Fundamentos de Química Inorgánica. Estructura Atómica

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Juan Luis Fernández Venegas
hace 6 años
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1 Fundamentos de Química Inorgánica Estructura Atómica

2 A X H H Z A:? Z:? N:? H

3 Origen de los elementos Inicio: las primeras partículas elementales se formaron hace unos millones de años por la Gran Explosión (Big Bang) de un núcleo primigenio, formado por quarks y energía (10 32 K y g/cm 3 ), produciéndose temperaturas del orden de 10 9 K. Un minuto después, al enfriarse por la expansión, las fuerzas de interacción fuerte superaron a las cinéticas y los nucleones se unieron por medio de reacciones nucleares de fusión. Unas dos horas después, la mayor parte de la materia se hallaba como hidrógeno (89 %) y helio (11%) Con el paso del tiempo, los elementos capturaron otros nucleones para dar origen a los elementos más pesados. Posteriormente, algunos de los más pesados e inestables se fisionaron para estabilizarse. Al enfriarse aún más la fuerza electromagnética enlazó Al enfriarse aún más, la fuerza electromagnética enlazó electrones a los núcleos para formar átomos.

4 Origen de los elementos - Nucleogénesis 0 Big Bang del núcleo primigenio (quarks y energía ~10 32 K y10 96 g/cm 3 ) s formación de nucleones y fotones 1 minuto (T ~10 10 K) fusión de nucleones para dar deuterio 11 minutos (T ~10 8 K) fusión de nucleones para dar deuterio, tritio y helio Nucleogénesis primordial T ~10 6 K Nucleogénesis Procesos de fusión nuclear * horno de protones ( K): H He (directa o catalizada) * horno de helio (10 8 K): He C (M > M Θ ) * horno de carbono ( K): C O, Ne, Na, Mg (M>8M Θ ) Gigante * horno de oxígeno ( K): O Si, P, S, Ar Roja * horno de silicio ( K): Si núclidos de A ~ 56 Procesos de capturas y/o fisión nuclear (supernovas, K): * Fe y otros elementos pesados 34 Z 80 y 74 A 206

5 Abundancia de los elementos (para imprimir - no exponer) El Universo está constituido fundamentalmente por aproximadamente 72 % de hidrógeno y 26 % de helio. la abundancia disminuye de manera aproximadamente exponencial al aumentar Z la curva presenta un mínimo muy marcado para Li, Be y B (buenos combustibles nucleares) en la curva hay un máximo relativo para Fe (Z=26), mil veces más abundante de lo esperable hay otros máximos relativos menos intensos, relacionados con los números mágicos (2, 8, 20, 50, 82) de nucleones, especialmente estables y abundantes los elementos de Z par son más estables y abundantes que los de Z impar, igual que los de N par y A par respecto a los impares (Harkins) Los elementos con Z 20 en los que A es múltiplo de 4 son más abundantes que sus vecinos

6 Abundancia de los elementos El Universo está constituido fundamentalmente por aproximadamente 72 % de hidrógeno y 26 % de helio.

7 Reacciones Nucleares Conservación de la masa Conservación de la carga Conservación de la energía Partículas subatómicas más relevantes para este estudio Partícula Símbolo Masa (1 u = 1, kg) Número de masa Carga Electrón e - 5, Protón p 1, Neutrón n 1, Fotón γ Neutrino ν ~ Positrón e + / β + 5, Alfa α 4 2 He 2+ (núcleo de Helio) 4 +2 Beta β e - (radiación electromagnética del núcleo) 0-1

8 Reacciones Nucleares Conservación de la masa Conservación de la carga Conservación de la energía 12 C p 13 7 N + γ N + 1 p 6 C + 2 α 15 O N + e + + γ

9 Reacciones Nucleares Conservación de la energía Las reacciones nucleares son aproximadamente 10 6 veces más energéticas que las químicas (1000 kj/mol). E = m.c 2 La energía liberada en una reacción nuclear es el equivalente energético de la diferencia entre las masas de los reactantes y los productos: 26 protones + 30 neutrones = núcleo Fe E uniónfe = [m núcleofe -(m protonesfe + m neutornesfe ].c 2 Las energías liberadas por distintos elementos en reacciones nucleares permite determinar la fuerza de enlace entre los nucleones (E enlace /A), la cual es distinta para cada isótopo.

