Atmica de SomerfeldEl Sol, con una masa mucho mayor a la de los planetas, los atrae con una fuerza proporcional a 1/r2. El movimiento planetario alrededor del Sol es similar al de un electrn en un tomo, pero desde principios del siglo XVII se conoca (Kepler) que los planetas tenan trayectorias elpticas. El tratamiento Newtoniano del problema de Kepler, de una fuerza central inversamente proporcional al cuadrado de la distancia, conduce a las siguientes trayectorias posibles, dependiendo de la energa E del sistema: E>0 Hiprbola (algunos cometas) E=0 Parbola Eh 4 Donde x y p son las incertidumbres en las mediciones de posicin y momento respectivamente. La ecuacin expresa que si mide con precisin el momento de una partcula (es decir, si p se hace una cantidad pequea), el conocimiento de la posicin se har correspondientemente menos preciso (es decir x, se har mayor). Del mismo modo, si la posicin de una partcula se conoce con precisin, entonces la medicin de su momento debe ser menos precisa. Al aplicar el principio de incertidumbre al tomo de hidrgeno, se puede ver que en realidad el electrn no viaja en la rbita alrededor del ncleo con una trayectoria bien definida, como Bohr pens. Si as fuera, se podran determinar con precisin tanto la posicin del electrn (a partir del radio de la rbita) como su momento (a partir de su energa cintica) al mismo tiempo, con lo que se violara el principio de incertidumbre. Es por esto que no resulta apropiado imaginar a los electrones en movimiento en rbitas circulares bien definidas alrededor del ncleo. La hiptesis de De Broglie y el principio de incertidumbre de Heisenberg prepararon la escena para una teora de la estructura atmica nueva y de aplicacin ms amplia. En este nuevo enfoque se abandona cualquier intento por definir precisamente la ubicacin y el momento de los electrones. Se reconoce la naturaleza ondulatoria del electrn, y su comportamiento se describe en trminos apropiados para las ondas.

2.4.3Ecuacin de Onda de SchrodingerEn 1926 Erwin Schrodinger modific una ecuacin ya existente que describa una onda estacionaria tridimensional imponindole las restricciones de longitud de onda sugeridas por las ideas de De Broglie. Para describir por completo el comportamiento y la energa de partculas submicroscpicas en general. Esta ecuacin es anloga a las leyes de Newton del movimiento para los objetos macroscpicos. Para resolver la ecuacin de Schrodinger se necesitan clculos avanzados, que no se analizarn aqu, sin embargo, es importante saber que esta ecuacin incorpora tanto el comportamiento de partcula, en funcin de la masa m, como de onda, en trminos de una funcin de onda (psi), que depende de la posicin del sistema en el espacio (como la de un electrn en un tomo). La ecuacin modificada le permiti calcular los niveles de energa en el tomo de hidrgeno. La relacin de De Broglie entre la cantidad de movimiento de una partcula y la asociada a su movimiento no contiene ninguna informacin sobre la amplitud y la naturaleza de dicha onda. En una onda luminosa, el campo electromagntico vara en el espacio y en el tiempo.

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La cantidad variable que caracteriza las ondas de De Broglie se conoce con el nombre de funcin de onda y se expresa por la letra griega psi . El valor de la funcin onda, asociada con un cuerpo en movimiento en un punto particular del espacio, y, z y en un instante t, est relacionado con la probabilidad de encontrar el cuerpo en aquel punto y en ese instante. Si el electrn se comporta como una onda, su movimiento puede ser descrito mediante una ecuacin de onda, la cual por lo general es una ecuacin diferencial de segunda orden. Para una onda que se transmite a lo largo de una cuerda (onda estacionaria) en la direccin del eje x.

