libro de quimica para preuniversitario

7/30/2019 Libro de Quimica Para Preuniversitario

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UNIVERSIDAD NACIONAL JORGE

BASADRE GROHMANN

CENTRO PREUNIVERSITARIO

QUMICA

Ing. Javier Nez Melgar

TACNA - PERU

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PRIMERA EDICIN 2002

DERECHOS RESERVADOS COPYRIGHT Centro Pre Universitario

de la Universidad Nacional Jorge Basadre Grohmann Tacna

Ninguna parte de este libro puede ser reproducida, grabada en sistema dealmacenamiento o trasmitida en forma alguna, ni por cualquier procedimiento,ya sea electrnico, mecnico, reprogrfico, magntico o cualquier otro sinautorizacin previa y por escrito del Centro Pre Universitario

Exclusivo para enseanza en los claustro de la U.N.J.B.G.


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INDICE

QUMICA INORGANICA

CAPTULO IPRINCIPIOS ELEMENTALES

1.1.NATURALEZA DE LA QUMICA 11.2.MATERIA 3

1.3.CAMBIOS DE LA MATERIA 61.4.PROPIEDADES QUIMICAS Y FSICAS 91.5 ENERGA 101.6 RADIACIN ELECTROMAGNTICA 121.7 MEDICIN EN QUMICA 16

CAPITULO IITOMOS Y MOLCULAS2.1 DE DEMOCRITO A DALTON 282.2 DESCUBRIMIENTO DEL ELECTRN 28

2.3 EL MODELO DE THOMSON 312.4 LA RADIOACTIVIDAD 312.5 EL MODELO NUCLEAR 322.6 EL TAMAO DEL ATOMO 342.7 QUE MANTIENE UNIDO AL NCLEO 352.8 NMERO ATOMICO 362.9 MOLECULAS E IONES 382.10 PESOS ATOMICOS 392.11 EL MOL 392.12 ENERGIA Y TRANSFORMACIN NUCLEAR 40

CAPITULO IIIEL ATOMO Y SU ESTRUCTURA ELECTRNICA3.1.ESPECTROS ATOMICOS Y EL MODELO DE BOHR 503.2. VISION MODERNA DEL ATOMO 543.3. NMEROS CUNTICOS 573.4 PRINCIPIO DE EXCLUSIN DE PAULI 603.5 CONFIGURACION ELECTRNICA DE LOS ELEMENTOS 61


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3.6. REGLA DE HUND 63

CAPITULO IVPERIODICIDAD DE LAS PROPIEDADES DE LOS ELEMENTOS4.1 PERIODICIDAD DE LA CONFIGURACIN ELECTRNICA DE LOS

ELEMENTOS 684.2. LA LEY PERIDICA 714.3. FAMILIAS QUMICAS 764.4. ENERGIA DE IONIZACION 774.5. AFINIDAD ELECTRNICA 784.6. RADIO ATOMICO 804.7. ELECTRONEGATIVIDAD 81

CAPITULO VEL ENLACE QUMICO5.1. EL ENLACE IONICO 875.2. ENLACE COVALENTE 895.3. RESONANCIA 975.4. ORBITALES ATOMICOS : HIBRIDACIN 102

CAPITULO VINOMENCLATURA INORGANICA

6.1. ELEMENTOS 1106.2. IONES SENCILLOS 1116.3 FUNCIONES QUIMICAS INORGNICAS 1126.4. OXIDOS 1146.5. HIDROXIDOS 1196.6. OXOACIDOS 1196.7. SALES 121

CAPITULO VIIMTODOS DE IGUALACIN EN LAS ECUACIONES QUMICAS

7.1. ECUACION QUMICA 1287.2. BALANCEO DE ECUACIONES 1307.3. TIPOS DE REACCIONES QUMICAS 132

CAPITULO VIIIESTEQUIOMETRIA8.1. EL MOL 1468.2 TIPOS DE FORMULA 151


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8.3 COMPOSICION PORCENTUAL A PARTIR DE LA FORMULA 1528.4. FORMULA EMPIRICA A PARTIR DE LA COMPOSICION

PORCENTUAL 1538.5. RELACIONES EN PESO EN LAS ECUACIONES QUMICAS 157

CAPITULO IXDISOLUCIONES ACUOSAS9.1. TIPOS DE SOLUCION 1669.2 SOLUBILIDAD 1679.3 CONCENTRACION DE LAS SOLUCIONES 172

QUMICA ORGANICA

CAPITULO IINTRODUCCIN1.1 ENLACES EN LOS COMPUESTOS ORGANICOS 1861.2 GRUPOS FUNCIONALES 1881.3 REACTIVIDAD QUMICA 1881.4 MECANISMOS DE REACCION 190

CAPITULO II

ALCANOS2.1 NOMENCLATURA DE LOS ALCANOS 196

2.1.1 NOMBRES COMUNES 1962.2. PROPIEDADES FISICAS DE LOS ALCANOS. CONCEPTO

DE HOMOLOGIA 2072.3. REACTIVIDAD QUIMICA DE LOS ALCANOS.- 2092.4. CONFORMACIONES 214

CAPITULO IIICICLOALCANOS

3-1 PROPIEDADES FISICAS DE LOS CICLOALCANOS 2173.2 NOMENCLATURA DE LOS CICLOALCANOS 2173-3 ISOMERA GEOMETRICA EN LOS CICLOALCANOS 2193.4-ESTABILIDADES DE CICLOALCANOS; TENSION DEL ANILLO.- 2203.5 CALORES DE COMBUSTIN 220


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CAPITULO IV

ALQUENOS4.1 NOMENCLATURA DE LOS ALQUENOS Y CICLOALQUENOS 2304.2 ESTRUCTURA Y PROPIEDADES DE LOS ALQUENOS 2334.3 ESTEREOISOMERIA DE ALQUENOS 2334.4 REACCIONES QUMICAS DE LOS ALQUENOS 236

CAPITULO VALQUINOS5.1. NOMENCLATURA 2375.2 PROPIEDADES FISICAS DE LOS ALQUINOS 2385.3 ETINO 2385.4. REACCIONES DE ADICION DE LOS ALQUINOS 2395.5. LOS ALQUINOS COMO ACIDOS 2405.6 INPORTANCIA COMERCIAL DE LOS ALQUINOS 241

CAPITULO VIHIDROCARBUROS AROMATICOS6.1 NOMENCLATURA DE LOS ARENOS 2436.2 PROPIEDADES FISICAS DE LOS ARENOS 2456.3 REACCIONES DE LOS HIDROCARBUROS AROMTICOS 246

CAPITULO VIIALCOHOLES Y ETERES7.1 NOMENCLATURA 2507.2 AICOHOLES Y ETERES 2527.3. PREPARACIN DE ALCOHOLES 2537.4 REACCIONES DE LOS ALCOHOLES Y ETERES 2557.5 USOS 256

CAPITULO VIII

ALDEHDOS Y CETONAS8.1 NOMENCLATURA DE LOS ALDEHIDOS Y CETONAS 2598.2 PROPIEDADES FSICAS DE ALDEHIDOS Y CETONAS 2618.3 SNTESIS DE ALDEHIDOS Y CETONAS 2618.4 REACCIONES DE ALDEHDOS Y CETONAS 2638.5 USOS PRINCIPALES DE ALDEHDOS Y CETONAS 266


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CAPITULO IXACIDOS CARBOXILICOS9.1 NOMENCLATURA 2689.2. PROPIEDADES FISICAS DE LOS ACIDOS CARBOXILICOS 2699.3 REACCIONES DE LOS ACIDOS CARBOXLICOS 2709.4 USOS 271


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PRESENTACIONEl Centro Pre-Universitario de la Universidad Nacional Jorge Basadre

Grohmann que inici sus actividades el 04 de enero de 1988 gracias al empujede sus autoridades y un grupo de docentes

Ante la carencia de textos didcticos de preparacin, la Jefatura del CentroPre-Universitario decidi iniciar la elaboracin de los mismos dirigido a llenar

este vaco existente. Los docentes concientes del esfuerzo que se debadedicar respondieron al llamado y fruto de ello es esta serie iniciada en elCEPU verano 2002-II con ejemplares que solo abarcaban unos cuantos cursos,y que hoy en el verano 2003-II se complace en presentar un grupo de 12 textosque cubre todas las materias que se ensean en el Centro Pre-Universitario.

