estructura de la materia
TRANSCRIPT
ESTRUCTURA DE LA MATERIA
Profesora Raquel PérezQuímica 2º Bachillerato
ESTRUCTURA DE LA MATERIAModelos atómicos
Ideas para un esquema
DEMÓCRITO460 a. C.-370 a. C.
La materia está formada por átomos (del griego ἄτομον 'sin partes, indivisible')
No es un modelo científico
No fue tomado en consideración
Teoría atomista
La materia es discontinua
ARISTÓTELES384 a. C.-322 a. C.
La materia está formada por 4 elementos: tierra, aire, agua y fuego.
No es un modelo científico
Fue tomado en consideración durante 20 siglos
La materia es continua
Más tarde se añadió el éter o quintaesencia para explicar el vacío
DALTON1766-1844
MODELO ATÓMICO DE DALTON1803
La materia está formada por átomos
Los átomos son partículas indivisibles.
La materia es discontinua
Es el primer modelo científico
THOMSON1856-1940
THOMSONRayos catódicos
Los rayos catódicos hacen girar una rueda de palas tienen masa
Los rayos catódicos son desviados con campos electromagnéticos hacia la placa positiva tienen carga negativa
Aparecen unos rayos luminosos que “salen” del cátodo (polo -): rayos catódicos
Experimentos con tubos de descarga de gases. Gas encerrado en un tubo previamente vacío y sometido a una diferencia de potencial eléctrico.
Los rayos catódicos son los electrones
Si los átomos tienen electrones no son indivisibles
MODELO ATÓMICO DE THOMSON1904
Masa + con e- incrustados: pastel de pasas
Tubos de descarga de gases Descubrimiento de los e-
RUTHERFORD1871-1937
RUTHERFORDExperimento
Bombardea una lámina de oro con partículas a (He2+)
RUTHERFORDExperimento
La mayor parte de las partículas atraviesan sin desviarse (lo esperado).Algunas se desvían Hay algo con carga +Unas pocas rebotan Hay algo con mucha masa
Resultados esperados
+
Resultados obtenidos
MODELO ATÓMICO DE RUTHERFORD1911
(Neutrones n0)Núcleo
Protones p+
Núcleo con partículas + y toda la masaElectrones girando en órbitas circulares a gran distancia
Corteza: electrones e-
+
10-14 m
10-10 m
Chadwick. 1932
PARTÍCULAS SUBATÓMICASCarga y masa
Tubos de descarga de gases Descubrimiento de los e-
Experimento lámina de oroAlgunas partículas a rebotan
MODELO ATÓMICO DE RUTHERFORDFallos
Describe el movimiento del electrón con las mismas leyes que explican el movimiento de la Luna o de una pelota: física clásica.Una carga en movimiento emite energía de forma continua El electrón debería caer sobre el núcleo
Una carga en movimiento emite energía de forma continua Los espectros de emisión deberían ser continuos
Espectro electromagnético: conjunto de ondas electromagnéticas ordenadas según su frecuencia y/o su longitud de onda
Luz visible: ondas electromagnéticas con longitudes de onda entre 380 y 760 nm
ESPECTROS ATÓMICOSOndas electromagnéticas
Elongación (y) Distancia de un punto a la posición de equilibrioLa elongación máxima es la amplitud
Amplitud (A) Máxima distancia de un punto a la posición de equilibrio
Foco
ONDAS ELECTROMAGNÉTICASCaracterísticas
Foco
Longitud de onda ( ) Distancia entre dos puntos consecutivos que se encuentran en el mismo estado de vibración
ONDAS ELECTROMAGNÉTICASCaracterísticas
Foco
Periodo (T) Tiempo que tarda un punto en realizar una vibración completa
Tiempo que tarda la onda en avanzar una longitud de onda
ONDAS ELECTROMAGNÉTICASCaracterísticas
Frecuencia ( ) Número de vibraciones que se producen en 1 s. S.I.: Hz
Velocidad de propagación: c = 3·108 m·s-1
Para una distancia cualquiera
Para una distancia igual a la longitud de onda
ONDAS ELECTROMAGNÉTICASCaracterísticas
Cte MRU
ESPECTROS ATÓMICOSLuz blanca. Espectro continuo.
