Unidad 7.1 - Estructura Atómica

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    16-Nov-2015

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<ul><li><p>UdeC/ FCQ/M E Knig Unidad 7 (7-1)</p><p>1</p><p>Universidad de ConcepcinFacultad de Ciencias Qumicas</p><p>Qumica General para Ingeniera</p><p>Unidad 7Tema: Estructura electrnica de los </p><p>tomos </p></li><li><p>UdeC/ FCQ/M E Knig Unidad 7 (7-1)</p><p>2</p><p>7-1 Modelo atmico</p><p>7-2 Propiedades peridicas de los elementos</p><p>7-3 Modelos de Enlace qumico</p></li><li><p>UdeC/ FCQ/M E Knig Unidad 7 (7-1)</p><p>3</p><p>Introduccin Los primeros estudios tendientes a entender </p><p>estructura de tomos y molculas se inician en el siglo XIX y tuvieron xito limitado.</p><p> Pas tiempo antes de de descubrir que las leyes de la fsica clsica no es aplicable a objetos tan pequeos como tomos y molculas.</p><p> Con Max Planck, alrededor de 1900, se inicia la fsica cuntica, la que permitocomprender los fenmenos a nivel atmico y molecular.</p></li><li><p>UdeC/ FCQ/M E Knig Unidad 7 (7-1)</p><p>4</p><p>Max Planck1858-1947Fsico, alemnPremio Nobel 1918</p></li><li><p>UdeC/ FCQ/M E Knig Unidad 7 (7-1)</p><p>5</p><p>7-1 Modelo atmico.</p><p>Propiedades de la ondas Naturaleza dual de la luz Naturaleza dual del electrn Aplicacin de modelo de Bohr al tomo de </p><p>Hidrgeno. Mecnica cuntica Orbitales atmicos Configuracin electrnica.</p></li><li><p>UdeC/ FCQ/M E Knig Unidad 7 (7-1)</p><p>6</p><p>Propiedades de la ondas</p><p>Para entender la teora cuntica de Planck es necesario tener conocimiento bsico sobre la naturaleza de las ondas debido a que los fenmenos que permiten el estudio de la estructura atmica involucra radiacin electromagntica.</p><p>Existen muchas clases de ondas, entre ellas estn las las ondas de sonido y de luz visible que son percibidas por dos de nuestros sentidos. </p></li><li><p>UdeC/ FCQ/M E Knig Unidad 7 (7-1)</p><p>7</p><p>ONDAONDA: es una perturbacin vibracional cclica por medio de la cual se transmite energa. Su representacin grfica es:</p><p>-1,5</p><p>-1</p><p>-0,5</p><p>0</p><p>0,5</p><p>1</p><p>1,5</p><p>0 200 400 600 800</p><p>cima</p><p>valle</p><p>A</p><p>nodo</p></li><li><p>UdeC/ FCQ/M E Knig Unidad 7 (7-1)</p><p>8</p><p>Las caractersticas de una onda son: longitud de onda, : distancia entre </p><p>cualquier punto sobre una onda y el punto correspondiente de la onda siguiente. Unidad = m </p><p> frecuencia, : nmero de ciclos que una onda experimenta en 1 segundo. Unidad s-1= Hz (hertz)</p><p> amplitud, A: es la altura de la cima o la profundidad del valle.</p></li><li><p>UdeC/ FCQ/M E Knig Unidad 7 (7-1)</p><p>9</p><p> menor</p><p> mayor</p><p>Tres ondas con distintos valores de y de igual amplitud.</p></li><li><p>UdeC/ FCQ/M E Knig Unidad 7 (7-1)</p><p>10</p><p>Amplitud mayor</p><p>Amplitud menor</p><p>Dos ondas con igual y distintas amplitudes</p></li><li><p>UdeC/ FCQ/M E Knig Unidad 7 (7-1)</p><p>11</p><p>-1,5</p><p>-1</p><p>-0,5</p><p>0</p><p>0,5</p><p>1</p><p>1,5</p><p>0 200 400 600 800</p><p>Se denomina ciclo a una onda completa:</p><p>1 onda = 1 ciclo</p></li><li><p>UdeC/ FCQ/M E Knig Unidad 7 (7-1)</p><p>12</p><p>La luz visible es un tipo de radiacin electro-magntica (EM), tambin llamada energa electromagntica o energa radiante.