Estructura de la Materia Facultad de Química - UNAM 6 créditos
Jorge R. Martínez Peniche mpeniche@unam.mx mpeniche@gmail.com
http://cea.quimicae.unam.mx/Estru/ (Liga: Estructura de la Materia) Sitio Web del curso http://cea.quimicae.unam.mx/Estru/ (Liga: Estructura de la Materia)
Programa (Ver liga en la página) Fundamentos de Mecánica Cuántica. Estructura Atómica. Estructura Molecular. Fuerzas Intermoleculares.
Bibliografía No existe ningún texto que cubra todos los temas a la profundidad que requiere el curso. Algunos que se acercan: Casabó i Gispert, J.; Estructura Atómica y Enlace Químico. Ed. Reverté 1996.
Bibliografía (2) Brown, T.L., Le May, H.E. Jr. Y Bursten, B.E.. Química, la Ciencia Central. Ed. Prentice Hall, 1998. Cruz, Chamizo, Garritz; Estructura Atómica (Un enfoque químico). Ed. Adisson-Wesley Iberoamericana, 1987 (Solamente temas 1 y 2).
Bibliografía (3) Chang, R., Química, McGraw-Hill Interamericana, 1999.
Evaluación Examen: viernes 27 Más las tareas
Conocimientos previos Todo lo que debía saber antes de llevar Estructura de la Materia y no me atreví a preguntar
Conocimientos previos Primeras ideas acerca de la constitución de la materia. Modelo atómico de Dalton. Modelo atómico de Thomson. Modelo atómico de Rutherford.
Primeras ideas acerca de la constitución de la materia
Tarea Leer la sección “Elementos y Átomos” del Capítulo 1 de “La Tabla Periódica” en la dirección: http://cea.quimicae.unam.mx/Estru/tabla/02_Elementos.htm Y hacer un comentario en un máximo de una cuartilla.
¿De qué está hecho el universo? Tales de Mileto (624-546 ane). Asimov, I. La Búsqueda de los elementos. Plaza & Janés. México, 1987.
Elementos Origen de la palabra elemento. Grecia clásica. Del latín: Elementum. Algo simple con lo que están hechas las cosas complejas. Grecia clásica. 14
El agua Tales de Mileto : “Todo el Universo es agua, es el origen de todas las cosas” 15
El Aire Anaxímenes de Mileto (588-524 ane)
El fuego Heráclito de Efeso (~540- ~480 ane). “Todo es fuego, elemento creador y destructor”
Homeomerías ὁμοιομέρεια Anaxágoras de Clazómene (500-428 ane). Todo está formados por “semillas” y en ellas están contenidas todas las sustancias de la realidad”
La Apeiron Anaximandro de Mileto (611-545 ane). “Lo sin fronteras, lo infinito, lo indeterminado es lo que contiene todo y a la vez está contenido en todo”.
Los elementos de Empédocles Empédocles de Acragas (611-545 ane).
Los elementos de Empédocles (2) Agua Aire Tierra Fuego 21
Boyle (The Sceptical Chymist, 1661) “Ahora entendemos por elementos... ciertos cuerpos primitivos, simples y sin mezcla; que no se hacen de ningún otro cuerpo, son los ingredientes de todos los llamados cuerpos perfectamente mezclados (compuestos químicos)…”
El concepto de átomo Leucipo de Mileto (siglo V ane). Demócrito de Abdera (~460- ~370 ane)
Lo indivisible La materia es discontinua, es decir tiene un límite de división. A las unidades indivisibles se les llamó átomos. Del griego, que es un prefijo negativo y que significa cortar.
Modelo Atómico de Dalton
Antecedentes Leyes ponderales. Ley de conservación de la materia. Ley de proporciones constantes. Ley de proporciones equivalentes. Ley de proporciones múltiples.
Ley de conservación de la materia Mikhail Vasilyevich Lomonosov (1711-1765). Antoine Laurent de Lavoisier (1743-1794).
Ley de proporciones constantes Joseph-Louis Proust (1754 - 1826). Cuando dos substancias se combinan para dar una tercera los hacen siempre en una proporción constante en peso.
Ley de proporciones equivalentes Henry Cavendish (1731-1810). Jeremias Benjamin Richter (1762-1807).
