1 QUIMICA GENERAL E INORGANICA CURSO 2016

2 Algunas consideraciones……….. Preparar un lugar de estudio: iluminado- tranquilo- material a mano Organizar un cronograma de estudio: rutina Estudio: Fijar los contenidos de la última clase releer la teoría y completar los ejercicios Preparar la próxima clase teoría –ejercicios resueltos Trabajar con material de estudio- programa-cronograma Material de estudio: guía TP – presentación de la teoría- apuntes – Bibliografía.

3 Condiciones de aprobación de la cursada de Química General e Inorgánica Concurrir como mínimo al 70% de las clases. En La presente cursada se podrá tener un máximo de 10 inasistencias. Realizar las actividades propuestas por los docentes tanto en clases de problemas como experimentales, esta actitud de compromiso será evaluada como suficiente o insuficiente por los docentes de la asignatura. Aprobar la actividad experimental, con el siguiente criterio: -Con 3(TRES) o más trabajos prácticos con asistencia y evaluación aprobadas: APROBADO -Con 2(dos) TP con asistencia y evaluación aprobada, la aprobación quedará condicionada a superar una evaluación integradora de todos los TP en la fecha de Flotante. -En caso de no tener como mínimo 2(dos) TP con asistencia y aprobación: DESAPROBADO Aprobar las 2(dos) evaluaciones parciales propuestas en la Asignatura. Cada parcial tiene una fecha de recuperación. En caso de desaprobar uno de los parciales podrá hacer uso de una nueva instancia de evaluación para el parcial desaprobado (flotante). Notas Para Aprobar la Materia, aprobada la cursada, se deberá aprobar una evaluación FINAL Los contenidos desarrollados en las clases experimentales, serán evaluados en las pruebas parciales y final.

4 MARTESJUEVES 15/3 U1 17/3 U2 Cronograma 2016 22/3 U2 24/3 29/4 U3 31/3 U3 5/4 TP1/U3 7/4 TP1/U3 12/4 U4 14/4 U4 19/4 TP2/U4 21/4 TP2/U4 26/4 U5 28/5 U5 3/5 U5 5/5 U6 10/5 U6 12/5 U6sábado 14/05 1er parcial 17/5 U7 19/5 U7 24/5 TP3/U7 26/5 TP3/U7sábado 28/05 Rec.1er parcial 31/5 U8 2/6 U8 7/6 TP4/U8 9/6 TP4/U8 14/6 U9 16/6 U9sábado 18/6 2do Parcial 21/6 TP5/U9 23/6 TP5/U9 28/6 U10 30/6 U10sábado 02/07 Rec 2do Parcial 5/7 U10 7/7 Flotante

5 Ciencia que estudia la materia, sus propiedades, los cambios que experimenta y las variaciones energéticas asociadas a esos procesos Ciencia natural y experimental

6 UNIDAD 1 ESTRUCTURA ATOMICA Composición del átomo-partículas subatómicas-Núcleo y electrones- Símbolo Nuclear-Número atómico- Número Másico-isótopos- Abundancia isotópica- Iones: aniones y cationes. Naturaleza dual de la luz-Espectros-modelo atómico de Bohr- principio de incertidumbre–Modelo atómico moderno-Números cuánticos-Orbitales Atómicos-Niveles y subniveles electrónicos- Configuración electrónica-Principio de exclusión de Pauli-Regla de Hund

7 Dalton (1803) La materia esta formada por partículas indivisibles: ATOMOS Los átomos de un mismo elemento son iguales entre si. Los átomos se combinan para formar compuestos. Avogadro: MOLECULA

8 Estructura Atómica: partículas subatómicas El Electrón Experiencias de Faraday (1891) El paso de una corriente eléctrica sobre la materia induce cambios que pueden ser explicados por la existencia de partículas cargadas negativamente.

9 Experiencias de Thomson (1897 ) Rayos catódicos Entre dos placas conductoras conectadas a una fuente eléctrica y colocadas en un tubo con gases a baja presión, se genera un rayo con las siguientes características: Se propagan en línea recta. Es desviados por campos eléctricos hacia la zona positiva Si se interpone un molinete delante lo hace girar Producen efectos mecánicos, térmicos y luminosos. Se propuso estar constituido por partículas cargadas negativamente que Stoney denominó ELECTRON

