Quimica Universitaria Mit.docx

QUIMICA UNIVERSITA RIA-MIT

RESUMEN DEL CURSO PROPIEDADES BASICAS DE LA MATERIA 

Teoría atómica



Tabla periódica



Enlaces



Estructura molecular

PROPIEDADES DE LA MATERIA REACCIONANTE 

Termodinámica



Equilibrio químico



Solubilidad



Ácidos y bases



Oxidación y reducción



Transición de metales



Cinética química

TEORIA ATOMICA A finales de 1980 la teoría del universo se creía completada 

Teoría de la materia del universo



Teoría mecánica Newtoniana

“Nuestros futuros descubrimientos deben ser vistos en el sexto decimal” EXPERIMENTO DE JJ THOMSON

La primera observación ∆𝑥(−) 𝛼

𝑒(−) … (1) 𝑚(−)

∆𝑥(+) 𝛼

𝑒(+) … (1) 𝑚(+)

La segunda observación

Tomando la primera ecuación con la segunda ecuación y sacando el valor absoluto 𝑒(−) |𝑚 |

|∆𝑥(−) | |𝑚(+) | (−) 𝛼 𝑒 = |∆𝑥(+) | | (+) | |𝑚(−) | 𝑚(+) |∆x(−) | ≫ |∆𝑥(+) | 𝑚(+) ≫ 𝑚(−) Descubrimiento del electrón JJ THOMSON Esta partícula negativa fue llamada más tarde el electrón y su masa era muy pequeña 𝑚𝑒 = 9.11 ∗ 10−31 𝑘𝑔 Quedando anulada la premisa “los átomos son indivisibles” DESCUBRIMIENTO DEL NUCLEO Ernesth Ruterford, amigo de Mari Curi, Pier Curi este recibía muestras 𝑅𝑎𝐵𝑟2 estas liberaban partículas 𝛼

EXPERIMENTO DE LA LÁMINA DE Au Basado en el modelo de Thomson se esperaba ver la siguiente imagen

En el experimento de Rutherford se creía que el modelo de Thomson albergaba unas cargas positivas lo cual se podía predecir que cuando pasen los rayos 𝛼 y 𝛽 estas por contener una carga positiva se desviaría por el campo eléctrico formado al momento de atravesar el átomo

Pero se pudo observar que no solo se desvió, si no que hubo

1 20000

partículas que su

deviación era un cambio de sentido, eso indicaba que había una masa sólida, y esta estaba cargada positivamente

FRACASO DE LA DESCRIPCION CLASICA DEL ATOMO

Fuerza de atracción de coulomb describe la fuerza de atracción y repulsión entre las partículas cargadas 𝐹=

𝑄1 ∗ 𝑄2 4𝜋𝜀0 𝑟 2

Donde 𝑄𝑥 : Carga de la perticula x 𝜀0 : Constante de permitividad del vacío (8.854 ∗ 10−12 𝐶 2 𝐽−1 𝑚−1) 𝑟 : Distancia entre las 2 cargas OBESRVACIONES Cuando 𝑟 → ∞,

𝐹𝑟 = 0 no hay fuerza

Cuando 𝑟 → 0,

𝐹𝑟 =? Infinitamente atractivo

PARTICULA-ONDA DUALIDAD DE LA LUZ Con el descubrimiento de las partículas sub atómicas, la necesidad por un nuevo tipo de mecánica (mecánica cuántica) empezó a emerger Para explicar las observaciones que científicos fueron generando, dos principios fueron requeridos 1. La radiación y la materia muestran propiedades de tipo onda y de partícula. 2. La energía es cuantificada dentro de paquetes discretos (llamado fotones) DUALIDAD DE LA MATERIA La radiación electromagnética tiene una constante de velocidad, la velocidad de la luz “𝑐” 𝑐 = 𝜆 ∗ 𝑣 = 2.9979 ∗ 108 𝑚/𝑠 𝑐 ≈ 6.706 ∗ 108 𝑚𝑝ℎ ≈ 186000 𝑚𝑖𝑙𝑙𝑎𝑠/𝑠 La longitud y la frecuencia son elementos independientes, lo cual indica que si sabes una de ellas, es posible saber el otro elemento

LA LUZ COMO ONDA ESPECTRO VISIBLE El espectro visible de la luz depende de la longitud de onda y de la frecuencia 𝑐 =𝜆∗𝑣

ESPECTRO ELECTROMAGNETICO

PRINCIPIO DE SUPERPOSICION DE LAS ONDAS La forma de onda resultante de la superposición de ondas se obtiene sumando algebraicamente cada una de las ondas senoidales que componen ese movimiento complejo. Si superponemos ondas senoidales de igual frecuencia, aunque con eventuales distintas amplitudes y/o fases, obtendremos otra onda senoidal con la misma frecuencia, pero con distinta amplitud y fase. Eventualmente esas ondas pueden cancelarse, por ejemplo si tuvieran igual amplitud pero una diferencia de fase de 180º. En algunos campos de la acústica puede resultar también interesante el caso de la superposición de ondas senoidales que se desarrollan sobre ejes perpendiculares. No estudiaremos aquí esos casos.