En el rea especifica de Qumica esta tarea ha sido llevada a cabo por elIngeniero Javier Nez Melgar de la Facultad de Educacin, profesional deamplia experiencia, y esperamos que su esfuerzo rinda el fruto esperado, y quelos jvenes sepan responder con mayor dedicacin y esfuerzo.

Joven estudiante pensando en tu preparacin para el ingreso a laUniversidad es que se ha preparado este texto, que nos ha demandadobastante esfuerzo humano y material, y que es posible que contenga errores,pero creemos que es as como se avanza, y en el camino se irn corrigiendo.

Ahora te planteamos el reto de que sepas responder ante este esfuerzo

Nuestro agradecimiento a la Sra. Doris Medrano y Sr. Wilber Quispe Prezquienes llevaron a cabo el tipeo del original, y a los Srs. Juan Loza y CarlosChipana encargados de la reproduccin en nuestro centro de impresiones

Ing. Salomn Ortiz QuintanillaJefe del Centro Pre-Universitario de la UNJBG

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CAPTULO IPRINCIPIOS ELEMENTALES1.1. NATURALEZA DE LA QUMICA

La qumica es una ciencia que estudia la naturaleza de la materia y los cambiosque sufre en su composicin. Esta ciencia constituye una rama de las cienciasfsicas estrechamente relacionada con la fsica y que se extiende a variasdisciplinas, desde la biologa hasta la geologa.

No es posible trazar una lnea divisoria entre la qumica y las otras cienciasfsicas y naturales; por ejemplo hoy en da la biologa ha venido a dependerconsiderablemente de la qumica celular; la geologa estudia en parte lacomposicin qumica de rocas y minerales. Por consiguiente, la qumica sepuede encontrar en casi todas las ciencias naturales.

Slo en el ao 600 A.C. surgieron los comienzos de la teora qumica. Tales,filsofo, astrnomo y gemetra, nacido en Mileto en el Asia menor, en el ao640 A.C. observ que el agua se encuentra en grandes cantidades en el cuerpo

del hombre y de otros seres vivos. De aqu, por razonamiento deductivo,sugiri la teora de que el agua era la sustancia fundamental de la que todas lascosas materiales estaban hechas. Posteriormente Anaxmenes tambin deMileto y que muri alrededor del 525 A.C., propuso que el aire era la sustanciaprimordial. Herclito filsofo de principios del siglo V A.C., postul al fuegocomo sustancia elemental. El filsofo Empdocles, fue el primero en expresarla idea de que la materia estaba compuesta de cuatro elementos : aire, tierra,fuego y agua.

Leucipo y Demcrito 400 aos A.C., fueron los primeros defensores de la

discontinuidad, Demcrito denomin tomos a estos grnulos pequesimos eindivisibles. Por lo tanto el concepto de que la materia no es indefinidamentesubdivisible se conoce como atomismo.La primera qumica (alquimia) se extendi desde Alejandra por todo el mundorabe, donde la bsqueda ms afanosa...era la transmutacin de los metales,y el elixir de la salud inmortal (Gibbon). Ambos objetivos eran perseguidos almismo tiempo. Exista la creencia general de que una sustancia capaz detransmutar metales en oro y plata transfigurara todo lo que tocara. Al cuerpo

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2 QUMICA Centro Pre Universitario de la UNJBG

humano le sera otorgada la salud eterna, y al alma la perfeccin espiritual.Muchos escritos sobre la alquimia reflejaban el misticismo de las religiones deOriente Medio y posteriormente, de Extremo Oriente. Las fuerzas de laalquimia sufrieron un cambio poco despus del ao 1500, fundamentalmentepor el trabajo de un Suizo, Philipus Aureolus Theophrastus Bombastus VonHohenheim. Mejor conocido con el seudnimo de Paracelso, que significamejor que Celsus. Paracelso emple mtodos alqumicos con el fin deencontrar medicinas para curar enfermedades. Durante su vida adquiri unagran reputacin como fabricante de drogas y como mdico en gran parte deEuropa.

Durante el renacimiento se puso de moda buscar la verdad mediante la razn ydisminuy el nmero de alquimistas charlatanes. El objeto de atencin de laalquimia pasaran a ser temas tales como las propiedades de los gases, temasque, nos parecen mucho menos ocultos que los anteriores objetos de

investigacin.

En 1743, nace el qumico francs A.L. Lavoisier, quien se interes en elproceso de la combustin, pero a diferencia de muchos dise cuidadosamentesus experimentos. Lavoisier procedi a quemar todo lo que caa en susmanos, incluso un diamante, pudo explicar correctamente que la aparenteprdida de peso que acompaaba la combustin de una sustancia como lamadera es simplemente el resultado de los productos de combustin decarcter gaseoso.

Para mejor comprensin del amplio campo de la qumica podemos dividirla enlas siguientes partes.

La qumica inorgnica que se encarga de estudiar a todos los elementos ysus compuestos.

La qumica orgnica que estudia principalmente a los compuestos del

carbono, excluyendo al CO, CO2, H2CO3 y sales que contengan al in2

3CO .

La fisicoqumica que estudia el equilibrio y la termodinmica de las reaccionesqumicas, as como la energa asociada al cambio qumico.

La qumica analtica que se encarga de dar a conocer los principios y mtodostcnicos del anlisis qumico, tiene como objetivo la determinacin de lacomposicin qumica de las sustancias o de sus mezclas. Se subdivide en:

a) Qumica analtica cualitativa que identifica los diversos elementos e ionesque intervienen en la composicin de una sustancia.


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b) Qumica analtica cuantitativa que determina la cantidad de cadaelemento o in que entra en la composicin de la sustancia.

1.2. MATERIA

La qumica se define a menudo como la investigacin de la materia y loscambios que esta sufre. Qu es entonces la materia y qu se entiende porcambio?

Materia es todo aquello que tiene una masa y ocupa un lugar en el espacio.Los metales, las plantas, el hombre, las perlas y los minerales son algunas delas innumerables cosas que estn compuestas por materia.

El efecto de la gravedad sobre la masa se llama peso, es uno de los aspectosms tiles de la materia con que est relacionado el qumico.

