Demócrito (Abdera, Traciaca. 460 a. C. - 370 a. C.) El átomo (indivisible)

Joseph Proust Ley de proporciones definidas Ley de proporciones multiples

Ley de las proporciones múltiples. Relación de oxígeno en el CO y CO2 Monóxido de carbono Dióxido de carbono

Tubo de rayos catódicos Ánodo Cátodo Alto voltaje Pantalla Fluorescente J.J. Thomson, descubrió el electron (1906 Premio Nobel de Física)

Rayos catódicos producido en tubo de descarga

J.J. Thomson

Diseño experimental de Rutherford (Premio Nobel de Química en 1908) Velocidad de las partículas ~ 1.4 x 107 m/s (~5% velocidad de la luz) La carga positiva de un átomo está concentrada en su núcleo El proton (p) tiene una carga (+), el electrón tiene carga (-) La masa del p es 1840 x masa del e- (1.67 x 10-24 g)

Experimento de Millikan (Thompson) Carga del e- = -1.60 x 10-19 C Relación carga/masa del e- = -1.76 x 108 C/g Masa del e- = 9.10 x 10-28 g Robert A. Millikan, Determinación de la masa del electrón (Premio Nobel de Física en 1923)

Rutherford

X Propiedades del átomo Número de masa C Carga residual A Z Núcleo = Número atómico (Z) + Número de neutrones Número atómico (Z) = Número de protones en el núcleo Número de masa (A) = Número de protones + Número de neutrones Carga Residual = Número atómico (Z) + Número de neutrones Los isótopos son átomos del mismo elemento (X) con diferente número de neutrones en su núcleo Número de masa C Carga residual X A Z Número atómico Símbolo del elemento H 1 H (D) 2 H (T) 3 U 235 92 238

Isótopos del hidrógeno

Moléculas Una molécula es un conjunto de dos o más átomos unidos por fuerzas de atracción electrostática. Una molécula diatómica contiene dos átomos. H2, N2, O2, Br2, HCl, CO Una molécula poliatómica contiene más de dos átomos. O3, H2O, NH3, CH4

¿Entiendes que es un isótopo? ¿Cuántos protones, neutrones y electrones hay en C 14 6 ? 6 protones, 8 (14 - 6) neutrones, 6 electrones ¿Cuántos protones, neutrones y electrones hay en C 11 6 ? 6 protones, 5 (11 - 6) neutrones, 6 electrones

Iones Un ión es un átomo o grupo de átomos que tiene una carga neta positiva o negativa. catión – ión con una carga positiva Si un átomo neutro cede uno o más electrones se convierte en un catión. Na 11 protones 11 electrones Na+ 11 protones 10 electrones Anion – ión con una carga negativa Si un átomo neutro acepta uno o más electrones se convierte en un anion. Cl 17 protones 17 electrones Cl- 17 protones 18 electrones

Iones Na+, Cl-, Ca2+, O2-, Al3+, N3- OH-, CN-, NH4+, NO3- Un ión monoatómico contiene un solo átomo Na+, Cl-, Ca2+, O2-, Al3+, N3- Un ión poliatómico contiene más de un átomo OH-, CN-, NH4+, NO3-

¿Comprendes qué son los iones? Al 27 13 3+ ¿Cuántos protones y electrones hay en ? 13 protones, 10 (13 – 3) electrones ¿Cuántos protones y electrones hay en ? Se 78 34 2- 34 protones, 36 (34 + 2) electrones

Estados de Oxidación

Tipo estandar de formulas y modelos Hidrogeno Agua Amonio Metano Formula Molecular Formula Estructural Modelo de bola y palo Modelo de espacio

H2O Molecular Empírica H2O C6H12O6 CH2O O3 O N2H4 NH2 Formula molecular y Formula empírica Una fórmula molecular muestra el número exacto de átomos de cada elemento en la menor cantidad posible en la substancia. La fórmula empírica muestra la forma más simple en la cual los elementos pueden unirse. H2O Molecular Empírica H2O C6H12O6 CH2O O3 O N2H4 NH2

Teoría cuántica y la estructura electrónica de los átomos de Bohr

Propiedades de las ondas Longitud de onda (l) es la distancia que existe entre dos puntos idénticos en una serie de ondas. Amplitud: Distancia vertical desde el punto medio de la curva hasta una cresta (punto máximo) o un valle (punto mínimo).

