Tena 7 Estructura De La Matèria 1 BATX

  • 3,064 views
Uploaded on

 

More in: Education
  • Full Name Full Name Comment goes here.
    Are you sure you want to
    Your message goes here
    Be the first to comment
No Downloads

Views

Total Views
3,064
On Slideshare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
0

Actions

Shares
Downloads
84
Comments
0
Likes
4

Embeds 0

No embeds

Report content

Flagged as inappropriate Flag as inappropriate
Flag as inappropriate

Select your reason for flagging this presentation as inappropriate.

Cancel
    No notes for slide

Transcript

  • 1. TEMA 7 Estructura de la matèria
  • 2. 1.1 Tema 1 : Estructura de la matèria alguns conceptes fonamentals
    • Estructura de la matèria : La matèria està formada àtoms . Els àtoms consten de:
      • l' escorça : Està constituïda per electrons
      • nucli : Està format pels protons i els neutrons . Els protons i els neutrons del nucli tenen una massa aproximadament igual i 1836 vegades superior a la dels electrons de l'escorça, que la tenen molt petita.
    • Els electrons i els protons presenten càrrega elèctrica igual però de signe contrari.
      • Els electrons la tenen negativa
      • Els protons, positiva.
      • Els neutrons són neutres.
    • Un àtom és elèctricament neutre i el nombre de protons es igual al d'electrons.
    • Els electrons, protons i neutrons de diferents substàncies són exactament iguals.
  • 3.
    • A. Nombre atòmic. Nombre màssic.
      • Al nombre de protons que té el nucli d'un àtom, l'anomenem nombre atòmic (Z ) i és característic de cada element.
      • La suma dels protons i neutrons s'anomena nombre màssic (A) i no és característic de cada element.
    • B. Isòtops
      • Les varietats d'àtoms d'un mateix element que tenen diferent massa s'anomenen isòtops . Es a dir tenen el mateix nombre atòmic o nombre de protons i es diferencien en el nombre de neutrons.
    • C. Massa atòmica:
      • El nombre màssic pràcticament equival a la massa total de l'àtom, anomenada massa atòmica .
      • La unitat u (1 u = 1,66.10 -24 g) , és la dotzena part de l'isòtop de l'àtom de carboni -12.
      • La massa atòmica es defineix com la mitjana aritmètica de les masses atòmiques del isòtops d'un element.
  • 4.
    • D. Massa molecular. Concepte de mol.
      • Quan dos o més àtoms s'ajunten per formar una unitat química de qualsevol substància s'anomena molècula .
      • La massa d'una molècula és el que coneixem com a massa molecular . (M)
      • El mol: és la quantitat de substància que conte 6,023.10 23 unitats (àtoms o molècules segons el cas)
      • La massa d'un mol de substància expressada en grams és el que coneixem com a massa molar de la substància
      • La massa d’una molecula o àtom en (u) = massa d’un mol en (g)
        • pex. 1 àtom de C =12 u 1 mol d’àtoms de C= 12 g
        • 1 molècula aigua= 18 u 1 mol de molècules aigua=18 g
  • 5. 7.1 Teories atòmiques
    • El model que actualment es considera vàlid per l’àtom ha sigut fruit d’un nombre força elevat de científics i investigadors que principalmet al llarg del segle XX el van desenvolupar. En aquest tema coneixerem aquesta evolució.
    • A) Teoria atòmica de Demòcrit: segle V a.C.
      • Filòsof grec (de la regió d’Abdera) que pertany a la corrent dels filòsofs atomistes.
      • Els filòsofs atomistes o pluralistes consideraven que:
        • la matèria està formada per diferents tipus de substàncies (en contraposició als monistes conm Tales o Anaxímenes)
        • L’interior de la matèria conté unes partícules anomenades àtoms
          • àthom= indivisible (en grec)
        • Els àtoms es mouen en el buit i per atzar xoquen entre ells formant els diferents cossos
  • 6.
    • La diferència entre els cossos està determinada per la forma, posició i mida dels àtoms que els constitueixen
    • Aquesta teoria s’elabora sense fer cap mena d’experimentació.