10 La síntesis de núcleos atómicos con A < 56 puede explicarse por fusión nuclear. La formación de núcleos con A > 56 por fusión es endoenergética respecto al de A = 56, lo que requeriría suministrar enorme energía a muy alta presión. La formación de los núcleos de A > 56 se podrían alcanzar en procesos donde elementos pesados capturan partículas másicas de carga pequeña o nula y estabilizan su núcleo mediante emisión de partículas sin masa y con carga, aunque en numerosos casos se fracturan en otros más livianos por fisión nuclear

11 Banda de máxima estabilidad nuclear

12 Clasificación de los elementos metales: se combinan con los no metales para dar compuestos que por lo general son sólidos duros y no volátiles, cuando se combinan con (o mezclan) entre sí, forman aleaciones con características metálicas. no metales: cuando se combinan entre sí, a menudo forman compuestos moleculares lares volátiles. metaloides: con características ti intermedias a los anteriores.

13 Tabla Periódica tabla

14 Orbitales atómicos Los electrones presentan características de onda y partícula. El principio de incertidumbre establece que no se puede conocer simultáneamente el momento lineal y la posición de un electrón La ecuación de Schöridinger toma esta dualidad y explica el movimiento de los electrones en los átomos. Las soluciones de esta ecuación son funciones de onda ψ. El cuadrado de la función de onda ψ 2 en un punto indica la probabilidad de encontrar un electrón en un lugar determinado La densidad de probabilidad del electrón es el producto entre el cuadrado de la función de onda ψ 2 y el volumen donde se calcula esa probabilidad de encontrarlo

15 Niveles de Energía en los Orbitales atómicos Números cuánticos Cada función de onda de un átomo hidrogenoide está indicada por tres números enteros llamados cuánticos y dos fraccionarios Número cuántico principal n: indica la energía del electrón, y toma los valores 0; 1; 2;..., más grande y difuso cuanto mayor sea el valor (tamaño del orbital). Número cuántico del momento angular orbital l: indica la forma angular del orbital, con el número de lóbulos creciendo según l aumenta, pudiendo tomar los valores 0; 1;..., (n-1) 1). (forma geométrica del orbital). Número cuántico magnético m: puede tomar los valores -l a l indica la orientación del momento (orientación del orbital respecto a una dirección determinada). Número cuántico magnético del spín m s: es un número fraccionario cuantificado y sólo puede tomar los valores +/- 1/2.

16 Niveles de Energía en los Orbitales atómicos Función de distribución radial (R 2 r 2 ) determina la probabilidad de encontrar un electrón a una distancia determinada del núcleo, sin importar su dirección, permite evaluar cuán fuerte se encuentra este enlazado. tiene uno o más máximos, por ser la combinación del producto de r 2 (crece con la distancia) ydela función de onda al cuadrado ψ 2 (disminuye con la distancia)

17 Niveles de Energía en los Orbitales atómicos Función de distribución radial La superficie límite de un orbital indica la región del espacio dentro de la cual es más probable encontrar un electrón, siendo el valor usual de referencia el de 75%.

18 Penetración y apantallamiento La configuración ió electrónica basal de un átomo es aquella en la cual los electrones se encuentran con la mínima energía posible. El principio de exclusión de Pauli establece que un orbital sólo puede ser ocupado por dos electrones, en cuyo caso sus espines se encuentran apareados. No es posible completar un orbital electrónico si otros de la misma energía se encuentran vacíos. La carga nuclear efectiva Z ef que recibe un electrón es igual a la carga nuclear Z menos el apantallamiento σ que producen los otros electrones que se encuentran entran entre el núcleo y su orbital. No todos los electrones internos apantallan con la misma eficacia, los f apantallan menos que los d y estos que los p, siendo los más eficaces los s.

19 Principio de construcción progresiva

20 Parámetros atómicos Radio: Radio metálico, Radio covalente, Radio iónico Energía de Ionización (I): es la energía mínima necesaria para remover un electrón de un átomo gaseoso Afinidad Electrónica (E a ): es el cambio de energía cuando un átomo gaseoso gana un electrón. Está determinada fundamentalmente por la energía del orbital más bajo sin llenar, donde experimenta la carga nuclear efectiva que lo atrae. Electronegatividad χ: poder con que un átomo atrae los electrones cuando se encuentra enlazado. Hay distintas t expresiones, la de Mülliken es χ = ½ (I + E a ) Polarizabilidad: capacidad para ser distorsionado por un campo eléctrico cercano. Los orbitales frontera (último lleno y primero sin llenar) cercanos facilitan la polarizabilidad, son propios de los átomos mayores. Los átomos más pequeños y de elevada carga son polarizantes.

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