TEMA 4 La Materia: Propiedades. eléctricas y el átomo

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1 TEMA 4 La Materia: Propiedades eléctricas y el átomo

2 La mente curiosa de un científico le hace preguntarse incluso por aquellos que no ve?

3 Pero esas preguntas nacen de aquellos fenómenos que apreciamos a nuestro alrededor OiY Empieza la curiosidad por los FENÓMENOS ELÉCTRICOS

4 OTROS FENÓMENOS DE ELECTRIZACIÓN: El ELECTROSCOPIO

5 Los científicos, al observar estos fenómenos que presentan la materia se preguntan Qué es lo que hay dentro de la materia que hace que presente esta propiedad de cargarse?

6 Ya existía un modelo atómico Modelo de Dalton (1812) La materia está formada por partículas indivisibles llamadas átomos, y que son neutras. NO VÁLIDO PARA EXPLICAR LOS FENÓMENOS ELÉCTRICOS DE LA MATERIA

7 Benjamin Franklin capturar la electricidad de los rayos utilizando una cometa Niños/as no intenteis esto en casa!!!!

8 Otros como Leyden pensaban que la electricidad era un líquido contenido en la materia (que podía ser positivo o negativo. Como líquido, tal vez podría encerrarla en una botella Botella de Leyden

9 Ninguno de estos experimentos dieron resultados, hasta que Thomson (1897) realiza un experimento en un tubo de descarga. LA MATERIA CONTIENE EN SU INTERIOR UNA PARTÍCULAS CARGADAS NEGATIVAMENTE LLAMADAS ELECTRONES

10 Rayos CATÓDICOS

11 Así la materia contiene partículas negativas, pero sin embargo en su estado natural es neutra Al frotar los cuerpos esas partículas negativas saltan de unos cuerpos a otro y se cargan así lo objetos. Cuando un cuerpo se carga positivamente es porque otro se carga negativamente

12 Ahora bien, sabemos que la materia está formada por partículas, pero cómo están organizadas esas partículas dentro de la materia? Eso no podemos verlo, pero hay que imaginar como están y que eso esté de acuerdo con lo que vemos. CREAR UN MODELO

13 1. Modelos atómicos MODERNOS A lo largo de la historia se han presentado diversas ideas sobre como es la materia por dentro, pero pocas han resultado ser satisfactoria tanto es así que ya hemos descartado alguna

14 2.2 Modelo de Thomson Thomson solo conocía la existencia de los electrones, y sabía que en estado normal la materia es neutra pero puede cargarse al frotarla. La materia estaba formada por átomos como el siguiente: Masa positiva No te recuerda? Electrones

15 Sin embargo el concepto de masa positiva no convencía a la comunidad científica, y se continuo trabajando en el análisis de las posibles cargas positivas 2.3 Modelo de Rutherford Rutherford realizó unos experimentos un tanto especiales

16 Era evidente que si contenía partículas negativas y globalmente la materia es neutra en estado normal, también tenían que existir partículas positivas. Esto lo demostró Rutherford y Goldstein en un experimento similar al anterior

17 Rutherford Goldstein Rayos CANALES, formados por partículas positivas (PROTONES)

18 Los protones habían sido descubiertos al igual que anteriormente los electrones Pero Cómo se organizaban dentro de la materia esas partículas?

19 Muy pocas rebotan Experimento de Rutherford Algunas se desvían un poco Lámina de oro Chorro de partículas positivas La mayoría atraviesan la lámina sin problemas

20 Electrones girando (CORTEZA) La conclusión de Rutherford sobre el átomo es: Mucho espacio vacío NÚCLEO con protones

21

22 Este modelo es realmente conocido

23 Y como es posible que las partículas positivas, se mantengan unidad en el núcleo? Neutrones. Partículas sin carga eléctrica

24 Aparecen los conceptos de: Número atómico (Z) = Número de protones Número de neutrones (N) Número másico (A) = Z + N Número de electrones (se suele reflejar en la carga iónica) +/- c Carga iónica

25 El número atómico (Z) nos permite identificar el elemento en la tabla periódica. CADA ELEMENTO TIENE SU Z Sin embargo, como el N puede variar como ya veremos, dos átomos de elementos distintos pueden tener igual número másico (A), o bien, átomos de un mismo elemento pueden tener distinto número másico (A)

