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ESCUELA POLITCNICA SUPERIOR DE ELCHE

Ingeniera Industrial Primer curso

IInnttrroodduucccciinn ddee QQuummiiccaa

Coleccin de transparencias

Curso 2006 - 2007

PROGRAMA DE LA ASIGNATURA.

I.- Conceptos Preliminares.

Tema 1.- Naturaleza y propiedades de la materia. Tema 2.- tomos, molculas e iones.

II.- Estructura de la Materia.

Tema 3.- Mecnica cuntica y estructura electrnica de los tomos. Tema 4.- Relaciones peridicas entre los elementos. Tema 5.- Fundamentos de la teora del enlace qumico. Tema 6.- Geometra molecular y orbitales moleculares.

III.- Interacciones Intermoleculares: Estados de Agregacin de la Materia

Tema 7.- Interacciones intermoleculares. Tema 8.- Estado gaseoso. Tema 9.- Estado slido. Tema 10.- Estado lquido y disoluciones.

IV.- Termodinmica Qumica.

Tema 11.- Cambios energticos de las reacciones qumicas: Termoqumica. Tema 12.- Espontaneidad de las reacciones qumicas.

V.- Cintica Qumica

Tema 13.- Velocidad de las reacciones qumicas.

VI.- Equilibrio Qumico

Tema 14.- Aspectos tericos del equilibrio qumico. Tema 15.- Equilibrio inico en disolucin. I: equilibrios cido-base. Tema 16.- Equilibrio inico en disolucin. II: equilibrios de disolucin.

VII.- Electroqumica

Tema 17.- Reacciones de oxidacin-reduccin.

Escuela Politcnica Superior de Elche.

Ingeniera Industrial.

INTRODUCCIN DE QUMICA Curso 2006 - 2007

OBJETIVOS DOCENTES DEL CURSO:

Describir la estructura electrnica de tomos y molculas desde una perspectiva mecanocuntica. Predecir la geometra de las molculas y las propiedades fsicas de los compuestos que de ella se derivan. Introducir los conceptos bsicos de la Termodinmica y aplicarlos al estudio de los cambios energticos

de las reacciones qumicas.

Describir los fundamentos de la cintica qumica con especial atencin a los procesos catalizados. Presentar el concepto de equilibrio qumico resaltando sus aspectos cinticos y termodinmicos; adaptar

dichos conocimientos a la optimizacin de los procesos industriales.

Presentar los aspectos tericos de la electroqumica y adaptarlos a procesos industriales de inters tales como los procesos electrolticos o la corrosin.

PROGRAMA DE LA ASIGNATURA.

I.- CONCEPTOS PRELIMINARES.

Tema 1.- Naturaleza y propiedades de la materia. Materia: masa y energa. Sustancias, mezclas y disoluciones Propiedades fsicas y qumicas. Propiedades intensivas y extensivas.

Tema 2.- Atomos, molculas e iones. Divisibilidad de la materia: teora atmica. Estructura del tomo. Molculas: tomos en combinacin. Iones y compuestos inicos. Composicin en masa de los compuestos. Nomenclatura qumica.

II.- ESTRUCTURA DE LA MATERIA.

Tema 3. Mecnica cuntica y estructura electrnica de los tomos. De la Fsica clsica a la teora cuntica. El efecto fotoelctrico. Teora de Bohr del tomo de hidrgeno. Naturaleza dual del electrn. Principio de incertidumbre. Modelo atmico basado en la mecnica cuntica. Aplicacin de la mecnica ondulatoria al tomo de hidrgeno. Orbitales atmicos. Configuracin electrnica. Principio de construccin progresiva.

Tema 4. Relaciones peridicas entre los elementos. Desarrollo de la tabla peridica. Clasificacin peridica de los elementos. Periodicidad en las propiedades fsicas de los elementos. Periodicidad en las propiedades qumicas de los elementos.

Tema 5. Fundamentos de la teora del enlace qumico. Smbolos de puntos de Lewis. Enlace covalente. Electronegatividad. Enlace inico. Comparacin de las propiedades de los compuestos covalentes e inicos. Fortaleza del enlace covalente. Fortaleza del enlace inico. Reglas para escribir estructuras de Lewis. Carga formal y estructura de Lewis ms probable. Concepto de resonancia. Excepciones a la regla del octete.

Tema 6. Geometra molecular y orbitales moleculares. Geometra molecular. Modelo de repulsin de los pares electrnicos de la capa de valencia. Momento dipolar. Teora de enlace de valencia (E.V.). Teora de orbitales moleculares (O.M.).

III.- INTERACCIONES INTERMOLECULARES: ESTADOS DE AGREGACIN DE LA MATERIA

Tema 7. Interacciones intermoleculares. Fuerzas intermoleculares. Interaccin dipolo-dipolo. Fuerzas in-dipolo. Polarizabilidad. Fuerzas de dispersin. Fuerzas de van der Waals. Enlace de hidrgeno.

Tema 8. Estado gaseoso. Teora cintico-molecular de los gases. Leyes de los gases ideales: relacin entre presin, volumen, temperatura y nmero de moles. Ecuacin de estado del gas ideal. Mezcla de gases ideales. Gases reales: desviacin del comportamiento ideal: ecuacin de van der Waals..

Tema 9. Slidos, lquidos y disoluciones. Estados de agregacin de la materia. Propiedades del estado lquido. Vaporizacin de los lquidos: presin de vapor. Solidificacin de lquidos. Diagramas de fase. Disoluciones: propiedades y medidas de concentracin. Presin de vapor de las disoluciones: ley de Raoult. Propiedades coligativas de las disoluciones.

IV.- TERMODINMICA QUMICA.

Tema 10. Cambios energticos de las reacciones qumicas: Termoqumica. Sistemas termodinmicos. Principio cero de la Termodinmica: temperatura. Propiedades y estado de un sistema termodinmico. Primer principio de la Termodinmica: energa interna y entalpa. Ecuaciones termoqumicas. Aditividad de la entalpa de reaccin: Ley de Hess. Entalpas estndar de formacin. Calor especfico y capacidad calorfica.Los combustibles como fuente de energa.

Tema 11. Espontaneidad de las reacciones qumicas. Procesos espontneos. Espontaneidad y desorden: concepto de entropa. Criterio de espontaneidad: segundo principio de la Termodinmica. Energa libre de Gibbs.

V.- CINTICA QUMICA

Tema 12. Velocidad de las reacciones qumicas. Velocidad de una reaccin. Ley de velocidad y orden de reaccin. Leyes de velocidad integradas. Teora de colisiones aplicada a la cintica qumica. Energa de activacin. Dependencia de la velocidad con la temperatura: Ecuacin de Arrhenius. Mecanismos de reaccin. Catlisis.

VI.- EQUILIBRIO QUMICO

Tema 13. Aspectos tericos del equilibrio qumico. Concepto de equilibrio qumico. Constante de equilibrio. Relacin entre cintica qumica y equilibrio qumico. Tratamiento termodinmico del equilibrio qumico. Prediccin de la direccin de una reaccin. Factores que afectan al equilibrio qumico.

Tema 14. Equilibrio inico en disolucin. I: equilibrios cido-base. cidos y bases. Teora de Brnsted-Lowry. Constantes de ionizacin. cidos fuertes y dbiles. pH. Autoionizacin del agua. cidos y bases poliprticos. Estructura molecular y comportamiento cido-base. cidos y bases de Lewis. Propiedades cido-base de las sales. Disoluciones reguladoras del pH. Titulaciones cido-base. Indicadores.

Tema 15. Equilibrio inico en disolucin. II: equilibrios de disolucin. Solubilidad y producto de solubilidad. Precipitacin selectiva de iones. Efecto del in comn. Solubilidad y pH. Equilibrios de iones complejos.

VII.- ELECTROQUMICA

Tema 16. Reacciones de oxidacin-reduccin. Revisin de reacciones redox. Pilas electroqumicas. Potenciales estndar de electrodo. Espontaneidad de las reacciones redox. Efecto de la concentracin sobre el potencial de la pila galvnica. Bateras. Electrolisis. Corrosin.

BIBLIOGRAFA RECOMENDADA.

- Qumica General. R.H. Petrucci & W.S Hardwood. 8 edicin. Prentice Hall, 2003.

- Qumica. R. Chang. 4 edicin. McGraw-Hill. 1996.

- Qumica General. P.W. Atkins. Ediciones Omega, 1997

- Chemistry: Molecules, Matter and Change. P.W. Atkins & L. Jones. W.H. Freeman and Co., 1997.

- Qumica General (problemas). A. Ruiz, A. Pozas, J. Lpez, M.B. Gonzlez. McGraw-Hill. 1994.

Los libros anteriormente reseados se encuentran disponibles en la Biblioteca del edificio Altabix.

HORARIO DE LAS CLASES

Clases tericas: Martes de 10:30 a 12: 30 horas Jueves 10:30 a 11:30 horas

Clases de problemas: Jueves 11:30 a 12:30 horas

TUTORAS.

La finalidad de las tutoras es la aclaracin de dudas y la discusin relacionada con algn tema ya explicado en las clases tericas o prcticas. Las tutoras se llevarn a cabo en el despacho 2.2 del edificio Torregaitn con el siguiente horario: martes y jueves de 12:30 a 14:30 horas

PRCTICAS DE LABORATORIO

Dado el carcter experimental de la Qumica como ciencia, una parte fundamental de la asignatura es la realizacin de las correspondientes prcticas de laboratorio. La asistencia a las prcticas es obligatoria y su superacin es condicin indispensable para aprobar la asignatura.

