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2 MODULO I Evolución del pensamiento científico y estructura atómica de la materia

3 Dpto. Química InorgánicaClase 1 Bárbara Loeb Dpto. Química Inorgánica Facultad de Química UC Objetivo Específico Actualizar y profundizar los conocimientos relacionados con las teorías y modelos atómicos, el sistema periódico y las propiedades asociadas a éste.

4 Evolución del pensamiento científico y estructura atómica de la materiaContenidos - Aportes de la Química a través de la historia - Modelos atómicos; desde la antigüedad hasta el modelo mecánico cuántico actual - Sistema periódico y tabla periódica, información y utilidad - Estructura de la materia y su comprensión para un mejor vivir

5 Contexto: MPA Primero y Segundo MedioComprende el origen y la dinámica de sismos y erupciones volcánicas en términos del movimiento de placas tectónicas y la propagación de energía en forma de calor y ondas. Reconoce diversas evidencias y teorías sobre el origen y la evolución del sistema solar. Comprende que es posible describir y explicar el movimiento de pequeñas y grandes estructuras cósmicas, utilizando las leyes de Kepler y Newton. Describe problemas, hipótesis, procedimientos experimentales y conclusiones en investigaciones científicas clásicas, relacionándolas con su contexto socio-histórico. Interpreta y explica las tendencias de un conjunto de datos empíricos propios o de otras fuentes en términos de los conceptos en juego o de las hipótesis que ellos apoyan o refutan. Reconoce las limitaciones y utilidad de modelos y teorías como representaciones científicas de la realidad.

6 Aspectos importantes MPA AnterioresFormula un problema, plantea una hipótesis y realiza investigaciones sencillas para verificarlas, controlando las variables involucradas. Representa conceptos en estudio a través de modelos y diagramas. Elabora criterios para organizar datos en tablas y gráficos. Comprende la diferencia entre hipótesis y predicción y entre resultados y conclusiones en situaciones reales. Comprende que el conocimiento científico es provisorio y que está sujeto a cambios a partir de la obtención de nueva evidencia. Reconoce que las explicaciones científicas vienen en parte de la observación y en parte de la interpretación de lo observado. Distingue evidencia de opinión.

7 EL MODELO ATOMICO: ORIGEN Y EVOLUCION(Comprender los modelos atómicos actuales a través de la evolución histórica de la Teoría atómica)

8 ¿Por qué estudiar el mundo microscópico?Teorías Atómicas => Mundo microscópico ¿Por qué estudiar el mundo microscópico? Observación “macroscópica”: El punto de ebullición del agua es 100 ºC mientras que el del disulfuro de carbono es de 46 ºC. ¿¿Por qué?? ¡La respuesta de esta observación macroscópica está en la comprensión del mundo microscópico!

9 La tabla periódica y las propiedades de los elementos

10 Extractos de la historia de la Teoría atómica….¿Son indivisibles los átomos? ¿Existen partículas mas pequeñas (subatómicas)? Joseph John Thomson (1856 – 1940) Físico Británico, fue el descubridor de los electrones, si bien ya se sabia de la naturaleza eléctrica de la materia, no fue hasta sus experimentos de rayos catódicos, los que determinaron la existencia de los electrones.

11 ¿Son indivisibles los átomos? ¿Existen partículas mas pequeñas (subatómicas)? Experimento: Tubo de Rayos catódicos

12 Experimento: Tubo de Rayos catódicos

13 Experimento: Tubo de Rayos catódicos

14 Experimento: Tubo de Rayos catódicos

15 Átomos…¿indivisibles?¿Qué se puede deducir de los experimentos anteriores? ¿Cuál es la naturaleza de los Rayos catódicos? ¿Cuáles son sus principales propiedades? ¿Existirán “Rayos anódicos”? ¿Cómo podría modificar el experimento para probar si existen o no? Recordar MPA: “Interpreta y explica las tendencias de un conjunto de datos empíricos propios o de otras fuentes en términos de los conceptos en juego o de las hipótesis que ellos apoyan o refutan”. “