Considerando primero los tipos existentes de materia, se observa que suestado es variable. Un slido puede ser cambiado por lquido al aumentar latemperatura y sufrir otro cambio por gas al seguir aumentando esta. Estecambio de estado va asociado con la energa porque sta hace que lasmolculas vibren ms vigorosamente. Cuando las molculas absorbenenerga (Fig. 1.1 ) hay un movimiento que ocasiona desorden, lo que es posibleporque la energa permite a las molculas vencer las fuerzas de atraccin al

tener energa para moverse a mayor velocidad y a mayores distancias


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Fig. 1.1Esta tendencia hacia el desorden se llama a menudo incremento de la entropa.Los dos tipos de sustancias (Fig. 1.2) son elementos y compuestos. Cada unode los elementos es una sustancia simple constituida por una sola clase detomos.

Alrededor de 90 de ellos se hallan en la naturaleza y el resto son artificiales. Acada uno se le asigna un smbolo, tal como Zn para el Cinc, y un nmero

conocido como nmero atmico (Zn = 30), designado como 30Zn. El nmeroatmico nos permite conocer la cantidad de protones (cargas positivas) en elncleo.

Otra clase de sustancias es la de los compuestos. Un compuesto estconstituido por dos, ms, tipos de tomos unidos entre s.

A cada elemento o compuesto se le asigna una frmula que represente sucomposicin atmica, y con subndices apropiados se indica la relacin delnmero de tomos de cada elemento en el compuesto. Por ejemplo el

elemento cloro se encuentra ms frecuentemente en la forma de molculadiatmica y se representa por la frmula Cl2. El compuesto benceno estconstituido molecularmente por seis tomos de carbono y seis tomos dehidrgeno y se representa por la frmula C6H6. La sal comn, llamada tambincloruro de sodio, se representa por NaCl, aunque esta especie qumica estrealmente constituda por iones, si bien en la proporcin de un in sodio porcada in cloruro : Na+ Cl-.


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Cuando se juntan dos o ms sustancias, sin relacin definida de pesos, sehabla de mezclas. Una solucin, tal como cloruro de sodio disuelto en agua,es un tipo especial de mezcla llamada mezcla homognea. Los trminoshomogneo y heterogneo se aplican a soluciones y mezclas propiamente

dichas respectivamente. De ordinario se usa el criterio de diferenciacin visualpara hacer una diferencia entre ambos fenmenos. Por ejemplo, una fruta esuna mezcla heterognea debido a que es posible distinguir sus partesbasndose en las diferencias de color, textura, dureza, etc., pero el aire es unasolucin, es decir una mezcla homognea dado que no podemos distinguirvisualmente sus partes.

La distincin entre soluciones verdaderas y coloides es materia de grado msque de forma y la clasificacin es muy arbitraria. En general, las solucionesestn compuestas de mezclas ntimas de partculas de tamao atmico, inico

o molecular, con la limitacin adicional de que los iones o molculasinvolucradas son relativamente pequeas. Por otro lado, los coloides contienenmolculas ms grandes o iones de agregados estables de pequeas partculas.De esta manera se puede usar una clasificacin operativa:


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Fig. 1.2


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Una solucin es una mezcla homognea cuyas partculas componentes son

menores que ~ 31003

A.

1.3. CAMBIOS DE LA MATERIA

Estos se clasifican en fsicos y qumicos (Fig. 1.3)

C A M B I O S D E L A M A T E R I A

F I S I C O S Q U M I C O S

( N o s e f o r m a n n u e v a s s u s t a n c i a s ) ( S e f o r m a n n u e v a s s u s t a n c i a s )

Fig. 1.3

Un cambio del estado slido al lquido, es un cambio fsico ya que no haycambio en la composicin e implica una fusin (Fig. 1.4); en la ebullicin ocurreun cambio del estado lquido al estado gaseoso. La conversin de un slido agas se llama sublimacin y ciertas sustancias como el yodo y el dixido decarbono a 1 atm de presin, presentan esta propiedad. A menudo, lasmezclas de lquidos se pueden separar gracias a sus diferencias en sus puntosde ebullicin. A baja temperatura, el componente lquido que tiene el punto deebullicin ms bajo se vaporizar en mayor proporcin que otros componentes.

Enfriando el vapor a su temperatura de condensacin se obtiene un lquido msrico en el primer componente. Este proceso llamado destilacin puederepetirse para cada una de las diferentes porciones del destilado con el fin deseparar completamente los componentes de la mezcla original (destilacinfraccionada).

Fig. 1.4


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El trmino fase puede confundirse con estado. Un estado es una de las tresformas de la materia: gas, lquido o slido; pero una fase es una partehomognea de un sistema, fsicamente distinta, y que puede estar encualquiera de los tres estados. As, dos lquidos inmiscibles como el agua y eltetracloruro de carbono, estn en el mismo estado, pero si se colocan en elmismo recipiente, ser dos fases separadas (Fig. 1.5). Cualquier sistema conms de una fase se llama heterogneo (Fig. 1.6).

Fig. 1.5 Fig. 1.6

Cambio qumico es aquel que partiendo se sustancias llamadas reactivospermite producir sustancias nuevas llamadas productos. Cuando el total delos reactivos se convierten en productos, se dice que la reaccin esestequiomtrica. La reaccin de este tipo se puede representar de la maneraque a continuacin se indica:

A+B C+D

Reactivos Productos

Las reacciones cuyos productos reaccionan entre si para volver a formar losreactivos iniciales hasta llegar a un equilibrio se llaman reacciones en equilibrio

A + BC + D

La prueba de que se efecta un cambio qumico implica una o ms de lassiguientes circunstancias

1. Se produce un gas


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Zn(s) + 2 HCl(aq) Zn Cl2(aq) + H2(g)

2. Se forma un precipitado

Ag+(aq) + Cl(aq) Ag Cl(s)

3. Se observa un cambio de energa

CH4(g) + 2 O2(g) CO2(g) + 2 H2O(l )

4. Ocurre un cambio de color

N2 O4(g) 2N O2(g)

gas incoloro gas pardo rojizo

Como puede verse, una ecuacin representa una reaccin qumica queidentifica a las sustancias que toman parte en la reaccin, por sus frmulas.

Se indica el estado fsico de los reactivos y productos, usando:

(g) para sustancias en estado gaseoso(s) para slidos( l) para lquidos puros

(aq) para sustancias disueltas en agua

Observe que las ecuaciones se ajustan, no pudindose cambiar los subndicesde las frmulas. El ajuste se refiere no slo a la cantidad de tomos en cadamiembro de la ecuacin, tambin se refiere a la carga elctrica.

Otra consideracin que es importante para el cambio estequiomtrico es elhecho de que, en condiciones ordinarias, la materia no se crea ni se destruye.Si se empieza con cinco gramos de reactivos se debe terminar con cincogramos de productos. La medicin de materia perdida por su conversin en

energa en un cambio qumico ordinario no es detectable en el laboratorio.Slo en cambios como el que ocurre en una explosin atmica se puede medirla conversin de materia en energa. La ecuacin de Einstein establece que,realmente, materia y energa son las dos caras de la misma moneda

E = m c2

donde: E = energa


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m = masac2 = velocidad de la luz al cuadrado

1.4. PROPIEDADES QUIMICAS Y FSICAS

Como ha podido verse las propiedades qumicas de las sustancias sonaquellas que se asocian en las reacciones qumicas: procesos en los cuales lasdistribuciones electrnicas alrededor de los ncleos de las especiesparticipantes se alteran sin que se produzca cambio en la composicin nuclear.Otros ejemplos son procesos tales como la reaccin del sodio metlico con elagua para formar hidrgeno en forma de gas e hidrxido de sodio; lacombustin de la gasolina en el motor de un automvil; la fermentacin de losazcares; y la fabricacin de jabn a partir de grasas.