</p><p>Otros tipos de radiaciones electromagntica(ms conocidas) son la ondas de radio, las microondas, los rayos X, las ondas de TV </p></li><li><p>UdeC/ FCQ/M E Knig Unidad 7 (7-1)</p><p>13</p><p>Toda radiacin electromagntica consiste de energa que se propaga por medio de campos elctricos y campos magnticos y que alternan aumentos y disminuciones en su intensidad, mientras se mueven en el espacio.</p><p>-1,5</p><p>-1</p><p>-0,5</p><p>0</p><p>0,5</p><p>1</p><p>1,5</p><p>0 200 400 600 800</p></li><li><p>UdeC/ FCQ/M E Knig Unidad 7 (7-1)</p><p>14</p><p>La velocidad de propagacin de una onda se representa por u. </p><p>Si se trata de una onda de luz, su velocidad se representa por c y es la velocidad de la luz en el vaco. c = 3,00 x 108 m/s </p><p>Unidades: u , c en m/s en m en s-1 = Hz (Hertz)</p><p>=u =c</p></li><li><p>UdeC/ FCQ/M E Knig Unidad 7 (7-1)</p><p>15</p><p>Rayos gama Rayos X Ul</p><p>tra-</p><p>viol</p><p>eta</p><p>Visi</p><p>ble Infrarrojo Microondas Ondas de radio</p><p>101210141018 10161020</p><p>101210101 108</p><p>108 104</p><p>10-2</p><p>1061010</p><p>106102 104</p><p>Frecuencia (1/s)</p><p>Longitud de onda (nm)</p><p>Regin visible400 500 600 700 750</p></li><li><p>UdeC/ FCQ/M E Knig Unidad 7 (7-1)</p><p>16</p><p>Problema 1.Un odontlogo utiliza rayos X (=1,00 ) para tomar una serie de radiografas dentales mientras su paciente escucha una estacin de radio ( = 325 cm) y ve a travs de la ventana el cielo azul ( = 473 nm). Cul es la frecuencia de la radiacin electromagntica de cada fuente?</p></li><li><p>UdeC/ FCQ/M E Knig Unidad 7 (7-1)</p><p>17</p><p>c = con c = 3,00x108 m/s</p><p>Equivalencias: 1 = 10-10 m; 1 nm = 10-9 m</p><p>11810</p><p>8</p><p>s103,00m101,00</p><p>m/s103,00 : XRayos =</p><p>=</p><p>178</p><p>s109,23m 3,25</p><p>m/s103,00 :radio de Onda ==</p><p>1149-</p><p>8</p><p>s106,34m 10473</p><p>m/s103,00 :azul luz =</p><p>=</p></li><li><p>UdeC/ FCQ/M E Knig Unidad 7 (7-1)</p><p>18</p><p>Tres fenmenos relacionados con la materia y la luz eran especialmente confusos a principios del siglo XX:1) la radiacin del cuerpo negro2) el efecto fotoelctrico3) el espectro atmico</p><p>Naturaleza corpuscular de la luz</p></li><li><p>UdeC/ FCQ/M E Knig Unidad 7 (7-1)</p><p>19</p><p>E = n h E = n h , , Relacin de Relacin de PlanckPlanck</p><p>ObservacinUn trozo de metal a temperatura alta, se vuelve rojo (1000K), luego anaranjado brillante (1500K) y finalmente blanco brillante (2000K)</p><p>ExplicacinLa cantidad deenerga emitida depende de la longitud de onda</p><p>1)1) Radiacin de un cuerpo negroRadiacin de un cuerpo negro</p><p>Fsica ClsicaLa energa de una onda luminosa esproporcional alcuadrado de sufrecuencia (falla)</p></li><li><p>UdeC/ FCQ/M E Knig Unidad 7 (7-1)</p><p>20</p><p>Planck propuso que el objeto caliente brillante poda emitir (o absorber) slo ciertas cantidades de energa:</p><p>E = n h </p><p> = energa de la radiacinh = constante de Planck = 6,626 x 10-34 J s= frecuencia de la radiacinn = nmero entero positivo: 1, 2, 3, . llamado</p><p>nmero cuntico</p></li><li><p>UdeC/ FCQ/M E Knig Unidad 7 (7-1)</p><p>21</p><p>Interpretaciones posteriores:Los tomos del material emiten slo ciertas cantidades de energa, lo que implica que la energa de los tomos est cuantizada.</p><p>Puesto que n es un entero, un tomo puede cambiar su energa en mltiplos enteros de h y el menor cambio de energa se da cuando n = 1.</p><p>El menor cambio de energa es: E = h y se denomina un cuanto de energa</p><p>cuanto = cantidad fija</p></li><li><p>UdeC/ FCQ/M E Knig Unidad 7 (7-1)</p><p>22</p><p>2) Efecto fotoelctrico.