16 Volviendo a la historia de la Teoría atómica….Joseph John Thomson (1856 – 1940) Físico Británico, fue el descubridor de los electrones, si bien ya se sabia de la naturaleza eléctrica de la materia, no fue hasta sus experimentos de rayos catódicos, los que determinaron la existencia de los electrones. Primer modelo de átomo

17 Caracterización del electrón. Determinación de su carga (e) y de su masa. a) Experimento de Thomson: determinación de e/me Transparencia de Brown: Chemistry, the Central Science, editorial Pearson 2000

18 Caracterización del electrón. Determinación de su carga (e) y de su masa. b) Experimento de Millikan: determinación de e Transparencia de Brown: Chemistry, the Central Science, editorial Pearson 2000

19 Experimento de Rutherford: Descubrimiento del ProtónErnest Rutherford (1871 – 1937) Físico Neozelandés. Fue discípulo de J.J. Thomsom, fue el descubridor del núcleo atómico al que asigno carga positiva (+) ya que eran estos los que cambiaban las trayectorias de partículas a al chocar con un a lamina de oro. Experimento de Rutherford: Descubrimiento del Protón

20 Experimento de Rutherford: Descubrimiento del ProtónTransparencia de Brown: Chemistry, the Central Science, editorial Pearson 2000

21 Experimento de Rutherford: Descubrimiento del ProtónTransparencia de Brown: Chemistry, the Central Science, editorial Pearson 2000

22 Preguntas para el alumno¿Qué se puede deducir de los experimentos anteriores? Mediante ecuaciones de leyes físicas ¿podrías calcular el valor de e/m? ¿Qué partículas se encuentran en el núcleo atómico? ¿Por qué no “explota” el núcleo de los átomos? ¿Por qué los átomos de un mismo elemento poseen distinta masa?

23 Un salto en la historia….  John Dalton     Teoría atómica de la química   J.J. Thompson   1897   Descubrimiento de los electrones   Ernest Rutherford   1911   Descubrimiento de núcleos compactos   Robert Millikan   1913   Medición de la carga eléctrica   J.J.Thomson   Descubrimiento de los isótopos   …  James Chadwick   1932   Descubrimiento del neutrón

24 PARTICULAS QUE COMPONEN EL ATOMORecopilando: PARTICULAS QUE COMPONEN EL ATOMO

25 Reflexión: Temática MetodológicaIntroducción al mundo atómico (microscópico) Evolución de la teoría atómica de Dalton a Rutherford Partículas subatómicas y existencia de núcleo atómico (“modelo planetario”) Metodológica Vincular temas, intentar dar sentido a lo que se va desarrollando Utilizar la historia para construir ideas actuales Matizar con actividades, preguntas-desafío y “chismes” o “humor”

26 INICIO DE LA ERA CUANTICA:MODELO ATOMICO ACTUAL

27 Siguiendo con la evolución de la Teoría Atómica => Teoría de Bohr¿Qué antecedentes tenía Bohr “a la mano”? ¿Qué quería explicar? Teoría de Planck Teoría de Rutherford

28 Teoría de Planck: Cuantización de la energía

29 Teoría de Planck: Cuantización de la energíaDE = E2 – E1 E1

30 Reflexión sobre la cuantización de la energía¿Es tan diferente el mundo microscópico del macroscópico? ¿Está cuantizada la energía a nivel macroscópico? ¿Por qué no se habló antes de “energía cuantizada”?

31 Siguiendo con la evolución de la Teoría Atómica => Teoría de Bohr¿Qué antecedentes tenía Bohr “a la mano”? ¿Qué quería explicar? Teoría de Planck Espectro de emisión Hidrógeno atómico Teoría de Rutherford

32 Siguiendo con la evolución de la Teoría Atómica => Teoría de BohrRecordar MPA anteriores: Comprende que el conocimiento científico es provisorio y que está sujeto a cambios a partir de la obtención de nueva evidencia. Reconoce que las explicaciones científicas vienen en parte de la observación y en parte de la interpretación de lo observado.