26 4. Los isótopos Experimento del agua pesada Isótopos del hidrógeno Radioactividad e isótopos Son entonces átomos de un mismo elemento (Tienen igual Z) que se distinguen en el número de neutrones, lo que se refleja en el valor de su número másico (distinto A)

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29 3. Iones Se trata de átomos que tienen carga NETA por haber ganado o perdido electrones. La carga del átomo es q y se calcula así: q = Z nº e Z = 3 N = 4 A = 7 Nº e = 23 q = = CATIÓN con carga +1 -

30 Z = 3 N = 4 A = 7 Nº e = 4 q = +3-4 = ANIÓN con carga -1 Los iones en la vida cotidiana

31 Debemos recordar que cada elemento de la tabla periódica puede tener varios isótopos en la naturaleza, con una abundancia distinta Así la masa atómica relativa se calcula como una MEDIA PONDERADA DE LAS MASAS ATÓMICAS DE SUS ISÓTOPOS. Ver EJERCICIO RESUELTO 1 PAG 236

32 Algunas cuestiones de repaso Verdadero o falso RAZONA En la electrización de los cuerpos por inducción tenemos inicialmente un cuerpo cargado y otro neutro, que se tocan, de manera que el neutro queda también cargado FALSO!!!!

33 Verdadero o falso RAZONA El siguiente átomo representa el modelo de Thomson

34 Verdadero o falso RAZONA El siguiente modelo atómico explica correctamente los fenómenos de electrización de la materia

35 Verdadero o falso RAZONA Los protones fueron descubiertos por Benjamin Franklin utilizando un tubo de descarga

36 Verdadero o falso RAZONA Un átomo no puede tener en su núcleo mas neutrones que protones

37 Verdadero o falso RAZONA En un átomo neutro Z = nº e

38 Verdadero o falso RAZONA En un átomo neutro cuyo Z = 6 y cuyo A = 10, debe tener en su núcleo 4 neutrones

39 Verdadero o falso RAZONA La siguiente pareja de átomos son isótopos 3

40 Verdadero o falso RAZONA Si a un átomo de cloro le añadimos un electrón se convierte en el anión representado abajo ( Z = 17)

41 Verdadero o falso RAZONA Un catión es un ion que surge cuanto quitamos electrones a un átomo neutro

42 Verdadero o falso RAZONA Si a un átomo de litio, con tres neutrones, le quitamos un electrón, se convertirá en el átomo representado abajo (USA LA TABLA) 6 3 Li +2

43 Verdadero o falso RAZONA La radioactividad de los isótopos se debe a que dichos isótopos pueden ganar o perder electrones muy rápidamente, liberando radiación y energía

44 1. LA CRISIS DE LA FÍSICA Y LA QUÍMICA CLÁSICAS Pocos años después de la propuesta de Rutherford, una serie de experimentos dan lugar a fenómenos inexplicables por las teorías clásicas de la física y los modelos atómicos del momento. Por lo que respecta a la química.

45 Experimentos que resultan de la interacción entre la radiación y la materia: LOS ESPECTROS ATÓMICOS Concepto previo: El espectro electromagnético de radiación

46 Para todas las radiaciones se cumple C = λ. f

47 1.1 Espectros atómicos El espectro de la luz blanca es un continuo de radiaciones, que van desde el rojo al violeta Luz blanca natural

48 Al meter entre el haz de luz blanca y el prisma una muestra de gas hidrógeno el espectro presenta una las líneas negras A DETERMINADAS FRECUENCIAS Luz blanca natural H2 ESPECTRO ATÓMICO DE ABSORCIÓN DEL HIDŔOGENO El hidrógeno absorbía solo determinadas partes de la luz blanca, determinados valores de energía

49 Si el hidrógeno es previamente excitado y estudiamos la radiación emitida H2 El ESPECTRO ATÓMICO DE EMISIÓN del H2 se complementa con el de absorción. EL HIDRÓGENO SOLO ABSORBE RADIACIÓN DE DETERMINADAS ENERGÍAS Y NO OTRAS

50

51 NUEVO CONCEPTO PARA LA EMISIÓN DE LA ENERGÍA: IDEA DE LA CUANTIZACIÓN DE LA ENERGÍA Max Planck (1900) La energía está CUANTIZADA, cada átomo vibra con frecuencia ν, emitiendo un paquete de energía E = h. f La energía total es múltiplo entero de ese valor