Las sesiones de laboratorio se llevarn a cabo entre mediados de Noviembre y finales de Diciembre del ao 2006 en horario de 15:30 a 18:30 horas en el laboratorio 0.5 del edificio Altabix con el siguiente calendario:

LUNES MARTES MIRCOLES JUEVES VIERNES

14 Nov 15 Nov 16 Nov 17 Nov 18 - Nov

GRUPO 1

Prctica 1

GRUPO 2

Prctica 1

GRUPO 3

Prctica 1

21 Nov 22 Nov 23 Nov 24 Nov 25 - Nov

GRUPO 1

Prctica 2

GRUPO 2

Prctica 2

GRUPO 3

Prctica 2

28 Nov 29 Nov 30 Nov 1 - Dic 2 - Dic

GRUPO 1

Prctica 3

GRUPO 2

Prctica 3

GRUPO 3

Prctica 3

12 Dic 13 Dic 14 Dic 15 Dic 16- Dic

GRUPO 1

Prctica 4

GRUPO 2

Prctica 4

GRUPO 3

Prctica 4

19 Dic 20 Dic 21 Dic 22 Dic 23- Dic

GRUPO 1

Prctica 5

GRUPO 2

Prctica 5

GRUPO 3

Prctica 5

EVALUACIN DE LAS PRACTICAS DE LABORATORIO

La asistencia a las sesiones prcticas es obligatoria. La no asistencia a las mismas ser condicin suficiente para suspender la asignatura en la convocatoria ordinaria de Febrero.

Si un alumno no pudiese asistir a alguna de las sesiones practicas por causa justificada, deber comunicrselo al profesor de la asignatura quien le asignar otro grupo para realizar la correspondiente prctica.

Una vez finalizado el periodo de prcticas, cada alumno deber entregar un informe final (los detalles del mismo se darn en las sesiones de laboratorio). El informe debe entregarse de forma individualizada.

La no presentacin del informe de prcticas, su entrega fuera de plazo o el plagio del mismo ser condicin suficiente para suspender la asignatura en la convocatoria ordinaria de Febrero.

Aquellos alumnos que suspendan las prcticas de laboratorio (bien por no asistir a ellas o por su deficiente realizacin) estarn automticamente suspendidos en la convocatoria ordinaria (Febrero).

Si optasen por presentarse en cualquiera de las convocatorias extraordinarias (septiembre o diciembre) debern superar previamente un examen de prcticas.

CRITERIOS DE EVALUACIN

La asignatura Introduccin de Qumica podr ser aprobada bien por parciales (evaluacin continuada) o mediante la superacin de un examen final en Febrero (evaluacin nica):

a) Evaluacin continuada (por parciales):

Se realizarn dos exmenes parciales durante el primer cuatrimestre del curso acadmico:

Examen Parcial Materia Fecha

1er examen parcial Temas 1 a 9 Finales de Noviembre de 2006

2 examen parcial Temas 10 a 16 Finales de Enero de 2007

El alumno ser considerado apto si la media aritmtica de las calificaciones obtenidas en los dos exmenes parciales es superior a 5 puntos (siempre que la nota en cualquiera de los dos exmenes sea superior a 3,5) y se ha conseguido la calificacin de apto en la parte prctica de la asignatura.

Si la nota obtenida por el alumno en alguno de los dos exmenes parciales es inferior a 3,5 puntos, el alumno deber de examinarse de esa parte en el examen final de Febrero.

Cualquier alumno que consiga la calificacin de apto mediante la evaluacin continuada (por parciales), podr presentarse al examen final de Febrero para subir nota. No se tendr en cuanta la nota obtenida en este examen final si el alumno obtiene una calificacin inferior a la conseguida mediante la evaluacin continuada.

b) Evaluacin nica (examen final):

Aquellos alumnos que opten por no presentarse a los exmenes parciales debern obtener una calificacin superior a 5 puntos en el examen final de Febrero. Igualmente, el alumno debe conseguir la calificacin de apto en la parte prctica de la asignatura.

Fecha: 13 de Febrero de 2007. Materia: Temas 1 a 16.

Tema 1.- Naturaleza y Propiedades de la Materia

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Contenidos del Tema 1:

Objeto de la Qumica

Materia, masa y energa

Sustancias, mezclas y disoluciones

Propiedades fsicas y qumicas de la materia

Qu es la Qumica?


Qumica: estudio de los materiales que constituyen el cosmos y de las transformaciones

que stos sufren Etimolgicamente: qumica deriva del vocablo griego hkmeia: el arte del trabajo de los

materiales. Vivimos en un mundo en continuo cambio en el que reactivos son transformados en productos:

transformaciones naturales de la materia que forma el cosmos produccin / transformacin (humana) de materiales (procesos industriales de

produccin y tratamiento) mantenimiento de la vida de los seres vivos (captacin y metabolizacin de

nutrientes) etc.

La qumica es una ciencia multidisciplinar:.

anlisis qumico qumica analtica

sntesis de nuevos compuestos qumica orgnica e inorgnica

estudio de la estructura de la materia qumica fsica y qumica cuntica

qumica de los compuestos de inters biolgico bioqumica

estudio de la qumica de la tierra agroqumica / geoqumica

QUM ICA

etc.

Materia: masa y energa


Materia: aquello que ocupa un espacio finito y contiene cierta cantidad de masa. Masa: una medida de la cantidad de materia de la que est constituido un objeto. Peso: fuerza que el campo gravitatorio ejerce sobre un determinado objeto:

=

-2

-2

a = g = 9,81 ms en el campo gravitatorio terrestrega = 1,63 ms en el campo gravitatorio lun

f ma

ar6

Materia y energa radiante son interconvertibles:

2E = m c

E: cantidad de energa (en julios, J) m: cantidad de masa (en kilogramos, kg) c: velocidad de la luz (c = 3108 ms-1), constituye una de las constantes fundamentales de la naturaleza.

La cantidad de masa/energa se mantiene constante en cualquier transformacin fsica o qumica

ley de conservacin de la materia

ley de conservacin de la energa

Ley de conservacin materia/energa



Materia: un tipo de masa/energa que se mueve con velocidad inferior a la de la luz. Energa radiante: un tipo de masa/energa que se mueve a la velocidad de la luz.

nicamente aquellos objetos que se muevan a velocidades muy prximas a la

velocidad de la luz (c = 3108 ms-1) sufrirn efectos relativistas:

=

02

mm v1c

mo : masa en reposo del mvil v : velocidad.

0v

v c

0lim m = m (masa en reposo)

lim m = (imposibilidad de alcanzar v = c)

EJEMPLO: Un mvil viajando a una velocidad, v = c/1000 = 3105 ms-1 (1,8 millones de km/h),

sufrira un aumento de masa de tan solo el 0,00005 %: 0

m 1,0000005m =

Para la mayora de las reacciones qumicas (no nucleares) la cantidad de masa que se transforma en energa es despreciable:

Sin efectos relativistas: se cumplen la ley de conservacin de la masa y la ley de conservacin de la energa independientemente

Reacciones nucleares: la transformacin de pequeas cantidades de masa supone la liberacin o absorcin de enormes cantidades de energa radiante



Variacin de masa en reacciones nucleares: La bomba atmica lanzada sobre Hiroshima (el 6 de agosto de 1945) contena 2 kg de

235U.

Su explosin libero una cantidad de energa radiante y trmica del orden de 1,631014 J 8equivalente a la explosin de 20.000 Tm de nitroglicerina).

Sin embargo, esta enorme cantidad de energa liberado supuso la transformacin de una pequea parte de su masa:

( )-, , , ( . )

143

22 8 1

E 1 6 10 Jm 1 78 10 kg 1 78 g 1 parte en 1 125c 3 10 m s

= = = =

Por tanto, la masa sobrante fue 1998,2 g.

En reacciones nucleares, la transformacin de pequeas cantidades de masa supone la liberacin o absorcin de enormes cantidades de energa trmica y radiante.

Variacin de masa en reacciones qumicas (no nucleares):

La explosin de 1 kg de nitroglicerina libera una energa igual a 8106 J.

Esto equivale a 910-11 kg (0,00000000001 kg) de masa transformados en energa.

Tras la explosin la masa de los productos ser: 0,99999999991 kg.

La energa liberada equivale a la transformacin de 1g de cada 11.250 Tm de nitroglicerina.

La variacin de masa en las reacciones qumicas es despreciable.

Podemos considerar que para cualquier reaccin qumica se cumple la ley de conservacin de la masa.

Sustancias, Mezclas y Disoluciones


Sustancia: forma de materia que tiene una composicin constante y definida en lo que

se refiere al nmero y tipo de unidades bsicas presentes. Ejemplos de sustancias: el amonaco, el agua pura, el oro, el oxgeno, etc Una sustancia (elemento o compuesto) tiene propiedades distintivas que la diferencian de otras sustancias tales como densidad, composicin, color, sabor, etc. Mezcla: combinacin de dos a ms sustancias puras en la cual stas mantienen su

identidad, es decir, no sufren transformacin qumica alguna. Ejemplos de mezclas: aire, una disolucin de azcar en agua, el granito (cuarzo, feldespato y mica), la leche, etc.

Diferencias entre sustancias y mezclas

Sustancia Mezcla

No puede separarse en sus componentes (elementos) usando mtodos fsicos

Puede separarse en sus componentes usando mtodos fsicos

Su composicin es constante y definida Su composicin es variable

Sus propiedades son distintas de las de sus componentes

Sus propiedades estn relacionadas con las de sus componentes

Homognea cuando su composicin y propiedades fsicas son las mismas en toda ella Ejemplos: disoluciones, aleaciones, etc.

Mezcla:

Heterognea cuando los componentes de la mezcla permanecen fsicamente separados y pueden verse como tales. Ejemplos: granito, arena en agua, emulsiones, etc.

Disolucin: mezcla homognea de dos o ms sustancias puras en las que se denomina disolvente al componente presente en mayor proporcin y soluto al resto.