10 Estudios de estos rayos demostraron : Estar constituidos por partículas positivos que se desplazan hacia el cátodo Ser desviados por campos eléctricos y magnéticos Su carga es positiva e igual o múltiplo entero de la del electrón. Su masa era diferente,según el gas contenido en el tubo Se demuestra que estas partículas positivas se generan a partir de los átomos del gas contenido en el tubo, lo que supone la existencia en el átomo de partículas elementales positivas los protones RAYOS CANALES Protones Goldstein trabajando con tubos de rayos catódicos con el cátodo perforado, conteniendo distintos gases a baja presión. Observó unos rayos que atravesaban al cátodo en sentido contrario a los rayos catódicos. Recibieron el nombre de rayos canales RAYOS CATÓDICOS CATODO ANODO

11 Chadwick en 1932 demostró que haciendo incidir partículas alfa sobre los núcleos de Berilio se produce la expulsión de partículas neutras, que se identificó como una partícula elemental de masa parecida al protón pero sin carga. EL NEUTRON Rutherford demostró que cuando se disparan partículas alfa contra Nitrógeno gaseoso, se liberaban partículas positivas de masa igual al átomo de hidrógeno, sugiriendo que debía ser una partícula fundamental El PROTON

12 Modelo atómico de Thomson Esfera con la carga positiva distribuida uniformemente y los electrones distribuidos al azar

13 Experiencia de Rutherford

14  El átomo posee un núcleo central pequeño, con carga eléctrica positiva, que contiene casi toda la masa del átomo.  Los electrones giran a grandes distancias alrededor del núcleo en órbitas circulares.  La suma de las cargas eléctricas negativas de los electrones debe ser igual a la carga positiva del núcleo, ya que el átomo es eléctricamente neutro.  Calcula el diámetro del átomo del orden de 10 -10 m y el de su núcleo de de 10 -14 m. El hecho de que el núcleo tenga un diámetro unas diez mil veces menor que el átomo supone una gran cantidad de espacio vacío en la organización atómica de la materia Modelo Atómico de Rutherford

15 Teoría ondulatoria de la luz es una onda electromagnética, consistente en un campo eléctrico que varía en el tiempo generando a su vez un campo magnético y viceversa De esta forma, la onda se autopropaga indefinidamente a través del espacio. Explica los fenómenos de interferencia,difración,refracción,polarización. Naturaleza de la luz La luz presenta una naturaleza compleja: depende de cómo la observemos se manifestará como una onda o como una partícula. Estos dos estados no se excluyen, sino que son complementarios ( Dualidad onda partícula).

16 Radiaciones electromagnética δ λ= c

17 Espectro es el registro obtenido al separar un haz heterogéneo de radiación electromagnética,en las radiaciones de distintas frecuencias que componen el haz. Espectro de la luz visible. CONTINUO Todos los cuerpos emiten energía a ciertas temperaturas. No todos los cuerpos no tienen el mismo espectro de emisión. Esto es, hay cuerpos que emiten en el infrarrojo, en el visible o el ultravioleta.

18 El hidrógeno emite, dentro del visible, en el naranja (6560 A), el azul (4858 A), el añil (4337 A) y el violeta (4098 A). Neón (Ne) emite en el espectro visible en 6402 A (naranja), 5852 A (amarillo) y 5400 A (verde). El sodio (Na) emite en el amarillo ( longitudes de onda de 5896 A y 5890 A). Los elementos al ser excitados emiten radiaciones de determinadas longitudes de onda Producen espectros discontinuos

19 La teoría corpuscular de la luz La considera como un torrente de partículas sin carga y sin masa llamadas fotones, capaces de portar todas las formas de radiación electromagnética. Esta interpretación surgió para explicar las interacciones de la luz y la materia Ej efecto fotoeléctrico y emisión de radiación de los cuerpos. Teoría de Planck El intercambio de energía entre la radiación y la materia debía suceder de una manera discontinua, es decir, a través de la emisión y absorción de cantidades discretas de energía, que hoy denominamos cuantos. La cantidad de energía E propia de un cuanto de radiación de frecuencia δ se obtiene mediante la relación E = h δ h la constante universal de Planck = 6,63 10 -34 Js

20 1.Los electrones giran alrededor del núcleo en orbitas caracterizadas por su radio.Un electrón girando en dichas órbitas(estacionarias) no absorbe ni emite energía. Las orbitas permitidas tienen valores determinados de energía (cuantizado) 2.Al suministrarle energía a un átomo los electrones pueden saltar de un nivel electrónico,a otro de mayor energía y mayor radio. 3.El salto de un electrón de un nivel a otro de menor energía implica la emisión de un único cuanto de luz (fotón) cuya energía corresponde a la diferencia de energía entre ambas órbitas. 4.Al pasar un electrón de un nivel a otro se absorbe o libera un cuanto de energía cuyo valor esta relacionado con la frecuencia de la radiación emitida o absorbida ΔE=hδ Modelo Atómico de Bohr