33 Siguiendo con la evolución de la Teoría Atómica => Teoría de Bohr¿Qué antecedentes tenía Bohr “a la mano”? ¿Qué quería explicar? Teoría de Planck Espectro de emisión Hidrógeno atómico Teoría de Rutherford

34 Espectro de emisión de H atómico

35 Espectro de emisión mas completo de H atómico

36 Preguntas ¿Qué observa en los experimentos anteriores?¿Cuál es la diferencia entre el espectro de luz blanca y el espectro de absorción de H atómico? ¿Cuál es la diferencia entre el espectro de absorción y el de emisión de H atómico? ¿Qué puede observar para el “pattern” de líneas de las series de emisión del hidrógeno?

37 ¿Cuál es la diferencia entre Ley, Teoría y Postulado?Postulados de Bohr • Los electrones giran en órbitas fijas y definidas, que corresponden a niveles de energía (n), con valores 1, 2, 3,…desde la órbita más cercana al núcleo. • Los electrones más cercanos al núcleo tienen menor energía que los más alejados de él. • Mientras un electrón gira en una determinada órbita, no consume ni libera energía: se dice que se encuentra en un estado estacionario. • Cuando un electrón absorbe energía desde una fuente externa, cambia de nivel, lo que se denomina “salto electrónico”, y deja al átomo en un estado excitado. Este estado es inestable, por lo que el electrón reemitirá la energía absorbida en forma de un fotón (quántum de energía) volviendo al estado fundamental. • Los estados de movimiento electrónico permitidos son aquellos en los cuales el momento angular del electrón está cuantizado en múltiplos enteros de h/2p

38 Explicación de los espectros de absorción y emisión de hidrógeno según BohrDE = E2 – E1 = hn

39 Explicación del espectro de emisión de hidrógeno según Bohr

40 Explicación del espectro de emisión de hidrógeno según Bohr

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43 Desafío para el alumno:El espectro a continuación muestra el espectro de emisión del hidrógeno en la zona visible (serie de Balmer). En base a la teoría de Bohr, ¿podría calcular la posición de la segunda línea de esta serie?

44 Reflexión: Temática Metodológica Concepto de electrón como partículaCuantización de la energía Vinculación del mundo microscópico con el macroscópico ¿Por qué las energías son negativas? ¿Qué sentido tienen? Aciertos y aspectos a reconsiderar del modelo de Bohr Metodológica Evitar que el alumno se “quede pegado” en un modelo El conocimiento como cadena, o como algo que se construye sobre lo anterior

45 Recordar MPA anterior…:Comprende que el conocimiento científico es provisorio y que está sujeto a cambios a partir de la obtención de nueva evidencia. …y MPA nivel 5: Reconoce las limitaciones y utilidad de modelos y teorías como representaciones científicas de la realidad.

46 Ecuación de Schroedinger¿Qué antecedentes tenía Schroedinger “a la mano”? Dualidad onda- partícula: de Broglie Teoría de Planck Teoría de Bohr Principio de incertidumbre: Heisenberg

47 Dualidad onda-partícula: de BroglieLuz: ¿onda electromagnética? La difracción es un fenómeno característico de las ondas, que consiste en la dispersión de éstas cuando interaccionan con un objeto ordenado.

48 Luz: ¿partícula? “Inexplicable” clásicamente: Einstein (1905):hn = hn0 + E.C. fotón Luz: ¿partícula? de Broglie (1923): p = mv = h/l fotón “Inexplicable” clásicamente: Energía Cinética del electrón emitido es independiente de la intensidad de la luz, pero depende de la frecuencia, aumentando linealmente con ella. Si la luz incidente posee una frecuencia menor a la frecuencia umbral, n0, característica de cada metal, no hay emisión de electrones. El fenómeno se observa aún a intensidades de luz muy bajas.

