CAPÍTULO 1

ESTRUCTURA ATÓMICA

Química

Es la ciencia que se encarga del estudio de la materia y los cambios que ocurren en ella

ÁtomoEs la porción más pequeña de materia.

Son la unidad básica estructural de todos los materiales de ingeniería.

Demócrito (siglo v a.C.)

Fue el primero en utilizar este término porque creía que todos los elementos estaban formados por pequeñas partículas INDIVISIBLES

Átomo, en griego, significa INDIVISIBLE. Es la porción más pequeña de la materia

Los átomos están formados por un núcleo, de tamaño reducido y cargado positivamente, rodeado por una nube de electrones, que se encuentran en la corteza

En el átomo existen una serie de partículas subatómicas: protones, neutrones y electrones son las más importantes

Modelo de Dalton (1808)

Teoría Atómica:

1) Los elementos están formados por partículas extremadamente pequeñas llamadas átomos

2) Todos los átomos de un mismo elemento son idénticos, tienen igual tamaño, masa y propiedades químicas. Los átomos de un elemento son diferentes a los átomos de todos los demás elementos

3) Los compuestos están formados por átomos de más de un elemento. En cualquier compuesto, la relación del número de átomos entre dos de elementos presentes es un número entero o una fracción sencilla (Ley de las proporciones definidas, 1799 por Joseph Proust)

4) Una reacción química implica sólo la separación, combinación o reordenamiento de los átomos; nunca supone le creación o destrucción de los mismos (Ley de la conservación de la masa, Antoine Lavoisier)

Modelo atómico de J.J Thomson (1890)

“Pudín de pasas”

Demostró que dentro de los átomos hay unas partículas diminutas, con carga eléctrica negativa, a las que se llamó electrones

De este descubrimiento dedujo que el átomo debía de ser una esfera de materia cargada positivamente, en cuyo interior estaban incrustados los electrones

Tubo de rayos catódicos

Modelo atómico de Rutherford (1910)

Demostró que los átomos no eran macizos, como se creía, sino que están vacíos en su mayor parte y en su centro hay un diminuto núcleo

Dedujo que el átomo debía estar formado por una corteza con los electrones girando alrededor de un núcleo central cargado positivamente.

La mayoría de ellas atravesaba la lámina metálica sin cambiar de dirección; sin embargo, unas pocas eran reflejadas hacia atrás con ángulos pequeños

Rutherford y sus colaboradores bombardearon una fina lámina de oro con partículas alfa (núcleos de helio). Observaban, mediante una pantalla fluorescente, en qué medida eran dispersadas las partículas

Éste era un resultado completamente inesperado, incompatible con el modelo de átomo macizo existente.

Rutherford demostró que la dispersión era causada por un pequeño núcleo cargado positivamente, situado en el centro del átomo de oro. De esta forma dedujo que la mayor parte del átomo es espacio vacío

Observe que solo cuando el rayo choca con el núcleo del átomo hay

desviación

Modelo atómico de Niels Bohr (1913)

Propuso un nuevo modelo atómico, según el cual los electrones giran alrededor del núcleo en unos niveles bien definidos

Modelo Cuántico de Schrödinger (1925)

No habla de órbitas, sino de orbitales. Un orbital es una región del espacio en la que la probabilidad de encontrar al electrón es máxima

Se basa en la mecánica cuántica, la cual da la probabilidad de estancia del electrón y no hace mención de la trayectoria, posición y velocidad en uno u otro momento

En esta nueva teoría se sustituye el concepto de órbita dado por Bohr, que confinaba al electrón en una trayectoria definida, por el concepto de orbital

ESTRUCTURA DEL ATOMO

Cada elemento químico está constituido por átomos

Cada átomo está formado por un núcleo central y una o más capas de electrones

Dentro del núcleo residen partículas subatómicas:

protones (de carga +) yneutrones (partículas del

mismo peso, pero sin carga

ESTRUCTURA DEL ATOMO

NUCLEO

PROTONES

NEUTRONES

ELECTRONES

Partícula Masa (g) Coulomb Unidad de Carga

Electrón 9.10938 x 10 -28 -1.6022 x 10 -19 -1

Protón 1.67262 x 10 -24 +1.6022 x 10 -19 +1

Neutrón 1.67262 x 10 -24 0 0

Masa y carga d las partículas subatómicas

Todos los átomos de un elemento químico tienen en el núcleo el mismo número de protones