21 Espectro del Hidrógeno

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23 transición3 2 4 25 26 27 28 29 2 λ656,3486,1434,1410,2397,0388,9383,5 zonarojoazulvioleta UV Espectro del Hidrógeno Serie de Balmer

24 Según la física clásica existen diferencias entre onda y partícula. Una partícula ocupa un lugar en el espacio y tiene masa,mientras que una onda se extiende en el espacio caracterizándose por tener una velocidad definida y masa nula. La dualidad onda-partícula es un “concepto de la mecánica cuántica según el cual no hay diferencias fundamentales entre partículas y ondas: las partículas pueden comportarse como ondas y viceversa”. Éste es un hecho comprobado experimentalmente en múltiples ocasiones. Fue introducido por Louis-Víctor de Broglie( 1924) propuso que la materia tenía una onda asociada a. La longitud de onda λ de la onda asociada a la materia era: Hipótesis de De Broglie

25 Principio de Heisenberg (1927) En términos de la mecánica cuántica no se puede determinar simultáneamente y con precisión, la posición y la cantidad de movimiento(mv) de un objeto dado. En otras palabras, cuanta mayor certeza se busca en determinar la posición de una partícula, menos se conoce su cantidad de movimiento y, por tanto, su velocidad. Esto implica que las partículas, en movimiento, en términos de la mecánica cuántica no tienen asociada una trayectoria definida como lo tienen en la física clásica o newtoniana. Si por ejemplo se intenta medir la posición y velocidad de un electrón, para realizar la medida (para poder "ver" de algún modo el electrón) es necesario que un fotón de luz choque con el electrón, con lo cual está modificando su posición y velocidad; es decir, por el mismo hecho de realizar la medida, el experimentador modifica los datos de algún modo, introduciendo un error que es imposible de reducir a cero, por muy perfectos que sean nuestros instrumentos.

26 Modelo Atómico Moderno Ecuación de Schrödinger : Esta ecuación esta referida al sistema de un núcleo y un electrón en movimiento. En la resolución de esta ecuación se obtuvieron un conjunto de funciones matemáticas llamadas funciones de onda orbita Ψ (psi),que describen el movimiento y el estado energético del electrón en términos de la mecánica cuántica. El valor de Ψ 2 se interpreta como la probabilidad de encontrar el electrón en una zona alrededor del núcleo, este concepto se asocia a la ideas de orbital

27 Modelo Atómico Moderno Modelo Atómico de Bohr Modelo Atómico de Rutherford Modelo Atómico de Dalton Modelo atómico de Thomson Hipótesis de De Broglie Principio de Heisenberg Descubrimiento de las partículas subatómicas Carga positiva concentrada Trayectoria en espiral del electrón según mecánica clásica

28 Orbital Para tener una imagen física del orbital, suponemos una superficie curva que encierre un área alrededor del núcleo que donde la probabilidad de encontrar el electrón sea mayor al 90%.El área así delimitada se asocia a la idea física de ORBITAL Números Cuánticos Al resolver las funciones de onda orbitales es necesario asignar valores numéricos a unas variables conocidas como Números Cuánticos NOMBREABREVIATURAVALORESASOCIADO A PrincipalnEnteros, positivos 1,2,3,4…….. Energía (nivel energético) Tamaño(volumen) Distancia electrón –núcleo Secundario o azimutal l0……(n-1)Energía(subnivel energético) Forma Magnéticom-l….0…+lOrientación en el espacio Spins+/- 1/2Giro del electrón

29 Números Cuánticos ALGUNAS CONSIDERACIONES El orbital está caracterizado por los números cúanticos:n,l,m La energía del orbital esta determinada por los números cuánticos:n,l A los orbitales podemos asignarle niveles energéticos, dentro de los niveles asignar subniveles energéticos y dentro de los subniveles ubicar 1 o más orbitales según el valor de l Cada nivel “n” admite “n” subniveles Ej. n=2 2 subniveles s,p n=3 3 subniveles s,p,d Los subniveles se pueden indicar por letras l=0 s, l=1 p,l=2 d, l=3 f Cada subnivel admite 2l+1 valores de m Ej. l=2 tiene 5 valores de m,es decir en el subnivel l=2 (d) pueden existir hasta 5 orbitales con distinta orientación en el espacio. Cada orbital admite como máximo 2 electrones (principio de exclusión de Pauli)

