QUIMICA GENERAL E INORGANICA I Ernesto J. Calvo calvo@qi.fcen.uba.ar

QUIMICA GENERAL E INORGANICA IErnesto J. Calvo

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¿Qué es la Química?

• Gran parte de las ciencias experimentales y naturales están basadas en el lenguaje molecular de la química cuya capacidad es construir, comprender y manejar “moléculas”, medir, predecir sus propiedades, modelar su comportamiento y aplicarlo al ensamblado en bloques para lograr materiales de propiedades predefinidas, reconocimiento molecular y diseñar dispositivos para la detección e identificación de especies químicas.

QUIMICA GENERAL E INORGANICA I

Aspectos Microscópico

Átomos (De los griegos al Microscopio de Efecto Túnel)Moléculas: Ladrillos de la química (menor porción de una sustancia). Uniones (entre átomos) químicasForma de las moléculas (olfato, reconocimiento molecular)Energías en las moléculas (interacción con la radiación)Interacciones moleculares: gases, líquidos y sólidos

Aspectos Macroscópico Termodinámica (relaciones entrevariables macroscópicas) Principios Equilibrio de Fases Equilibrio químico, de cargas Cinética Química (introducimos la variable tiempo)

Las Moléculas como LadrillosSistemas Químicos Integrados

Ahora podemos ver los átomos

Podemos manipular los átomos

Height Distribution N = 80

Height in nm

1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0

GO

x m

ole

cule

num

ber

0

5

10

15

20

25

30Au

Au

++

+ ++

++

+ ++ +

+

+

+

++

++ +

++

+ + + ++ ++ + ++ ++++ + + + + ++ +++

++

++

Au

+ + + ++ ++ + ++ ++++ + + + + ++ +++

Au / Cystamine / GOx

Height ProfileMoléculas Individuales

STM de monocapa de dodecanotiol sobre terrazas de Au (Victoria Flexer, estudiante de quimica)

QUIMICAPropiedades de las sustancias(desde la estructura y propiedades de sus moléculas)Síntesis (colorantes, antibióticos, fertilizantes, armas químicas, etc.)Análisis (composición ¿qué y cuánto?

Un químico trata de responder preguntas como:

¿Porqué el H2O es líquida a temperatura ambiente mientras que H2S es gas?¿Porqué el hielo flota sobre el agua si tienen la misma composición molecular, H2O?¿Porqué el grafito es un lubricante y conduce la electricidad mientras que el diamante uno de los materiales más duros y aislante?¿Porqué algunas sustancias causan el cáncer y otras sustancias lo curan?¿Porqué el AZT interfiere en la copia del ADN y detiene el avance del SIDA?

ESTRUCTURA DEL ATOMO

1. 1897 J.J. Thomsom descubre el electrón en un tubo de rayos catódicos, con carga negativa independiente del metal con que se construye el cátodo. eV =

½mv2

e/m = 1,75880 x 1011Coul/ Kg

2. 1912 Robert Millikan determina la carga del electrón

e = 1,60 x 10-19 Coul y por tanto me = 9,1 x 10-31 Kg

3. 1908 E. Rutherford realiza un experimento con sus estudiantes H. Geiger y E. Marsden de dispersión de partículas alfa (positivas) por una delgada lámina de oro.

Sólo 1/20.000 son dispersadas en ángulo > 90

Se interpreta que la mayor parte del átomo es espacio donde están los electrones negativos y sólo una pequeña porción es el núcleo positivo: Núcleo 10-14 m (10-5 nm) y Átomo 10-10 m (0.1 nm)

mp = 1,67262 x 10-30 Kg

Átomo neutro de Rutherford = núcleo positivo y electrones negativos

4. 1913 H. Moseley (electrones núcleo producen Rayos X)Determina que los números atómicos aumentan en una carga positiva entre elementos consecutivos