52 1.3 El efecto fotoeléctrico Placa A Placa C

53 NUEVO CONCEPTO: La naturaleza corpuscular de la luz (LOS FOTONES). La luz está formada por partículas llamadas FOTONES, cuya energía depende de la frecuencia de dicha luz. E = h.v

54 Realmente el modelo corpuscular de la luz no es una idea nueva, se basa en la concepción de Newton así como en la idea de la cuantización de Planck Finalmente esta teoría convive con el modelo ondulatorio, SE DICE QUE LA LUZ TIENE UNA NATURALEZA DUAL ONDA-CORPÚSCULO Sin embargo esto va a tener implicaciones más importantes...

55 1.3 Estudio de los espectros atómicos Un espectro es el conjunto de radiaciones emitidas o absorbidas por un cuerpo y que puede ser estudiadas en función de si frecuencia

56 Un joven científico llamado Niels Bohr ( ) piensa que la solución a esto debe estar en cómo son los átomos, y que no son exactamente como Rutherford había dicho)

57 El modelo de Bohr 1. El núcleo del átomo es positivo y contiene los protones y los neutrones 2. Los electrones describen ÓRBITAS CIRCULARES alrededor del núcleo 3. Esas órbitas no pueden ser cuales quiera, tienen que tener un VALOR DE RADIO DETERMINADO Y NO OTRO. Esto se conoce como CUANTIZACIÓN de las órbitas atómicas

58 4. Los electrones pueden cambiar de órbita absorbiendo o emitiendo energía mediante FOTONES. Estos fotones se relacionan con las líneas del espectro a determinadas frecuencias Fotón de energía concreta, E = h.v Al absorber el fotón, el electrón pasa a órbitas superiores Ese fotón absorbido se relaciona con una línea del espectro de absorción

59 Posterior a la excitación del electrón ocurre su relajación, la vuelta a la órbita inicial, que ocurre EMITIENDO UN FOTÓN Las líneas del espectro de emisión se relacionan con los fotones emitidos cuando los electrones vuelven a órbitas de menor energía

60 La diferencia de energía entre los dos niveles (ΔE) está relacionada con la frecuencia del fotón emitido o absorbido. Esa relación vienen dada por la ecuación de Planck: ΔE = h. f Así, cuanto mayor sea el salto del electrón, más energía tendrá el fotón asociado a dicho salto

61 Incluso se atreve a dar un soporte matemático a su modelo, cuantificando la energía de las transiciones de los electrones Al valor de n, que representa las órbitas correspondientes se le llamó número cuántico principal

62 Como las órbitas tiene radios concretos los fotones también son de energía concreta, por ellos solo aparecen líneas de frecuencia concreta en el espectro, SE HABÍA APLICADO LA IDEA DE CUANTIZACIÓN DE LA ENERGÍA AL ÁTOMO, esa fue la genial idea de Bohr

63 1. Justifica adecuadamente el comportamiento de la materia ante las radiación electromagnética Aportaciones claves de Bohr 1. Introduce el concepto de energía cuantizada en el átomo (LA IDEA NO ES SUYA). 1. Explica de forma muy eficaz el aspecto de los espectros atómicos de muchos elementosmediante la idea del fotón (LA IDEA NO ES SUYA)

64 Sin embargo al observar los espectros con detalle... Al observarlas con más detalle o bajo el efecto de un campo B externo SE DESDOBLAN

65

66 Se necesita una manera distinta de entender los átomos... y que dará lugar a una física y química moderna, con otro punto de vista

67 Postulados de la mecánica cuántica La Física y Química cuántica se basa en tres postulados que rompen con la idea clásica del átomo, que como ya hemos visto, es incapaz de resolver el problema de los espectros y en general los fenómenos de radiación-materia

68 Seguimos pues proponiendo hipótesis nuevas sobre el comportamiento de los átomos u sus constituyentes La luz, que fue principalmente una onda, puede comportarse como un haz de partículas (A. Einstein), pero... PUEDE UNA PARTÍCULA, COMO LOS ELECTRONES, COMPORTARSE COMO ONDA?