Sustancias, Mezclas y Disoluciones


ELEMENTOS COMPUESTOS HOMOGENEAS HETEROGENEAS

SUSTANCIAS

MATERIA

MEZCLAS

Los componentes de una mezcla (tanto homognea como heterognea) pueden separarse por medios fsicos sin que dichas sustancias sufran cambios en su identidad.

Mtodos utilizados para la separacin de mezclas en sus componentes

Mtodo Propiedad fsica Procedimiento de separacin

Centrifugacin densidad Rotacin de una mezcla lquido-slido , a alta velocidad, en una centrfuga; el slido se deposita en el fondo de un tubo de ensayo

Filtracin solubilidad Vertido de una mezcla slido-lquido sobre un papel de filtro; el slido queda retenido por el papel de filtro

Recristalizacin solubilidad Cristalizacin lenta de un slido a partir de la disolucin

Destilacin Volatilidad Separacin por evaporacin del componente ms volatil de una mezcla de lquidos

Cromatografa Adhesin a superficies

Paso de una mezcla lquida o de gaseosa por un papel o por una columna rellena de material.



Propiedades fsicas: propiedades de una sustancia o una mezcla que se pueden medir y observar sin modificar su composicin o identidad. Ejemplos: punto de fusin, sublimacin o ebullicin, densidad, conductividad trmica o elctrica, maleabilidad, ductivilidad, dureza, color, etc.

estado de agragacin

Slido es rgido y presenta una forma independiente del recipiente que lo contiene.

Lquido es fluido y adopta la forma del recipiente que lo contiene.

Gas es un fluido, ocupa todo el volumen del recipiente que lo contiene y resulta fcil comprimirlo para que ocupe un volumen menor.

cambio de estado

transformacin de una sustancia de un estado fsico a otro se produce a una temperatura especfica (depende de las

condiciones ambientales tales como presin atmosfrica)

la temperatura se mantiene constante mientras se produce el cambio de estado (o cambio de fase.

Cambios de estado

Cambio de estado Estado inicial Estado final

Fusin Slido Lquido

Sublimacin Slido Gaseoso

Congelacin Lquido Slido

Vaporizacin Lquido Gaseoso

Condensacin Gaseoso Lquido o slido



Propiedades qumicas: pueden ser observadas y medidas nicamente cuando la sustancia sufre una transformacin qumica (un cambio en su identidad).

Ejemplos:

a) El hidrgeno tiene la propiedad de ser inflamable porque puede reaccionar con el oxgeno para formar agua:

2 2 2H (g) O (g) 2 H O (g)+

b) El hidrxido sdico, NaOH, reacciona violentamente con el cido clorhdrico, HCl,

para formar cloruro sdico, NaCl, y agua, H2O:

2NaOH HCl NaCl H O+ + Cambio qumico (o reaccin qumica): la transformacin de una sustancia en otra.

PROPIEDADES INTENSIVAS Y EXTENSIVAS

Propiedades extensivas: dependen del tamao de la muestra y por tanto de la cantidad de materia de la que consta (masa) y por ello, son aditivas.

Ejemplos: masa, volumen, nmero de moles, energa interna, entropa.

Propiedades intensivas:

son caractersticas de la muestra considerada en su totalidad, as como de cualquier porcin de la misma arbitrariamente considerada (no dependen de la masa o tamao de la muestra).

Ejemplos: temperatura, densidad, presin, etc.

Tema 2.- Composicin de la Materia: tomos, Molculas e Iones

IInnttrroodduucccciinn ddee QQuummiiccaa TTeemmaa 22..-- CCoommppoossiicciinn ddee llaa mmaatteerriiaa -- 11 --


Divisibilidad de la materia: teora atmica.

Estructura del tomo

Molculas: tomos en combinacin

Iones y compuestos inicos

Composicin en masa de los compuestos

Divisibilidad de la materia: teora atmica


El universo est en continuo cambio existe un substrato que es constante?

Si existe un sustrato que permanezca inmutable en cualquier transformacin qumica

los cambios observables seran diversas percepciones de ese mismo substrato

es material o inmaterial? accesible a travs de los sentidos o slo a travs

de la mente?

existe un nico substrato o varios?. Leucipo de Mileto y Demcrito de Abdera (siglo V a.C.):

la materia no poda ser divisible sin lmite est constituida por partculas muy pequeas e indivisibles (tomos) los distintos tomos difieren entre s en su tamao y forma. los tomos se mueven permanentemente en el vaco chocando unos contra otros los tomos pueden asociarse de distinta forma y en distintas proporciones los cambios de la naturaleza son consecuencia de las combinaciones de tomos los tomos no se crean ni se destruyen como consecuencia de dichos cambios.

Empdocles (siglo IV a.C) y Aristteles (siglo II a.C) existen cuatro elementos de propiedades distintas: aire, agua, fuego y tierra todas las sustancias son combinaciones de los cuatro elementos en distintas

proporciones

un quinto elemento, el ter, forma los cuerpos celestes

Evidencias a favor de la existencia de los tomos: durante las reacciones qumicas no existe variacin observable de masa (Ley de la

conservacin de la masa, Lavoisier, 1785)

muestras diferentes de un mismo compuesto siempre contienen los elementos constituyentes en las mismas proporciones de masa (ley de las proporciones definidas., J. Proust, 1799).



Teora atmica de Dalton:

! Los elementos estn compuestos por tomos (partculas pequeas e indivisibles). Todos los tomos que componen un elemento son idnticos en tamao, masa y propiedades qumicas. Los tomos de un elemento difieren de los tomos de cualquier otro elemento.

! Los compuestos estn formados por tomos de ms de un elemento. La relacin entre el nmero de tomos de cualquier par de elementos presentes es un entero o una fraccin simple.

! Una reaccin qumica implica una separacin, combinacin o redistribucin de tomos para formar molculas, pero su nmero se conserva durante el proceso.

tomos del elemento Y

tomos del elemento X

compuesto formado por los elementos X, Y (1:2)

+

Esta teora racionaliza:

la ley de las proporciones constantes: la relacin entre los nmeros de los tomos de los distintos elementos que forman todas las molculas de un determinado compuesto es fija (CO2, H2O, HCl, etc.).

la ley de conservacin de la materia: una reaccin qumica es una redistribucin de los tomos de las molculas reaccionantes se conserva el nmero y tipo de tomos presentes (reactivos y productos).



La Teora Atmica de Dalton dedujo:

la ley de las proporciones mltiples sencillas: cuando un peso fijo de un elemento se combina con pesos distintos de otro para dar diferentes compuestos, los pesos del elemento variable estn en relaciones expresadas por nmeros enteros sencillos.

Sustancia en 1 mol de sustancia relacin ponderal, m(C) : m(O)

CO 12 g de C, 16 g de O 12:16 (3:4)

CO2 12 g de C, 32 g de O 12:32 (3:8)

H2O 2 g de H, 16 g de O 2:16 (1:8)

H2O2 2 g de H, 32 g de O 2:32 (1:16)

SO2 32 g de S, 32 g de O 32:32 (1:1)

SO3 32 g de S, 48 g de O 32:48 (2:3)

Hoy sabemos que el tomo tiene una estructura interna:

protn

ne Ncl

utre

no

!

!

El tomo es divisible y tiene estructura

{capa electrnic elec na tr!

El electrn: descubrimiento y propiedades


La corriente elctrica es capaz de descomponer ciertos compuestos qumicos.

Reaccin global: 122 2 2 H + OH O

2H

- +

+ - e e

2H O

2O

La cantidad de electricidad necesaria para descomponer una cierta cantidad de sustancia es constante: hacen falta 96490 C de electricidad para liberar 1 g de H2 durante la electrlisis del agua.

G. Johston Stoney (1874): deben existir unidades discretas de electricidad y deben estar asociadas a los tomos (electrn). Estudio sistemtico de la naturaleza del electrn.

tubo de rayos catdicos : conduccin de la electricidad a travs de los gases

Los rayos catdicos constan de partculas cargadas negativamente (Jean Perrn, 1895) ya que son desviados por un campo magntico.

F v HM q= r rr

La magnitud de la desviacin con respecto a la trayectoria horizontal por efecto del campo magntico no puede ser utilizada para determinar la carga o masa de estas partculas ya que se desconoce su velocidad.

El electrn: descubrimiento y propiedades


Medida de la relacin carga/masa del electrn (J.J. Thomson, 1897): uso combinado de un campo elctrico E y un campo magntico H mutuamente perpendiculares a la direccin de propagacin del haz de rayos catdicos:

:

F e EEEF F e E e v H vE M H

F e v HM

=

= = =

=

r r

r r

r rr Para un voltaje de 10.000 V

v = 6107 ms-1 (1/5 c).

A partir de v, se calcula e/m a partir de las desviaciones sufridas por el electrn en su trayectoria y las intensidades tanto del campo elctrico como magntico que han sido aplicadas. e/m = -1,76108 C/g. Las partculas de los rayos catdicos constituyen una forma de materia diferente: Electrlisis del agua:

1 gramo de H2 requiere Q = 96490 C relacin de carga a masa: q/m = 96490 C/g

Rayos catdicos: e/m = -1,76108 C/g la masa de las partculas de los rayos catdicos debe ser unas 2000 veces menor que la de un tomo de hidrgeno. R.A. Millikan, 1906, midi la carga del electrn: e = 1,610-19 C (m = 9,0910-28 g)

Rayos X y radiactividad


Radiactividad: emisin espontnea de partculas y/o radiacin electromagntica.