Las propiedades fsicas son aquellas que afectan directa o indirectamente

nuestros sentidos y nos permiten describir los objetos; se subdividen enextensivas (dependen de la cantidad de muestra) e intensivas (no dependen dela cantidad de muestra), no implican cambios mayores en las distribucioneselectrnicas alrededor de los ncleos. Entre ellas estn:

Densidad, la relacin entre la masa y el volumen de una sustancia. Lasdensidades de los lquidos o gases se pueden determinar midiendoindependientemente la masa y el volumen de la sustancia. En el caso delos slidos, la densidad en ms difcil de determinar. En primer lugar, semide la masa del slido, pesndola en una balanza. El volumen sedetermina de manera indirecta, midiendo el volumen de lquido desplazadopor el slido.

Punto de fusin, la temperatura a la que una sustancia pura cambia deslido a lquido. El punto de fusin de una sustancia pura es idntico a supunto de congelacin.

Punto de ebullicin, la temperatura a la que un lquido hierve formando unvapor.

Solubilidad, el grado en que una sustancia se disuelve en un determinadosolvente. La solubilidad se suele expresar como los gramos de solutodisueltos en 100 g de agua, cuando el solvente es el agua y a determinadatemperatura.

Midiendo varias propiedades fsicas y comparndolas con valores conocidos,es posible identificar una sustancia. Supongamos que una sustancia tiene una


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densidad igual a 0,659 g/ml, su punto de fusin es de 94 C, su punto deebullicin es de 69 C, y su solubilidad en ter es muy grande. Obviamente setrata de hexano ya que las propiedades mencionadas coinciden con laspropiedades fsicas del hexano que aparecen en los manuales

correspondientes.

1.5 ENERGA

La relacin entre la masa y la energa est regida por la ecuacin de EinsteinE = m c2 en donde la energa en ergios, E, es equivalente a la masa en

gramos, m, por el cuadrado de la velocidad de la luz, c. La velocidad de la luzen el vaco es 2,998 x 1010 cm / s. Entonces, 1 gramo de masa es equivalentea 1 x (2,998 x 1010 cm / s)2 es decir, aproximadamente 9 x 1020 ergios.

Antes de seguir adelante conviene hacer la siguiente puntualizacin.Normalmente nos referimos a c como la velocidad de la luz, y sin duda lo es.Sin embargo, usando una terminologa ms correcta deberamos referirnos aella como la velocidad de la radiacin electromagntica. La luz visible esnicamente una clase particular de una gran variedad de ondas, todas lascuales se mueven a velocidad c. Esta familia incluye rayos ultravioletas,ondas de radio, rayos X, microondas y rayos gamma. Se puede pensar entodas ellas como compuestas de fotones, aunque la longitud de onda del fotncorrespondiente a cada clase es diferente. Todas se mueven a la mismavelocidad y la luz visible no tiene ninguna caracterstica especial sino que es un

miembro ms de la familia de radiaciones electromagnticas.

La energa se define como la capacidad de realizar trabajo y el trabajo sedefine como el producto de la fuerza por la distancia a lo largo de la cual actua.

As, en ltimo trmino, la energa esta relacionada con la capacidad de produciruna fuerza que acte a lo largo de una distancia determinada. Por ejemplo, allevantar un objeto pesado los msculos del brazo ejercen una fuerza quecontraresta la fuerza de la gravedad que atrae el objeto. Esta fuerza acta a lolargo de toda la distancia que desplazamos el objeto. Se ha realizado trabajo(fuerza x distancia) sobre el objeto y con ello el objeto ha adquirido tambin la

capacidad de realizar trabajo.

Por ejemplo, si el objeto cae ejercer una fuerza sobre cualquier otro objetoque encuentre a su paso. En definitiva cuando levantamos un objetorealizamos trabajo sobre el mismo; pero cuando ha sido ya levantado, l a suvez, puede realizar trabajo sobre otra cosa y por tanto, posee energa. Estaenerga, esta asociada con la posicin del objeto (cuanto ms alto est, msenerga tiene) y recibe el nombre de energa potencial.


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En este ejemplo hemos hablado de la energa que adquiere un objeto al serlevantado en presencia de un campo gravitacional. Pero hay otras clases deenerga potencial asociadas con otras clases de fuerzas. Por ejemplo si elelectrn del tomo que se muestra en la figura 1.7; se encuentra originalmenteen el punto A y lo desplazamos a hasta B, tenemos que realizar trabajo parasuperar la fuerza elctrica atractiva entre el ncleo y el electrn. El electrnadquiere energa potencial en este proceso, del mismo modo que el objetoadquiri energa al elevarlo en contra de la fuerza de la gravedad. Enconsecuencia, el movimiento de electrones en las proximidades del ncleo o laredistribucin de electrones en un conjunto de tomos cambiar la energa delsistema.

Fig. 1.7

Dado que este tipo de redistribucin tiene lugar en las reacciones qumicas, nosreferimos a menudo a esta clase de energa, como energa potencial qumicapara distinguirla de la energa potencial gravitatoria. Por ejemplo, la energaque se obtiene de la combustin de la gasolina, necesaria para poner un cocheen movimiento, proviene en ltima instancia de la energa potencial qumicaliberada al convertirse largas cadenas de hidrocarburos en otras ms pequeascon la consiguiente redistribucin de electrones.

Tambin hay una energa asociada al movimiento, la llamada energa cintica.Por ejemplo, en el juego de bolos debe ejercerse una fuerza con la mano a lolargo de una distancia para conseguir que la bola se deslice sobre la pista.Cuando la bola alcanza los bolos algunos de ellos salen despedidos por losaires (adquiriendo energa potencial en el proceso) y otros son simplementedesplazados. As, pues, se suministra energa a la bola con la mano, de lamisma manera que se suministra energa a un objeto al levantarlo contra uncampo gravitacional. Materialmente, la energa cintica se describe como lamitad del producto de la masa de la partcula por su velocidad al cuadrado.


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Ec =2

2mv

A finales del siglo diecinueve, los fsicos conocan dos tipos de energa cintica y potencial -, y muchas subclases de cada una de ellas. Saban,adems, que aunque la energa de un sistema aislado poda cambiar de forma,la energa total del sistema se mantena constante en el tiempo. Por ejemplo,hemos dicho que la energa qumica de la gasolina poda convertirse en laenerga cintica de un automvil. Este es un proceso en el que la energacambia de forma, pero la energa del coche siempre ser menos que ( comomucho igual a) la energa potencial cedida por la gasolina. Esta conclusinsegn la cual la energa no se crea ni se destruye recibe el nombre de principiode conservacin de la energa y constituye uno de los pilares de la fsica

clsica.