d = d x

1* c

d d t

En donde la funcin de onda , es decir, el desplazamiento de la cuerda, es una funcin de Xy del tiempo t, c es su velocidad de propagacin. En tres dimensiones, esta ecuacin se convierte en:

d d x

+

d d y

+

d d z

=

1 c

*

d d t

La ecuacin de Schrodinger en estado estacionario:

d d x

+

d d y

+

d d z

+

2m h

(E - V) = 0

En donde m es la masa de la partcula, E y V son la energa total y la energa potencial de la partcula. Sin embargo en s no tiene ningn significado fsico directo. Hay una razn siempre por la que no se puede interpretar en funcin de un experimento. La probabilidad P de que algo est en alguna parte en algn momento dado puede tomar cualquier valor entre dos lmites: 0 para la certeza absoluta de su ausencia y 1 para la certeza total de su presencia, (una probabilidad de 0.2 por ejemplo, quiere decir que hay un 20% de probabilidad de encontrar el cuerpo). Sin embargo la amplitud de cualquier onda puede ser positiva o negativa y una probabilidad negativa es algo sin sentido. De aqu que no sea una magnitud observable. Esta objecin desaparece para el caso de | |, el cuadrado del valor absoluto de la funcin de onda. Por esto y otras razones, | | se conoce como densidad de probabilidad.

A

t, x = 0 x, t = 0

0

-A y = A cos 2 t

Probabilidad: Es la posibilidad de que un evento ocurra. Funcin: Comportamiento de algn cuerpo. Como se puede describir el movimiento del electrn en coordenadas cartesianas correctamente se utilizan las coordenadas polares esfricas.

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Esta ecuacin se ha resuelto exactamente solamente para especies con un electrn, como el tomo de hidrgeno y los iones He+ y Li2+. Se necesitan suposiciones simplificadas para resolver la ecuacin para tomos y molculas ms complejos. Sin embargo, los qumicos y los fsicos han usado su intuicin y su ingenio (y modernas computadoras) para aplicar est ecuacin a sistemas ms complejos.

2.4.3.1 Significado fsico de la funcin se conoce como densidad de probabilidad. La probabilidad de encontrar experimentalmente el cuerpo descrito por la funcin de onda , en el punto x, y, z y en el instante t, es proporcional al valor de || en ese punto del espacio y en el instante t. Un valor grande quiere decir que existe una gran probabilidad de la presencia del cuerpo, mientras que para valores pequeos, la probabilidad es pequea. La idea de relacionar con la nocin de la probabilidad proviene de una analoga de la teora ondulatoria. De acuerdo con la teora ondulatoria, la intensidad de la luz es proporcional al cuadrado de la amplitud de la onda, o . El lugar ms favorecido para encontrar un fotn es donde la intensidad es mayor, esto es, donde el valor de es mximo. Se sigui un argumento similar para asociar con la posibilidad de entender un electrn en las regiones que rodean al ncleo La ecuacin de Schrodinger inici una nueva era para la fsica y la qumica, por que abri un nuevo campo, LA MECNICA CUNTICA. Como el electrn no tiene una posicin bien definida en el tomo, se encuentra conveniente utilizar trminos como densidad electrnica, nube de carga electrnica o simplemente nube de carga para representar el concepto de probabilidad. (Estos trminos significan lo mismo). Bsicamente, la densidad electrnica proporciona la probabilidad de que un electrn se encuentra en una regin particular en un tomo. La funcin de onda en s misma no tiene significado fsico directo. Sin embargo, la probabilidad de encontrar al electrn en cierta regin del espacio es proporcional al cuadrado de la funcin de onda, . La idea de relacionar con la probabilidad nace de una analoga con la teora ondulatoria. De acuerdo con esta teora, la intensidad de la luz es proporcional al cuadrado de la amplitud de la onda, o . El sitio ms probable para encontrar un fotn es donde la intensidad es mayor, es decir, donde el valor de es mximo. Se sigui un argumento similar para asociar a la probabilidad de encontrar un electrn en las regiones que rodean al ncleo. La ecuacin de Schrodinger inici una nueva era para la fsica y la qumica, porque abri un nuevo campo, la mecnica cuntica (tambin conocida como mecnica ondulatoria). Las regiones con alta densidad electrnica representan una probabilidad alta de localizar al electrn mientras que lo contrario sucede en regiones de baja densidad electrnica.

Figura 2.14 Distribucin de densidad electrnica alrededor del ncleo en el tomo de hidrgenoUna representacin de la distribucin de densidad electrnica alrededor del ncleo en el tomo de hidrgeno. (Figura 2.14) La ecuacin de Schrodinger no se puede resolver con exactitud para tomos que tengan ms de un electrn. Por lo que se utilizan mtodos de aproximacin.