Este número, que caracteriza a cada elemento y lo distingue de los demás, es el número atómico y se representa con la letra Z

SIMBOLO DEL ELEMENTO

NUMERO ATOMICO

NUMERO MASA

EA

Z

NUMERO ATOMICO

NUMERO MASA

La suma del número de protones + neutrones

Número que es igual al número total de

protones en el núcleo del átomo.

Es característico de cada elemento químico y

representa una propiedad fundamental

del átomo: su carga nuclear.

EA

Z

PARA EL ELEMENTO QUE CONTIENE

Numero atómico =Cantidad de

protones en el núcleo = 79 (Z)

Numero de masa = Suma Protones +

Neutrones= 197

Neutrones =Numero de masa – número

atómico(protones)(A-Z)= 197-79=118

Cantidad de electrones= Cantidad de protones= 79

Por esto es átomo es eléctricamente neutro

79 p118n

Encuentre

DE ACUERDO A LA INFORMACION ANTERIOR DIGA DE QUE ELEMENTO SE TRATA

En la tabla periódica encontramos esta información para cada elemento

79 p 118n

Los elementos se ubican en orden creciente de su numero atómico en la tabla periódica

El elemento de número atómico = 79 es

¿En que grupo está el elemento?

Au = oro

Está en el grupo IB por tanto es un metal de

transición

¿En que periodo está el elemento?

1

2

3

4

5

6

7

Está en el periodo 6 , por tanto tiene 6

electrones en su ultima capa

DESARROLLE EL SIGUIENTE EJERCICIO

Si28

14 Número atómico Número de masa Cantidad de electrones Neutrones En que grupo y periodo esta el

elemento

Encuentre

ISOTOPOS Aunque todos los átomos de un mismo elemento se

caracterizan por tener el mismo número atómico, pueden tener distinto número de neutrones.

Llamamos isótopos a las formas atómicas de un mismo elemento que se diferencian en su número de masa.

Veamos un ejemploTodos los átomos de Carbono tienen 6 protones en el núcleo (Z=6), pero solo: El 98.89% de carbono natural tiene 6 neutrones en el núcleo A=12Un 1.11% tiene 7 neutrones en el núcleoA= 13Una cantidad aun menor 0.01% tiene 8Neutrones A= 14

Todos los átomos de un elemento son idénticos en número atómico pero no en su masa atómica

Número atómico es igual al número

total de protones en el

núcleo del átomo

Los isotopos de un elemento son átomos que tienen diferente número de neutrones y por tanto una masa atómica diferente.

HEMOS ESTUDIADO EL ATOMO , AHORA ENCONTREMOS UTILIZANDO LO APRENDIDO LA FORMULA Y PESO MOLECULAR DE UN COMPUESTO

Fórmula Química Indica el numero relativo de átomos de cada

elemento en una sustancia

Na2SO4 (s)

No. de átomos

Tipos de átomos

Estado

En este caso vemos que existen en el compuesto 3 tipos diferentes de elementos:

Sodio (Na)

Azufre (S)

Oxígeno (O)

Na2SO4 (s)

No. de átomos

Pasos para encontrar el peso fórmula

1. Determinar cuantos átomos de cada elemento hay en la formula

En este compuesto existen: 2 átomos de Sodio (Na) 1 átomo de Azufre (S) 4 átomos de Oxígeno (O)

2. Multiplicamos el número de átomos con su respectivo peso

atómico (el peso atómico aparece en la tabla periódica)

En este compuesto existen: 2 átomos de Sodio (Na) y el peso atómico del sodio es de 22.99 g 1 átomo de Azufre (S) y el peso atómico del Azufre es de 32.07 g 4 átomos de Oxígeno (O) y el peso atómico del Oxigeno es de 16 g

Calculamos 2 átomos Sodio (Na) * 22.99 g = 45.98 g 1 átomo de Azufre (S) * 32.07 g = 32.07 g 4 átomos de Oxígeno (O) * 16 g = 64 g

Sumando los resultados anteriores

45.98 g

32.07 g

64 g

142.05 g es el peso formula o peso molecular.