Rayos X (W. Rntgen, 1895): radiacin electromagntica que acompaa a las emisiones de sustancias radiactivas.

los rayos catdicos, al incidir sobre el vidrio o ciertos metales, emiten una radiacin de alta energa capaz de atravesar la materia impenetrable a la luz ordinaria

trayectoria: no es afectada por la accin de un campo magntico (no contiene partculas cargadas).

naturaleza ondulatoria: radiacin electromagntica de longitud de onda corta.

Naturaleza de la radiactividad: la radiacin del radio es desviada por un imn (Becquerel, 1899)

Radiacin emitida por elementos radiactivos: Radiacin : partculas cargadas positivamente (ncleos de helio, He2+)

Radiacin : partculas cargadas negativamente (electrones)

Radiacin : radiacin electro-magntica (de alta energa): rayos X

Estructura atmica: descubrimiento del ncleo


Descubrimiento del ncleo atmico (E. Rutherford, H. Geiger y E. Marsden, 1906)

Resultados del experimento:

La mayora de las partculas atravesaban la lmina sin apenas desviarse de su trayectoria incidente.

Las desviaciones observadas indicaban que cada partcula haba sufrido una ligera desviacin al azar.

Una pequea proporcin de las partculas incidentes (1 por cada 100.000 para una lmina de 0,5 m de espesor) sufra fuertes desviaciones (a veces de ms de 90o).

Al doblar el grosor de la lmina, se doblaba el nmero de partculas aunque la mayor parte de las partculas seguan atravesando la lmina desvindose mnimamente.

Partculas fuertemente dispersadas La mayora de las

partculas no se desvan

Lmina fina de oro

Pantalla circular fluorescente (ZnS)

Fuente de partculas alfa

Haz de Partculas



Interpretacin de los resultados:

La mayor parte de la masa del tomo est concentrada en una porcin muy pequea del tomo (ncleo atmico).

La seccin transversal del ncleo es inferior a 10-8 veces la del tomo (100 millones de veces ms pequeo).

El dimetro del ncleo debe ser del orden de 110-14 m (110-4 ).

El dimetro del too se estim en el orden de 1 5 (entre 110-10 y 510-10 m)

1 = 110-10 m

La inmensa mayora del volumen que ocupa la materia est vaco:

si imaginamos un tomo como una esfera de 1 m de dimetro, la mayor parte de su masa se acumulara en una pequea esfera de 0,1 mm de dimetro (del tamao de la punta de un alfiler)

Ncleo atmico

Nube electrnica



Composicin del ncleo: protones y nmero atmico.

El tomo es elctricamente neutro.

Los electrones forman parte del tomo y estn cargados negativamente.

Deben existir una serie de partculas con cargas positivas de forma que la carga atmica global sea nula.

Las partculas (He2+) que son desviadas en el experimento de Rutherford sufren una fuerte repulsin por otras partculas cargadas positivamente.

Las partculas cargadas positivamente se encuentran en el ncleo y se denominan protones (Rutherford, 1911).

La masa del protn es de 1,6725210-24 g (1837 veces ms pesado que el electrn).

La carga del protn (positiva) es de 1,60210-19 C idntica que la del electrn (negativa).

Elemento: una clase de materia que consta de tomos cuyos ncleos poseen todos la

misma carga elctrica (mismo nmero de protones). Compuesto: una sustancia constituida por tomos de dos o ms elementos diferentes, los

cuales se presentan en una relacin numrica definida (composicin definida)

Cada elemento se identifica por el nmero de protones que contiene su ncleo (nmero atmico, Z)

Z = n de protones que contiene el ncleo de cada tomo de un elemento Z = nde electrones de un tomo neutro.



Composicin del ncleo: neutrones y nmero de masa

H: Z 1masa del helio masa del helio 2 sin embargo: 4

masa del hidrgeno masa del hidrgenoHe: Z 2

= = =

=

Debe existir alguna otra partcula que contiene masa en el tomo: neutrn (partcula neutra con una masa de 1,67510-24 g (1,4% ms pesado que el protn).

Propiedades de algunas partculas subatmicas

Partcula Smbolo Carga ( C ) Masa ( g )

Electrn e- - 1,602210-19 (-1) 9,109510-28

Protn p + 1,602210-19 (+1) 1,6725210-24

Neutrn n 0 1,6749510-24

Ncleo de He: 2 protones y 2 neutrones (masa total: 4,69610-24 g).

Ncleo de H: un 1 protn y 0 neutrones (masa total: 1,67310-24 g). Por tanto, la relacin de masa ser, aproximadamente, 4:1. Un tomo queda caracterizado por el nmero de protones (nmero atmico, Z) y por el nmero de neutrones (nmero de masa, A).

A = n de protones + n neutrones presentes en el ncleo de un tomo de un determinado elemento.



Composicin del ncleo: neutrones y nmero de masa.

N = n neutrones presentes en el ncleo de un tomo de un determinado elemento.

Z = n protones presentes en el ncleo de un tomo de un determinado elemento

Z = n electrones presentes en el ncleo de un tomo de un determinado elemento

A = Z + N N = A - Z Ejemplo: potasio, K: Z = 19 A = 39: tomo de potasio contiene 19 protones, 19 electrones y 20 neutrones (N = A - Z). Istopos: tomos que tienen el mismo nmero atmico pero diferentes nmeros de

masa (diferente nmero de neutrones). Ejemplo: Existen tres istopos el elemento hidrgeno (Z = 1): el protio (forma ms abundante) tiene un protn y ningn neutrn (A = 1), el deuterio (o deutern) tiene un protn (Z = 1) y un neutrn (A = 2), el tritio tiene un protn (Z = 1) y dos neutrones (A = 3).

Notacin utilizada: XZA

elemento X: nmero de masa A; nmero atmico Z

istopos del elemento H (Z = 1): protio (A = 1) deuterio (A =2) tritio (Z = 3)

31 12

11

trit

proti

deuterio o io

HHH

Propiedades qumicas de un elemento estructura electrnica (nmero de electrones, Z)

Los distintos istopos de un elemento tienen un comportamiento qumico similar.



Separacin de istopos: espectrometra de masas.-

La muestra a analizar es introducida en la cmara de ionizacin.

Se bombardeada con electrones de alta energa se ioniza la muestra

Los iones formados son acelerados hacia mediante un potencial elctrico (placas aceleradoras).

La velocidad alcanzada por los iones depende de su masa siendo los iones ms ligeros los que se mueven a mayor velocidad (FE = ze a = F/m =ze/m)

Un campo magntico desva la trayectoria de los iones.

La magnitud de la desviacin depende de la masa de la partcula (FM = evH)

Espectro de masas de una muestra del elemento nen

Haz de electrones

Muestra gaseosa

Filamento

Placas aceleradoras

Haz de iones

Imn

Pantalla detectora

Inte

nsid

ad

Masa atmica (u.m.a.)

Masa atmica y masa molar


Unidad de masa atmica, uma: 1/12 veces la masa de un tomo de carbono 12 Carbono-12: Z = 6 y A = 12

1 uma = 1,660510-24 g Masa atmica: la masa de un tomo en unidades de masa atmica. Masa atmica del carbono-12 (12C) = 12 u.m.a. = 12 1,660510-24 = 1,992610-23 g El elemento H tiene una masa equivalente al 8,4% de la masa del carbono-12

Masa atmica del H: 120,084 = 1,008 u.m.a. = 1.0081,660510-24 = 1,673810-23 g Masa atmica promedio: media ponderada de las masas atmicas de sus distintos istopos considerando su abundancia relativa. Ejemplo: existen dos istopos del Cl (Z = 17): 35Cl (Z = 17, A = 35), masa atmica 34,97 u.m.a., abundancia: 75,8 % 37Cl (Z = 17, A = 37), masa atmica 36,97 u.m.a., abundancia 24,2%.

masa atmica promedio del elemento Cl = 0,758 34,97 + 0,242 36,97 = 35,5 uma Mol: cantidad de tomos contenidos en, exactamente, 12 g de carbono-12.

12 2312 24

12 6 022 101 12 1 6605 10-

masa de la muestra gn de tomos de C , tomosmasa de tomo de C , g

= = =

1 mol de tomos (de cualquier elemento) contiene 6,0221023 tomos de dicho elemento (nmero de Avogadro, NA = 6,0221023) Masa molar: masa de un mol de tomos de un elemento. La masa molar de un elemento (en gramos) es numricamente igual a su masa atmica expresada en uma. Masa atmica del Mg = 24,31 uma (masa de 1 tomo de Mg) La masa molar del Mg = 24,31 g/mol (masa de 1 mol de tomos de Mg).

Molculas: tomos en combinacin


Molcula: agregado de tomos en una configuracin definida que se mantienen juntos por fuerzas qumicas.

Frmula qumica:

expresa la composicin atmica de la molcula: qu elementos la forman y en qu proporcin utilizando para ello los smbolos de cada elemento.

frmula emp

ffrmula qum

rmula molec

uica

lar

r

ica

Frmula molecular:

indica el nmero exacto de tomos de cada elemento presentes en una molcula mediante un subndice. Ejemplos: H2, N2, O2, HCl, CO), H2O, NH3, etc..

Frmula emprica:

indica qu elementos estn presentes y la relacin mnima de nmeros enteros entre sus tomos. Ejemplos: perxido de hidrgeno (H2O2, frmula molecular) frmula emprica HO

Altropos o formas alotrpicas: distintas formas en las que un elemento se presenta en la naturaleza. Ejemplos: grafito y el diamante (formas alotrpicas del carbono), O2 y O3 (formas alotrpicas del oxgeno) Masa molecular de un compuesto (peso molecular) es la masa media de una de sus molculas. Se obtiene como la suma de las masas atmicas promedio de los tomos que la forman

ii

M a mi=

H2O: ii

M a m 2 1,008 1 16,00 18,02 u.m.a.i= = + =

Masa molar de un compuesto es la masa (en gramos) de 1 mol de esa sustancia. La masa molar de un compuesto (en gramos) es numricamente igual a su masa molecular (en uma). Masa molecular del agua: 18,02 u.m.a. Masa molar del agua ser 18,02 g.