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La ecuacin de Schrodinger especifica los posibles estados energticos que el electrn del tomo de hidrgeno puede ocupar, e identifica las correspondientes funciones de onda (). Estos estados energticos y funciones de onda se caracterizan por un conjunto de nmeros cunticos con los cuales se puede construir un modelo comprensible del tomo de hidrgeno. Aunque la mecnica cuntica indica que no podemos precisar la posicin del electrn en un tomo, si define la regin donde puede localizarse en un momento dado. El concepto de densidad electrnica da la probabilidad de encontrar un electrn en una regin particular del tomo. El cuadrado de la funcin de onda , define la distribucin de la densidad electrnica alrededor del ncleo en el espacio tridimensional. Las regiones de alta densidad electrnica representan una probabilidad alta de localizar al electrn, mientras que lo contrario es vlido para regiones de baja densidad electrnica.

2.3.4.2 Solucin de la ecuacin de onda y su significado fsico: orbitales s, p, d, fLa solucin de la funcin de onda, nos da una energa de onda, de aqu que provengan los diferentes niveles de energa (orbitales con una energa especfica). La solucin de la de la ecuacin de Schrodinger muestra que las energas que un electrn puede poseer en el tomo de hidrgeno estn dadas por la misma expresin obtenida por Bohr. Ambas teoras, la de Bohr y la de la mecnica cuntica, por tanto muestran, que la energa de un electrn en el tomo de hidrogeno est cuantizada. Detienen sin embargo, en la descripcin del comportamiento de los electrones con respecto al ncleo. Para distinguir la descripcin mecnico- cuntica del modelo de Bohr se remplaza orbita, con el trmino orbital u orbital atmico. Un orbital se puede pensar como la funcin de onda () de un electrn. El cuadrado de la funcin de onda define la distribucin de la densidad electrnica en el espacio alrededor del ncleo. Un orbital atmico en consecuencia tiene una energa caracterstica, as como una distribucin caracterstica de la densidad electrnica. La energa potencial V, a causa de la energa potencial electrosttica de una carga e a una distancia r de otra carga +e, es: e V= 4 E* Al resolver la ecuacin resulta que se requieren tres nmeros cunticos para describir al electrn en un tomo de hidrgeno y en otros tomos, en lugar del nico nmero cuntico de la teora de Bohr. Los tres nmeros cunticos revelados por la solucin matemtica de la ecuacin de Schrodinger, junto con sus posibles valores, son los siguientes: Nmero cuntico principal n = 1, 2, 3, Nmero cuntico orbital = 0, 1, 2, n 1 (O de momento angular) Nmero cuntico magntico m= 0, 1, 2,

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Estos nmeros cunticos se usarn para describir orbitales atmicos y para identificar los electrones que se ubican en ellos. Un cuarto nmero cuntico que describe el comportamiento de un electrn especfico (el nmero cuntico espn) completa la descripcin de los electrones en los tomos. Tarea: Investigar el significado de cada nmero cuntico. ORBITALES s El orbital de menor energa (el ms estable), el orbital 1s, es simtrico esfricamente. Las representaciones de este tipo, que muestran la densidad electrnica, son una de las diversas formas que tenemos para visualizar los orbitales. La figura indica que la probabilidad de encontrar el electrn alrededor del ncleo decrece a medida que nos apartamos del ncleo en cualquier direccin. Cuando la funcin de probabilidad , para el orbital 1s se grafica como funcin de la distancia del ncleo, r, rpidamente se aproxima a cero, como se muestra en la figura (a) de la figura 2.15. Este efecto indica que el electrn que est atrado al ncleo por atraccin electrosttica tiene poca posibilidad de llegar lejos de l.