Na2SO4

ENCUENTRE EL PESO FORMULA DE LOS SIGUIENTES COMPUESTO

ELEMENTO NUMERO DE ATOMOS

PESO ATOMICO TOTAL

El ozono O3 , contribuye al smog, componente natural de la estratosfera que absorbe la radiación solar dañina

La Glucosa , azúcar presente en la mayoría de las frutas con formula C6H12O6

ELEMENTO NUMERO DE ATOMOS

PESO ATOMICO TOTAL

Ejercicios:

Identifica Z y A

Calcula el Peso Molecular de las siguientes fórmulas químicas:

NaOH HClFe2O3

H2SO4

Al2O3

De la física clásica a la teoría cuántica

Max Planck (1900)

Al examinar los datos de la radiación que emitían los sólidos calentados a diferentes temperaturas

Descubrió que los átomos y moléculas emiten energía sólo en cantidades discretas o cuanto

Naturaleza de las ondas

Se caracterizan por tener:

Longitud (λ, lambda) es la distancia entre puntos idénticos en ondas sucesivas

Frecuencia (, nu) es el número de ondas que pasan por un punto particular en un segundo

Amplitud es la distancia vertical de la línea media de la onda a la cresta o al valle

Otra características de un onda es su velocidad:

• Tipo de onda• Medio de propagación (agua, aire, vacío)

Velocidad = longitud X frecuencia

(distancia/tiempo)

(expresa en metros, cm, nm)n (Hertz = 1 ciclo /s)

Ejercicio:

Calcule la velocidad de onda cuya longitud de onda y frecuencia son 17.4 cm y 87.4 Hz, respectivamente.

Calcule la frecuencia (en Hz) de una onda cuya velocidad y longitud de onda son 713 m/s y 1.14 m, respectivamente.

Radiación electromagnéticaMaxwell (1873)

Propuso que la luz visible se compone por ondas electromagnéticas

Onda electromagnética: tiene un componente eléctrico y un componente magnético

Aporta una descripción matemática del comportamiento general de la luz

Describe como se puede propagar la energía en forma radiación a través del espacio como

una vibración de campos magnéticos y eléctricos.

Radiación electromagnética: emisión y transmisión de energía en forma de ondas electromagnéticas

Ondas electromagnéticas viajan aprox. 3.0 x 108 m/s

Velocidad de la luz (c)

Sustituimos u por c y despejamos )

Tipos de radiación electromagnética

A mayor frecuencia son ondas más energéticas

Teoría Cuántica de Planck

Cuando los sólidos se someten a calentamiento, emiten radiación electromagnética, que abarca una amplia gama de longitudes de onda

Por ej. Luz rojiza de un calentador eléctrico

luz blanca brillante de una lámpara de tungsteno

La energía radiante que emite un cuerpo a determinada temperatura depende de su longitud de onda

“Cuanto” : es la mínima cantidad de energía que se puede emitir (o absorber) en forma de radiación electromagnética

h (Constante de Planck) = 6.63 x 10-34 J s

De acuerdo a la teoría cuántica, la energía siempre se emite en múltiplos de h, ej. 2 h, 3 h…….

Efecto fotoeléctricoAlbert Einstein (1905)

Es un fenómeno en el que los electrones son expulsados desde la superficie de ciertos metales que se han expuesto a la luz al menos a una determinada frecuencia mínima (frecuencia umbral)

El número de electrones era proporcional a la intensidad (brillantez) de la luz, más no la energía de estos electrones

Rayo de luz = un torrente de partículas (FOTONES)

y que estos fotones deben poseer cierta energía

Frecuencia de la luz

KE es la energía cinética del electrón BE es la unión del electrón en el metal

NÚMEROS CUÁNTICOS

Cuando se resuelve la Ecuación de Schrödinger:

para encontrar la función de onda y(x,y,z) y describir los orbitales, resulta que muchas soluciones existen de modo que cada una presenta números cuánticos que describen las propiedades de estos orbitales.