Ley de proporciones equivalentes (2) 8g de O 79.9 g de Br 1g de H 3g de C 35.5 g de Cl Cuando dos substancias se combinan para dar una tercera lo hacen en una proporción equivalente en peso.
Ley de proporciones equivalentes (3) Peso equivalente: Cantidad en gramos que contiene, se combina o desaloja 1 gramo (1.0078 g) de Hidrógeno.
Ley de proporciones múltiples John Dalton (1766-1844).
Ley de proporciones múltiples (2) Cuando dos elementos se combinan para dar más de un compuesto lo hacen siempre en una relación de números enteros (pequeños).
Óxidos del N Dalton Actual NO NO2 NO3 NO4 NO5 N2O N2O2 (NO) N2O3
Modelo atómico de Dalton (1808) Toda la materia está formada por átomos. Los átomos de un elemento son idénticos en todas sus propiedades, incluyendo el peso. Diferentes elementos están hechos a partir de átomos distintos.
Modelo atómico de Dalton (2) Los compuestos están formados por átomos de diferente tipo. Los átomos son indivisibles. Los átomos se combinan en las proporciones numéricas más simples: 1:1, 2:1, etc. Los cambios químicos son cambios en las combinaciones de los átomos entre sí.
Limitaciones Confundió lo que ahora conocemos como “peso atómico” con el “peso equivalente”. Y según su hipótesis de máxima simplicidad si dos elementos forman un sólo compuesto, éste tendrá un átomo de cada elemento.
Óxidos del N Dalton Actual NO NO2 NO3 NO4 NO5 N2O N2O2 (NO) N2O3
Limitaciones (2) Entonces, no puede explicar la Ley de Volúmenes de Combinación de Gay-Lussac
¿Y la Ley de Conservación de la Materia?
v v Amadeo Avogadro (1776-1855) Concepto de molécula - 1811
Modelo atómico de Thomson
Antecedentes Electricidad. Experimentos en tubos de descarga. Experimento de Thomson (e/m) y descubrimiento del electrón. Experimento de Millikan
Electricidad Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta (1745-1827). En 1799 invento la pila eléctrica.
Electricidad (2) André Marie Ampère (1775-1836). Electromagnetismo.
Electricidad (3) Michael Faraday (1791-1867). Leyes de Faraday. Inducción electromagnética
Experimentos en tubos de descarga William Crookes (1832-1919).
Tubos de descarga o de Crookes
Rayos catódicos
Rayos catódicos (2)
Descubrimiento del electrón Joseph John Thomson (1856-1940). Premio Nóbel de Física 1906.
Experimento de Thomson
Experimento de Thomson (2)
e/m Relación carga-masa para el electrón.
La carga del electrón Robert Andrews Millikan (1868-1953)
Experimento de Millikan
Experimento de Millikan (2)
Carga y masa del electrón Carga del electrón 1.60217653 x 10-19 C Por lo tanto la masa del electrón es: 9.1093826 x 10-31 kg ¡1/1837 veces la masa del átomo más pequeño (H)! que 1.6735 x 10-27 kg
Modelo atómico de Thomson Se sabe: Los átomos son neutros. Existen partículas negativas. Existen partículas positivas. Las partículas positivas son mucho mayores que las negativas. Por lo tanto tiene casi toda la masa atómica.
Modelo atómico de Thomson (2) Basándose en sus conocimientos de electrostática, Thomson postula un continuo de carga positiva con cargas negativas incrustadas en él como “cerezas en un pastel” o “pasas en un pudín”.
Modelo atómico de Thomson (3)
Modelo Atómico de Rutherford
Radiactividad natural Antoine Henri Becquerel (1852-1908). Premio Nóbel de Física 1903.
Radiactividad natural (2) Pierre Curie (1859-1906) Maria Sklodowska-Curie (1867-1934) Premios Nóbel de Física 1903.
Experimento de Geiger y Marsden Johannes (Hans) Wilhelm Geiger (1882-1945) Sir Ernest Marsden (1889 - 1970)
Experimento de Geiger y Marsden (2)
Experimento de Geiger y Marsden (2)
Modelo de Rutherford El átomo consta de una parte central llamada núcleo donde reside la carga positiva y la casi totalidad de la masa. Alrededor de este núcleo central y a una gran distancia de él giran los electrones en órbitas circulares.