Figura 2.15 La altura de las graficas indica la densidad de puntos a medida que nos movemos del origen

(a)

Si ahora consideramos los orbitales del hidrgeno 2s y 3s, encontramos que tambin tienen una forma esfrica. Ms no todos los orbitales son simtricos y esfricos. Como se muestra en la figura (b) y (c) de la figura 2.12, , vara con r para los orbitales 2s, llega a cero y despus aumenta de valor antes de llegar nuevamente a un valor cero cuando n es mayor las regiones intermedias de tienen un valor de cero se llaman superficies nodales, o sencillamente nodos. La siguiente figura (figura 2.16) muestra los diagramas de contorno de superficie para los orbitales atmicos 1s, 2s y 3s del hidrgeno. Todos los orbitales s tienen forma esfrica pero de distinto tamao, el cual aumenta con el incremento del nmero cuntico principal. Aunque se pierden los detalles de la variacin de la densidad electrnica dentro del diagrama de contorno, esto no significa una desventaja seria. Por ltimo, las caractersticas ms importantes de los orbitales atmicos son su forma y tamao relativos y estn representados adecuadamente por esos diagramas de contorno.Figura 2.16 Diagrama de contorno de superficie de los orbitales 1s, 2s, 3s y del hidrgeno. Cada esfera contiene alrededor de 90% de la densidad electrnica total.

ORBITALES p

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ORBITALES p La distribucin de la densidad electrnica para un orbital 2p se muestra en la siguiente figura (Figura 2.17) como podemos aprecias, la densidad electrnica no est distribuida en una forma esfrica y simtrica, como en el orbital s. En su lugar, la densidad electrnica se concentra en dos lados respecto del ncleo separado por un nodo que pasa por l; con frecuencia decimos que este orbital tiene dos lbulos, conviene recordar que no estamos aseverando cmo se muestra el electrn dentro del orbital. Veamos el esquema de la distribucin promedio del electrn 2p en el espacio.

Figura 2.17 Orbital 2p

Debe quedar claro que los orbitales p comienzan con el nmero cuntico principal n=2. Si n=1, el nmero cuntico del momento angular slo puede adoptar el valor de cero; en consecuencia, solo hay un orbital 1s. Como se vio antes, cuando =1, el nmero cuntico magntico m se tienen tres orbitales puede tener valores de -1, o y 1. Si se comienza con n=2 y =1, se tienen tres orbitales: 2px, 2py y 2pz como se muestra en la figura (Figura 2.18):

Figura 2.18 Orbitales2px, 2py, 2pz

La letra del subndice indica el eje a lo largo del cual se orientan los orbitales. Estos tres orbitales p son idnticos en tamao, forma y energa, y slo diferentes en su orientacin. Obsrvese sin embargo, que no hay una relacin simple entre los valores de m y las direcciones x, y, z. Para el objetivo que se plantea aqu, solo es necesario recordar que como se plantean tres valores posibles de m, hay tres orbitales p con distintas orientaciones. En los diagramas de contorno de superficie de los orbitales p de la figura anterior se puede ver cada orbital p puede ser imaginado como dos lbulos a los lados opuestos del ncleo. Al igual que los orbitales s, los orbitales p aumentan en tamao desde 2p a 3p a 4p, y as sucesivamente. ORBITALES d Y OTROS DE MAYOR ENERGA (f, g, etc.) Cuando =2, existen cinco valores de m, que corresponden a cinco orbitales d. El valor mnimo de n para el orbital d es 3. Como nunca puede ser mayor que n-1, cuando n=3 y =2, se tienen cinco orbitales 3d (3dxy, 3dyz, 3dxz, 3dx2-y2, y 3dz2), que se muestra en las siguientes figuras(Figura 2.19a, 2.19b). Como en el caso de los orbitales p, las diferentes orientaciones de los orbitales d corresponden a los diferentes valores de m, pero otra vez no hay una correspondencia entre una orientacin dada y un valor

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de m todos los orbitales 3d de un tomo tienen idntica energa. Los orbitales d para los cuales n es mayor que 3 (4d, 5d,) tienen formas similares. Los orbitales que tienen ms energa que los orbitales d se representan con f, g y as sucesivamente. Los orbitales f son importantes para explicar el comportamiento de los elementos con nmero atmico mayor a 57, aunque es difcil representar su forma. En la qumica general no es necesario involucrarse con orbitales que tengan valores de mayor que 3 (los orbitales g y subsecuentes).

Figura 2.19 b orbitales f

2.5

Teora Cuntica y Configuracin Electrnica

La teora cuntica es la forma en que los electrones estn distribuidos en el tomo. A pesar de las dificultades tericas que Bohr experiment al ampliar la utilidad de su modelo del tomo, su nocin fundamental sobre niveles de energa de los electrones se ha mantenido e incorporado en los conceptos de la mecnica cuntica.