5. 1932 J. Chadwick descubre el neutron sin carga ( + Be n) mn = 1,67493 x 10-30 Kg

neutronesneutronneutron

protónprotónprotón

TDH

210

111

01605,30140,20078,1

31

21

11

isótopos (espectrometría de masa)

La luz encierra información química

Naturaleza de la Luz

Ondulatoria

a) Reflexiónb) Refracciónc) Interferenciad) Difracción n = 2d sen

Corpuscular

Efecto fotoeléctrico

ONDAS

N=1

0 nodo

N=2

1 nodo

N=3,

2 nodos

Longitud de onda (nm) 2

N

v frecuencia (s-1)

vv

2 frecuencia angular (rad s-1)

1 número de onda

Efecto Fotoeléctrico. Naturaleza corpuscular de la Luz

Los espectros de emisión de los àtomos nos dan información del mapa de energías posibles.

Series espectrales del hidrógeno:

Balmer

Paschen

Bracket

Lyman

A T O M O D E B O H R

E n e l m o d e lo d e R u th e r fo rd la a t ra c c ió n c o u ló m b ic a e n tre e l n ú c le o p o s i t iv o ylo s e le c tro n e s n e g a tiv o s l le v a r ía a q u e lo s e le c t ro n e s c a ig a n e n e l n ú c le o

L e y d e C o u lo m b 2

21

r

qqkF

r

qqkE 21

1 9 1 3 N ie ls B o h r (m e c á n ic a c lá s ic a d e N e w to n , E le c t ro s tá t ic a , P la n c k )

1 . V a lo re s e s ta c io n a r io s d e E n e rg ía . E n

2 . N o h a y ra d ia c ió n e n u n o d e ta le s e s ta d o s . P e ro a l c a m b ia r d e e s ta d o s ee m ite o a b s o rb e ra d ia c ió n e n c u a n to s (M . P la n c k , 1 9 0 0 c u a n to

E = h ) h = 6 ,6 2 6 0 8 x 1 0 -3 4 J .s ) d e e n e rg ía3 . E le c tró n e n ó rb ita c i r c u la r p la n a a l r e d e d o r d e l n ú c le o4 . M o m e n to a n g u la r L = n h /2

É x ito : E x p lic a lo s e s p e c t ro s d e e m is ió n d e l h id ró g e n oF a l la :

P a ra á to m o s m u l t ie le c t ró n ic o sP a ra e x p l ic a r la u n ió n q u ím ic a y la f o rm a d e la s m o lé c u la s

B a l a n c e e n t r e a t r a c c i ó n c o u l ó m b i c a ( n ú c l e o - e l e c t r ó n ) y l a f u e r z a c e n t r í f u g a :

r

m

r

Ze 2

2

2 v

y e l m o m e n t o a n g u l a r L = p . r = m . v . r

P o s t u l a d o ( 4 ) d e B o h r : L = m v r = n h / 2 c o n n = 1 , 2 , 3 . . . . . .

s ó l o c i e r t a s ó r b i t a s s o n p e r m i t i d a s 22

22

4r

Ze

hn

p a r a n = 1 , 2 , 3 . . . .

L a e n e r g í a t o t a l d e l e l e c t r ó n e s t á d a d a p o r E c y E p

r

Ze

r

Ze

r

Ze

r

Zem

22222

2

1

2

1v

2

1E

V = rr

s u s t i t u y e n d o 22

22

4 mZe

hnr

,

22

4222

hn

emZE

c o n n = 1 , 2 , 3 . . . . .