30 Nivel: nSubnivel: lmOrbitalElectrones por nivel 1 001s 2 2 0101 0 -1 0 +1 2s 2p (2p x 2p y 2p z ) 8 3 012012 0 -1 0 +1 -2 -1 0 +1 +2 3s 3p 3d 18 4 01230123 0 -1 0 +1 -2 -1 0 +1 +2 -3 -2 -1 0 +1 +2 +3 4s 4p 4d 4f 32 Son posibles “n” subniveles por nivel ej. Nivel :3 tres subniveles Para cada subnivel hay “2l+1” valores de m ( distintas orientaciones del orbital en el espacio) ej. l: 2 5 valores de m, 5 orbitales posibles. Cada orbital es caracterizado por los números cuánticos (n,l,m) Cada orbital admite 2 electrones como máximo ( principio de exclusión de Pauli)

31 Orbitales subnivel l = 0 s n=1 n=2 n=3

32 Orbitales subnivel l = 1 p

33 Orbitales subnivel l = 2 d

34 Orbitales subnivel l = 3 f

35 Configuración Electrónica Es la asignación de los electrones de un átomo a los orbitales correspondientes según el modelo de la mecánica cuántica. Para asignar los electrones de un átomo a los orbitales deben observarse los siguientes principios: Principio de la mínima energía: Un sistema es más estable cuando menor sea su energía. De acuerdo a este principio, se asignan los electrones comenzando por el orbital de menor energía, siguiendo en orden creciente Principio de exclusión de Pauli (1925). Establece que no puede haber en un átomo, dos electrones con sus cuatro números cuánticos idénticos. Regla de Hund(máxima multiplicidad):La configuración electrónica más estable es aquella con mayor número de electrones con espines paralelos (desapareados)

36 Orbitales en orden creciente de energía en átomos polielectrónicos 1s Período 1 2s 2p Período 2 3s 3p Período 3 4s 3d 4p Período 4 5s 4d 5p Período 5 6s 4f 5d 6p Período 6 7s 5f 6d 7p Período 7 Elementos de transición Elementos representativos Elementos de transición interna

37 Representación de los orbitales en niveles y subniveles de energía

38 Configuración electrónica externa Configuración electrónica de los electrones externos de un átomo involucrados en las reacciones químicas: Se incluyen : Los orbitales s y p de mayor “n” Los orbitales d y f cuando no existan orbitales de mayor energía. Ejemplos: CE Ti :1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 2 CEE Ti: 4s 2 3d 2 CE Ga :1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p1 CEEGa: 4s 2 4p 1

39 Historia de Los Modelos Atómicos 400 AC Leucipo – Demócrito (Grecia) Teoría Atomista Nada existe solo los átomos y el vacío, lo demás es opinión 1803 Dalton Teoría Atómica 1897 Thompson ( electricidad- rayos catódicos) Electrón 1918 Goldstein -Rutherford Protón 1932 Chadwick Neutrón 1932 C Anderson Positrón ( radiación cósmica- pertenece a la antimateria) 1937 C Anderson Muón (radiación cósmica- carga negativa- masa 200 veces mayor que el electrón) 1940 Teoría de partículas y antipartículas. 1956 Cowan y Reines neutrino (desintegración beta) propuesto por W Pauli 1964 Murray Gell-Mann Teoría de Quarks y Modelo estándar. 1965 A Zichichi antimateria (antideuterón, una antipartícula compuesta por un antiprotón y un antineutrón propuesta por fermi. El universo se formó hace 13.7 mil millones de años

40 Modelo estándar de la física de partículas Es una teoría que describe las part í culas elementales que componen la materia y las interacciones entre ellas.(1970-1973) Part í culas materiales Quarks (6) : up - down Fermiones (12) Leptones (6) : electrón Bosones ( interacción entre partículas) Un Hadrón (del griego "denso") es una partícula formada por quarks que permanecen unidos debido a la interacción nuclear fuerte Barión: 3 Quaks Materia Antimateria ? Materia Oscura? Energía Oscura?