Número cuántico principal (n)Número cuántico angular (l)Número cuántico magnético (ml)

Describir orbitales atómicos e identificar los electrones que se

ubican en ellos

Número cuántico espín (ms)Describe el

comportamiento específico de un

electrón

n, número cuántico principal:• Este número cuántico se relaciona directamente con el tamaño y

la energía del orbital. Todas los orbitales con el mismo número cuántico principal forman una capa o nivel.

• A medida que n crece, el orbital es más grande y el electrón que lo ocupa, permanece más tiempo alejado del núcleo.

n, número cuántico principal.• Dependiendo de su valor, cada capa recibe como designación

una letra. Si el número cuántico principal es 1, la capa se denomina K, si 2 L, si 3 M, si 4 N, si 5 P, etc.

= K

= L

= M

= N

l, número cuántico azimutal (momento angular)• Este número cuántico determina la excentricidad del orbital,

cuanto mayor sea, más excéntrica será, es decir, más aplanada será la elipse que recorre el electrón.

l, número cuántico azimutal.• Adquiere los valores enteros desde 0 hasta n-1, para cada valor

de n.

l, número cuántico azimutal.• La manera de usar su significado en Quìmica, es definirlos

mediante letras s, p, d, f, g. ..según el valor que l adquiere.

Números Cuánticos Azimutales y sus correspondientes Orbitales Atómicos

Valor de l 0 1 2 3 4 5

Letra usada s p d f g h

m, número cuántico magnético.• Este número cuántico determina la orientación espacial de los

orbitales, de las elipses.

m, número cuántico magnético.• Su valor dependerá del número de elipses existente y varía

desde -l hasta l, pasando por el valor 0.

s, número cuántico de espín.• Este número cuántico está basado en el Efecto Zeeman, en el

cuál líneas espectrales se separaban bajo la influencia de campos magnéticos fuertes, e incluído en la ecuación de Schrödinger.

s, número cuántico de espín.• Cada electrón, en un orbital, gira sobre si mismo. Este giro puede

ser en el mismo sentido que el de su movimiento orbital o en sentido contrario.

• Puede tomar dos valores, 1/2 y -1/2.

Un subnivel s tiene un orbitalUn subnivel p tiene tres orbitalesUn subnivel d tiene cinco orbitales

Energía de los orbitales

Configuración electrónica

Números Cuánticos Azimutales y sus correspondientes Orbitales Atómicos

Valor de l 0 1 2 3 4 5

Letra usada s p d f g h

En un átomo no pueden existir dos electrones con los cuatro números cuánticos iguales, así que en cada orbital sólo podrán colocarse dos electrones

Principio de Exclusión de Pauli

Diamagnetismo y paramagnetismo

Cualquier átomo que tiene un electrón desapareado es paramagnético

Regla de HundLa distribución electrónica más estable en los subniveles

es la que tiene el mayor número de espines paralelos

¿Cuál es más estable?????

Diamagnético o paramagnético????

Diamagnético o paramagnético????

n l mOrbital(n,l,m)

1 0 0 (1,0,0)

2 0 0 (2,0,0)

  1 -1 (2,1,-1)

    0 (2,1,0)

    1 (2,1,1)

3 0 0 (3,0,0)

  1 -1 (3,1,-1)

    0 (3,1,0)

    1 (3,1,1)

  2 -2 (3,2,-2)

    -1 (3,2,-1)

    0 (3,2,0)

    1 (3,2,1)

    2 (3,2,2)

1

4

9

n2 2n2

2 posibles valores de espín

Máximo número de electrones por nivel

En total son 29 preguntas de repaso

Para tener derecho a su primer examen parcial (20 septiembre de 2012)DEBEN ENTREGAR ESTOS EJERCICIOS RESUELTOS

“El éxito es la aplicación diaria de la disciplina.”Jim Rhon