Iones y compuestos inicos


In: partcula cargada elctricamente que se forma cuando se agregan o se

eliminan electrones a un tomo o a una molcula neutra. Catin: in cargado positivamente formado cuando un tomo o una molcula ceden

electrones. n -

2 -

M M n eFe Fe 2 e

+

+

+

+

Anin: in cargado negativamente formado cuando un tomo o una molcula gana

electrones. - n-

- -

A n e ACl e Cl

+

+

Compuestos inicos: aquellos que estn formados por cationes y aniones en relacin estequiomtrica tal que el compuesto es elctricamente neutro. Ejemplo. NaCl: formado por iones Na+ y Cl-

Los compuestos inicos: Forman redes cristalinas estabilizadas por interacciones electrostticas. En disolucin acuosa, se disocian en sus iones constituyentes y dan lugar a

disoluciones electrolticas (conducen la corriente elctrica).

Expresin de la composicin de los compuestos


Composicin porcentual en masa: porcentaje en masa de cada elemento presente en un compuesto.

Ejemplo: compuesto AxBy

x y

x y

xm(A)% 100M(A B )

ym(B)% 100M(A B )

A

A

=

=

Ejemplo: etanol (C2H5OH)

masa molar del etanol: M = 2 12,01 + 6 1,008 + 1 16,00 = 46,07g/mol

2 12,01% 100 52,14 %46,07

6 1,008% 100 13,13 %46,07

1 16,00% O 100 34,73 %46,07

C

H

= =

= =

= =

Tema 3.-

Estructura Electrnica de los tomos

IInnttrroodduucccciinn ddee QQuummiiccaa TTeemmaa 33..-- EEssttrruuccttuurraa eelleeccttrrnniiccaa ddee llooss ttoommooss - 1 -


De la Fsica clsica a la teora cuntica

El efecto fotoelctrico

Teora de Bohr del tomo de hidrgeno.

Naturaleza dual del electrn

Principio de incertidumbre

Modelo atmico basado en la mecnica cuntica

Aplicacin de la mecnica ondulatoria al tomo de hidrgeno

Orbitales atmicos

Configuracin electrnica

Principio de construccin progresiva.

De la Fsica Clsica a la Teora Cuntica


La Fsica clsica no puede explicar:

El comportamiento de las partculas subatmicas.

La interaccin de la radiacin electromagntica con la materia.

El comportamiento ondulatorio de partculas subatmicas.

Propiedades de las ondas

Onda: perturbacin vibracional por medio de la cual se transmite energa. Radiacin: emisin y transmisin de energa a travs del espacio en forma de ondas.

longitud de onda,

Amplitud

longitud de onda, : distancia entre dos puntos idnticos en ondas sucesivas;

amplitud, A: intensidad mxima de la perturbacin vibracional.

Frecuencia, : nmero de ondas que pasan a travs de un punto especfico por segundo.

Tiene unidades de ciclos/s.(1 Hz = 1ciclo/s = 1 s-1).

Velocidad de propagacin, v: v =

Naturaleza de la Radiacin Electromagntica


Qu es la Radiacin Electromagntica? Isaac Newton (siglo XVII): Descomposicin de la luz solar en haces de sus colores componentes: violeta, ndigo,

azul, verde, amarillo, anaranjado y rojo (de acuerdo a su longitud de onda).

Un segundo prisma poda recombinar todo el espectro en un nuevo haz de luz blanca.

Cada uno de estos haces no puede ser descompuesto por la accin de un prisma.

Teora del campo electromagntico (Maxwell, 1873):

Una onda electromagntica tiene dos componentes: un campo elctrico (Er

) y otro campo magntico, H

r.

Ambas componentes tienen idntica y (misma velocidad de propagacin),

Er

y Hr

oscilan en planos mutuamente perpendiculares (perpendiculares a la direccin de propagacin).

Radiacin electromagntica: emisin de energa en forma de ondas electromagnticas.

Rendija

Fuente

Prisma

Pantalla

rH

rH

rE

rE

propagacin

x

Naturaleza de la Radiacin Electromagntica


Otras propiedades de la radiacin electromagntica: Para toda onda electromagntica: v = c = 3108 ms-1. y no son mutuamente independientes: c = El tipo de radiacin electromagntica viene caracterizado por ( = c/):

espectro de radiacin electromagntica

El espectro visible es slo una pequea parte del espectro electromagntico. La luz visible no se diferencia en su naturaleza del resto de radiacin electromagntica

Teora Cuntica de Plank


Los gases excitados (calentamiento o descarga elctrica) emiten luz de determinadas longitudes de onda, lo cual constituye su espectro de emisin.

Los espectros de emisin son caractersticos de cada sustancia. 100 150 200 250 300 350 400

longitud de onda () Esta dependencia no se poda explicar en funcin de la teora ondulatoria y la fsica clsica (La fsica clsica supone que los tomos y molculas pueden emitir o absorber cualquier cantidad de energa radiante).

Teora cuntica (Max Plank, 1900)

los tomos y molculas nicamente pueden emitir o absorber radiacin electromagntica en cantidades discretas de energa.

Cuanto: cantidad mnima de energa que puede ser emitida o absorbida en forma de radiacin electromagntica.

La teora cuntica de Plank no exige que la luz misma tenga que estar formada por porciones de energa

Posteriormente (A. Einstein, 1905) demostr que la radiacin electromagntica est formada por cuantos de luz o fotones.

La energa absorbida o emitida es proporcional a su frecuencia, :

E = h h: constante de Plank, (6,62510-34 Js)

Consecuencias de la Teora Cuntica: La energa est cuantizada: nicamente puede intercambiarse una cantidad de energa

que sea un mltiplo entero de h.

La energa intercambiada: =

= = =

E h h cE hc

E ; E E ; E

Cuantizacin en otros sistemas: carga elctrica materia

El Efecto Fotoelctrico


Evidencias experimentales: El voltaje necesario para producir una chispa entre dos electrodos metlicos es menor

cuando stos se iluminan con luz ultravioleta (H. Hertz, 1887).

La superficie de un metal sobre el que incide luz UV emite cargas elctricas negativas: electrones (J.J. Thomson, 1898).

Efecto fotoelctrico: emisin de electrones por la accin de luz ultravioleta o rayos x

sobre la superficie de ciertos metales.

Luz: E = h e- 0

ampermetro

e-

e- e-

e- e-

e-

fotoctodo nodo

Umbral fotoelctrico: mxima ( mnima) que produce la emisin de fotoelectrones

< umbral ( > umbral) emisin de fotoelectrones

> umbral ( < umbral) no se observa emisin de fotoelectrones Propiedades de los fotoelectrones: Su energa cintica depende de (o ) de la radiacin que los produce carga elctrica que recorre el circuito: Q = ne (e carga del e-)

Q = (n de fotoelectrones emitidos ) (carga del electrn



Conectando una fuente de alimentacin externa cuya corriente de electrones de oponga a la creada por la clula fotoelctrica:

E = h e- 0

Fuente de alimentacin

e-

e- e-

e- e-

e-

e- e-

Potencial de retardo: diferencia de potencial negativo que anula la corriente en el circuito

Explicacin del efecto fotoelctrico (A. Einstein, 1905):

Cuantizacin de la radiacin: la luz incidente est formada por cuantos de luz (fotones).

La energa de un fotn es proporcional a su frecuencia: E = h

ENERGA (absorbida) = IONIZACIN + ACELERACIN

E = Ei + Ec

h = Ei + mv2

Cuando se aplica una diferencia de potencial igual al potencial de retardo: La energa aplicada al circuito elctrico debe igualar

la energa cintica de los fotoelectrones

eV = mv2



Recordando que:

212

212

v

v

= +

= ih E m

e V m

Sustituyendo:

eV = h - Ei ih EVe e

=

ih EVe e

=

y = ax - b frecuencia umbral V

olta

je r

etar

dado

r, V

Frecuencia de la luz incidente,

El voltaje retardador es nulo hasta que la radiacin no alcanza la frecuencia umbral (no se emiten electrones desde el fotoctodo: Eradiacin > humbral)

El voltaje aumenta linealmente cuando >umbral, ya que la radiacin tiene energa suficiente para inducir la ionizacin (emisin de electrones) y acelerarlos hasta alcanzar una cierta energa cintica.

Teora de Bohr del tomo de Hidrgeno


Espectros de emisin.- Los gases excitados (calentamiento o descarga elctrica) emiten luz de determinadas

longitudes de onda, lo cual constituye su espectro de emisin.

Los espectros de emisin son caractersticos de cada sustancia. Las frecuencias de las lneas de emisin siguen cierta regularidad.

gas

colimador

prisma

placa fotogrfica

espectro de lneas

Altovoltaje

long

itud

de o

nda,

Espectros de emisin: no se pueden explicar sin la teora cuntica (Plank, 1900). La emisin de radiacin electromagntica implica la interaccin entre sta y la

estructura electrnica de los tomos.

En 1913, Niels Bohr aplic la teora cuntica al tomo de H ( 1p+ y 1e-) mediante un tratamiento clsico (fsica newtoniana).

Su modelo requiere de ciertos postulados que no pueden ser explicados por la Fsica clsica.

Los resultados de la teora de Bohr son son aplicables a tomos polielectrnicos (que contienen ms de un electrn)



Primer Postulado de la teora de Bohr.- El electrn describe una rbita circular con centro en el ncleo (protn) y con velocidad angular .

p+

e+

vr aFr

En el sistema actan dos fuerzas:

Fuerza de atraccin electrosttica, Felect, entre el ncleo (Z protones) y el electrn (e-) Fuerza centrpeta, Fcentr, debida a la variacin de la direccin del vector velocidad

lineal del electrn, v. (v = r).