UNIDADES DE ENERGALa unidad de energa mecnica es el ergio, o sea la energa producida cuandouna dina de fuerza acta a lo largo de una distancia de 1 cm. Una dina es lafuerza que al actuar sobre 1 g de masa produce una aceleracin de 1 cm/s 2.Un julio es 107 ergios. La energa calorfica se mide en caloras y una caloraes la energa calorfica necesaria para elevar la temperatura de 1 g de agua de15 a 16C. Una calora es equivalente a 4.18 julios. Se debe mencionar otraunidad de energa para ahondar en esta rea. Las aplicaciones prcticas de

los electrn-voltios (eV) en los laboratorios no son tan amplias como lascaloras y los julios, pero tienen su uso. Un electrn-voltio es la cantidad deenerga que obtiene un electrn al pasar entre dos puntos que tienen unadiferencia de potencial de un voltio.

1.6 RADIACIN ELECTROMAGNTICA

Las cargas elctricas originan en un punto del espacio, perturbaciones, en estecaso vibraciones, no materiales que se propagan en forma de movimientoondulatorio, dando lugar a campos elctricos y magnticos; hay propagacin dela perturbacin pero no de materia.Los campos elctricos y magnticos se propagan perpendicularmente entre sconstituyendo la radiacin electromagntica. Todo el conjunto de radiacioneselectromagnticas da lugar al espectro electromagntico. En toda radiacinhay que considerar su energa, su longitud de onda y su frecuencia.

La longitud de onda, , es la distancia entre dos puntos con las mismascaractersticas en el camino que sigue la radiacin; es decir, la distancia entre


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el pico de una y otra cresta. El otro smbolo en el diagrama (a) es la altura dela onda llamada amplitud Fig. 1.8. La longitud de onda se mide en unidadesde longitud, y segn la radiacin que se considere, se expresa desde Km = 10 5

cm a m = 102 cm, hasta nm = 10-9m y angstrons A = 10 -8cm, eligindose paracada tipo de radiacin las unidades ms cmodas de manejar.

Fig. 1.8

La frecuencia, v, es el nmero de vibraciones en la unidad de tiempo. Se mideen s-1, ciclos por segundo, o hertz (Hz), unidad as denominada en honor aHeinrich Hertz.

La relacin que liga la longitud de onda, , y la frecuencia, , es:

=v

c, siendo c la velocidad de la luz = 3 x 1010 cm/s.

A cada radiacin le corresponde una determinada energa radiante, E, que serelaciona con la longitud de onda y la frecuencia, por las expresiones:

E = h v y E = h c/ ; h es una constante universal, la constante de Planck, ysu valor es h = 6,625 x 10 -27 erg.s; como vemos h tiene las dimensiones deenerga multiplicada por tiempo.

Ejemplo 1.1.

Cul es la frecuencia de una radiacin electromagntica cuya longitud deonda es 250 nm?

1) Se ordena los datos verificando que las unidades sean las adecuadas = x = 250 nm = 2,5 x 10-5 cmc = 300 000 km/s = 3 x 1010 cm/s


24/293

[Escribir texto]

2) Resolviendo la ecuacin

=

c=

cmx

scmx5

10

105.2

/103

= 1.2 x 1015 ciclos/s ( herts)

Se deduce de la ecuacin que relaciona la energa radiante con la longitud deonda, E = h c/, que las ondas con menor longitud son las que tienen unamayor energa; por el contrario las ondas de mayor longitud han decorresponder a las de menor energa (Fig. 1.9).

La luz blanca, compuesta por los distintos colores, es el conjunto deradiaciones electromagnticas que impresionan al sentido de la vista.

Si la luz blanca, pasa a travs de un prima ptico, al salir ha cambiado dedireccin, se ha refractado, y adems se dispersa: es decir, el haz emergentese ha descompuesto en sus colores o sus radiaciones electromagnticas dediferente longitud de onda.


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Fig. 1.9

Recogiendo el haz emergente sobre una pantalla tendremos un espectro deemisin continuo (Fig. 1.10), compuesto por diversos colores, el color rojocorresponde a la radiacin de menor energa y el violeta a la mayor energa.

Fig. 1.10

Ejemplo 1.2.

Cul es la energa de un fotn de luz roja ( = 760 nm)?1) Se ordena los datos verificando que las unidades sean las adecuadas

E = xh = 6,62 x 10-27 ergio. s

=

c=

cmx

scmx5

10

106,7

/103


E = h

c

E =cmx

scmsergiox5

1027

106,7

/103.1062,6


26/293

[Escribir texto]

E = 2,6 x 10-12 ergios

1.7 MEDICIN EN QUMICANOTACION CIENTFICA

Es un mtodo de expresar nmeros que debido a su eficiencia es muy utilizado.Es una escritura con exponentes. El exponente indica cuantas veces semultiplica un valor por s mismo. A continuacin unos ejemplos:

22 = 2 x 2 = 4

33 = 3 x 3 x 3 = 27

103 = 10 x 10 x 10 = 1 000

270 = 2,7 x 102

400 = 4,0 x 102

Cuando un nmero es menor que 1, se aplica el mismo mtodo, pero seinvierte la direccin en que se desplaza el punto decimal. La inversin seindica por medio de exponentes negativos.

0,1 = 1 x 10-1

0,01 = 1 x 10-2

0,035 = 3,5 x 10-2

0,0005 = 5,0 x 10-4

MANEJO DE EXPONENTES

1.Cuando la operacin implica multiplicacin, sume los exponentesalgebraicamente; por ejemplo:

103 x 104 = 107 102 x 10-8 = 10-6

2.Cuando la operacin implica divisin, reste el exponente del divisor delexponente del numerador, por ejemplo:


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4

2

6

1010

10=

5

2

3

1010

10=

3.Cuando la operacin involucra races o potencias, divida el exponente por elnmero de la raz, o multiplique el exponente por el nmero de la potencia,respectivamente; por ejemplo:

2 810 = 28

10= 410

5 1010 = 510

10 =2

10

( 210 )3 = 102x3 = 106

( 110 )-3 = 10(-1) (-3) = 103

UNIDADES SI

UNIDADES BASICAS

El Sistema Internacional de Unidades o Sistema Internacional (SI), que viene aser una ampliacin del sistema mtrico, fue adoptado en la 11 ConferenciaGeneral de Pesos y Medidas en 1960. Est construido a partir de sieteunidades bsicas, representando cada una de ellas una magnitud fsica enparticular (tabla 1.1).


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[Escribir texto]

Magnitud fsica

1. Longitud metro m

2. Masa kilogramo kg

3. Tiempo segundo s

4. Temperatura kelvin k

5. Cantidad de sustancia mole mol

6. Intensidad de corriente amperio A

7. Intensidad de Luz candela cd

Nombre de la Unidad Smbolo

Tabla 1.1 Unidades bsicas del SI

De las siete unidades de la tabla 1.1, las cinco primeras son particularmentetiles en qumica general. Se definen as:1. El metro se defini en 1960 como igual a 1 650 763, 73 veces la longitud

de onda de una cierta lnea en la regin del rojo-naranja, del espectro deemisin del criptn 86.

2. El kilogramo es la masa igual a la de un bloque de platino-iridio que seconserva en la Oficina Internacional de Pesos y Medidas de Svres, enFrancia.

3. El segundo se defini en 1967 como el tiempo que tardan en producirse 9192 631 770 perodos de una determinada lnea del espectro demicroondas del cerio-133.

4. El kelvin es 1/273,16 del intervalo de temperatura entre el cero absoluto yel punto triple del agua (0,01C = 273,16K).

5. El mol es la cantidad de sustancia que contiene el mismo nmero deentidades elementales que la constituyen que los tomos que hay en

0,012kg, exactamente, de carbono-12.