Limitaciones del Modelo de Rutherford
Aquí empieza formalmente el curso
Fundamentos de Mecánica Cuántica Naturaleza de la radiación electromagnética. Hipótesis de De Broglie. Principio de Incertidumbre. Ecuación de Schrödinger
Naturaleza de la radiación electromagnética Parámetros característicos de las ondas. Espectro electromagnético. Espectros de absorción y de emisión del átomo de Hidrógeno. Radiación de un cuerpo negro. Efecto fotoeléctrico.
Ondas
Características de las ondas Pueden propagar energía a distancia Requieren de un medio para desplazarse Se desplazan en el medio pero no lo desplazan como un todo Sus propiedades (en particular la velocidad) dependen del medio y no de la causa que originó la onda o que la provocó
Parámetros característicos de las ondas Longitud de onda () Distancia entre crestas o valles consecutivos en ondas periódicas, o en general entre dos puntos idénticos de la onda Las unidades con que se mide son unidades de longitud: [cm] o [Ǻ]
Parámetros característicos de las ondas (2) Frecuencia () Número de longitudes de onda que pasan por un punto en un segundo. Unidades: [s-1] A veces llamadas ciclos por segundo.
Una ecuación de las ondas [cm] [s-1] [cms-1] Velocidad (v) v =
Velocidad Si el medio es muy denso, la onda viaja rápido. Si el medio es poco denso, la onda viaja despacio.
Ondas electromagnéticas Generan su propio medio (un campo electromagnético)
Ondas electromagnéticas (2) Por tanto, siempre viajan a la misma velocidad (en el vacío) “c” c = · c es una constante c = 299 792 458 ms-1 c ~ 3 x 1010 cms-1
Ondas electromagnéticas (2) Para describir a las ondas electromagnéticas basta con conocer uno de los parámetros ( o ) y la constante de proporcionalidad es c
¿Cuál es la longitud de onda de una onda electromagnética de frecuencia 6.24 x 1013 s-1?
Número de onda Inverso de la longitud de onda y sus unidades son [cm-1]
Espectro electromagnético Es una clasificación de las ondas de acuerdo a su frecuencia (o longitud de onda)
Región visible
Compara las radiaciones de radio de frecuencia modulada con las de la luz visible en cuanto a frecuencia, velocidad, longitud de onda y número de onda.
Espectros de Absorción y Emisión Gustav Robert Kirchoff (sentado) y Robert Wilhelm Bunsen (parado) Alrededor de 1859
Espectroscopio
Espectroscopio (Esquema)
Espectros de Emisión de los Átomos
Espectros de Emisión de los Átomos (2)
Espectros de Absorción y Emisión del Átomo de Hidrógeno
Los átomos de Bario excitados emiten una radiación de 455 nm Los átomos de Bario excitados emiten una radiación de 455 nm. ¿Cuál es la frecuencia y cuál el color de esa radiación?
Radiación de un Cuerpo Negro Antes de 1900, se trataba a la luz como una simple onda electromagnética En las ondas electromagnéticas la energía es proporcional a la amplitud de la onda eléctrica más la amplitud de la onda magnética E (AE2 + AH2) (intensidad luminosa) 99
Radiación de un Cuerpo Negro (2) E (AE2 + AH2) Nótese que la energía de una onda electromagnética tiene que ver con la intensidad y no con la frecuencia 100
Radiación de un Cuerpo Negro (3) Un cuerpo negro es un objeto (ideal) capaz de absorber todas las radiaciones del espectro electromagnético. ¿Cómo simular un cuerpo negro? 101
Radiación de un Cuerpo Negro (4) 102
Radiación de un Cuerpo Negro (5) 103
Radiación de un Cuerpo Negro (6) 104
Radiación de un Cuerpo Negro (7) 105
Max Plank (1858-1947) Premio Nóbel en 1918. En 1900, desechando el Principio de Equipartición de la Energía de la Termodinámica clásica, propuso que la energía era proporcional a la frecuencia de la radiación y ¡no a su intensidad! 106
Cuantización de la Energía E = h h – constante de Planck h = 6.62 x 10-27 ergseg 107