Caso de ondas completamente en desfase

LA LUZ COMO PARTICULA EL EFECTO FOTO ELECTRICO Un haz de luz que golpea una superficie metaliza puede expulsar electrones

1

Energía cinética 𝐸𝐶 = 2 𝑚𝑣 2 Si la frecuencia incidida del haz de luz es inferior a la frecuencia del umbral, pues no existe arranque de electrones La frecuencia 𝑣, de la luz entrante debe ser igual o mayor a la frecuencia del umbral, 𝑣0 para que un electrón sea emitido, el valor de 𝑣0 depende de la identidad del metal.

Cuando se llega a una frecuencia del umbral empiezan a emitirse electrones pero llegan a un límite constante La ciencia siguió estudiando el efecto fotoeléctrico y siguió llegando La energía cinética, K.E., del electrón expulsado se midió en función de la frecuencia (ν) de la luz incidente:

Se puede observar que el aumento de la energía cinética depende de forma proporcional a la frecuencia de la luz Relación de la energía cinética con la intensidad de luz emitida

Relación del número de electrones con la intensidad de la luz

Estos datos estaban en oposición directa a las predicciones de la mecánica clásica. En 1905 Einstein analizó los gráficos de K.E. como una función de la frecuencia para diferentes metales y encontró que todos los datos se ajustan en una forma lineal

𝑦 = 𝑚𝑥 + 𝑏 Donde la pendiente (𝑚) = 6.626 ∗ 1034 J. s debido a que todas las rectas tienen un mismo Angulo la pendiente también es el mismo.

6.626 ∗ 1034 J. s = ℎ Que es la constante de Planck de los cuerpos negros La intercepción de la recta está dada por −ℎ ∗ 𝑣0 La ecuación reescrita de Einstein quedara como 𝑦 = 𝑚𝑥 + 𝑏 𝐾. 𝐸 = ℎ ∗ 𝑣 − ℎ ∗ 𝑣0 Donde 𝑣0 es la frecuencia del umbral y depende del metal 𝐾. 𝐸 = ℎ ∗ 𝑣 − 𝜑 Donde 𝜑 es la función trabajo

POSTULADOS DE EINSTEIN 1.- Einstein definió que la energía del fotón es proporcional a la frecuencia 𝐸 =ℎ∗𝑣 2.-La luz se compone de paquetes de energía llamado fotones MODELO DEL EFECTO FOTOELECTRICO La energía de un fotón entrante (𝐸𝑖) debe ser igual o mayor que la función de trabajo (𝜑) del metal para expulsar un electrón. Cualquier energía "sobrante" es 𝐾. 𝐸.

Nosotros podemos describir matemáticamente como: 𝐾. 𝐸 = ℎ ∗ 𝑣 − 𝜑,

𝐾. 𝐸 = 𝐸𝑖 − 𝜑

𝐸𝑖 = 𝐾. 𝐸 + 𝜑 El número de electrones expulsados de la superficie de un metal es proporcional al número de fotones absorbidos por el metal y no a la energía del fotón (asumiendo que 𝐸𝑖 ≥ 𝜑)

La intensidad de la luz (𝒆𝒏𝒆𝒓𝒈𝒊𝒂/𝒔𝒆𝒄) es proporcional al número de electrones 𝒂𝒃𝒔𝒐𝒓𝒃𝒊𝒅𝒐𝒔/𝒔𝒆𝒄 y al número de electrones 𝒆𝒎𝒊𝒕𝒊𝒅𝒐𝒔/𝒔𝒆𝒄 La unidad de la intensidad son los 𝑊𝑎𝑡𝑡𝑠

PROBLEMAS PROBLEMA 1.-Se tiene tres figuras a continuación, figura 1, figura 2 y figura 3 respectivamente determine en cada figura existe electrones emitidos por el efecto fotoeléctrico