Prefijos usados con unidades SI

Las fracciones decimales y potencias del SI se designan usando losprefijos de la tabla 1.2. Los ms usados en qumica general aparecensubrayados.


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Factor Factor

1012

tera T 10-1

deci d

10 giga G 10-

centi c

10 mega M 10-

mili m

103

kilo k 10-6 micro u

102

hecto h 10-9 nano n

101

deca da 10-12 pico p

10-15 femto f

10-

atto a

Tabla 1.2 Prefijos del SI

Prefijo Smbolo Prefijo Smbolo

CONVERSIN DE UNIDADES DEL SI EN OTRAS UNIDADES

TEMPERATURANuestros cuerpos son muy sensibles a los cambios de temperatura. Cuandonos acercamos a un fuego sentimos calor porque su temperatura es mayor quela nuestra. Cuando abrimos el refrigerador percibimos el fro porque sutemperatura es ms baja que la nuestra. La temperatura es el factor quedetermina la direccin del flujo de calor. En general, cuando dos objetos de

distinta temperatura se ponen en contacto el calor fluye desde el que tiene latemperatura mayor al que la tiene menor. Los termmetros de mercurio queusamos en el laboratorio, estn divididos en grados centgrados o Celsius, enhonor del astrnomo Anders Celsius (1704 - 1744). En esta escala el punto defusin del agua se hace igual a 0C y el punto de ebullicin a una atmsfera a100C. En pases de habla inglesa es comn una escala basada en el trabajode Daniel Fahrenheit (1688 - 1736), un fabricante alemn de aparatoscientficos que fue el primero en utilizar el termmetro de mercurio. En estaescala los puntos normales de fusin y ebullicin del agua son 32 y 212, esdecir:

32F = 0C; 212F = 100C

La relacin entre la temperatura expresada en ambas escalas es:

F = 9/5 (C) + 32

Otra escala de temperatura, de especial utilidad cuando se trabaja con gases,


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[Escribir texto]

es la escala absoluta o escala Kelvin. La relacin entre las temperaturas K yC es:

K = C + 273 (Fig. 1.11.)

Esta escala lleva el nombre de Lord Kelvin, que mostr matemticamente, quees imposible alcanzar una temperatura inferior a 0 K.

CONVERSIN DE UNIDADES POR FACTORES UNITARIOS

Cualquier cantidad puede multiplicarse por la unidad sin cambiar su valor. Asmismo podemos expresar el valor de una cantidad cambiando las dimensionesmediante la conversin de una medida al equivalente total de sus unidades:cambian los nmeros pero no cambia el valor.Por ejemplo, si alguien pregunta el nmero de centmetros que hay en dos

metros, respondemos 200cm.

2 m xm

cm

1

100= 200 cm

- -

Fig. 1.11


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El factor unitario 100cm/1m tiene el valor de la unidad debido a que cualquierfraccin cuyo numerador y denominador son equivalentes, es igual a uno. Laconversin se hace multiplicando la cantidad por los factores unitariosapropiados hasta que puedan cancelarse todas las dimensiones, excepto lasdeseadas en la respuesta.

Ejemplo 1.3.

Convierta 20 pulgadas a centmetros:Primero, busque el factor de conversin

20 pulgadas x

adapu

cm

lg1

54,2

factor de conversinSegundo, proceda a eliminar las unidades asegurndose que su respuestacontiene las unidades deseadas

20 pulgadas xadapu

cm

lg1

54,2

50.8 cm

Ejemplo 1.4.

Convierta 3 caloras a ergios usando los factores adecuados

3cal xcal

julios

1

8,4x

julio

ergios

1

107

12,54 x 107 ergios

Expresando el resultado con una sola cifra entera y en notacin cientfica

1,254 108 ergios

PROBLEMAS RESUELTOS

EJEMPLO TIPO SOBRE UNIDADES. FACTORES DE CONVERSIN


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33/293


1nm = 10-9m

Se buscan los factores de conversin

5,50 x 10-5 cm x cm

m

100

1

x m

nm9

10

1

5,50 x 10-5 cm = 5,50 x 102 nm

4. Convierta 300ml en litros usando notacin cientfica

300ml = 3 x 102 ml

multiplicando por el adecuado factor de conversin

3 x 102 mlml

l310

1= 0,3 l = 3 x 10-1 litros

5. Cul es la densidad en g/cm3 de un lquido 840 cm3 del cual pesan 1 kg?

Dado que 1kg = 1000g

1cm3 pesar

840

1000g, es decir 1,190g

Por tanto, la densidad es 1,190g/cm3

6. Cul es el costo de 3 litros de un aceite de densidad 0,8g/cm3, que sevende a 3 soles el kilogramo? Usando factores de conversin.

3 litros x 1000litro

cm3x 0,8

3cm

gx

g

kg

1000

1x 3

kg

soles

7.2 soles

7. A 4C, la densidad del agua en el sistema ingls es 62,43 libras/pie cbico.Cul es el volumen en litros ocupado por 1200g de agua?

Volumen =densidad

masa=

cbicopielibras

g

/43,62

2001


34/293

[Escribir texto]

libras

cbicopieg

43,62

2001 x

g

libra

6,453

1x

cbicopie

litros316,28= 1.2 litros

8. Expresar la temperatura 100 F en C.

Como los 32F corresponden al 0C, hay que restar primero 32 del valorFahrenheit para conocer los grados Fahrenheit situados por encima del C.

100F - 32F = 68F

Sabemos que 100C = 180F, el factor de conversin es

1 =FC

180100 =

FC

95

Por tanto

68F xF

C

9

5= 37,7C

9. Expresar la temperatura de 50C en F. Para convertir C en F usamos la

expresin:

5

9 C+ 32 = F

5

)50(9 C+ 32 = F

122F

10. Expresar la temperatura 68F en grados absolutos Kelvin.Como los 32F corresponden al 0C, usamos la expresin ya conocida:

5

9 C+ 32 = F


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C =9

5)32( F

20C

Al valor encontrado en grados centgrados se le suma 273 para obtener latemperatura absoluta en grados Kelvin

20C + 273 = 293K

11. Si la energa cintica de una pelota en movimiento es 5 X 107 ergios.Cul es su valor en julios?

Partiendo de la relacin: 1 julio = 107 ergios, se tiene el factor de conversin

x 107 ergios xergios

julio

710

1= 5 julios

EJEMPLO TIPO SOBRE LA ENERGA

12. Cul es la frecuencia de una radiacin cuya longitud de onda es 750 nm?

1) Ordenando datos y verificando compatibilidad de unidades

c 3 x 1010 cm/s

750 nm = 7,5 x 10-5 cm

?

750 nm xnm

m9

10

1 x m

cm

1

100= 7,5 x 10-5 cm


=

c =cm

scm5

10

105.7

/103

=

= 4 x 1014 s-1 ( hertz)

13. Cul es la energa de un fotn de luz violeta ( = 420 nm)?


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[Escribir texto]

1) Ordenando datos para la frmula E = hv

E ?

h 6.62 x 10-27 ergios (s)

=

c=

cm

scm5

10

102.4

/103


E =

cm

scmsergios5

1027

102.4

)/103()(1062.6

E = 4.7 x 10-12 ergios

14. A qu velocidad se mueve un objeto de 4g cuya energa cintica es de 8 x106 ergios?

1) Ordenando datos para la ecuacin

E =2

2mv

v ?

m 4g

E 8 x 106 ergios

Despejando la velocidad y resolviendo la ecuacin

E =2

2vm

m

E2= v 2

Dado que las unidades usadas son del sistema c.g.s, la velocidad se


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obtendr en cm/s.

v =

m

E2

v =g

ergios

4

1082 6

v = 2 x 103 cm/s

15. Cul es la cantidad de energa que se produce en una explosin nuclearen la que 3g de materia se han transformado ntegramente en energa?

