2. ¿Qué estudia la Química? La Química es la ciencia que estudia la composición, estructura y propiedades de la materia y los cambios que ésta sufre. “ Principios de Química: los caminos del descubrimiento”, Atkins, P. y Jones, L., Editorial Médica Panamericana, Buenos Aires, 3ª edición, 2006
3. El concepto de átomo Todo a nuestro alrededor - montañas, mares, árboles, personas, computadores, etc. - está compuesto por unidades simples. Los antiguos griegos ya tenían esta idea. Ellos suponían que existían 4 “elementos” - tierra, aire, fuego y agua- que podían producir todas las demás substancias si se combinaban en las proporciones correctas. Su concepto de “elemento” era similar al actual, pero nosotros sabemos que existen más de 100 elementos químicos, los cuales se pueden combinar entre ellos, generando los compuestos químicos. Los elementos y compuestos químicos componen toda la materia inorgánica y orgánica que existe sobre la tierra.
4. El concepto de átomo Los griegos se preguntaron qué sucedería si ellos continuaran dividiendo la materia en trozos cada vez más pequeños. ¿Existe un punto en el cual deberían detenerse porque los trozos dejarían de tener las mismas propiedades del conjunto, o podrían continuar dividiendo por siempre? Se sabe actualmente que existe un punto en el cual se debe parar. La partícula más pequeña que puede existir de un elemento químico se denomina átomo.
5. El concepto de átomo El filósofo griego Demócrito (460-370 A.C.), junto con su maestro Leucipo, fueron los fundadores de la escuela “atomista”. Según ellos, la materia está formada por partículas invisibles e indivisibles, las cuales “no nacen ni mueren” y son eternas. A estas partículas las denominaron “átomos”, que significa justamente “indivisible”.
6. Estructura atómica: elementos y compuestos La materia está constituida por ELEMENTOS QUIMICOS o por combinaciones de elementos que se denominan COMPUESTOS QUIMICOS. ELEMENTOS hidrógeno oxígeno calcio cloro COMPUESTOS agua H 2 O óxido de calcio CaO ácido clorhídrico HCl sulfato de potasio K 2 SO 4
7. Estructura atómica: elementos y compuestos Los elementos están constituidos por átomos idénticos. Los compuestos están formados por moléculas , que resultan de la combinación de elementos. El elemento sodio (Na) está formado por átomos de sodio, todos idénticos entre sí. El compuesto ácido sulfúrico (H 2 SO 4 ) está formado por moléculas de ácido sulfúrico, que se forman al combinarse átomos de hidrógeno (H), azufre (S) y oxígeno (O).
8. Estructura atómica El primer argumento convincente sobre la existencia de los átomos fue dado en 1807 por el químico inglés John Dalton (1766-1844). El determinó, por ejemplo, que en toda muestra de agua (H 2 O) hay 8 gramos de oxígeno por 1 gramo de hidrógeno. Dalton compartió la idea de los griegos de que los elementos están constituidos por átomos, que corresponden a las partículas más pequeñas que pueden existir y que serían indivisibles.
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11. Estructura atómica: partículas subatómicas protones (p + ) núcleo neutrones (n 0 ) otras partículas subatómicas envoltura : electrones (e - ) átomo los electrones se distribuyen en el espacio alrededor del núcleo, en distintos niveles de energía, llamados orbitales. núcleo: cuerpo central diminuto y denso, con carga positiva.
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13. el HIDROGENO tiene 1 solo protón el HELIO tiene 2 protones el LITIO tiene 3 protones... y así sucesivamente hasta llegar al último elemento que tiene 118 protones, y que es el UNUNOCTIUM. Estructura atómica Los átomos de los distintos elementos se diferencian en el número de protones del núcleo:
14. El número atómico corresponde al número de protones, y es lo que identifica al elemento. Número atómico = Z = número de p + A la suma de protones y neutrones se le llama número másico. Número másico = A = p + + n 0 Si X representa a un elemento, tenemos: X Z A Estructura atómica: número atómico y número másico
15. Estructura atómica: número atómico y número másico Hidrógeno 1 H : 1 protón Potasio 19 K : 19 protones 20 neutrones Mercurio 80 Hg : 80 protones 120 neutrones Estroncio 38 Sr : 38 protones 50 neutrones Nitrógeno 7 N : 7 protones 7 neutrones 1 14 39 88 200
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18. Estructura atómica: identidad de un elemento Lo que identifica a un elemento es el número de protones que posee en el núcleo, es decir, su número atómico Z. El átomo en estado fundamental, no combinado con otros átomos, es una entidad eléctricamente neutra , es decir: número de protones (+) = número de electrones (-) en el núcleo en la envoltura Sin embargo, el número de electrones NO SIRVE para identificar a un elemento, porque en las reacciones químicas se GANAN o PIERDEN electrones, en cambio, los protones no se modifican. 17 Cl Cl elemental (no combinado): carga 0 Cl en el cloruro de sodio NaCl: carga -1, ganó 1 electrón Posee 17 protones y 18 electrones.
