QUÍMICA INORGÁNICA I

Transcripción

1 QUÍMICA INORGÁNICA I QUÍMICA INORGÁNICA I QUÍMICA INORGÁNICA I 22/08/17 FUNDAMENTOS DE LA MECÁNICA CUÁNTICA 0 22/08/17 FUNDAMENTOS DE LA MECÁNICA CUÁNTICA 1 22/08/17 FUNDAMENTOS DE LA MECÁNICA CUÁNTICA 2 1

2 QUÍMICA INORGÁNICA I LA TABLA PERIÓDICA Origen estelar de los elementos Semestre Rafael Moreno Esparza 22/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 3 Formación del Universo. Se puede pensar que el universo ha pasado por estas tres etapas: Big Bang Etapa oscura Primeras estrellas Aproximadamente hace 200 millones de años 22/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 4 La Teoría A la teoría que explica la expansión del Universo y por tanto su origen se le conoce como la teoría del Big Bang Ahora bien, esta teoría explica la evolución del universo a partir del primer segundo, pero no explica cómo se generó el universo ni qué ocurrió antes del primer segundo. Propone que en el pasado existió un sistema primigenio denso y caliente, donde se originan los elementos químicos primordiales y todos los objetos astronómicos que se observan en la esfera celeste (estrellas, galaxias, cúmulos de galaxias, etc.). 22/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 5 2

3 La Teoría Supone que toda la materia del universo estuvo en un comienzo, concentrada en un mismo lugar del espacio. Esta masa de volumen pequeño (comparado con la extensión del universo) fue bautizada como huevo cósmico por Gamow o átomo primitivo por Lemaître. Estas condiciones originaron que es sistema fuese muy inestable obligándolo a explotar Al explotar, la energía fue transformándose paulatinamente en materia, a medida que se alejaba es todas direcciones. En un instante nacían el tiempo y el espacio. La Teoría: Nucleosíntesis El proceso mediante el cual se forman nuevos elementos químicos a partir de reacciones atómicas se llama nuclosíntesis. Se lleva en el interior de las estrellas y durante la explosiones de supernovas. Lentamente el hidrógeno y el helio se convierten en elementos más pesados. Los fotones (γ) se convertían en electrones (e - ) y positrones (e + ) (proceso conocido como producción de pares) La Teoría: Nucleosíntesis Estos fotones no podían producir partículas más pesadas (como nucleones por ejemplo) por no poseer suficiente energía Los electrones y positrones terminarían por colisionar con sus respectivas antipartículas y convertirse de nuevo en fotones (a lo que nos referiremos como aniquilación) 22/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 6 22/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 7 22/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 8 3

4 La Teoría: Nucleosíntesis La segunda interacción fue la conversión de protones en neutrones y viceversa Esas partículas atómicas pesadas estaban ya presentes "en el principio y se transmutaban una en otra continuamente mediante las siguientes reacciones; La Teoría Si toda la materia existente en el universo estuvo concentrada en una sola estructura, su densidad debió ser inimaginablemente grande. De igual forma, se estima que su temperatura alcanzó unos K. En tales condiciones, sólo podemos imaginarnos que el había un caos total en donde ninguna de las cosas que conocemos podía existir. Al transcurrir los primeros tres minutos, empiezan a aparecer ya los núcleos de los átomos más sencillos, hidrógeno y helio. A este proceso se le llama nucleosíntesis primigenia. Aunque las teorías actuales no pueden siquiera proponer qué había en el tiempo cero. Si podemos explicar lo que ocurrió a tan sólo fracciones de segundo a partir de ese instante, pues la Física ya puede hacer afirmaciones demostrables. Un segundo después de la gran explosión la temperatura descendió a K. En esas condiciones, ya se pueden encontrar fotones (γ), positrones (e + ), neutrinos (ν), antineutrinos (ν), protones (p + ), neutrones (n) y electrones (e ). 22/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 9 22/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 10 22/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 11 4