41 Elementos del Modelo estándar Partículas materiales (Femiones) Fuerzas Nucleares fuertes Fuerzas Gravitatorias Fuerzas Electromagnéticas Fuerzas Nucleares débiles Gravitón Bosones Partículas de Interacción(Bosones)

42 Neutrón Fuerzas nucleares fuertes gluones (boson) Protón Prot ó n. 2 u (+2/3) carga neta +1 (2/3 + 2/3 - 1/3 = +1) uud 1 d (-1/3) Neutr ó n 1 u (+2/3) carga neta 0 (2/3 - 1/3 - 1/3 = 0) udd 2 d (-1/3)

43 La fuerza gravitatoria es la fuerza de atracci ó n entre cuerpos o partículas materiales. Es una fuerza muy d é bil, pero de alcance infinito. La fuerza electromagn é tica afecta a los cuerpos el é ctricamente cargados, y es la fuerza involucrada en las transformaciones f í sicas y qu í micas entre á tomos y mol é culas. Es mucho m á s intensa que la fuerza gravitatoria, tiene dos sentidos (positivo y negativo) y su alcance es infinito. La fuerza o interacci ó n nuclear fuerte es la que mantiene unidos los componentes de los n ú cleos at ó micos, y act ú a indistintamente entre dos nucleones cualesquiera, protones o neutrones. Su alcance es del orden de las dimensiones nucleares, pero es m á s intensa que la fuerza electromagn é tica. La fuerza o interacci ó n nuclear d é bil es la responsable de la desintegraci ó n beta de los neutrones; los neutrinos son sensibles ú nicamente a este tipo de interacci ó n. Su intensidad es menor que la de la fuerza electromagn é tica y su alcance es a ú n menor que el de la interacci ó n nuclear fuerte. Fuerzas fundamentales

44 Fuerzas de interacción Las interacciones entre part í culas se transmiten a trav é s de otra part í culas llamadas bosones Fuerzas fundamentales Bos ó n Fuerzas nucleares fuertes Gluones Fuerzas nucleares d é biles W - Z Electromagn é tica Fot ó n Gravitacional gravit ó n(?) Bosón de Higgs: las interacciones del campo de Higgs con las partículas es responsable de la masa.

45 El Atomo de Hidrógeno (Protio) (No está en escala)

46 En este proceso debido a la interacci ó n d é bil, un neutr ó n se transforma en un prot ó n, un electr ó n y un (anti)neutrino electr ó nico cuando uno de los quarks del neutr ó n emite una part í cula W –. Aqu í queda claro que el t é rmino “ interacci ó n ” es m á s general que “ fuerza ” ; esta interacci ó n que hace cambiar la identidad de las part í culas no podr í a llamarse fuerza Desintegración beta

47 Tamaño relativo de las partículas atómicas Átomo 10.000 veces Núcleo 10-100 veces Protones 1000 veces Quarks

48 Centros de investigación SLAC :Stanford Linear Accelerator Center) CERN: Organización Europea para la investigación nuclear

49 CERN LHC : Gran colisionador de Hadrones

50 Secciones funcionales de los aceleradores - Fuente de iones: Se encarga de generar la materia prima del acelerador: los electrones, protones, iones de oxígeno, iones de calcio,... Normalmente los electrones se generan usando un filamento incandescente, mientras que los protones se generan actuando sobre átomos de hidrógeno con una fuente de radiofrecuencia. - Óptica: Se entiende como óptica la parte encargada de dirigir las partículas generadas en la fuente de iones a lo largo de la trayectoria deseada. Básicamente está compuesta por elementos eléctricos y magnéticos, destacando los imanes dipolares (que curvan las trayectorias) y los imanes cuadrupolares (que focalizan el haz de partículas). - Sección de vacío: Durante su recorrido, a medida que ganan energía, es fundamental que el haz de partículas generadas, interaccionen lo mínimo posible con otra materia, para evitar su dispersión. El vacío logrado en estos aceleradores es muy alto, rondando los 0,000000001 torr (el torr es una unidad de presión. 760 torr equivalen a 760 mm de mercurio -1 atmósfera de presión-).

51 Sistema de aceleración: También denominado cavidad de radiofrecuencia, es el encargado de aumentar la velocidad de las partículas. Trayectoria de las partículas : Lineal- ciclotrón (circular) -sincrotrón (toroide) Energías alcanzadas: del orden del teraelectronvoltio TeV (TeV: 10 12 eV) (1eV : 1.6 10 -19 J ) Partículas que colisionan: haces de electrón-positrón, protón-antiprotón, protón-protón, electrón-protón e ion-ion. - Zona de impacto: Es el final del experimento. El impacto puede ocurrir contra un blanco fijo (con un detector incorporado) o entre dos haces de partículas viajando en sentido contrario (analizando los restos con un espectrómetro). Esta sección es uno de los elementos diferenciadores entre las clases de aceleradores existentes.

52 Interacción Electromagnética