    • De totes maneres la introducció de conceptes com:
      • àtom
      • buit
      • atzar
    • s’avança 25 segles a la concepció o model actual de la matèria.
    • La teoria atomista va ser refusada durant segles.
      • La influència de Plató amb el seu vessant idealista o d’Aristòtil (deixeble de Platò) el qual defensava que la matèria era contínua i estava formada per una sola substància d’algun dels considerats quatre elements aristotèlics (foc, aigua, aire, terra) va pesar massa i Demòcrit va caure en l’oblit.
  • 7.
    • B. Teoria atòmica de Dalton
    • El naixement de la ciència moderna (mètode científic) segle XVIII
    • John Dalton (s. XIX) estableix uns postulats:
      • Els elements que constitueixen la matèria estan formats per partícules indivisibles i indestructibles (els àtoms)
      • Els àtoms d’un element determint són iguals en massa i propietats
      • Els àtoms de diferents elements són diferents en massa i propietats.
      • Els compostos es formen per la unió d’àtoms en una relació constant i senzilla de nombres enters.
      • La relació fixa d’àtms en un compost, fa que aquest presenti unes propietats característiques i que la seva massa sigui constant.
    • Durant el segle XIX va haver-hi una gran controvèrsia entre els cientifics pro-àtom (Anglaterra) i els empírics (Alemanya) que preconitzaven que no es podien acceptar teories que no incorporessin observació directa (amb `l’àtom era impossible).
    • Va ser a principis del segle XX quan es va acceptar de forma general que la matèria estava formada per àtoms.
  • 8. 7.2 Models atòmics
    • Un cop es va acceptar el model atòmic de John Dalton molts científics van començar a proposar models atòmics.
    • Es a dir a paortir de totes les dades experimentals intentaven deduïr com estava organitzat l’àtom internament.
    • Que vol dir proposar un model?
    • A) ELS PRIMERS MODELS ATÒMICS
    • 1897: Descobriment de l’electró
    • Galvany y Faraday van fer diversos experiments amb el corrent elèctric que induïen a pensar que els àtoms tenien càrregues negatives.
    • J.J. Thomson (1856-1940) director dels laboratoris Cavendish (universitat de Cambridge), realitza els següents experiments.
  • 9. Tub de raigs catòdics: - A un tub s’introdueix un gas a molt baixa presió, i aquest gas es sotmet a una diferencia de potencial  V elevada. - Si es col.loca una pantalla fosforescent, s’observa com sobre aquesta rebota un raig invisible a ull un.
  • 10.
    • Si a més aquest raig es fa travessar les plaques d’un condensador s’observa com es desvia cap a la placa positiva. Aixó succeïa independement del tipus de gas que es situès al tub
    • Conclusió : hi ha partícules de càrrega negativa a tota la matèria, els electrons.
  • 11.
    • Els receptors de TV i els radars estan fonamentats en el tub de raigs catòdics.
      • La TV en color presenta 3 canons amb els 3 colors primaris (verd, blau i vermell).
      • Hi ha un feix d’electrons que xoca contra la pantalla produïnt impactes lluminosos en funció del senyal rebut.
      • Com l’ull és més lent que la velocitat dels xocs, nosaltres observem una imatge fixa.
  • 12.
    • Un cop descobert l’electró al 1897, durant els primers anys del segle XX, es proposen diferents models atòmics:
      • 1902 model de Kelvin: l’atom és una esfera i els electrons estan “incrustats” al seu interior (llavors d’una sindria)
      • 1903 model de Thomsom: l’àtom és una esfera positiva i els electrons estan encastats a la part externa de l’esfera (cireres d’un pastís)
      • 1904 model de Nagakoa: l’àtom és un conjunt d’electrons que giren al voltant d’un cos central positiu (com els anells de Saturn)
  • 13. Nocions de radioactivitat: El seu origen ve de canvis que experimenten els nuclis d’àtoms inestables.
    • Hi ha tres tipus de radiació:
    •   Radiacions positives. Són partícules formades per agrupacions de dos protons i dos neutrons (nuclis d’He)