49 Dualidad onda-partícula: de BroglieElectrón: ¿partícula?

50 Dualidad onda-partícula: de BroglieElectrón: ¿onda electromagnética? La difracción es un fenómeno característico de las ondas, que consiste en la dispersión de éstas cuando interaccionan con un objeto ordenado. de Broglie (1923): p = mv = h/l fotón

51 Dualidad onda-partícula: de Broglie“No es válido asegurar que el electrón ES un corpúsculo y una onda, que tiene una naturaleza dual. Es mas adecuado reconocer que la dualidad existe en nuestra concepción de los electrones mas que en el electrón mismo, lo que es enteramente diferente”. Cruz, Chamizo, Garritz: “Estructura Atómica. Un enfoque químico”, Fondo Educativo Interamericano, 1986

52 Principio de incertidumbre de Heisenberg

53 Desafío: ¿qué pasa a nivel macroscópico?El gato de Schroedinger: ¿Vivo o muerto?

54 Teoría Atómica moderna => Ecuación de Schroedinger¿Qué antecedentes tenía Schroedinger “a la mano”? Dualidad onda- partícula: de Broglie Teoría de Planck Teoría de Bohr Principio de incertidumbre: Heisenberg

55 Ecuación de Schroedinger:Ecuación de ondas Y2 (x,y,z) : Probabilidad de encontrar al electrón en (x,y,z)

56 ¡Revolución!!!! Energía cuantizadaElectrón como onda Energía cuantizada Probabilidad de encontrar al electrón Concepto de orbital (en vez de órbita)

57 Orbital

58 ¿Qué pasa si se aplica la Ecuación de Schroedinger a Hidrógeno atómico?Energía: Radio de la primera órbita:

59 Números cuánticos

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64 Configuración electrónica

65 Configuración electrónica

66 Reflexión: Dar las bases para algo que luego se hace “mecánicamente” (configuración electrónica) ¿Cómo justificar pasar de algo “exacto” como Bohr a algo “probabilístico” como Schroedinger? Preparar el camino para entender las propiedades periódicas (macroscópicas) a partir de la configuración electrónica (microscópica)

67 TABLA PERIODICA (Comprender el ordenamiento de los elementos en la Tabla Periódica en base a su Configuración Electrónica)

68 Tabla Periódica de Mendeleev

69 Tabla Periódica de MendeleevPropiedad Eka-aluminio Galio masa atómica 68 69.3 densidad(g/cm3) 5.9 5.93 punto de fusión (°C) Bajo 30.15 Óxido Ea2O3 Ga2O3 fórmula del Cloruro Ea2Cl6 Ga2Cl6

70 Tabla Periódica de MendeleevEn la tabla periódica de Mendeleev los elementos fueron ordenados por propiedades en común o propiedades periódicas.

71 Configuraciones electrónicas y la tabla periódicaActividad de indagación: Ubicación de un elemento en la tabla periódica ¿Qué semejanzas existen entre la configuración electrónica de Berilio y Magnesio? ¿Qué diferencias se observan entre las configuraciones de Cloro y Argón?

72 Configuraciones electrónicas y la tabla periódicaLa tabla periódica está estructurada de modo que los elementos están relacionados por un mismo tipo de configuración de los electrones de valencia o la capa más externa Grupo IIA (2A) ns2 Be [He]2s2 Mg [Ne]3s2 Ca [Ar]4s2 Sr [Kr]5s2 Ba [Xe]6s2 Ra [Rn]7s2 Las propiedades físicas y químicas dependen de la Configuración Electrónica ¡Hay una relación entre el mundo microscópico y el macroscópico!

73 La Tabla Periódica modernaGrupos Periodos

74 PROPIEDADES PERIODICAS(Comprender las tendencias de algunas propiedades físicas en base a su Configuración Electrónica)

75 La Tabla Periódica moderna¿Cómo enseñamos las tendencias periódicas? ¿Cómo las captan nuestros alumnos?

76 Carga Nuclear Efectiva y Propiedades PeriódicasZef = Z s Carga nuclear Apantallamiento por electrones internos

77 Carga Nuclear Efectiva y Propiedades PeriódicasZef = Z s

78 Carga Nuclear Efectiva y Propiedades PeriódicasZef = Z s

79 Propiedades PeriódicasVariable fundamental Carga nuclear efectiva, Zeff: Zef = Z – s Z = número atómico (carga nuclear) s = apantallamiento

80 Tendencia Periódica de Zef¿Puede explicar esta tendencia?

81 Radio atómico

82 Radio atómico

83 Radio iónico

84 Primera Energía de Ionización

85 Primera Energía de Ionización

86 Energías de Ionización sucesivas

87 Afinidad Electrónica

88 Electronegatividad

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