Figura 1 La energía de la luz emitida es mayor al umbral por lo tanto existe electrones emitidos 𝐸𝑖 > 𝜑,

∃ 𝑒 − 𝑒𝑚𝑖𝑡𝑖𝑑𝑜𝑠

Figura 2 La energía de la luz es menor al umbral por lo tanto no existe electrones 𝐸𝑖 < 𝜑,

∄ 𝑒 − 𝑒𝑚𝑖𝑡𝑖𝑑𝑜𝑠

Figura 3 La energía de la luz es ½ del umbral y por más que sea con mayor intensidad de luz la anergia de la luz no es acumulativa, por lo tanto no existe emisión de electrones

PROBLEMA 2.-un metal de 𝑍𝑛 de superficie 6.9 ∗ 10−19 𝐽 es incidido por 2 luces. 

U.V: lámpara con una 𝜆 centrada en 254 nm



Laser rojo (𝜆 = 700𝑛𝑚)

¿Cuál es la energía por fotón emitido por la lámpara UV? ¿Cuál es la energía por fotón emitida por el puntero láser rojo? ¿Cuál es el número total de fotones emitidos por el puntero láser en 60 segundos si la intensidad (I) = 1.00 mW?

Primero determinamos si es posible con esas frecuencias emitir electrones 𝜑𝑧𝑖𝑛𝑐 = 6.9 ∗ 10−19 𝐽

¿Cuál es la energía por fotón emitido por la lámpara UV? 𝐸 = ℎ𝑣,

𝑣=

𝐶 , 𝜆

𝐸 = ℎ.

𝐶 𝜆

Calculo de la energía de un fotón de la lámpara U.V 𝑚 2.998 ∗ 108 𝐶 𝑠 = 7.821 ∗ 10−19 −34 𝐸 = ℎ. = (6.626 ∗ 10 𝐽𝑠) ∗ 𝜆 254 ∗ 10−9 𝑚

¿Cuál es la energía por fotón emitida por el puntero láser rojo? 𝐸 = ℎ𝑣,

𝑣=

𝐶 , 𝜆

𝐸 = ℎ.

𝐶 𝜆

Calculo de la energía de un fotón del láser rojo 𝑚 2.998 ∗ 108 𝐶 𝑠 = 2.838 ∗ 10−19 −34 𝐸 = ℎ. = (6.626 ∗ 10 𝐽𝑠) ∗ 𝜆 700 ∗ 10−9 𝑚 ¿Cuál es el número total de fotones emitidos por el puntero láser en 60 segundos si la intensidad 𝑰 = 1.00 mW?

1𝑚𝑊 = 1.00 𝑥 10−3 𝐽/𝑠 𝐽 1 𝑓𝑜𝑡𝑜𝑛 1𝑥 10−3 ∗ ∗ 60𝑠 = 2.114 ∗ 1017 𝑓𝑜𝑡𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑠 2.838 ∗ 10−19 𝐽

MOMENTO DE UN FOTON Si la luz es una corriente de partículas, cada una de esas partículas debe tener un impulso. Usando ecuaciones relativistas de movimiento, Einstein demostró que un fotón tiene un impulso p, ¡aunque tiene una masa cero! 𝑝=

ℎ𝑣 , 𝑐

𝑐 = 𝑣𝜆,

𝑝=

ℎ 𝜆

Hagamos un cálculo de muestra para pensar por qué las ondas de materia no se habían observado anteriormente. EJEMPLO 1 Considere una placa de Béisbol de 5 onzas (0.142 kg) que cruza a 94 mph (42 m / s) 𝜆=

ℎ 6.626 ∗ 10−34 𝑘𝑔. 𝑚2 . 𝑠 −2 𝑠 = 𝑝 (0.142 𝑘𝑔)(42𝑚. 𝑠 −1 ) 𝜆 = 1.1 ∗ 10−34 𝑚

En conclusión es indetectable EJEMPLO 2 Calcule la longitud de onda 𝜆 de un electrón gaseoso (9 ∗ 10−31 𝑘𝑔) viajando a 4 ∗ 106 . 𝑚. 𝑠 −1 𝜆=

ℎ 6.626 ∗ 10−34 𝑘𝑔. 𝑚2 . 𝑠 −2 𝑠 = 𝑝 (9 ∗ 10−31 𝑘𝑔)(4 ∗ 106 . 𝑚. 𝑠 −1 ) 𝜆 = 2 ∗ 10−10 𝑚 = 2𝐴̀

Comparando con el diámetro de un átomo es de (0.4 𝑎 0,5𝐴̀)