L a d i f e r e n c i a e n t r e d o s ó r b i t a s e s

2222

422 112

ifif nnhn

emZhEEE

n i > n f

y l a f r e c u e n c i a o b s e r v a d a e s

2232

422 112

if nnhn

emZ

y la frecuencia observada es

2232

422 112

if nnhn

emZ

Mecánica Clásica (Newton)dt

dpamF . y e l m o m e n t o p = m . v

m

pvmE c 2

.2

1 22 p o d e m o s c o n o c e r l a p o s i c i ó n y l a

v e l o c i d a d d e u n c u e r p o

E n e r g í a = E c + E p

C o n s e r v a c i ó n d e l a E n e r g í a y e l M o m e n t o e na u s e n c i a d e f u e r z a s d i s i p a t i v a s

Mecánica Cuántica o Mecánica Ondulatoria

1 9 0 0 P l a n c k hE c u a n t o s d e e n e r g í a( c a n t i d a d e s d i s c r e t a s )

D e B r o g l i e 1 9 2 4 D u a l i d a d o n d a - p a r t í c u l a ( m e c á n i c ao n d u l a t o r i a )

= h / m v = h / p ( c o n d i c i ó n d e D e B r o g l i e ) 2 r = n ( e n l a c o n d i c i ó n d e B o h r )

E v i d e n c i a d e d i f r a c c i ó n d e e l e c t r o n e s

P r i n c i p i o d e I n c e r t i d u m b r e ( H e i s e n b e r g 1 9 2 6 )

4/. hpx ( l í m i t e d e p r e c i s i ó n d e x y p )

N o p o d e m o s c o n o c e r s i m u l t a n e a m e n t e p o s i c i ó n yv e l o c i d a d c o n i g u a l p r e c i s i ó n

O p e r a d o r e s : x c a l c u l e l a r a í z c u a d r a d al o g 1 0 x c a l c u l e e l l o g a r i t m o e n b a s e 1 0 d e xH H a m i l t o n i a n o , c a l c u l e l a e n e r g í a d e u n s i s t e m a c u á n t i c o

d e s c r i p t o p o r l a f u n c i ó n d e o n d a L O p e r a d o r M o m e n t o A n g u l a r , c a l c u l a e l m o m e n t o a n g u l a r d e l s i s t e m a d e s c r i p t o p o r l a f u n c i ó n d e o n d a

E c u a c i ó n d e S c h r ö d i n g e r ( E n e r g í a c i n é t i c a + E n e r g í a P o t e n c i a l )

ExVxm8

h2

2

2

2

)(

H n = E n

n

1 . V a l o r e s p e r m i t i d o s d e e n e r g í a o a u t o v a l o r e s E n

2 . A u t o f u n c i o n e s n

E 1

1

E 2

2

E 3

3

E n

n

3 . S ó l o p u e d o m e d i r u n s i s t e m a e n u n a u t o e s t a d o , p . e j . m i d i e n d o l a sd i f e r e n c i a s d e e n e r g í a e n t r e a u t o e s t a d o s e n u n e s p e c t r o d e e m i s i ó n

4 . P o r e l p r i n c i p i o d e i n c e r t i d u m b r e n o p u e d o p r e c i s a r l a p o s i c i ó n d eu n e l e c t r ó n p e r o s i s u p r o b a b i l i d a d d e e n c o n t r a r l o e n e l e s p a c i o d a d ap o r 2 .

Ejemplos:

Electrón libre: e 1,2 x 107 cm/s 6,1 nm 5.9 x 107 1,21 10 V

EC = p2/2me EP = 0 5,9 x 108 0,12 100 V He 1,4x 195 0,071

1 pelota de tenis de 100 g a 80 km/h 3x10-25

= h/mv

Partícula en un caja:

-C=C-C=C-

Atomo Hidrogenoide

(La energìa potencial depende sólo del radio)

Er

1

4

e

xm8

h

o

2

2

2

2

2

L a e n e r g í a s ó l o d e p e n d e d e n

22

242

n n

1

h

Zme2E

n o r b i t a l e s d e s c r i b e n a l e l e c t r ó n e n e l e s p a c i o n o r e s t r i n g i d o a ó r b i t a p l a n a