1) Ordenando para la ecuacin E = mc2

E ?

m 3g

c 3 x 1010 cm/s


E = m c2

= 3g x 9 x 1020 cm2/s2

E = 2,7 x 1021 ergios


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CAPITULO IITOMOS Y MOLCULAS

2.1 DE DEMOCRITO A DALTON

Demcrito pensaba que el mundo estaba formado por dos cosas, el vaco ydiminutas partculas a las que llam tomos, palabra que viene del griego y

significa indivisible. Tambin opinaba que los tomos eran muy pequeos y nopodan destruirse ni fragmentarse.

En 1808 John Dalton, profesor ingls de ciencias, destac que elcomportamiento qumico de la materia poda explicarse suponiendo que lamateria est compuesta de tomos. Dalton propuso:

1. Que la materia est compuesta de pequeas partculas llamadas tomos.2. Los tomos son permanentes e indivisibles y no pueden crearse ni

destruirse.

3. Todos los tomos de un elemento son idnticos en todas sus propiedadesy los tomos de elementos diferentes tienen propiedades diferentes.4. El cambio qumico consiste en la combinacin, separacin o

reordenamiento de tomos.5. Los compuestos estn constituidos por tomos de elementos diferentes en

proporciones fijas.

Al igual que Demcrito, Dalton crey incorrectamente que el tomo era lapartcula ms pequea de la materia.Experimentos posteriores demostraron que los tomos estn constituidos por

unidades todava ms pequeas. Hasta hoy da los fsicos han determinadoms de 100 partculas subatmicas diferentes. Afortunadamente, slo trespartculas subatmicas son importantes en el estudio introductorio de laqumica: el electrn el protn y el neutrn.

2.2 DESCUBRIMIENTO DEL ELECTRON

A mediados del siglo diecinueve, los fsicos experimentaban con un nuevo

- 29 -


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fenmeno que se intua iba a cambiar drsticamente la excesivamentesimplificada imagen atmica de la materia. Por aquel entonces se estabanestudiando las propiedades elctricas de los gases enrarecidos mediante unaparato especial. Dicho aparato consista en un tubo de vidrio, en cuyo interiorse haba hecho un vaco casi total, y que llevaba en cada extremo una placametlica.

Cuando se aplico una diferencia de potencial elctrico entre las dos placas, seobserv un extrao fenmeno. Una fina lnea de gas brillante se formabacerca de la placa cargada negativamente (el ctodo) y se extenda hacia laplaca cargada positivamente (el nodo). El anlisis de la luz emitida por eltubo indicaba que esta fina lnea estaba formada por residuos de gas que sehaban calentado al circular alguna cosa a travs del mismo. A esta cosadesconocida se llam rayos catdicos, y la investigacin se centr en lanaturaleza de su identidad.

J.J. Thomson, fsico ingls, despus de aos de investigacin, en 1897,demostr que los campos elctricos y magnticos podan desviar a los rayoscatdicos de su trayectoria rectilnea (Fig. 2.1). A menos que estos rayosfueran un chorro de partculas cargadas elctricamente, no deberanconducirse de esa manera. Thomson prob que los rayos catdicos eranpartculas negativas, a las que se dio el nombre de electrones.Las partculas componentes de los rayos catdicos tienen siempre la mismacarga elctrica y la misma masa. Como sus propiedades son independientesdel material catdico, se puede concluir que estn presentes en toda lamateria.

Fig. 2.1

En un elegante experimento Thomson aplic simultneamente un campo


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tomos y Molculas 31

elctrico y uno magntico a rayos catdicos y a partir de sus resultados pudocalcular la razn carga-masa (e/m) del electrn. El valor de esta razn es:

e/m = 1.76 x 108 C g-1

Donde C representa al coulomb, una unidad de carga elctrica.

La primera medida precisa de carga del electrn fue hecha por Robert A.Millikan en 1909. En el experimento (Fig. 2.2), los electrones son producidospor la accin de rayos X sobre las molculas de las cuales est compuesto elaire. Pequeas gotas de aceite recogen electrones y adquieren cargaselctricas. Las gotitas de aceite se depositan entre dos placas horizontales y lamasa de una sola gota se determina midiendo su velocidad de cada.

a c e i t ea t o m i z a d o

g o t a e no b s e r v a c i n

p l a c a d e lc o n d e n s a d o r

Fig. 2.2

Cuando las placas estn cargadas, la velocidad de cada de la gota se modificadebido a que la gota cargada negativamente es atrada hacia la placa positiva.Las medidas de la velocidad de cada en estas circunstancias permitencalcular la carga de la gota. Debido a que una gota dada puede recoger uno oms electrones, las cargas calculadas en esta forma no son idnticas. Sinembargo, todas son mltiplos sencillos del mismo valor, el cual, se supone, esla carga de un electrn.

El valor de la carga es 1.6 x 10-19C.

Combinando el valor de la carga del electrn con la razn carga-masa,encontramos la masa del electrn.


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m =me

e

/=

18

19

1076,1

106,1

gC

C= 9,1 x 10-28 g

2.3 EL MODELO DE THOMSON

Que hay en el tomo adems de electrones?Cul es la estructura de los tomos?. En 1898 J.J. Thomson razon as: almoverse los electrones de un tomo dejan un in positivo cuya masa es mayorque la del electrn. Cada tomo est entonces compuesto de una granmasa positiva ms una cierta cantidad de electrones distribuidos de manerauniforme, tal como granos de arena engastados en una bola de manteca, cadaelectrn manteniendo su carga negativa particular. La teora no era lacorrecta, pero proporciono a los cientficos un modelo con que trabajar , deforma que su posterior reestructuracin condujo a una comprensin ms

precisa de la estructura atmica. (Fig. 2.3)

Fig. 2.32.4 LA RADIOACTIVIDAD

En febrero de 1896, Becquerel envolvi una placa fotogrfica con papel negrode doble espesor recubierto con sulfato doble de uranilo y potasio, y lo expusoal sol durante varias horas. Al desenvolver la placa apareci impresionado elcontorno correspondiente a la cubierta qumica. Becquerel pens que sehaba producido radiacin X en las sales de uranio por efecto de la luz solarcomo ocurra en la fosforescencia; pero dos das ms tarde, al intentar repetir elexperimento , el tiempo apareci muy nuboso y, por lo tanto, guard eldispositivo en una habitacin. El 1 de marzo, Becquerel desenvolvi la placa,y encontr de nuevo impresionado en ella el contorno correspondiente a la sal

de uranio. Independientemente de lo que hubiera excitado a las dos placas,no tena nada que ver con los rayos solares ni con la fosforescencia, sino quedeba ser una forma de radiacin desconocida proveniente, como se supodespus del propio uranio y sin ninguna influencia externa. Esta capacidad deemitir radiacin de manera espontnea se llama radioactividad.

