Estructura de la Materia

Presentación del tema: "Estructura de la Materia"— Transcripción de la presentación:

1 Estructura de la Materia
Facultad de Química - UNAM 6 créditos

2 Jorge R. Martínez Peniche

3 http://cea.quimicae.unam.mx/Estru/ (Liga: Estructura de la Materia)
Sitio Web del curso (Liga: Estructura de la Materia)

4 Programa (Ver liga en la página)
Fundamentos de Mecánica Cuántica. Estructura Atómica. Estructura Molecular. Fuerzas Intermoleculares.

5 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.

6 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).

7 Bibliografía (3) Chang, R., Química, McGraw-Hill Interamericana, 1999.

8 Evaluación Examen: viernes 27 Más las tareas

9 Conocimientos previos
Todo lo que debía saber antes de llevar Estructura de la Materia y no me atreví a preguntar

10 Conocimientos previos
Primeras ideas acerca de la constitución de la materia. Modelo atómico de Dalton. Modelo atómico de Thomson. Modelo atómico de Rutherford.

11 Primeras ideas acerca de la constitución de la materia

12 Tarea Leer la sección “Elementos y Átomos” del Capítulo 1 de “La Tabla Periódica” en la dirección: Y hacer un comentario en un máximo de una cuartilla.

13 ¿De qué está hecho el universo?
Tales de Mileto ( ane). Asimov, I. La Búsqueda de los elementos. Plaza & Janés. México, 1987.

14 Elementos Origen de la palabra elemento. Grecia clásica.
Del latín: Elementum. Algo simple con lo que están hechas las cosas complejas. Grecia clásica. 14

15 El agua Tales de Mileto :
“Todo el Universo es agua, es el origen de todas las cosas” 15

16 El Aire Anaxímenes de Mileto ( ane)

17 El fuego Heráclito de Efeso (~540- ~480 ane).
“Todo es fuego, elemento creador y destructor”

18 Homeomerías ὁμοιομέρεια Anaxágoras de Clazómene (500-428 ane).
Todo está formados por “semillas” y en ellas están contenidas todas las sustancias de la realidad”

19 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”.

20 Los elementos de Empédocles
Empédocles de Acragas ( ane).

21 Los elementos de Empédocles (2)
Agua Aire Tierra Fuego 21

22 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)…”

23 El concepto de átomo Leucipo de Mileto (siglo V ane).
Demócrito de Abdera (~460- ~370 ane)

24 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.

25 Modelo Atómico de Dalton

26 Antecedentes Leyes ponderales. Ley de conservación de la materia.
Ley de proporciones constantes. Ley de proporciones equivalentes. Ley de proporciones múltiples.

27 Ley de conservación de la materia
Mikhail Vasilyevich Lomonosov ( ). Antoine Laurent de Lavoisier ( ).

28 Ley de proporciones constantes
Joseph-Louis Proust  ( ). Cuando dos substancias se combinan para dar una tercera los hacen siempre en una proporción constante en peso.

29 Ley de proporciones equivalentes
Henry Cavendish ( ). Jeremias Benjamin Richter ( ).

30 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.

31 Ley de proporciones equivalentes (3)
Peso equivalente: Cantidad en gramos que contiene, se combina o desaloja 1 gramo ( g) de Hidrógeno.

32 Ley de proporciones múltiples
John Dalton ( ).

33 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).

34 Óxidos del N Dalton Actual NO NO2 NO3 NO4 NO5 N2O N2O2 (NO) N2O3

35 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.

36 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.

37 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.

38 Óxidos del N Dalton Actual NO NO2 NO3 NO4 NO5 N2O N2O2 (NO) N2O3

39 Limitaciones (2) Entonces, no puede explicar la Ley de Volúmenes de Combinación de Gay-Lussac

40 ¿Y la Ley de Conservación de la Materia?