Maxwell (1873), estableció que la luz está formada por ondas electromagnéticas Componente del campo Eléctrico Toda radiación electromagnética λ x υ = c Componente del campo Magnético Radiación electromagnética: Emisión y transmisión de energía por medio de ondas electromagnéticas. Velocidad de la luz (en el vacío) = 3.00 x 108 m/s

Diversos tipos de radiación electromagnética l x n = c

Un fotón tiene una frecuencia de 6.0 x 104 Hz.Determine la longitud de onda del fotón. ¿Se encuentra esta frecuencia dentro de la región visible? l n l x n = c l = c/n l = 3.00 x 108 m/s / 6.0 x 104 Hz l = 5.0 x 103 m l = 5.0 x 1012 nm Onda de radio

Misterio #1, “Problema del cuerpo oscuro” Resuelto por Planck en el año 1900 La energía y la luz son emitidas o absorbidas en múltiples unidades llamadas “quantum”. E = h x n Constante de Plank (h) h = 6.63 x 10-34 J•s

Misterio #2, “Efecto fotoeléctrico” Resuelto por Einstein en 1905 hn e- KE La luz tiene: Naturaleza de onda Naturaleza de partícula Un fotón es una “partícula” de luz

Dispositivo experimental para estudiar los espectros de emisón de átomos y moléculas Espectro de los átomos de hidrógeno

Espectro de emisión de diferentes elementos

Modelo atómico de Bohr (1913) Los electrones (e-) sólo pueden tener valores específicos de energía Cuando existe una emisión de luz, los electrones se mueven de un nivel de energía mayor a otro menor. En = -RH ( ) 1 n2 n (Número cuántico) = 1,2,3,… RH (Constante de Rydberg) = 2.18 x 10-18J

Analogía mecánica de los procesos de emisión E = hn E = hn

E = DE = Ef - Ei fotón Ef = -RH ( ) 1 n2 f Ei = -RH ( ) 1 n2 i i f ( ) 1 n2 f Ei = -RH ( ) 1 n2 i i f DE = RH ( ) 1 n2

l = 6.63 x 10-34 (J•s) x 3.00 x 108 (m/s)/1.55 x 10-19J Calcule la longitud de onda de un fotón mitido por un átomo de hidrógeno cuando el electrón cambia del 5° al 3er nivel de energía. i f DE = RH ( ) 1 n2 Efotón = Efotón = 2.18 x 10-18 J x (1/25 - 1/9) Efotón = DE = -1.55 x 10-19 J Efotón = h x c / l l = h x c / Efotón l = 6.63 x 10-34 (J•s) x 3.00 x 108 (m/s)/1.55 x 10-19J l = 1280 nm

2pr = nl l = h mu ¿Porqué la energía de los electrones es cuantizada? De Broglie (1924) descubrió que los electrones (e-), son partículas pero también son ondas. 2pr = nl l = h mu u = velocidad de e- m = masa de e-

¿Cuál es la longitud de onda de De Broglie (en nm) de una pelota de ping-pong de 2.5 gramos de masa que tiene una velocidad constante de 15.6 m/s? l = h/mu h en J•s m en kg u en (m/s) l = 6.63 x 10-34 / (2.5 x 10-3 x 15.6) l = 1.7 x 10-32 m = 1.7 x 10-23 nm

Ecuación de Schrödinger

Número cuántico principal Números Cuánticos: Número cuántico principal Y = fn(n, l, ml, ms) Número cuántico n n = 1, 2, 3, 4, …. Distancia desde e- hasta el núcleo n=1 n=2 n=3