    •   Són electrons molt energètics que provenen de la descomposició d’algun neutró.
    •    NO tenen càrrega ni massa pròpia. Són ones electromagnètiques molt energètiques .
  • 14.
    • B- MODEL ATÒMIC DE RUTHERFORD
    • Ernest Rutherford (1871–1937) Nova Zelanda
    • Rutherford, Geiger i Marsden, formaven part d’un equip d’investigacio de Manchester.
    • Treballaven en la dispersió de partícules alfa  al bombardejar làmines d’or molt primes.
    •   Són partícules formades per agrupacions de dos protons i dos neutrons, nuclis d’heli.
    • .
  • 15.
    • Model atòmic de Rutherford:
      • La massa dels àtoms està pràcticament tota concentrada al nucli.
      • La càrrega positiva també radica en el nucli (descobriment dels protons)
        • per això algunes partìcules  eren desviades al passar al costat del nucli
      • La major part de l’àtom és un gran espai buit
        • per això la major part de radiació travessava la làmina d’or
      • Els electrons circulen en òrbites al voltant del nucli
  • 16.
    • Per què el model atòmic de Rutherford no és vàlid?
    • Malgrat l’avenç que representà el model, no era del tot satisfactori. Ernest Rutherford proposa un model al qual els electrons es mouen al voltant del nucli en òrbites.
    • Això segons la electrodinàmic:a clàsica no pot ser veim per què:
      • Donat que una partícula amb càrrega (com pot ser l’electró) i accelerada per mantenir-se en òrbita, aniria emetent radiació electromagnètica i per tant perdent Energia.
      • Si apliquem les Lleis de Newton (Mecància Clàsica) i les equacions de Maxwell a l’àtom en 10 -10 s tota l’energia de l’electrò s’hauria radiat i per tant els electrons haurien de veure’s atrets cap al nucli.
      • Fet que NO succeeix.
    • NO explicava satisfactòriament la massa del àtoms tan sols amb el protons en el nucli ni la seva estabilitat.
      • Rutherford mateix va postular l’existència d’una altra partícula en el nucli de l’àtom.
    • El model no dóna informació sobre els possibles estats dels electrons dintre de l’àtom. NO explica els espectres d’emissió o absorció del àtoms.Els espectres d’emissió i d’absorció dels àtoms són discontinus.
      • La Mecànica clàsica no explica aquesta discontinuitat, Si l’Energia de l’electró pot tenir qualsevol valor, l’espectre emès hauria de ser continu. ¿On es situen llavors els electrons? ¿Quina E tenen a cada posició?
  • 17.
    • Descobriment del neutró, (1932)James Chandwick.
    • El mètode de bombardeig de nuclis d’elements per intentar trencar-los es va estendre per tota la comunitat científica
    • Chandwick mitjançant aquest mètode troba una nova partícula de massa similar a la del protó però sense càrrega
    • S’obre l’era de la Energia Nuclear.
  • 18. - - Son ones electromagnètiques. -es poden desplaçar en el buit -no hi ha cap partícula que es desplaci. - En canvi: el so (és una ona mecànica), les radiacions alfa i beta NO són ones electromagnètiques
  • 19.
    • Què és una ona electromagnètica?
    • Una ona electromagnètica és la forma que té la energia electromagnètica de propagar-se.
    • Es propaguen de forma simultània un camp eléctric i un camp magnètic els quals son perpendiculars entre si i perpendiculars a la direcció de propagació.
  • 20.
    • Magnituds que caracteritzen una ona:
    • longitud d’ona (λ)
      • es la distància mínima entre dos punts amb el mateix estat de vibració.
      • Es mesura en metres (m)
    • Període (T)
      • es el temps que triga una ona a recórrer una distància igual a la longitud d’ona.
      • Es mesura en segons (s)
    • Freqüència (  )
      • és la inversa del periòde, es a dir és el nombre d’ones que passen per un punt determinat en un segon.
      • Es mesura en Hertzs (Hz o s -1 )
  • 21.
      • Possibles canvis d’unitats:
      • Micròmetre 1 µm = 10 -6 m
      • Nanòmetre 1 nm = 10 -9 m
    • Picòmetre 1 pm= 10 -12 m