</p><p>A pesar de aceptar que la energa est cuantizada, se segua considerando que la energa emitida viajaba como onda.Sin embargo, el modelo ondulatorio de la radiacin no pudo explicar el fenmeno conocido como efecto fotoelctrico.</p></li><li><p>UdeC/ FCQ/M E Knig Unidad 7 (7-1)</p><p>23</p><p>Tubo evacuado</p><p>Electrodopositivo</p><p>Ampermetro</p><p>Batera</p><p>Placa de metalsensible a la luz</p><p>-+</p><p>e-</p><p>EFECTO FOTOELCTRICOEFECTO FOTOELCTRICO</p><p>Radiacinincidente</p></li><li><p>UdeC/ FCQ/M E Knig Unidad 7 (7-1)</p><p>24</p><p>El fenmeno fotoelctrico se produce cuando luz monocromtica de frecuencia suficientemente alta incide en una placa metlica, arrancando electrones de los tomos de metal, los que son atrados hacia el electrodo positivo generando corriente elctrica. </p><p>La frecuencia ms baja que es capaz de sacar electrones del metal se conoce como frecuencia umbral, oEl balance de energa en este fenmeno se puede expresar:</p><p>E = h = ho + energa del electrn que sale</p></li><li><p>UdeC/ FCQ/M E Knig Unidad 7 (7-1)</p><p>25</p><p>h = ho + energa del electrn que sale</p><p>es la energa con que el electrn est unido al tomo.</p><p>generalmente comoenerga cintica</p><p>Entonces:</p><p>h = ho + melectrn v2electrn</p></li><li><p>UdeC/ FCQ/M E Knig Unidad 7 (7-1)</p><p>26</p><p>Einstein llev ms lejos la idea de la energa cuantizada introducida por Planck y propuso que la radiacin en s misma tiene naturaleza de partcula en forma de cuantos de energaelectromagntica; posteriormente estas partculas se llamaron fotones.Cada tomo cambia su energa toda vez que absorbe o que emite un fotn (una partcula de luz) cuya energa define su frecuencia:</p><p>Efotn = h = Etomo</p></li><li><p>UdeC/ FCQ/M E Knig Unidad 7 (7-1)</p><p>27</p><p>Problema 2.La longitud de onda de la radiacin de un horno de microonda que se utiliza para calentar alimentos es 12,0 cm. Cul es la energa de un fotn de esta radiacin?Solucin.Efotn = h; para la radiacin: c = por lo tanto: </p><p>J101,66m1012,0</p><p>m/s103,00Js106,626E 242834</p><p>fotn</p><p>=</p><p>=</p><p>chE fotn =</p></li><li><p>UdeC/ FCQ/M E Knig Unidad 7 (7-1)</p><p>28</p><p>Problema 3.</p><p>Calcule la energa de un fotn de luz ultravio-leta de = 10-8m, de luz visible de = 5x10-7m y de luz infrarroja de = 10-4 m.Ordene las radiaciones crecientes: en energa; en longitud de onda; en frecuencia.</p><p>Resp: EUV = 2x10-17 J; EV = 4x10-19 J; EIR = 2x10-21 J</p></li><li><p>UdeC/ FCQ/M E Knig Unidad 7 (7-1)</p><p>29</p><p>La teora cuntica de Planck y la del fotn de Einstein le adjudicaron ciertas propiedades a la energa que, hasta entonces haban sido reservadas para la materia: cantidades fijas partculas discretas</p><p>A partir de ese momento , estas propiedades han probado ser esenciales para explicar las interacciones de la materia y la energa a nivel atmico.</p></li><li><p>UdeC/ FCQ/M E Knig Unidad 7 (7-1)</p><p>30</p><p>Surge la pregunta:</p><p>Cmo se compatibiliza el modelo corpuscular de la energa con hechos como la difraccin y la refraccin, fenmenos que son explicados slo en trminos ondulatorios?</p><p>En realidad no existe tal incompatibilidad puesto que el modelo del fotn no reemplaza al modelo ondulatorio, ms bien se agrega a l.</p><p>Es necesario aceptar ambos modelos para entender la realidad. </p></li><li><p>UdeC/ FCQ/M E Knig Unidad 7 (7-1)</p><p>31</p><p>3) Espectros atmicos.</p><p>La tercera observacin clave de la materia y la energa, que a fines del siglo XIX no poda explicarse, implicaba la emisin de luz por parte de un elemento, cuando es vaporizado y excitado trmica o elctricamente.