Cuando pasa la luz blanca a través de un prisma óptico se separan las distintas ondas que la forman.
Espectro continuo todas las ondas
Espectro discontinuo solo algunas ondas rayas
ESPECTROS ATÓMICOSEspectros de absorción y emisión
Los átomos absorben y después emiten radiación electromagnética, solo algunas frecuencias características de cada elemento químico.
ESPECTROS ATÓMICOSAlgunos ejemplos de espectros de emisión
ESPECTROS ATÓMICOS“Huella digital”
ESPECTROS ATÓMICOSLlamas de colores
ESPECTROS ATÓMICOSLlamas de colores. Aplicaciones.
ESPECTROS ATÓMICOSLlamas de colores. Aplicaciones.
https://pbs.twimg.com/media/CMzbcYeWcAI-aRM.jpg:large
ESPECTROS ATÓMICOS¿Por qué se producen?
ESPECTROS ATÓMICOSFórmula de Balmer 1885
No se basa en ningún modelo atómico
Rydberg, espectroscopista, completa él estudio a todo el espectro.
Balmer encuentra una lógica a las líneas del espectro visible del H
R (constante de Rydberg) = 10 973732 m-1
n y m: números enteros naturales, m>n, sin significado
En rayas del espectro visible (Balmer) n=2
TEORÍA DE PLANCKMecánica cuántica
¿Cuantizado?
Valores múltiplos del mínimoSolo son posibles ciertos valoresValor mínimo, indivisible.
Los cambios no son continuos, son discretos
TEORÍA DE PLANCK1900
La energía de la radiación electromagnética está cuantizada: cuantos
La radiación electromagnética se emite en forma de pequeñas cantidades elementales: fotones.
E: energía de un fotón de una radiación electromagnética de frecuencia n
Ecuación de Planck:
h (constante de Planck) = 6,626·10-34 J·s
Física clásica vs Física cuántica Mundo macroscópico vs Mundo atómico
ECUACIÓN DE PLANCKEjercicios Pág. 34
29. El electrón-voltio es una unidad energética que se usa a menudo a escala atómica. Se define como la energía de un electrón bajo una diferencia de potencial eléctrico de un voltio. A partir de la carga del electrón (1,6·10-19 C) y conociendo que la energía potencial eléctrica se puede hallar como: Ep = q DV ¿podrías hallar la equivalencia de un eV en unidades del SI?
30. La longitud de onda de una radiación amarilla es 579 nm. Calcula la energía de un fotón de dicha radiación en eV y en julios y la energía de un mol de fotones idénticos.
BOHR1885-1962
MODELO ATÓMICO DE BOHR1913
1º Postulado: Los electrones giran alrededor del núcleo en órbitas estacionarias (sin emitir energía).
2º Postulado: Sólo son posibles las órbitas en las que el momento angular del electrón es múltiplo de h/2p:
n = 1, 2, 3, 4… número cuántico
3º Postulado: Los electrones pueden pasar de una órbita a otra absorbiendo o emitiendo energía en forma de radiación electromagnética.
MODELO ATÓMICO DE BOHRCálculos
Radio de las órbitas
Energía del electrón
MODELO ATÓMICO DE BOHRCálculos
Diferencia de energía asociada al cambio de órbita
¡Fórmula de Balmer!