    • Angstrom 1 A= 10 -10 m (no és una unitat del Sistema Internacional)
    • Fòrmules d’ondulatòria que treballarem:
    • a) velocitat= c= λ/T
    • b)  =1/T
    • si combinem a) i b)
    • c) c= λ. 
  • 22.
    • Espectres atòmics
    • Un espectre és la descomposició d'una radiació electromagnètica en els seus components (en funció de la longitud d’ona λ , de cada un d’ells).
      • Això és el que observem per exemple, a l’Arc de Sant Martí
      • L’aparell que permet la descomposició d’una radiació en totes les que el composen és l’espectroscopi
    • Classificació dels espectres :
    • *- Segons les radiacions que contenen :
      • * Espectres continus : contenen totes les radiacions entre dos valors de longitud d’ona
      • pex. Arc de Sant Martí
      • * Espectres discontinus : només conté alguna/es longituds d’ona
  • 23.
      • *-Segons la causa que origina l’espectre:
      • * Espectres d'emissió : són els que provenen directament de la font emissora
        • quan es fa passar la llum a través d'un espectroscopi, s'obté un espectre d'emissió.
        • La llum blanca produeix un espectre d'emissió continu que conté tot el conjunt de radiacions que la composen.
        • Els elements químics en estat gasós produeixen espectres d'emissió discontinus o espectres de ratlles, on s'observen un conjunt de línies que es corresponen amb les emissions de només unes determinades radiacions. Cada element químic produeix un conjunt de línies espectrals diferent.
      • Espectres d'absorció : Quan entre la llum blanca i l'espectroscopi s'interposa una substància, s'obté un espectre d'absorció.
        • La substància absorbeix només algunes de les radiacions emeses per la llum, i l'espectre mostre un conjunt de línies obscures que ocupen les mateixes posicions que les línies brillants de l'espectre d'emissió.
  • 24.  
  • 25.
      • Espectres electrònics:
      • Quan fem brou al foc i aquest vessa a la flama, aquesta agafa coloracions grogues o vermelles, perquè passa això??
        • - Tota la matèria està formada per àtoms
        • La calor de la flama excita els electrons que contenen els àtoms i aquest passen a un estat d’energia més elevada.
        • Al refredar-se els àtoms, els electrons “excitats” alliberen aquesta E en forma de radiació electromagnètica, si la longitud d’ona cau en el visible, podrem observar els colors emessos.
        • CONCLUSIÓ: La llum que emeten els àtoms en estat gasós i excitats, no és blanca i tan sols s’observa que emeten llum de determinats colors  i que per cada àtom són diferents. Les ratlles que es veuen sobre la pantalla es diuen espectres .
        • Altres exemples: els focs artificials.
  • 26.
    • Intentem explicar els diagrames d’E dels espectres electrònics:
  • 27.
        • Anem a treballar els espectres una mica més, treballant un applet:
        • http ://www.xtec. cat /~cfernand / ones /s.htm
  • 28. 7.3 Model de Bohr (1913)
    • El model de Rutherford no explicava alguns fets que s’havien descoberts (veure pag 16)
    • Niels Bohr, físic danès, amb 28 anys, va proposar al 1913 un model d'àtom que permetia explicar alguns fenòmens observats com era l'espectre d'emissió de l'àtom d'hidrogen.
      • La idea principal d'aquest model és que els electrons es troben al voltant del nucli, però no tots tenen la mateixa energia ni es troben a la mateixa distància.
    • De manera simplificada el model de Bohr estableix que:
      • 1r postulat :
        • Els electrons es distribueixin en òrbites circulars ben definides o nivells en torn al nucli. A cada òrbita l’electró té una determinada E. Les òrbites o nivells que es troben més allunyades del nucli són les que tenen més energia
        • Un electró mentre es troba en la seva òrbita no emet ni absorbeix energia.Per tant no varia la seva velocitat i no es precipita sobre el nucli.
      • 2n postulat