</p><p>(Este fenmeno lo observamos en los letreros luminosos de nen).</p></li><li><p>UdeC/ FCQ/M E Knig Unidad 7 (7-1)</p><p>32</p><p>Si se hace pasar luz solar por una ranura muy angosta y luego se la difracta en un prisma, se origina un espectro continuo (un arco iris).</p><p>Si la luz proviene de tomos excitados, su difraccin da origen a un espectro de lneas, esto es una serie de finas lneas individuales, separadas por espacios negros (sin color). Si la radiacin difractada corresponde al visible las lneas son coloreadas.</p></li><li><p>UdeC/ FCQ/M E Knig Unidad 7 (7-1)</p><p>33</p><p>450400 500 550 600 650 750 nm</p><p>Tubo de descarga </p><p>de hidrgeno</p><p>Ranura</p><p>Prisma</p><p>H410,1 434,1 653,6 486,1 </p><p>Espectro atmico de emisin de hidrgeno.Espectro atmico de emisin de hidrgeno.Espectro atmico de emisin de hidrgeno.</p><p>nm</p></li><li><p>UdeC/ FCQ/M E Knig Unidad 7 (7-1)</p><p>34</p><p>450400 500 550 600 650 750 nm</p><p>450400 500 550 600 650 750 nm</p><p>450400 500 550 600 650 750 nm</p><p>Espectrovisible (nm)</p><p>Hg</p><p>Sr</p><p>Otros espectros atmicosOtros espectros atmicos</p></li><li><p>UdeC/ FCQ/M E Knig Unidad 7 (7-1)</p><p>35</p><p>El espectro de un elemento es diferente del espectro de otro elemento.</p><p>Los modelos atmicos de la poca:</p><p>Modelo de Thomson: las partculas que constituyen el tomo estn distribuidas libremente en un espacio limitado. </p><p>(modelo conocido como budn de pasas)</p></li><li><p>UdeC/ FCQ/M E Knig Unidad 7 (7-1)</p><p>36</p><p>Modelo de Rutherford: el tomo tiene una estructura interna en la cual existe un ncleo ubicado en el centro y los electrones en movimiento en torno al ncleo. Gran parte del tomo esta vaco. Alta densidad de materia est concentrada en el ncleo. Este modelo es tipo planetario.Los electrones deberan caer hacia el ncleo y emitir radiacin EM.</p></li><li><p>UdeC/ FCQ/M E Knig Unidad 7 (7-1)</p><p>37</p><p>lminade oro</p><p>(1) Muestra radiactiva emite un rayo de partculas alfa</p><p>(2) Rayo de partculas alfa choca la lmina de oro</p><p>Bloquede plomo</p><p>(3) Chispas de luz cuando partculas alfa chocan contra la superficie recubierta de ZnS, muestran que la mayora de las partculas se trans-miten sin defleccin.</p><p>(4) Defleccinpequea, se ve ocasionalmente</p><p>(5) Defleccinsevera, muy poca</p><p>Experimento de RutherfordExperimento de Rutherford</p></li><li><p>UdeC/ FCQ/M E Knig Unidad 7 (7-1)</p><p>38</p><p>Modelos de Thompson y RutherfordModelos de Modelos de ThompsonThompson y y RutherfordRutherford</p><p>Seccin transversal de una lmina de oro compuesta de tomos tipo pastel de pasas.</p><p>A. Resultado esperado para modelo de Thomson</p><p>Partcu-las </p><p>Cero defleccin</p><p>Partcu-las </p><p>Pequea defleccin</p><p>Defleccinsevera</p><p>B. Explicacin del resultado para modelo de Rutherford</p><p>Seccin transversal de una lmina de oro compuesta de tomos con un ncleo diminuto, macizo y positivo.</p></li><li><p>UdeC/ FCQ/M E Knig Unidad 7 (7-1)</p><p>39</p><p>Segn el modelo de Rutherford, la cada de los electrones hacia el ncleo deba ser en espiral con perdida de energa continua y por tanto el espectro debera ser continuo.</p><p>El modelo atmico de Rutherford pareca totalmente incompatible con el espectro de lneas.</p><p>Surge un nuevo modelo para los tomos.</p></li><li><p>UdeC/ FCQ/M E Knig Unidad 7 (7-1)</p><p>40</p><p>Modelo de Bohr para el tomo de H.