C U A T R O N U M E R O S C U A N T I C O S

N o m b r e y s í m b o l o v a l o r e s p o s i b l e s i n f o r m a c i ó n o r b i t a lP r i n c i p a l , n 1 , 2 , . . . . . . . e n e r g í a y t a m a ñ oO r b i t a l , l 0 , 1 , . . . . . , n - 1 f o r m aM o m e n t o A n g u l a r , m l - l , - l + 1 , . . . . l - 1 , l o r i e n t a c i ó nE s p í n , m s + ½ , - ½ e s p í n

n 2 d e s c r i b e l a p r o b a b i l i d a d d e e n c o n t r a r e l e l e c t r ó n e n e l e s p a c i o

4 r 2 n 2 d e s c r i b e l a p r o b a b i l i d a d d e e n c o n t r a r a l e l e c t r ó n e n e l e l e m e n t o d e v o l ú m e n

Degeneración 3

n = 2

Degeneración 5

n = 2

Degeneración 2l+1

Degeneración 1

n = 1

Atomos Polielectrónicos

A diferencia de los hidrogenoides la energía depende de varias coordenadas

(r1, r2,r3, r4....... rn)

atracción núcleo de carga Ze positiva y electrones y repulsiones de electrones entre sí

1. Aproximación orbital (combinación lineal de orbitales hidrogenoides)

(r1, r2,r3, r4....... rn) 1(r1), 2(r2) 3(r3) 4(r4).... N(rN)

Hn = Ennminimizamos la energía

2. Los niveles ns y np ya no están degenerados según puede verse en los espectros3. Z ahora es la carga efectiva debido al apantallamiento de los electrones más externos4. Los electrones 2s están mas cerca del núcleo y APANTALLAN a los 2p5. Atomos pesados como Hg presentan acoplamiento spin-órbita (momento angular y

momento de espin) y efectos relativistas.

Espín (spin)

a) Experimento de Stern-Gerlach

b) Efecto Zeeman

c) 1928 P. Dirac: Cuántica Relativística

s = ½ ms = ½ (2s +1)

Principio de Pauli

DOS ELECTRONES EN UN ATOMO NO PUEDE TENER SUS CUATRO NUMEROSCUANTICOS IGUALES

Regla de Hund (máxima multiplicidad). Las subcapas semillenas son mas estables

Principio de Construcción (Aufbau)1. En un mismo orbital dos electrones deben tener espines antiparalelos2. Se asignan electrones a un orbital uno por vez con el próximo electrón en el orbital

desocupado de energía mas baja disponible3. Para orbitales degeneraedos se sigue la regla de Hund, primero se ubica un electrón en

cada orbital con el mismo espin y recién luego se comienza a aparear espines.

Configuración electrónicaej. Cu (1s)2(2s)2(2p)6(3s)2(3p)6(4s)1(3d)10

ion Cu+ (1s)2(2s)2(2p)6(3s)2(3p)6(4s)0(3d)10

ion Cu2+ (1s)2(2s)2(2p)6(3s)2(3p)6(3d)9

TABLA PERIODICA DE LOS ELEMENTOS

E n e r g í a d e i o n i z a c i ó n , E i > 0 : E n e r g í a n e c e s a r i a q u e t e n g o q u e e n t r e g a r a u n a t o m o g a s e o s op a r a s a c a r u n e l e c t r ó n .

)()( gNaegNa protónHeH

A f i n i d a d E l e c t r ó n i c a , E a < 0 : E n e r g í a l i b e r a d a c u a n d o a g r e g o u n e l e c t r ó n a u n á t o m o

)()( gClegCl hidruroHeH

L a s e n e r g í a s l a s m e d i m o s e n c a l o r í a s , J o u l e s , e l e c t r ó n - v o l t , e t c .1 c a l = 4 , 1 8 4 J1 e V = 1 , 6 0 2 x 1 0 - 1 9 J

R a d i o I ó n i c o : C a t i o n e s ( + ) y A n i o n e s ( - )

r c a t i o n < r a t ó m i c o r a n i ó n > r á t o m o

Radio Atómico y Radio Iónico