41 v v Amadeo Avogadro ( ) Concepto de molécula

42 Modelo atómico de Thomson

43 Antecedentes Electricidad. Experimentos en tubos de descarga.
Experimento de Thomson (e/m) y descubrimiento del electrón. Experimento de Millikan

44 Electricidad Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta (1745-1827).
En 1799 invento la pila eléctrica.

45 Electricidad (2) André Marie Ampère ( ). Electromagnetismo.

46 Electricidad (3) Michael Faraday (1791-1867). Leyes de Faraday.
Inducción electromagnética

47 Experimentos en tubos de descarga
William Crookes ( ).

48 Tubos de descarga o de Crookes

49 Rayos catódicos

50 Rayos catódicos (2)

51 Descubrimiento del electrón
Joseph John Thomson ( ). Premio Nóbel de Física 1906.

52 Experimento de Thomson

53 Experimento de Thomson (2)

54 e/m Relación carga-masa para el electrón.

55 La carga del electrón Robert Andrews Millikan ( )

56 Experimento de Millikan

57 Experimento de Millikan (2)

58 Carga y masa del electrón
Carga del electrón  x 10-19 C Por lo tanto la masa del electrón es:  x 10-31 kg ¡1/1837 veces la masa del átomo más pequeño (H)! que x kg

59 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.

60 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”.

61 Modelo atómico de Thomson (3)

62 Modelo Atómico de Rutherford

63 Radiactividad natural
Antoine Henri Becquerel ( ). Premio Nóbel de Física 1903.

64 Radiactividad natural (2)
Pierre Curie ( ) Maria Sklodowska-Curie ( ) Premios Nóbel de Física 1903.

65 Experimento de Geiger y Marsden
Johannes (Hans) Wilhelm Geiger ( ) Sir Ernest Marsden ( )

66 Experimento de Geiger y Marsden (2)

67 Experimento de Geiger y Marsden (2)

68 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.

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70 Limitaciones del Modelo de Rutherford

71 Aquí empieza formalmente el curso

72 Fundamentos de Mecánica Cuántica
Naturaleza de la radiación electromagnética. Hipótesis de De Broglie. Principio de Incertidumbre. Ecuación de Schrödinger

73 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.

74 Ondas

75 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

76 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]

77 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.

78 Una ecuación de las ondas
[cm] [s-1]  [cms-1] Velocidad (v) v = 

79 Velocidad Si el medio es muy denso, la onda viaja rápido.
Si el medio es poco denso, la onda viaja despacio.

80 Ondas electromagnéticas
Generan su propio medio (un campo electromagnético)

81 Ondas electromagnéticas (2)
Por tanto, siempre viajan a la misma velocidad (en el vacío) “c” c = · c es una constante c = 299 792 458 ms-1 c ~ 3 x 1010 cms-1

82 Ondas electromagnéticas (2)
Para describir a las ondas electromagnéticas basta con conocer uno de los parámetros ( o ) y la constante de proporcionalidad es c

83 ¿Cuál es la longitud de onda de una onda electromagnética de frecuencia 6.24 x 1013 s-1?

84 Número de onda Inverso de la longitud de onda
y sus unidades son [cm-1]

85 Espectro electromagnético
Es una clasificación de las ondas de acuerdo a su frecuencia (o longitud de onda)

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89 Región visible

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91 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.

92 Espectros de Absorción y Emisión
Gustav Robert Kirchoff (sentado) y Robert Wilhelm Bunsen (parado) Alrededor de 1859

93 Espectroscopio

94 Espectroscopio (Esquema)

95 Espectros de Emisión de los Átomos

96 Espectros de Emisión de los Átomos (2)

97 Espectros de Absorción y Emisión del Átomo de Hidrógeno

98 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?

99 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

100 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

101 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

102 Radiación de un Cuerpo Negro (4)
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103 Radiación de un Cuerpo Negro (5)
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104 Radiación de un Cuerpo Negro (6)
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105 Radiación de un Cuerpo Negro (7)
105

106 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

107 Cuantización de la Energía
E = h h – constante de Planck h = 6.62 x ergseg 107