</p><p>Niels Bohr (1885-1962), fsico dans, trabajaba en laboratorio de Rutherford, sugiri ~ 1913 un modelo para el tomo de H que predeca la existencia de espectros de lneas.</p></li><li><p>UdeC/ FCQ/M E Knig Unidad 7 (7-1)</p><p>41</p><p>El modelo de Bohr us las ideas de Planck y de Einstein sobre la cuantizacin de la energa y propuso tres postulados:1) El tomo de H tiene slo ciertos niveles de </p><p>energa permitidos. 2) El tomo NO emite energa mientras est en </p><p>uno de estos estados estacionarios. 3) El tomo cambia de un estado estacionario a </p><p>otro cuando el e- pasa de una rbita a otra. Este cambio ocurre por absorcin o por emisin de un fotn cuya energa es igual a la diferencia de las energas de los dos estados. </p></li><li><p>UdeC/ FCQ/M E Knig Unidad 7 (7-1)</p><p>42</p><p>Los niveles de energa permitidos se denominan estados estacionarios.Cada uno de estos estados est asociado con una rbita circular fija del electrn alrededor del ncleo.</p><p>El postulado 2) viola las leyes de fsica clsica al establecer que la energa del tomo no cambia a pesar del movimiento del e- en la rbita.</p><p>o</p></li><li><p>UdeC/ FCQ/M E Knig Unidad 7 (7-1)</p><p>43</p><p>De acuerdo al postulado 3) cuando el tomo pasa de un estado estacionario a otro estado estacionario, la energa del fotn es:</p><p>Efotn = Eestado A Eestado B = h</p><p>donde la energa del estado A es mayor que la del estado B.</p><p>Este cambio de estado se debe a que el elec-trn cambi de una rbita a otra.</p></li><li><p>UdeC/ FCQ/M E Knig Unidad 7 (7-1)</p><p>44</p><p>Una lnea espectral resulta cuando un fotn de una energa especfica (una frecuencia especfica) se emite a medida que el electrn pasa de un estado de alta energa a otro de energa menor. </p><p>Por lo tanto el modelo de Bohr implica que el espectro atmico del H no es continuo porque la energa del tomo tiene solamente ciertos niveles, o estados, discretos.</p></li><li><p>UdeC/ FCQ/M E Knig Unidad 7 (7-1)</p><p>45</p><p>En el modelo de Bohr, el nmero cuntico, n (n = 1, 2, 3, ) est asociado con el radio de la rbita permitida para el electrn, la cual a su vez est directamente relacionada con la energa del electrn. En consecuencia, mientras ms bajo sea el valor de n, menor ser el radio de la rbita y ms bajo el nivel de energa.</p></li><li><p>UdeC/ FCQ/M E Knig Unidad 7 (7-1)</p><p>46</p><p>Cuando el e- est en la rbita ms cercana al ncleo, n = 1, el tomo de H est en su menor nivel del energa. Este estado se llama estado fundamental o nivel fundamental o nivel basal. </p><p>Si el electrn se encuentra en un nivel superior, n = 2, 3, , se dice que el tomo de H est en un estado excitado o en nivel excitado.</p></li><li><p>UdeC/ FCQ/M E Knig Unidad 7 (7-1)</p><p>47</p><p>Modelo de Bohr y espectro de hidrgeno</p><p>Serie en el visible, n&gt;2 a n=2 Serie en el</p><p>Ultravioleta,n&gt;1 a n=1</p><p>Serie en elinfrarojo,n&gt;3 a n=3</p><p>5</p><p>12</p><p>3</p><p>4</p><p>76</p><p>+</p><p>Serie en elultravioleta</p><p>Serie en el visible</p><p>Serie en elinfrarojo</p><p>0 200 400 600 800 12001000 1400 1600 1800 2000</p></li><li><p>UdeC/ FCQ/M E Knig Unidad 7 (7-1)</p><p>48</p><p>La energa del tomo est cuantizada y est dada por la expresin:</p><p>donden es el nmero cuntico, n = 1, 2, 3, 4, En = energa de la rbita n (nivel n).RH es una constante, se llama constante de Rydbergy su valor es 2,18x10-18 J.</p><p>Cada nivel de energa tiene asociado un n.</p><p>2Hn n1RE =</p></li><li><p>UdeC/...</p></li></ul>