19. Principio de incertidumbre de Heisenberg: “ es imposible conocer simultáneamente la posición y la velocidad del electrón”. La mecánica ondulatoria o cuántica: “ todo corpúsculo material tiene asociado una onda”... así el electrón puede ser onda y partícula. Teoría atómica moderna: los electrones
20. SCHRÖDINGER (1926) da una solución matemática a la localización de los electrones en un átomo a través de una ecuación que da la PROBABILIDAD de localización de los electrones en un átomo. Se llega al concepto de ORBITALES, que representan las localizaciones donde existe la MAYOR PROBABILIDAD de encontrar un electrón. Cada electrón de un átomo queda definido a través de 4 “números cuánticos”. Teoría atómica moderna: concepto de orbital
21. 1 . Número cuántico principal: “n” especifica el nivel de energía potencial ( relacionado con la distancia al núcleo) son números enteros: 1, 2, 3, 4…. Teoría atómica moderna: los números cuánticos
22. 2 . Número cuántico azimutal: “l” (ele) especifica el subnivel de energía son números enteros : 0, 1, 2, 3 Va desde 0 a n-1 siendo “n” el número cuántico principal. indica la forma del orbital : l = 0 orbital s l = 2 orbital d l = 1 orbital p l = 3 orbital f Teoría atómica moderna: los números cuánticos
23. 3 . Número cuántico magnético: “m” especifica los orbitales individuales dentro de un subnivel (cuántos hay). tiene valores que van entre –l y +l , incluyendo el cero, siendo “l” el número cuántico azimutal. indica la orientación del orbital en el espacio . Teoría atómica moderna: los números cuánticos
24. 4 . Número cuántico de spin: “s” especifica la dirección de la rotación del electrón o “spin ”. tiene los valores - 1/2 o +1/2. Teoría atómica moderna: los números cuánticos
25. l=2 d l=1 p l=0 s l=1 p l=0 s l=0 s “ l” m=+2 m=+1 m=0 m=-2 m=-1 m=0 m=0 m=0 m=-1 m=0 m=+1 n = 1 n = 2 n = 3 “ n” “ m” m=+1 m=0 m=-1 Nivel de energía Subnivel Forma Orientación 1s 2s 2p 3s 3p 3d (2) (8) (18) Teoría atómica moderna: los números cuánticos
26. n = 4 l=0 s l=1 p l=2 d l=3 f m=0 Nivel Subnivel Forma Orientación m=+1 m=0 m=-1 m=+2 m=+1 m=0 m=-1 m=-2 m=+3 m=+2 m=+1 m=0 m=-1 m=-2 m=-3 4s 4p 4d 4f (32) Teoría atómica moderna: los números cuánticos
27. Los orbitales s n=1 l=0 orbital 1s n=2 l=0,1 para l=0 orbital 2s n=3 l=0, 1, 2 para l=0 orbital 3s “ l”=0 significa orbital s 2s
28. Los orbitales p n=2 l=0,1 para l=1 m=-1, 0, +1 l=1 significa orbitales p
29. Los orbitales d n=3 l=0, 1, 2 para l=2 m=-1, -2, 0, +1, +2 l=2 significa orbitales d
30. Los orbitales f n = 4 l = 0, 1, 2, 3 para l = 3 m = -3 ,-2, -1 ,0 , +1, +2 ,+3 l=3 significa orbitales f
31. Configuración electrónica de los átomos Corresponde a la distribución de los electrones en los orbitales, en torno al núcleo. Ocurre de acuerdo a ciertas reglas: 1 . PRINCIPIO DE EXCLUSION DE PAULI “ Un orbital puede contener máximo 2 electrones y éstos deben ser de spin diferente” 2 . REGLA DE HUND “ Los electrones van ocupando los orbitales de menor a mayor energía” Si los orbitales disponibles son de igual energía, por ejemplo, los 3 orbitales p, un electrón ocupa el p x , el siguiente ocupa el p y , y el siguiente el p z , es decir, los electrones van quedando “ desapareados .” Luego, el siguiente completa el p x , etc.
32. Principio de construcción de Aufbau Nivel Sub-nivel 1 2 3 4 5 6 7 El llenado de los niveles con los electrones, se realiza en orden de energía creciente. 4s antes que 3d 7s antes que 5f y 6d 6s antes que 4f y 5d 5s antes que 4d y 4f
33. Configuración electrónica 1 H = 1s 1 2 He = 1s 2 3 Li = 1s 2 2s 1 4 Be = 1s 2 2s 2 5 B = 1s 2 2s 2 2p 1 Los primeros 5 elementos:
34. La configuración electrónica del carbono (Z = 6) es 1s 2s 2p 1s 2s 2px 2py Al ocupar 2 orbitales 2p, p x y p y los electrones quedan con sus espines paralelos, siendo esto de mayor estabilidad. 2 2 1 1 2 2 2 Configuración electrónica y NO 1s 2 2s 2 2px 2 y NO
35. Configuración electrónica: anomalías La configuración electrónica del potasio (Z = 19) es 1s 2 2s 2 2px 2 2py 2 2pz 2 3s 2 3px 2 3py 2 3pz 2 4s 1 El orbital 4s se llena antes que el orbital 3d. Calcio (Z=20) 1s 2 2s 2 2px 2 2py 2 2pz 2 3s 2 3px 2 3py 2 3pz 2 4s 2 Escandio (Z=21) 1s 2 2s 2 2px 2 2py 2 2pz 2 3s 2 3px 2 3py 2 3pz 2 4s 2 3d 1