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Una vez conocidas las formas y tamaos de los orbitales atmicos, estn ahora preparados para introducirse en sus energas y como stos niveles de energa ayudan a determinar las distribuciones electrnicas reales encontradas en los tomos. En la teora cuntica, se necesitan nmeros cunticos, para describir la distribucin de los electrones en los tomos. Los cuatro nmeros cunticos, n, , m y ms, permiten identificar completamente un electrn en cualquier orbital de cualquier tomo. El NMERO CUNTICO PRINCIPAL (n).- Este nmero debe tener valores enteros 1, 2, 3 y as sucesivamente. En el tomo de hidrgeno, el valor de n determina la energa en un orbital. Este nmero tambin se relaciona con la distancia promedio del electrn al ncleo en un orbital particular. A mayor valor de n, mayor es la distancia promedio de un electrn en el orbital respecto del ncleo y en consecuencia mayor (y menos estable) es el orbital. El NMERO CUNTICO DEL MOMENTO ANGULAR ().- Este nmero indica la forma de los orbitales. Los valores de dependen del valor del nmero cuntico principal, n. Para un valor donde n, tienen todos los valores enteros posibles de 0 a (n-1). Sin n=1, hay un solo valor posible . El valor de en general est representado por las letras s, p, d como sigue:

Nombre del orbital

0 s

1 p

2 d

3 f

4 g

5 h

La secuencia peculiar de las letras (s, p, d, f) tienen un origen histrico. Los fsicos que estudiaron los espectros de emisin atmica trataron de relacionar las lneas del espectro observadas con los estados de energa especficos implicados en las transiciones. Notaron que algunas lneas eran agudas, (Sharp en ingles), algunas eran dispersas o difusas, y algunas eran muy fuertes y se referan a ellas como principales. Subsecuentemente asignaron las letras iniciales de cada adjetivo a aquellos estados de energa. Sin embargo, despus de la letra d la designacin del orbital sigue un orden alfabtico empezando con la letra f. Un conjunto de orbitales con el mismo valor de n a menudo recibe el nombre de capa (o nivel). Uno o ms orbitales con los mismos valores de n y se llaman subcapa (o subnivel).

n=2

=0 y 1

2s y 2p

subcapas

El NMERO CUNTICO MAGNTICO (m).- Este nmero describe la orientacin del orbital en el espacio. Dentro de un subnivel el valor de m depende del valor del nmero cuntico del momento angular. Para cierto valor de hay (2 + 1) valores enteros de m como sigue: - , (- + 1) 0, (+ - 1), + Si =0 entonces m=0. Si =1, entonces hay [(2 x 1)] + 1, o tres valores de m, es decir -1, 0 y 1. El NMERO CUNTICO DE ESPN ELECTRNICO (ms).- Los primeros tres nmeros cunticos (n, l y m) se originan de las soluciones de la ecuacin de Schrodinger. Un cuarto nmero cuntico, el espn es necesario para describir completamente un electrn. Un electrn tiene propiedades magnticas que son como las de una partcula cargada que gira sobre su eje. Una carga que gira, genera un campo magntico y un electrn tiene un campo magntico asociado con l que puede describirse en trminos de un espn aparente. Y este movimiento hace que el electrn se comporte como un imn.