Ambas fuerzas han de igualarse. 2

22 2

2

Z eF kelect r Z e m v

F F kcentrelect 2 rrm vFcentr r

=

= =

=

De donde, el radio de la rbita ser: 2

2

Z er k

m v

=

El radio de la rbita y la velocidad del electrn en la misma son inversamente proporcionales.



Segundo Postulado de la teora de Bohr.- El momento cintico del electrn est cuantizado y nicamente puede tomar valores mltiplos enteros de h/2. Momento cintico o angular de una partcula:

L r p r (m v) m r v= = = r r r r rr r

de acuerdo con el 2 postulado, hL m r v n n 1, 2, 3, . . .

2 = = =

r

n: nmero entero n; nmero cuntico principal de la rbita de Bohr. Despejando la velocidad:

n hv2 m r

=

resultando:

2 2 2

02 2

n h nr aZ 4 k m e Z

= =

a0 es una constante cuyo valor es 0,530 .

el radio de una rbita estacionaria es directamente proporcional al cuadrado del nmero cuntico principal, n, e inversamente proporcional al nmero atmico Z.

La cuantizacin de Lr

implica la cuantizacin del radio de las rbitas estacionarias;

El electrn nicamente puede describir rbitas circulares cuyos radios satisfagan la ecuacin deducida.



Segundo Postulado de la teora de Bohr.- (continuacin) Igualmente, la energa de cada rbita est igualmente cuantizada.

Energa total del sistema: T c pE E E= +

a) Energa cintica: 2 2

2c

1 1 k Z e k Z eE m v m2 2 m r 2 r

= = =

b) Energa potencial electrosttica: 2

pZ eE k

r

=

Energa total: 2 2 2

T c pk Z e k Z e k Z eE E E

2 r r 2 r

= + = =

Se dedujo antes que: 2 2 2

02 2

n h nr aZ 4 k m e Z

= =

La energa del tomo hidrogenoide en el n-simo estado estacionario ser:

2 4 2 2

H2 2 2

k 2 m e Z ZE Rh n n

= =

RH : constante de Rydberg y tiene un valor de 2,1810-18 J.

La energa de cada uno de los estados estacionarios del electrn (correspondientes a cada uno de sus rbitas) est cuantizada.

La energa del electrn nicamente puede tomar una serie de valores discretos definidos por la ecuacin anterior.



Segundo Postulado de la teora de Bohr.- (continuacin)

2

H 2ZE Rn

=

La energa del estado fundamental o basal es aquella que corresponde a n = 1

Estado fundamental: 18n 1 H H2i

zE R R 2,18 10 J 13,60 eVn

= = = = =

(1 eV = 1,60310-19 J)

n > 1: estados excitados del tomo hidrogenoide. E es inversamente proporcional a n2 el espaciado energtico entre estados

estacionarios se hace cada vez ms pequeo.

E = 0 n = E6 n = 6 E5 n = 5 E4 n = 4 E3 n = 3 E2 n = 2 E1 n = 1

Ener

ga

E = 0 para n = , (r = ) el electrn no est ligado al tomo (ionizacin) Energa de ionizacin del tomo:

18ioniz n 1 n H H2 2

i f

1 1E E E R R 2,18 10 J 13,60 eVn n

= =

= = = = =



Tercer Postulado de la teora de Bohr.-

Un tomo hidrogenoide nicamente puede existir en determinados estados discretos de energa (estados estacionarios) en los cuales es sistema no absorbe o emite energa.

Cuando un tomo pasa de un estado estacionario de energa Ei a otro de energa Ef emite o absorbe un fotn cuya energa, h, es exactamente igual a la diferencia de energas entre ambos estados:

f iE E E h = = ley de la frecuencia de Bohr

Por tanto, 2 2

2f i H H H2 2 2 2

f i i f

Z Z 1 1E E E R R R Zn n n n

= = =

E: diferencia de energa entre los estados estacionarios del tomo hidrogenoide. E: energa de la radiacin electromagntica absorbida o emitida en la transicin.



Espectro de emisin del tomo de hidrgeno: cubre un amplio intervalo de longitudes de onda desde el infrarrojo hasta el ultravioleta:

n = n = 6 n = 5 n = 4 n = 3 serie de Pachen n = 2 serie de Balmer n = 1 Serie de Lyman

Series correspondientes al espectro de emisin del tomo de hidrgeno.

Serie nf ni Regin del espectro Lyman 1 2, 3, 4, ... Ultravioleta Balmer 2 3, 4, 5, ... Visible y ultravioleta Paschen 3 4, 5, 6, ... Infrarrojo Brackett 4 5, 6, 7, ... Infrarrojo



Esta teora explica:

Los espectros de absorcin y emisin: 2f i H 2 2i f

1 1E E E R Z hn n

= = =

Correlaciona la teora cuntica con la estructura electrnica de los tomos.

Da una visin clara de la estructura atmica: ncleo / electrn y las fuerzas que actan.

nicamente es vlida para tomos hidrogenoides (con un solo electrn).

Imperfercciones de la teora de Bohr:

No explica el comportamiento de tomos con ms de un electrn.

f iE E E = 2H 2 2i f

1 1R Zn n

La cuantizacin se introduce como postulado sin que exista explicacin para ello

El sistema ncleo-electrn sera inestable; el radio de la rbita del e- disminuira de forma montona:

toda partcula cargada que describe una trayectoria circular emite luz de frecuencia igual a la frecuencia de rotacin del electrn en el tomo (teora electromagntica).

Naturaleza ondulatoria del electrn


La radiacin electromagntica tiene carcter ondulatorio E y H varan de forma

sinusoidal.

La radiacin electromagntica est formada por partculas sin masa (fotones) de energa proporcional a su frecuencia (E = h, efecto fotoelctrico).

Existen analogas entre la radiacin electromagntica y los electrones: - El electrn y el fotn son partculas. - Un haz de electrones puede ser difractado (propiedad ondulatoria)

Naturaleza ondulatoria del electrn. (L. de Broglie, 1924) Para explicar el comportamiento ondulatorio del electrn de Broglie propuso:

El electrn enlazado a un ncleo se comporta como una onda estacionaria. Una onda estacionaria no describe un desplazamiento de la perturbacin vibracional:

l

l = / 2

l = 2 / 2 =

l = 3 / 2 = / 2

Propiedades de las ondas estacionarias:

Nodos: lugares donde la amplitud nula.

A mayor frecuencia de vibracin le corresponde una menor longitud de la onda estacionaria y un mayor nmero de nodos.

Slo puede haber ciertas longitudes de onda en cualquiera de los movimientos permitidos en la cuerda.

l = 2

n

Naturaleza ondulatoria del electrn


Si el electrn se comporta como una onda estacionaria en el tomo de hidrgeno:

la circunferencia de cualquier rbita circular permitida debe ser un mltiplo entero de la longitud de la onda del electrn

2 r n =

el carcter ondulatorio del electrn introduce su cuantizacin: 2

r n

=

n = 1, 2, 3, ...

Naturaleza ondulatoria del fotn.

Para un fotn: 2 2 cE m c h mc h =h hmc

== = =

Hiptesis de de Broglie: (similitud entre el fotn, v = c)

Todo electrn en movimiento tiene una onda asociada de h

mv = .

En reposo: = (es puramente una partcula), Esta hiptesis relaciona las propiedades ondulatorias () y las propiedades

corpusculares de la materia (p=mv).

Dualidad onda-corpsculo del electrn es posible deducir el 2o postulado de Bohr:

2 r nh2 r nh m v

m v

= = =

hr m v n 2L = =

El comportamiento ondulatorio del electrn explica la cuantizacin del momento angular, L (y, por tanto, de la energa, E, y el radio, r, de una rbita estacionaria).

Dualidad Onda-Corpsculo de la materia y la R.E.M.


Dualidad onda-corpsculo:

Consta la luz, realmente, de ondas o de partculas?

Es el electrn, en realidad, una partcula o una onda?.

Naturaleza de la radiacin electromagntica:

Luz es una palabra que se utiliza para describir una parte de la naturaleza, y su nombre se refiere a todas las propiedades que tiene la luz.

Algunas propiedades de la luz son semejantes a las de las ondas (, , E y H).

Otras propiedades son anlogas a las de las partculas: fotones (cuantos luminosos que tienen cierta energa, h, y cierta masa, h/c2).

Un rayo de luz no es una sucesin de ondas ni un haz de partculas; es ambas cosas a la vez.

Naturaleza del electrn:

Los electrones se comportan como partculas en rotacin con masa m y carga e.

Estn caracterizados por momentos cintico y magntico (toda partcula cargada girando sobre s misma tiene un momento magntico).

Los electrones manifiestan un comportamiento ondulatorio: = h / mv

El electrn tiene ambos caracteres: corpuscular y ondulatorio.

Su carcter ondulatorio hace que la estructura electrnica no pueda ser explicada por la mecnica clsica.

Para deducir su comportamiento es necesario utilizar la mecnica ondulatoria.

Principio de Incertidumbre


Debido a la dualidad onda partcula de la materia:

Es imposible determinar simultneamente y con exactitud la posicin de una partcula y su velocidad (o mejor su momento o cantidad de movimiento).

(Principio de incertidumbre, W. Heisenberg, 1917) Ecuacin de incertidumbre del movimiento ondulatorio:

observdor t t0 t + t0

onda direccin de propagacin

A B

Frecuencia de la onda: n de ondas que pasan por un punto fijo por unidad de tiempo.