MODELO ATÓMICO DE BOHRSeries espectrales
Tubos de descarga de gases Descubrimiento de los e-
Experimento lámina de oroAlgunas partículas a rebotan
Planck: mecánica cuánticaEspectros atómicos
MODELO ATÓMICO DE BOHRValoración
Permite realizar cálculos
Deducción teórica de la fórmula de Balmer
Ruptura mundo macroscópico (continuo) mundo atómico (cuantizado)
Explica espectros
Resultados satisfactorios sólo átomo de H
Avances técnicas espectroscopía: más rayas. Espectros con campos magnéticos y eléctricos: más rayas
Mezcla física clásica y física cuántica
Aciertos
Fallos
MODELO ATÓMICO DE BOHREjercicios Pág. 35
31. Usando la fórmula de Rydberg o la deducida del modelo de Bohr, calcula la energía de ionización de un átomo de hidrógeno (supón que el electrón pasa de la primero órbita a otra infinitamente lejos del núcleo).
32. El potencial de ionización (o energía de ionización) del hidrógeno es 1310 kJ/mol. Explica si la radiación ultravioleta de l = 50 nm, al incidir sobre átomos de hidrógeno gaseoso y en el estado fundamental, provocará su ionización.
Mirar: 2 ejem. pág 20 Hacer: 70
SOMMERFELD1868-1951
Bohr
órbita circular
1 radio
1 nº cuántico
1 nivel energético
1 raya espectro
Sommerfeld
órbita elíptica
2 radios
2 nº cuánticos
Varios niveles: subniveles
varias rayas espectro
MOD. ATÓMICO BOHR-SOMMERFELD1916
MOD. ATÓMICO BOHR-SOMMERFELDSubniveles de energía
Seguían sin explicarse todas las líneas de los espectros…
NATURALEZA DE LA LUZDualidad onda-corpúsculo
La luz es una onda: difracción, interferencias…La luz es un conjunto de partículas (corpúsculos): Planck (fotones), Einstein (efecto fotoeléctrico)...
Los científicos aceptaron que la luz tiene una doble naturaleza: ondulatoria y corpuscular. Nunca se manifiestan a la vez.
Célula fotoeléctrica
HIPÓTESIS DE LOUIS DE BROGLIE1924
Hace extensiva la dualidad onda-corpúsculo a toda la materia
Ecuación de de Broglie
:l longitud de onda de la onda asociada a una partícula de masa m que se mueve con una velocidad v
HIPÓTESIS DE LOUIS DE BROGLIEConsecuencias
El e- se mueve alrededor del núcleo como una onda
En la onda circular tiene que haber un número entero de l :L = n l
2pr = nl Sólo son posibles ciertas órbitas: cuantización
HIPÓTESIS DE LOUIS DE BROGLIEConsecuencias
Ecuación de de Broglie
Reordenando: ¡2º postulado de Bohr!
1927 difracción de un haz de e-
La luz se desvía ante campos gravitatorios intensosLa luz no sale de los agujeros negros
PRINCIPIO DE INCERTIDUMBRE DE HEISENBERG 1925
Es imposible medir simultáneamente y con precisión absoluta, el valor de dos magnitudes relacionadas.En el caso del e- es imposible medir simultáneamente y con precisión absoluta, su posición y su cantidad de movimiento
Dx: error en la medida de la posiciónDp: error en la medida de la cantidad mov.
Los errores de medida nunca son 0
PRINCIPIO DE INCERTIDUMBRE Consecuencias
Independientemente de los aparatos de medida, el hecho de medir altera la medida
Nunca podremos conocer con exactitud la posición del e- Ya no se puede hablar de órbitas de los e-. Hay que estudiar la posición de los e- con probabilidad
SCHRÖDINGER1887-1961
Modelo
Mecanocuántico
Utiliza la mecánica cuántica
Ondulatorio
Describe al e- como una onda que vibra alrededor
del núcleo (de Broglie)
Probabilístico
Estudia la posición, energía, velocidad, etc. del e- en
términos de probabilidad(Heisenberg)
MODELO ATÓMICO DE SCHRÖDINGER1926
MODELO ATÓMICO DE SCHRÖDINGEROrbitales
: función de onda = orbital atómico (analogía con órbita) : función matemática que describe el movimiento del e- como una onda
El electrón es una nube alrededor del núcleo con mayor densidad en las zonas donde la probabilidad de que se encuentre es mayor.