        • Nomès són permeses algunes òrbites, l’E de les quals té un valor determinat. Es diu que l’Energia dels electrons està quantitzada, no tots els valors són possibles.
          • n=1 seria la òrbita de radi més petit (la més propera al nucli) i la de menys E
        • Els electrons, sempre, es distribueixen ocupant en primer lloc els nivells disponibles de menor energia. Aquest seria l’estat fonamental
        • Si un electró passa a una òrbita amb més E es troba en estat excitat
  • 29.
    • .
      • 3r postulat
        • Quan l’electró passa d’un nivell d’energia a un altre de més energia, ho fa absorbint un fotó d’energia, quan torna a una òrbita més propera al nucli llavors emet aquesta Energia.
    • E final - E inicial = h. 
        • h= 6,624. 10 -34 J.s (constant de Planck)
        • Les línies espectrals, corresponents a les radiacions absorbides o emeses, tenen a veure amb la diferencia d'energia entre les òrbites permeses.
        • Quan es dedueixen possibles valors de l’energia de l’electró dintre de l’àtom trobem:
  • 30.
    • .
    INTERPRETACIÓ DE L’ESPECTRE DE L’HIDROGEN
    • Un electró absorbeix un fotó amb l’energia necessària per passar de E 1 a E 2 .
    • L’electró retorna al nivell fonamental emetent un fotó igual al anterior i que ve donat per:
      • E 1 – E 2 = h . 
    • Si la transició fos entre E 3  E 1 , hi ha dos possibilitats com les que mostra la imatge.
  • 31.  
  • 32.
    • Per què el model atòmic de Bohr no és vàlid?
    • El model de Bohr és capaç d’interpretar les ratlles de l’espectre de l’àtom d’hidrogen (1 electró), però no la dels altres àtoms.
    • Al apareixer expectrògrafs de poder resolutiu més gran es va observar com les línies espectrals estaven realment formades per altres línies més fines corresponents a valors de longitud d’ona molt semblants.
    • Efecte Zeeman: si se sotmetia els àtoms a camps magnètics apareixien noves línies espectrals. Per que?..
  • 33.
    • Veure fig 7.8 pg 249 llibre
    • Quina conclusió podem treure?
    • Hi ha diferents lleis en funció de la velocitat (m/s) i la distància(m)
      • Per velocitats inferiors a 10 4 m/s i distancies superiors a 10 -6 m són vàlides les lleis de Newton (Mecànica Clàsica)
      • Per velocitats molt elevades és necessari aplicar les lleis de la Mecànica Relativista (Albert Einstein)
      • Per distàncies molt petites és necessari aplicar la Mecànica Quàntica
    • Objectiu: trobar la GUT (Great Unified Theory) una única teòria vàlida per qualsevol distància i velocitat.
    7.4 Model actual de l’àtom. Model quàntic d’orbitals
  • 34.
    • A. Hipòtesi de De Broglie:
    • Durant l’inici del segle XX el món científic també volia definir què era la llum ?
      • * Hi havia experiments i científics que consideraven la llum una ona
      • * Hi havia d’altres que consideraven la llum una partícula (fotons)
      • * La conclusió final a la qual es va arribar:
        • “ La llum està formada per una sèrie de partícules (fotons) que es desplacen en forma d’ona electromagnètica”. Es a dir la llum té una qualitat dual: ona-partícula
    • Al 1924 De Broglie planteja una Tesis revolucionaria:
      • * si la llum es comportava com una ona que té partícules associades (fotons) perquè no tota partícula ha de tenir també una ona associada?
      • * es a dir qualsevol partícula en moviment té una ona associada, la longitud d’ona de la qual està relacionada amb la massa i la velocitat que té la partícula.
  • 35.
    • B. Principi d’incertesa de Heisenberg:
    • Al 1927 presenta una model matemàtic que dona resposta a les deficiències del model de Bohr.
    • Un dels punts més sorprenents del nou model és el principi d’incertesa:
      • Al utilitzar la Mecànica Quàntica i aplicar-la als electrons s’observa que no es possible conèixer a la vegada la seva posició i la seva velocitat .
      • Per determinar la posició d’un electró el primer que s’ha de fer és “veure’l”, es a dir hem de fer incidir llum