( ) 2

n de crestas n de vallesn de ondas

tiempo t

+

= =

En el intervalo t t0 , t + to:

( )( )

0 0

2

2 4

n de crestas n de vallesn de crestas n de valles

t t

++

= =

Incertidumbre (error) en t: 2t (t: error en la medida de t0). Incertidumbre en n de crestas y valles: 2 (la cresta A puede contarse o no, al igual que el valle B)

Incertidumbre en : 2 12 2 t 2 t

= =

Principio de Incertidumbre


Un estudio ms detenido, basado sobre una definicin de la funcin error de y t: 1

2t

=

De acuerdo a la teora cuntica: E = h

Por tanto: E h = 2

hE t

=

Ecuacin de incertidumbre para la energa y el tiempo: el error en la medida de la energa de un sistema est relacionado con el error en el tiempo que se utiliza para dicha medida. Cuando se calcula la incertidumbre en las variables asociadas posicin, x, y momento lineal, p:

( )v2

hx m

Principio de incertidumbre: el producto de la incertidumbre en una de las coordenadas que describen la posicin, x, y la incertidumbre en la correspondiente componente de la cantidad de movimiento, p = (mv), es mayor o igual a h/2: Principio de incertidumbre: fin de la Fsica clsica:

Fsica clsica Fsica cuntica

Determinista Probabilista

no existen limitaciones a la exactitud con que puede evaluarse cualquier observable

La medida de un observable da lugar su valor ms probable

Modelo Atmico Basado en la Mecnica Cuntica


Antecedentes:

La teori de Bohr proporciona valores correctos para la energa de los tomos hidrogenoides (monoelectrnicos tales como H, He+, Li2+, etc.)

No explica la distribucin de las intensidades de las rayas del espectro del hidrgeno.

Tampoco permite obtener los verdaderos valores de los niveles energticos de tomos polielectrnicos.

No tiene en cuenta la naturaleza ondulatoria de la materia introduce la cuantizacin a modo de postulado.

Estructura energtica del tomo naturaleza ondulatoria de la materia.

Estructura energtica del tomo mecnica cuntica (E. Schrdinger, P. Dirac, 1926) y mecnica ondulatoria (W. Heisenberg, 1925)

Caractersticas de la mecnica cuntica:

Explica el comportamiento dual y energa de las partculas subatmicas.

Cada electrn est representado por su funcin de onda asociada (x,y,z).

La posicin del electrn se describe en forma de probabilidad (principio de incertidumbre).

Energa de cada electrn: energa cintica, Ec, + energa potencial, Ep,



Mecnica ondulatoria: Energa cintica: es proporcional a la segunda derivada de la funcin de onda respecto de cada una de las coordenadas.

En coordenadas cartesianas: 2 2 2 2

2 2 2 2 ( , , )8chE x y z

m x y z

= + +

Energa potencial: V(x,y,z), requiere considerar explcitamente el potencial electrosttico. tomo monoelectrnico: el potencial incluye nicamente la atraccin ncleo (carga ze) y el electrn (carga e):

2V( , , ) z ex y z kr

=

tomo con 2 electrones: el potencial incluye dos trminos:

la atraccin ncleo y cada uno de los dos electrones: 2 2

11 2

ze zeV k kr r

=

la repulsin entre los dos electrones: 2

212

eV kr

= (r12 distancia interelectrnica)

siendo el potencial total: 2 2 2

1 21 2 12

V( , , ) V V z e z e ex y z k kr r r

= + = +

tomo polielectrnico: el potencial incluye, nuevamente dos trminos):

la atraccin entre el ncleo y cada uno de los n electrones que contiene el tomo: 2

1i i

zeV k ( 1,2,..., )r

i n= = la repulsin mutua entre cada par de electrones:

2

2V ( , 1,2,..., )i j ij

ek i j nr

= = (rij distancia interelectrnica)

siendo el potencial total: 2 2V( , , )

i i ji ij

z e ex y z k kr r

= +



Ecuacin de ondas de Schrdinger. ET = Ec + Ep :

( )2 2 2 2

2 2 2 2 , , ( , , ) ( , , )8h V x y z x y z E x y z

m x y z + + + =

La suma del operador Ec 2 2 2 2

2 2 2 28h

m x y z

+ + y Ep, V(x,y,z) se denomina

hamiltoniano, H:

( )2 2 2 2

2 2 2 2 , ,8hH V x y z

m x y z

= + + +

y la ecuacin de ondas de Schrdinger se puede expresar como: H ( , , ) E ( , , )x y z x y z =

Ecuacin de ondas de Schrdinger: Es una ecuacin diferencial de 2 orden.

Su integracin permite obtener (x,y,z) y la energa (cuantizada) del sistema, E.

(x,y,z) caracteriza las propiedades del electrn.

Su integracin no es sencilla y nicamente puede realizarse analticamente para sistemas monoelectrnicos.

Cuando existe repulsin interelectrnica, nicamente puede obtenerse una solucin numrica.



Densidad de probabilidad electrnica. La funcin de onda (x,y,z) no tiene significado fsico.

Su cuadrado, 2, es proporcional a la probabilidad de encontrar al electrn en una cierta regin del espacio.

2 : probabilidad por unidad de volumen (densidad de probabilidad).

Probabilidad de encontrar el electrn en un volumen diferencial dV:

P(dV) = 2 dV = 2dxdydz

Probabilidad total de localizar al electrn dentro de un cierto volumen, V1:

[ ]1 1 11 1 1

21( ) ( , , )

x y z

x y zP V x y z dx dy dz

=

V1=[x1-(x1)] [y1-(y1)][z1-(z1)]=8x1y1z1)

Toda funcin de onda (x,y,z) debe cumplir la condicin de que la probabilidad de encontrar al electrn en todo el espacio debe ser la certeza:

[ ] 2

( , , ) 1x y z dx dy dz

=



Aplicacin de la mecnica ondulatoria al tomo de hidrgeno Integracin de la ecuacin de ondas de Schrdinger (tomo de hidrgeno):

Energa de los posibles estados que su nico electrn puede ocupar

Funcin de onda del electrn (funcin de onda orbital).

El electrn no tiene una posicin bien definida en el espacio.

Distintas regiones tienen diferentes densidades de probabilidad:

[ ]1 1 11 1 1

21( ) ( , , )

x y z

x y zP V x y z dx dy dz

= ).

La funcin densidad de probabilidad no se anula en ningn punto del espacio.

La densidad de probabilidad es alta en ciertas regiones del espacio y baja en otras.

Densidad de probabilidad densidad electrnica nube de carga electrnica.

Orbital: regin del espacio donde la probabilidad de encontrarle es alta.

Un electrn ocupa un orbital: la probabilidad de localizar al electrn en esa regin del espacio es alta (90%, 95%, 99%, etc.).

Un orbital atmico tiene una energa caracterstica, as como una distribucin caracterstica de la densidad electrnica.

La funcin de onda orbital, (x,y,z) (orbital atmico) est determinado por tres nmeros cunticos:

! el nmero cuntico principal, n,

! el nmero cuntico del momento angular, l, y

! el nmero cuntico magntico, ml.



Funcin de onda orbital: nmeros cunticos. (n, l, ml)

Nmero cuntico principal, n.

Equivale esencialmente al nico nmero cuntico de la teora de Bohr.

tomos monoelectrnicos: n determina la energa de un orbital.

tomos polielectrnicos: la energa del orbital depende de n y l.

El tamao de un orbital aumenta a la par que n.

n, puede tomar valores enteros mayores de cero: n = 1, 2, 3, ...

Capa o nivel: conjunto de orbitales con el mismo valor de n.

Nmero cuntico de momento angular, l. Tambin llamado azimutal. Determina el valor del momento cintico del electrn que ocupa dicho orbital.

hL1 2

ll

= +

Indica la forma geomtrica de los orbitales.

Valores posibles de l : l = 0, 1, 2, ..., n-1

El valor de l suele designarse por las letras s, p, d, f, etc., de acuerdo al criterio:

l 0 1 2 3 4 5

orbital s p d f g h

Uno o ms orbitales con los mismos valores de n y l reciben el nombre de subcapa.

n=2, l =0 (2s) capa n=2 contiene dos subcapas:

n=2, l =1 (2p)



Nmero cuntico magntico, ml.

Determina el valor del momento cintico en una direccin especfica del espacio.

2hmL = lx/y/z

Valores posibles de ml : -l, ( -l + 1), (-l + 2),... 0, ... , ( +l + 1), +l

La energa de un orbital no depende de ml.

Los orbitales con igual valor de l tienen igual energa (degenerados).

En presencia de un campo magntico externo, estos niveles degenerados se desdoblan (tienen distinta energa).

Relacin entre los nmeros cunticos y los orbitales atmicos

n l ml Nm. de orbitales

Designacin de los orbitales atmicos

1 0 0 1 1s

0 0 1 2s 2

1 1, 0, -1 3 2px, 2py, 2pz

0 0 1 3s

1 1, 0, -1 3 3px, 3py, 3pz 3

2 2, 1, 0, -1, -2 5 3dxy, 3dyz, 3dxz, 3dx2-y2, 3dz2

etc.

Orbitales Atmicos, (n, l, ml)


En rigor, un orbital no tiene una forma definida ya que la funcin de onda que le

caracteriza no se anula hasta el infinito.

La densidad de probabilidad no se anula hasta r = : existe una probabilidad no nula de encontrar al electrn en cualquier punto del espacio.

La probabilidad se acumula mayoritariamente en regiones del espacio cercanas al ncleo.