Ecuación de onda: Ecuación diferencial cuya incógnita es 2: probabilidad de encontrar al e-
Tubos de descarga de gases Descubrimiento de los e-
Experimento lámina de oroAlgunas partículas a rebotan
Planck: mecánica cuánticaEspectros atómicos
de Broglie: movimiento ondulatorio de e-Heisenberg: imposible conocer posición e-Probabilidad
MODELO ATÓMICO DE SCHRÖDINGERComparación con modelo de Bohr
Bohr
posición concreta
Órbita
1 número cuántico
Schrödinger
zona de probabilidad
Orbital
3 números cuánticos
Radios órbitas de Bohr = máxima probabilidad SchrödingerResultados satisfactorios sólo átomo de H e iones hidrogenoides (He+, Li2+)
Al resolver la ecuación de Schrödinger sólo son permitidas ciertas funciones de onda u orbitales. Las funciones de onda permitidas dependen de 3 números cuánticosn define el nivel energéticon y l definen el subnivel energéticon, l y m definen el orbital atómico
Dirac (1929) incorporó la teoría de la relatividad. 4º número cuántico: s
Por fin quedaban explicadas todas las rayas de los espectros
MODELO ATÓMICO DE SCHRÖDINGERNúmeros cuánticos
NÚMEROS CUÁNTICOSSímbolo, nombre, valores y significado
• Número cuántico principal• n = 1, 2, 3, 4…• Determina el tamaño del orbital y parte de la
energían
• Número cuántico secundario o azimutal• l = 0, 1, 2… (n-1) • Determina la forma del orbital y parte de la
energíal
• número cuántico magnético• m = -l … 0 … +l• Determina la orientación del orbital y la energía
con campos magnéticosm
• número cuántico de spin• s = +1/2 y -1/2• Determina el sentido de giro del e- sobre sí
mismos
Las letras s, p, d, f proceden de los nombres que dieron los espectroscopistas a los distintos grupos de líneas espectrales: • sharp: líneas nítidas pero de poca intensidad• principal: líneas intensas• difuse: líneas difusas• fundamental: líneas frecuentes en muchos espectros
NÚMERO CUÁNTICO SECUNDARIONotación característica
l = 0: orbital s l = 1: orbital pl = 2: orbital dl = 3: orbital f
ORBITALES ATÓMICOSRepresentación
Representación de 2 mediante diagramas de densidad de puntos Probabilidad 99%
ORBITALES ATÓMICOSFormas (pág 29)
ORBITALES ATÓMICOSSus números cuánticos
n l m orbital1 0
2 01
3 012
00
-1, 0, +10
-1, 0, +1-2, -1, 0, +1, +2
1s2s
3s2px, 2py, 2pz
3px, 3py, 3pz
3dx2-y2, 3dz2, 3dx-y, 3dx-z, 3dy-z
Conferencia Solvay 1927La mayor concentración de genios de la historia
Conferencia Solvay 192729 asistentes. 17 premios Nobel
NÚMEROS CUÁNTICOSEjercicios Pág. 37 y 38
77. Justifica si es posible o no que existan en un átomo electrones con los siguientes números cuánticos:
a) (2, -1, 1, ½)b) (2, 1, -1, ½)c) (3, 1, 2, ½)d) (1, 1, 0, -½)
82. Indica los posibles valores de los tres primeros números cuánticos correspondientes a los orbitales 2p y 4d.
92. Contesta a estas preguntasa) ¿En qué se parecen los orbitales 1s y 2s de un átomo’b) ¿En qué difieren los orbitales del apartado anterior?
Hacer: 88 y 93
¿DE QUÉ ESTÁ HECHA LA MATERIA?
PARTÍCULAS ELEMENTALEShoy…
ACELERADOR DE PARTÍCULAS CERN