      • Com la llum està formada per partícules, “fotons”, si aquestes reboten contra els electrons, obviament els mouran i canviaran la seva posició i la seva velocitat.
      • Si acceptem el principi d’incertesa:
        • El model de Bohr deixa de ser vàlid l’àtom ja no pot estar en una posició u òrbita definida.
  • 36.
    • C. Equació de Schorödinger:
    • Com hem vist és impossible conèixer amb exactitud la velocitat i la posició d’un electró donat que són partícules(principi incertesa)
    • I si considerem la ona que tenen associada?
      • Això ho va fer Schorödinger al 1926, va aplicar les equacions matemàtiques vàlides per les ones als electrons (funcions d’ona)
    • Les conseqüències d’aquesta teoria són:
      • Es perd la idea de trajectòria per a l’electró. No es pot precisar on es troba. Tan sols podem parlar de zones on és més probable trobar l’electró.
      • Les zones al voltant del nucli d’un àtom on és més probable trobar l’electró reben el nom d’orbitals.
        • Pex podem dir que la zona més probable de trobar l’electró de l’hidrogen és a 0,53 A del seu nucli, però no sabrem mai amb certesa on és.
      • En resoldre les equacions matemàtiques o funcions d’ona es troba que aquests orbitals i la energia que pot tenir l’electró en ells queden determinats per 3 números, que diem quàntics . Aquests números tan sols poden tenir certs valors.
      • A més, l’electró, té propietats magnètiques pròpies que es poden atribuir a un moviment de rotació sobre ell mateix, que rep el nom d’ espín . (4t número quàntic) També l’espin tan sols pot tenir certs valors.
  • 37. 7.5 Conclusins del model atòmic actual. Els nombres quàntics
    • Un orbital està determinat per tres nombres quàntics: n, l i m
      • A) Nombre quàntic principal (n)
        • El seu valor determina la grandaria de l’orbital , a més gran el valor de n més voluminós l’orbital
        • n=1,2,3,4,5.....
      • B) Nombre quàntic secundari (l)
        • El seu valor determina la forma de l’orbital
        • El seu valor depen del nombre n
        • l=[0, n-1]
        • Segons el valor de l els orbitals reben un nom determinat
          • l=0 orbital s
          • l=1 orbital p
          • l=2 orbital d
          • l=3 orbital f
      • C) Nombre quàntic magnètic (m l )
        • El seu valor determina l’ orientació de l’orbital a l’espai
        • El seu valor depen de l
        • m=[-l, l]
      • El nombre total d’orbitals es n 2
      • Els orbitals es defineixen pels 3 nombres quàntics (n,l,m l )
  • 38. Orbitals p Orbitals s
  • 39. Orbitals f Orbitals d
  • 40.
    • D. Nombre quàntic d’espín (m s )
      • L’electró pot girar sobre si mateix, com es tracta d’una càrrega en moviment això crea un petit imant .
      • El gir ho pot fer en els dos sentits
      • m s pot tenir dos valors: 1/2 i -1/2
      • un electró ve determinat per tant per quatre números quàntics: (n,l,m l , m s )
  • 41. - Resum Històric
    • -segle V a. C Demòcrit d’Abdera: filòsof atomista
    • -segle XVIII: teoria atòmica de Dalton
    • - 1897: J.J. Thomsom descobriment de l’electró
    • -1902-1904: primers models atòmics (Kelvin, Thomson, Nagakoa)
    • -1908: model atòmic de E. Rutherford i descobriment del protó
    • -1913: model atòmic de N. Bohr
    • -1932: Chandwick descobriment del neutró
    • - 1923 Compton demostra que la llum te comportament de partícula en determinades circumstàncies.
    • -1924 De Broglie proposa que les partícules elementals, com els electrons, protons i demés, també es comporten com ones en determinades circumstàncies.
    • -1925 Schrodinger desenvolupa les matemàtiques de la mecànica ondulatòria de l’electró.
    • -1925 Heisenberg inventa la formulació de la Mecànica Quàntica.
    • -1925 Pauli estableix el seu Principi d’Exclusió.
    • -1926 Schorödinger: Funcions d’ona
    • -1927 Heisenberg formula el Principi d’Indeterminació.