Orbitales s. Funcin de onda del estado fundamental del tomo de hidrgeno:

n = 1, l = 0, ml = 0 (orbital 1s): ( )0

3/

1 100 30

Z r as

Z ea

= =

y su cuadrado (densidad de probabilidad) ser: ( )03

2 /2 21 100 3

0

Z r as

Z ea

= =

(1s)2 : probabilidad de que el electrn se encuentre en un elemento de volumen unidad a la distancia r del ncleo.

La probabilidad de encontrar al electrn a una distancia del ncleo entre r y r + dr:

( )03

2 /2 2 21 3

0

4( , ) 4 Z r asZP r r dr r r e

a + = =

P(r, r+dr): distribucin radial de probabilidad. Indica la distribucin de probabilidad alrededor del ncleo en funcin de la distancia ncleo-electrn.



Orbitales s. (continuacin)

1s, 1s2 y 4r21s2 para el tomo de hidrgeno en su estado fundamental:

1s

21s

4r21s2

r ( A )ao = 0,53 A

( )03

Z r/a1s 3

0

Z ea

=

( )03

2 Z r/a21s 3

0

Z ea

=

( )0

32 Z r/a2 2 2

1s 30

4 Z4 r r ea

=

La funcin de distribucin radial de probabilidad, 4r21s2, presenta un mximo para r = a0 = 0,53 correspondiente al radio de la primera rbita de Bohr.

La distancia ms probable entre el ncleo y el electrn coincide con el radio a0 de la rbita de Bohr.

En el tratamiento de Bohr, el electrn nicamente poda encontrarse a r = ao (en el primer estado estacionario) y esta distancia defina el radio de la rbita.

En el tratamiento mecano-cuntico, ao representa la distancia a la que la probabilidad de encontrar al electrn es mxima, pero existe una probabilidad no nula de encontrarle a otras distancias (distribucin radial reprobabilidad).

Existe una probabilidad no nula de encontrar al electrn a otras distancias del ncleo.

La velocidad del electrn en el estado energtico 1s no es constante (en el tratamiento mecanocuntico, pero la velocidad cuadrtica media del electrn tiene precisamente el valor vo dado por Bohr.



Orbitales s. (continuacin) Diagrama de contorno lmite del orbital: regin del espacio que englobe una densidad electrnica suficientemente alta, generalmente superior al 95 %.

Existe una cierta probabilidad (aunque mnima) de que el electrn se encuentre a distancias muy alejadas del ncleo (ya que 4r21s2, no se anula hasta r = ).

Los orbitales tipo s (l = 0), tienen simetra esfrica.

Su tamao es proporcional a n2 (n: nmero cuntico principal).

1s 2s 3s

(representacin a escala)



Orbitales p.

Corresponden a funciones de onda cuyo nmero cuntico de momento angular (o azimutal), l, es igual a 1: l = 1.

Slo pueden darse cuando n 2.

Para n = 2 y l = 1, existirn tres orbitales 2p : (2px, 2py, 2pz) : ml = -1, 0, 1

Los tres orbitales son degenerados en ausencia de un campo magntico externo.

Los orbitales 2p (2px, 2py, 2pz) difieren entre s nicamente en su orientacin espacial.

Cada orbital p se puede visualizar como dos lbulos; con el ncleo ocupando la posicin central del orbital (donde se unen los dos lbulos).

Los orbitales p correspondientes a valores mayores del nmero cuntico principal tienen un mayor tamao .



Orbitales d y otros de ms alta energa.-

Orbitales d: corresponden a funciones de onda cuyo nmero cuntico de momento angular, l, es igual a 2: l = 2.

Slo pueden darse cuando n 3.

Para n = 3 y l = 2 existen cinco orbitales 3d correspondientes a los cinco valores posibles de ml (-2, -1, 0, 1, 2).

Todos ellos son degenerados (en ausencia de un campo magntico externo).

Los orbitales 3d ( z ,yxxzyzxy 222 3d3d ,3d ,3d ,3d ) difieren entre s nicamente en su

orientacin espacial.

Los orbitales d correspondientes a valores mayores del nmero cuntico principal tienen un mayor tamao .

Energa de los Orbitales Atmicos


tomos monoelectrnicos: La energa de los distintos orbitales de las especies monoelectrnicas (tomos o iones

con un nico electrn) depende nicamente del nmero cuntico principal n. Los valores de energa coinciden con los derivados de la teora de Bohr:

2

2i Hi

ZE Rn

=

Todos los orbitales correspondientes a un mismo nmero cuntico principal n son degenerados (tienen la misma energa).

Las energa de los orbitales para un tomo o in monoelectrnico aumentarn en el orden siguiente:

1s < 2s = 2p < 3s = 3p = 3d < 4s = 4p = 4d = 4f < ... (nicamente para especies monoelectrnicas)

4s 4p 4d 4f 3s 3p 3d

E 2s 2p 1s

Energa de los Orbitales Atmicos


tomos polielectrnicos:

Debido a la repulsin interelectrnica la energa de un electrn depende tanto n como de l. E = f(n, l).

Estados con el mismo valor de n y distinto valor de l no sern degenerados.

Dentro de una misma capa (un valor de n determinado) la energa del orbital aumenta con el nmero cuntico de momento angular l.

Para el nivel n = 3, la energa de los orbitales sigue el orden : 3s < 3p < 3d.

En ausencia de un campo magntico externo, aquellos orbitales valores de n y l sean iguales seguirn siendo degenerados. (2px, 2py, 2pz).

Las energa de los orbitales para un tomo polielectrnico aumentarn en el orden siguiente: 1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p

Configuracin Electrnica


Los cuatro nmeros cunticos n, l, ml y ms identifican completamente un electrn en cualquier orbital de cualquier tomo.

Los tres primeros (n, l, ml) identifican al orbital que ocupa el electrn. El cuarto (ms) se refiere exclusivamente al electrn y no puede adscribirse a ningn

orbital. Ejemplo: un electrn que ocupe un orbital 3s: (3, 0, 0, +) o bien (3, 0, 0, -). Configuracin electrnica de un tomo: distribucin de los electrones que contiene en los diversos orbitales atmicos (o niveles de energa). El llenado de los orbitales por los electrones se realizar en riguroso orden creciente de energa que para tomos polielectrnicos es:

1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s < 4f < ... Como ayuda para recordar el orden de energa de los orbitales de un tomo polielectrnico:

1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f 5s 5p 5d ... 6s 6p ... ...



a) tomo de hidrgeno, H: Z = 1. Su nico electrn se alojar en el orbital de ms baja energa (1s). Configuracin electrnica del tomo de hidrgeno en su estado fundamental:

H: 1s1 ! 1s representa el orbital que ocupa (n = 1, l = 0), ! el superndice 1 representa el nmero de electrones que ocupan

dicho orbital. Diagrama de orbital (se muestra el espn del electrn):

H 1s

La flecha indica una de las dos posibles orientaciones del espn del electrn La caja representa un orbital atmico. En este caso, la eleccin de la orientacin del espn es totalmente aleatoria. Ambos espines ( y ) tienen igual probabilidad (ms = + -).

Principio de Exclusin de Pauli.- b) tomo de helio, He: Z = 2. Ambos electrones se alojarn en el orbital de ms baja energa (1s). Configuracin electrnica del He en su estado fundamental: He: 1s2

He 1s2 1s2 1s2

Principio de exclusin (W. Pauli, 1926): en ningn tomo puede existir un estado tal que dos de los electrones tengan los cuatro nmeros cunticos iguales. Por tanto: dos electrones pueden ocupar un mismo orbital nicamente si sus espines

son opuestos (apareados).



Configuracin electrnica del He en su estado fundamental: He: 1s2 (spines apareados) Diagrama orbital:

He 1s2

Los dos electrones estn caracterizados por grupos de cuatro nmeros cunticos no idnticos: (1, 0, 0, +) y (1, 0, 0, -). Diamagnetismo y paramagnetismo.- El principio de exclusin explica el comportamiento magntico de los tomos. Sustancias paramagnticas: son atradas por un campo magntico externo. Sustancias diamagnticas: son ligeramente repelidas por un campo magntico externo. Comportamiento magntico de los tomos:

Espines paralelos ( o ) : resultante no nula del momento magntico de espn. El He sera paramagntico.

Espines apareados () : resultante nula del momento magntico de espn. tomos con todos sus espines apareados diamagnticos tomos con espines desapareados paramagnticos El He es diamagntico espines apareados ().

c) tomo de litio, Li: Z = 3. Configuracin electrnica: 1s2 2s1

Li 1s2 2s1

Li: carcter paramagntico



d) tomo de berilio, Be: Z = 4. Configuracin de berilio: 1s2 2s2

Be 1s2 2s2

Be: carcter diamagntico.

e) tomo de boro, B: Z = 5. Configuracin electrnica: 1s2 2s2 2p1

B 1s2 2s2 2p1

Be: carcter paramagntico. El electrn desapareado del boro puede ocupar con igual probabilidad cualquiera de los

tres orbitales 2p (2px, 2py, 2pz). f) tomo de carbono, C: Z = 6. Configuracin electrnica: 1s2 2s2 2p2 Los tres orbitales 2p son degenerados, existen, en principio, tres posibles configuraciones (dependiendo que cada orbital 2p sea ocupado por uno o los dos electrones).

2px 2py

(a) 2pz 2px 2py

(b) 2pz 2px 2py

(c) 2pz



Regla de mxima multiplicidad (Hund, 1927): la distribucin de electrones ms estable en subniveles degenerados es aquella que tenga un mayor nmero de espines desapareados (mxima multiplicidad). El diagrama orbital del carbono ser:

C 1s2 2s2 2p2

El carbono ser paramagntico. La repulsin interelectrnica se minimiza gracias a la regla de mxima multiplicidad.

2px 2py

(a) 2pz 2px 2py

(b) 2pz 2px 2py

(

introduccindequmica-130323172112-phpapp02.pdf

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