5 La nucleosíntesis del Big Bang ocurrió en los primeros tres minutos del Universo y es responsable de las relaciones de abundancia del 1 H (protio), 2 H (deuterio), 3 He y 4 He, en el Universo. Aunque el 4 He se produce por otros mecanismos y lo mismo pasa con el 1 H, se piensa que gran parte de la masa de estos isótopos fueron producidas durante el Big Bang. Se cree que estos elementos, se formaron cuando el Universo tenía entre 100 y 300 segundos, después de que el plasma quark-gluón primigenio se congelara para formar protones y neutrones. Entonces, al bajar la temperatura a K, es posible encontrar: fotones γ, positrones e +, neutrinos ν, protones (p + ), neutrones (n) y electrones (e ). También sabemos que con las tres últimas partículas se forman los átomos que hoy conocemos, pero en esas enormes temperaturas no se podían unir para formarlos. Los neutrones libres, se desintegraban pues su vida media es de 11 minutos, por lo que se transformaban en protones así: n ssd p + + e + ν 22/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 12 22/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 13 A esas temperaturas (10 10 K) muchas de las partículas mencionadas se encontraban en equilibrio, reconvirtiéndose unas en otras de acuerdo con los siguientes procesos: p + + e qe n + ν n + e + qe p + + ν Al descender la temperatura a 10 9 K, los protones y los neutrones empezaron a fusionarse para dar origen a los primeros núcleos. El más sencillo, el deuterio 2 H, es muy inestable en esas condiciones y se desintegraba casi tan pronto como se formaba. Pero el Universo continuó enfriándose, y muy rápidamente, se inició el proceso que favorecía la fusión de núcleos ligeros para dar núcleos más pesados. 22/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 14 5

6 Cuando la temperatura llega a estar entre 10 9 y 10 8 K empiezan a ocurrir estos procesos: p + + n qwe 2 H + γ 2 H + 2 H qwe 3 He + p + 2 H + 2 H qwe 3 He + n 3 He + n qwe 4 He + γ 3 He + p + qwe 4 He + γ 4 He + 3 Heqwe 7 Be 7 Be + e qwe 7 Li + ν Casi todo el 7 Li que se conoce hoy en el Universo, que es poco, provino de esta última reacción. Nótese que los núcleos con masa 5 y 8 no se formaron en esta etapa por ser inestables. 22/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 15 Cuando la temperatura descendió (T K), la repulsión entre núcleos de mayor carga eléctrica fue mayor que la energía térmica de los mismos impidiendo la creación de núcleos más grandes. Con ello, termina la llamada nucleosíntesis primigenia dando como resultado la aparición de los núcleos de tan sólo dos elementos químicos y unos cuantos más en cantidades despreciables. El hidrógeno 1 H y el helio 4 He, en proporción 12 a 1, conformaron casi el 100% de los núcleos formados, mientras que en trazas quedaron 2 H, 3 He, 7 Li y muy poco de 7 Be. La materia así formada permaneció por casi años en estado de plasma con los núcleos que se habían formado y electrones libres interactuando con fotones. 22/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 16 Aunque los núcleos atómicos ya son estables cuando la temperatura es menor de 10 9 K, los átomos neutros aún no lo son a esas temperaturas. El Universo continuó expandiéndose y cuando la temperatura descendió por debajo de 10 4 K, los núcleos comenzaron a asociarse con los electrones dando origen a los primeros átomos neutros. Así, la materia dejó de interactuar tan fuertemente con los fotones. La radiación y la materia se desacoplaron y se enfriaron de aquí en adelante por separado. La radiación de fondo que ya mencionamos se originó a partir de este evento de desacoplamiento. Así empezó entonces la llamada etapa fría que duraría varios millones de años. 22/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 17 6