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Los experimentos con los espectros de emisin de los tomos de sodio e hidrgeno indican que las lneas del espectro de emisin pueden separarse por la aplicacin de un campo magntico externo. La nica forma en que los fsicos pudieron explicar estos resultados fue al considerar que los electrones actan como pequeos imanes. Si se imagina a los electrones girando sobre su propio eje, como la tierra, se puede explicar sus propiedades magnticas, una carga que gira genera un campo magntico, y es este movimiento lo que hace que el electrn se comporte como un imn. Por eso existen dos posibles movimientos de giro de un electrn, uno en el sentido de las manecillas del reloj y el otro en el sentido inverso. Para tomar en cuenta el espn del electrn, es necesario introducir un cuarto nmero cuntico, conocido como el nmero cuntico de espn electrnico (ms) que tienen valores de + y -. CONFIGURACIN ELECTRNICA Los cuatro nmeros cunticos n, , m y ms permiten identificar completamente un electrn en cualquier orbital de cualquier tomo. En cierto sentido, se puede considerar al conjunto de los cuatro nmeros cunticos como el domicilio de un electrn en un tomo, semejante a la manera en la que la calle de la ciudad, el estado y el cdigo postal especifiquen el domicilio de la persona. Por ejemplo, los cuatro nmeros cunticos para un electrn de un orbital 2s son: n=2, =0, m=0 y ms= + o -. No es conveniente anotar todos los nmeros cunticos individuales, por lo que se prefiere usar la notacin simplificada (n, , m, ms). Para el ejemplo anterior, los nmeros cunticos pueden ser (2, 0, 0,+) (2, 0, 0,-). El tomo de hidrgeno es un sistema particularmente simple porque solo contiene un electrn. El electrn puede ubicarse en un orbital 1s (el estado fundamental), o puede encontrarse en algn orbital de mayor energa (un estado excitado). Para entender el comportamiento electrnico de los tomos polielectrnicos, se debe conocer la configuracin electrnica del tomo, es decir la forma como estn distribuidos los electrones entre los distintos orbitales atmicos. Se utilizarn los primeros 10 elementos para mostrar las reglas bsicas de escritura de la configuracin electrnica para los tomos en el estado fundamental. Recuerde que el nmero de electrones de un tomo es igual a su nmero atmico Z. El electrn de un tomo de hidrgeno en el estado fundamental debe estar en 2.20), de manera que su configuracin electrnica es 1s:Figura 2.20 Orbital 1s

el orbital 1s (ver figura

La configuracin electrnica tambin se puede representar por un diagrama de orbital que muestra el espn del electrn. La flecha hacia arriba indica uno de los dos posibles movimientos de espn o giro del electrn (El electrn puede ser representado con la flecha hacia abajo). La caja representa un orbital atmico. DISTRIBUCIN ELECTRNICA EN SISTEMAS POLIELECTRNICOS Por qu razn en los experimentos se encuentra que el orbital 2s se ubica en un nivel de energa menor que el orbital 2p en un tomo polielectrnico?

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El diagrama de energa es ms complejo para los tomos polielectrnicos que para el tomo de hidrgeno. La energa de un electrn en estos tomos depende de su nmero cuntico de momento angular as como de su nmero cuntico principal. Para los tomos polielectrnicos, el nivel de energa 3d est muy cerca del nivel de energa 4s (Figura 2.21).

Figura 2.21 Niveles de energa de orbitales En un tomo polielectrnico. Observe que el nivel de energa depende tanto del valor de n como de

La energa total de un tomo, sin embargo, depende, no solo de la suma de las energas de los orbitales, sino tambin de la energa de repulsin entre los electrones de estos orbitales (cada orbital puede acomodar hasta dos electrones). Resulta que la energa total de un tomo es menor cuando se llena el subnivel 4s antes que el 3d. La siguiente figura ilustra el orden de llenado de los orbitales atmicos en los tomos polielectrnicos (Figura 2.22).

El orden de ellos de los subniveles atmicos en un tomo polielectrnico.

Figura 2.22 Orden de llanado

Se empieza con el orbital 1s y se contina hacia abajo siguiendo la direccin de las fichas. Hacia, el orden de llenado es:

1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d

2.5.1 Niveles de Energa de los OrbitalesUna vez que se ha comprendido la forma y el tamao de los orbitales atmicos (Figura 2.23), se pueden estudiar sus energas relativas y determinar cmo estos niveles de energa influyen en las distribuciones electrnicas reales en los tomos.

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Figura 2.23 Niveles de energa de orbtales es un tomo de hidrgeno. Cada lnea horizontal pequea representa un orbital. Todos los orbitales que tienen el mismo nmero cuntico principal (n) tienen la misma energa.

La energa de un electrn en un tomo de hidrgeno est determinada slo por su nmero cuntico principal. As, las energas de los orbitales del hidrgeno aumentan como sigue: 1s < 2s = 2p < 3s = 3p = 3d < 4s = 4p = 4f