69 Comprobación de Davisson y Germer Hicieron pasar un haz de electrones a través de un orificio muy pequeño y... Los electrones experimentaban el fenómeno de la difracción, típico de las ondas

70 PRIMER POSTULADO: las partículas y cualquier cuerpo en movimiento también se comportan como ONDA: PRINCIPIO DE LA DUALIDAD ONDA-CORPÚSCULO

71 SEGUNDO POSTULADO: Principio de INCERTIDUMBRE de HEISENBERG Parecía que intentar determinar la posición exacta de una partícula subatómica definiendo a la perfección su posición y velocidad era inviable PARA ESTUDIARLO HAY QUE INTERACCIONAR CON ÉL MODIFICAMOS SU POSICIÓN Y VELOCIDAD AL INTETAR DETECTARLO Además, al tener un comportamiento ondulatorio apreciable no se comportar como un cuerpo con contornos perfectamente definidos (CONSECUENCIA DE LA DUALIDAD ONDA-CORPÚSCULO)

72 Se comete siempre un error al determinar su posición y su velocidad (o momento lineal) X = Incertidumbre en la posición (error cometido al medirla) p = Incertidumbre en el momento lineal, donde p = m.v

73 Se cumple que: x. v > h / 4π Relación de incertidumbre Estos es, cuanto menos error cometo al determina x más error cometo al determina v (velocidad) y viceversa

74 No podemos describir el átomo a partir de trayectorias definidas de sus electrones, debemos recurrir a otra manera de describir el comportamiento de los electrones en el átomo, y así justificar la naturaleza de los espectros atómicos.

75 TERCER POSTULADO: Modelo ondulatorio del átomo Erwin Schrödinger Si los electrones se comportan como ondas, por qué no describirlos a partir de funciones de onda? La cuestión es CÓMO OBTENER ESAS FUNCIONES DE ONDA?... Su estados, que están cuantizados, se caracterizarán por esos valores de energía

76 Al resolver la ecuación de Schrödinger para el hidrógeno, el resultado son FUNCIONES MATEMÁTICAS llamadas ORBITALES, representadas por la letra Ψ, que representa EL ESTADO DEL ELECTRÓN.

77 Como se reparte la probabilidad de encontrar al electrón según la distancia al núcleo Qué información nos ofrecen? Distancia de máxima probabilidad

78

79 Qué información nos ofrecen? Como se distribuye la probabilidad en el espacio

80 Esos orbitales se identifican mediante TRES NÚMEROS, llamados NÚMEROS CUÁNTICOS, cada uno de ellos con un significado diferentes y relacionados entre sí: Número cuántico Letra que lo representa Significado Valores que puede tomar Principal n Energía del orbital/tamaño 1, 2, 3, 4 Azimutal/ de momento angular l Forma del orbital/ Tipo 0 n-1 Nº cuántico magnético ml Orientación del orbital -l...0 +l

81 Para representarlos en nuestro cuaderno usaremos la siguiente simbología: 2s 2 Número de electrones en ese orbital Valor de n Valor del número cuántico l 0 s 1 p 2 d 3 f Orbital Tipo de orbital, valor de l

82 Y como ocuparán los electrones esos orbitales?

83 Los electrones ocuparán esos orbitales atendiendo a tres normas básicas (PRINCIPIOS DE LA CONFIGURACIÓN ELECTRÓNICA) 1. PRINCIPIO DE AUFBAU Los orbitales empiezan a ocuparse desde el menos energético al más energético (Según n)

84 Con átomos polielectrónicos, el efecto de repulsión entre electrones hace que no solo influya el valor de n en la energía del orbital (dejan de ser degenerados). El orden de energía de los orbitales en átomos polielectrónicos es:

85 Para ir rellenando esos orbitales pues usaremos el siguiente diagrama

86 2. PRINCIPIO DE EXCLUSIÓN DE PAULI Cada orbital aloja a un máximo de dos electrones, pero deben distinguirse al menos en un número cuántico, el espín (ms) que puede valer +1/2 o -1/2 2s 2 ms = +1/2 ms = -1/2

87 3. PRINCIPIO DE MÁXIMA MULTIPLICIDAD DE HUND Para un grupo de orbitales con igual n y l, los electrones se irán colocando lo más desapareados posibles. 2p 4

88 Aplicaciones de la física cuántica: Microscopio electrónico de transmisión

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90 Aplicaciones de la física cuántica: Microscopio electrónico de barrido

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