7 Debido al periodo tan corto en que ocurrió la nucleosíntesis antes de detenerse debido a la expansión y el enfriamiento, no se formaron elementos más pesado que el litio. Los elementos formados durante este periodo estaban en estado de plasma y no se pudieron enfriar al estado de átomos neutros hasta mucho después. Una vez que el universo se enfría suficiente y se forman las primeras estrellas, empezarán a ocurrir otros procesos de nucleosíntesis en dichas estrellas. Dependiendo del tamaño de las estrellas se presentarán diferentes procesos de nucleosíntesis. Se estima que por varios cientos de millones de años después de la Gran Explosión no se crearon nuevos núcleos. Durante todo este tiempo, el Universo continuó expandiéndose y enfriándose, hasta que en las regiones más frías se formaron nubes de átomos de hidrógeno y helio, que fueron acumulándose debido a la atracción gravitacional. Cuando la acumulación de materia fue muy grande, la gravedad la hizo alcanzar presiones muy elevadas y la temperatura se incrementó hasta llegar a los 10 7 K en algunas zonas dentro de estas nubes. 22/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 18 22/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 19 A estas elevadas temperaturas, los electrones se encuentran nuevamente disociados de los núcleos. Habrán de pasar miles de millones de años desde la gran explosión para que el choque entre las partículas elementales disminuyera, lo que permitió que los núcleos atómicos capturaran sus electrones. La materia se encuentra en estado de plasma y puede empezar a llevarse a cabo la fusión de cuatro protones para formar núcleos de helio con un gran desprendimiento de energía. Ésta es la más simple de las reacciones de nucleosíntesis estelar y se lleva a cabo continuamente todos los días en millones de estrellas. 22/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 20 7

8 Para llevar a cabo este proceso, los astrónomos han propuesto una secuencia de varios pasos, de los cuales el primero es: 1 H + 1 H ssd 2 H + e + + ν MeV (1) Este paso lo propuso Hans Bethe, explicando la posibilidad de que dos protones se unieran, a pesar de su enorme repulsión electrostática. Al proponer que uno de los protones puede decaer emitiendo un positrón y un neutrino. Actualmente los astrónomos han encontrado que existen varios mecanismos de formación de helio en las estrellas; la principal es la que se conoce como la reacción en cadena protón-protón, PP. 22/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 21 Esta reacción en cadena se inicia con la reacción siguiente, liberando fotones de alta energía: e + + e ssd 2γ MeV (2) El siguiente paso consiste en la fusión de un núcleo de deuterio de los formados en el paso (1) con un protón del medio, para producir un isótopo ligero del helio, 3 He, con un gran desprendimiento de energía. 2 H + 1 H ssd 3 He + γ MeV (3) Después de esto, el camino más probable para la producción de 4 He es el llamado rama PPI, aunque puede formarse por otros dos caminos, conocidos como las cadenas o ramas PPII y PPIII, donde se forman y destruyen varios isótopos de litio y berilio. 22/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 22 Una estrella al inicio solo tiene H y debido a la gravedad inicia la secuencia de reacciones debido a que los átomos de H están siendo comprimidos 22/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 23 8

9 Entonces las tres ramas o cadenas de producción de la nucleosíntesis estelar son: PPI 3 He + 3 He ssd 4 He + 2 H MeV PPII 3 He + 4 He ssd 7 Be + 2 H + γ 7 Be + e ssd 7 Li + ν 7 Li + 1H ssd 2 4 He PPIII 7 Be + 1 H ssd 8 B + γ 8 B ssd 8 Be + e + + γ + ν 8 Be ssd 2 4 He + e + + ν Los núcleos de Li y Be formados en PPII y PPIII se destruyen en el mismo proceso, pues son menos estables que los de He. 22/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 24 La cadena PPI: La cadena PPII: 22/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 25 La cadena PPIII: 22/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 26 9

10 Ciclo protón-protón Temperatura 10 millones de grados Cuando se ha terminado el H y solo queda Helio y elementos más pesados, inicia esta secuencia: 22/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 27 22/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 28 22/8/17 LA TABLA PERIÓDICA 29 10