Y = fn(n, l, ml, ms) Número cuántico del momento angular l Dado un valor n, l = 0, 1, 2, 3, … n-1 l = 0 orbital s l = 1 orbital p l = 2 orbital d l = 3 orbital f n = 1, l = 0 n = 2, l = 0 o 1 n = 3, l = 0, 1, o 2 Orbital: “volumen” de espacio que ocupan los e-

l = 0 (orbitales s) l = 1 (orbitales p) l = 2 (orbitales d)

ml = -1 ml = 0 ml = 1 ml = -2 ml = -1 ml = 0 ml = 1 ml = 2

Y = fn(n, l, ml, ms) Número cuántico magnético ml Dado un valor de l ml = -l, …., 0, …. +l Si l = 1 (orbital p), ml = -1, 0, ó 1 Si l = 2 (orbital d), ml = -2, -1, 0, 1, ó 2 Orientación del orbital en el espacio

número cuántico de giro (spin) ms Y = fn(n, l, ml, ms) ms = +½ o -½ ms = +½ ms = -½

Principio de exclusión de Pauli Principio de exclusión de Pauli – cada electrón en un átomo tiene sus propios números cuánticos, y no pueden existir dos e- en el mismo átomo con los mismos valores.

Electrones ocupando el nivel más bajo de energía de los orbitales ? ? B 1s22s22p1 Energía B 5 electrones C 6 electrones Li 1s22s1 Be 1s22s2 Li 3 electrones Be 4 electrones H 1s1 He 1s2 H 1 electrón He 2 electrones

Relación entre los números cuánticos y los orbitales

Ecuación de onda de Schrödinger Y = fn(n, l, ml, ms) Nivel – electrones con el mismo valor de n Orbital – electrones con el mismo valor de n y l Sub-orbital – electrones con el mismo valor de n, l, y ml ¿Cuántos electrones pueden existir en un sub-orbital? Si n, l, u ml están definidas, entonces ms = ½ o - ½ Y = (n, l, ml, ½) o Y = (n, l, ml, -½) Un sub-orbital puede contener 2 electrones

¿Cuántos sub-orbitales “2p” hay en un átomo? Si l = 1, entonces ml = -1, 0, o +1 2p 3 sub-orbitales l = 1 ¿Cuántos electrones pueden existir en el tercer orbital? n=3 Si l = 2, entonces ml = -2, -1, 0, +1, or +2 3d 5 sub-orbitales que pueden contener un máximo de 10 e- l = 2

Energía en los orbitales con un solo electrón La energía de un electrón es proporcional al número cuántico n n=3 n=2 Energía En = -RH ( ) 1 n2 n=1

La energía depende de n + l

Principio de Aufbau Electrones ocupando el nivel más bajo de energía de los orbitales. Niels Bohr ? B 5 electrones C 6 electrones Energía B 1s22s22p1 C 1s22s22p2 Li 3 electrones Be 4 electrones Li 1s22s1 Be 1s22s2 H 1 electrón He 2 electrones H 1s1 He 1s2

Regla de Hund Al llenar orbitales de igual energía  (los tres orbitales p, los cinco d, o los siete f) los electrones se distribuyen, siempre que sea posible, con sus espines paralelos, es decir, que no se cruzan. La partículas sub-atómicas  es más estable (tiene menos energía) cuando tiene electrones desapareados (espines paralelos) que cuando esos electrones están apareados (espines opuestos o anti-paralelos).

Regla de Hund El arreglo más estable de electrones en los subniveles se logra cuando se tiene el mayor número de “spins” paralelos. Ne 1s22s22p6 Ne 10 electrones Energía F 1s22s22p5 F 9 electrones O 1s22s22p4 O 8 electrones N 1s22s22p3 N 7 electrones C 1s22s22p2 C 6 electrones

1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s

La configuración electrónica La configuración electrónica explica cómo los electrones se distribuyen entre los diversos orbitales en un átomo. Número de electrones en el orbital o subnivel 1s1 Número cuántico n Momento angular del número cuántico l Diagrama de un orbital 1s1 H

¿Cuál es la configuración electrónica del Mg? Mg 12 electrones 1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s 1s22s22p63s2 2 + 2 + 6 + 2 = 12 electrones [Ne] 1s22s22p6 ¿Cuál es el número cuántico del último electrón para el Cl? Cl 17 electrones 1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s 1s22s22p63s23p5 2 + 2 + 6 + 2 + 5 = 17 electrones Último electrón en el orbital 3p n = 3 l = 1 ml = -1, 0, or +1 ms = ½ or -½

Último subnivel de energía para los elementos

El espín Diamagnético Paramagnético Nivel semivacío Nivel lleno 2p 2p