A raz del descubrimiento de Becquerel, otros cientficos se sumaron a lainvestigacin. En 1898 Marie y Pierre Curie, colegas de Becquerel en la


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tomos y Molculas 33

Sorbona, investigaron el componente activo de la pechblenda. Consiguieronaislar un gramo de un nuevo elemento a partir de una tonelada de material.Este elemento tena una radioactividad ms intensa que el uranio. Lellamaron polonio por el pas en el que haba nacido Marie Curie. Seis meses

despus aislaron otro elemento, fuertemente radioactivo el radio.Podemos caracterizar los tipos de radioactividad ms comunes como:

1. La radiacin alfa () consiste en una emisin de partculas cargadaspositivamente con carga + 2 y masa 4 en la escala de masas atmicas.

Estas partculas son idnticas a los ncleos de helio, 42

He

2. La radiacin beta () consiste en una emisin de partculas cargadas

negativamente de propiedades idnticas a los electrones, 01

e

3. La radiacin gamma () consiste en una emisin de fotones de alta energay de longitud de onda muy corta (= 0.0005 a 0.1 nm)

2.5 EL MODELO NUCLEAREn 1907, Rutherford abandon Montreal para convertirse en profesor de launiversidad de Manchester, en Inglaterra, en 1908 recibi el Premio Nbel deQumica por su trabajo en radiactividad. En 1909, Hans Geiger y ErnestMarsden, que trabajaban en el departamento de Rutherford en Manchester,llevaron a cabo experimentos en los que un haz de partculas alfa se dirigacontra una delgada hoja metlica. Las partculas alfa provenan de tomosradiactivos naturales ya que no existan aceleradores de partculas por aquellosdas. El proceso de las partculas dirigidas contra la hoja metlica quedabadeterminado mediante contadores de centelleo, pantallas fluorescentes quebrillan cuando incide sobre ellas una partcula de stas. Algunas de laspartculas atravesaban el metal; otras eran desviadas y emergan formando uncierto ngulo con el haz original; finalmente, y para sorpresa de losexperimentadores algunas rebotaban en la hoja metlica y volvan en la mismadireccin de incidencia. (Fig. 2.4.)

El mismo Rutherford dio con la solucin. Cada partcula alfa tiene una masasuperior a 7 000 veces la del electrn, y pueden moverse a velocidadesprximas a la de la luz. Si una de estas partculas choca contra un electrn, laaparta fcilmente de su camino. Las desviaciones se producen por las cargaspositivas que poseen los tomos del metal; pero si el modelo de Thomson fueracorrecto no se producira el rebote de las partculas incidentes. Si la esfera decarga positiva rellenara el tomo, las partculas alfa deberan atravesarlopuesto que el experimento mostraba que la mayora de las partculas


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atravesaban la hoja metlica. Pero si la bola de manteca permita el pasoa una partcula debera permitir el paso a todas; salvo que toda la cargapositiva estuviera concentrada en un estrecho volumen mucho menor que el detodo el tomo, en cuyo caso una partcula alfa poda incidir ocasionalmentesobre esta densa concentracin de carga y de materia saliendo rebotada;mientras tanto la gran mayora de partculas alfa incidentes pasaran por elespacio vaco intermedio entre las zonas positivamente cargadas de lostomos.

h o j am e t l i c a

c o n t a d o r d e

c e n t e l l e o

p a r t c u l a s

Fig. 2.4Slo con esta disposicin la carga positiva del tomo poda hacer retrocederen su camino, a veces, a las partculas alfa, poda desviar ligeramente a otras

en su trayectoria y tambin era posible que en otras ocasiones las dejaraprcticamente sin perturbar (Fig. 2.5). La mayora de las partculassubatmicas pasaban directamente, pocas eran desviadas casi en la mismadireccin incidente.


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tomos y Molculas 35

h o j am e t l i c a

p a r t c u l a s

Fig. 2.5

La dimensin del ncleo, comparada con las dimensiones del tomo, essumamente pequea; esto indica la alta concentracin de masa-carga elctricapositiva, en el ncleo. Ahora, con respecto a los electrones, Rutherford propusoque se situaran a manea de satlites al rededor del ncleo, describiendodiferentes trayectorias aunque sin definirlas. Segn el modelo de Rutherford,

si una carga elctrica en movimiento y acelerada irradia energaelectromagntica, un electrn ligado al ncleo de un tomo deberaprecipitarse sobre el ncleo, de manera que el tomo no sera estable yproducira un choque que generara energa. La teora ms implantada sobrela manera de contrarrestar esta tendencia del tomo al colapso era suponerque los electrones giran en rbitas alrededor del ncleo, como lo hacen losplanetas alrededor del sol. Pero los movimientos orbitales suponen unaaceleracin continua y esa celeridad de la partcula en rbita puede nocambiar, aunque si cambia la direccin del movimiento, y ambos celeridad ydireccin juntos definen la velocidad, que es el factor ms importante. Como la

velocidad de los electrones en rbita cambiaba, stos deberan irradiar energay, al perderla precipitarse en espiral sobre el ncleo. De modo que, anacudiendo a movimientos orbtales, los cientficos deban aceptar la idea delcolapso del tomo de Rutherford.

2.6 EL TAMAO DEL ATOMO

Una fecunda investigacin posterior ha demostrado que el ncleo est


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compuesto de neutrones y protones. Los protones, descubiertos por E.Goldstein al observar en 1886 los fenmenos de luminosidad detrs de unctodo perforado, tienen un peso relativo muy cercano a 1 UMA y soportan launidad de carga +1.

Los neutrones descubiertos por J. Chadwick tambin tienen un peso relativomuy cercano a 1 UMA, pero son elctricamente neutros. A ambas partculasse les llama nucleones por encontrarse en el ncleo. La suma de protones yneutrones se denomina nmero de masa.

Un dimetro nuclear tpico es de unos 6 x 10-15 m. Si consideramos que unncleo tpico alberga en su interior de diez a veinte nucleones y que un tomotpico tiene de diez a quince electrones, entonces en la tabla siguiente sepresentan tamaos bastante corrientes.

Longitud (m)Radio del protn 8 x 10-16

Radio de un ncleo tpico 3 x 10-15

Radio de un tomo tpico 3 x 10-10

Podemos comparar el volumen del ncleo con el volumen de un tomosuponiendo que ambos son esfricos. La frmula del volumen de una esferade radio R es:

V =

3

43

R

Por lo que el volumen del protn es:

V =3

)108(4 316= 2,1 10-45 m3

Y el volumen del ncleo es:

V =3

)103(4 315= 1,1 10-43 m3

mientras que el volumen del tomo resulta ser:

V =3

)103(4310

= 1,1 10-28 m3

Un protn ocupa como puede verse casi el 2% de nuestro ncleo tpico.


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tomos y Molculas 37

Si ahora comparamos el tamao del ncleo con el tamao del tomo:

A

N

V

V

= 28

43

101,1

101,1

= 10-15

En otras palabras el ncleo ocupa el 0.000000000000001% del volumen deltomo. El resto, a excepcin de los diminutos electrones es espacio vaco.

Por tanto, si nuestro ncleo fuera del tamao de una pelota de ftbol, el restodel tomo consistira slo en unos cuantos electrones del tamao de ungarbanzo dispersados en el interior de una esfera de 30 kilmetros de dimetrocon el baln en el centro.

2.7 QUE MANTIENE UNIDO AL NCLEO

Antes vimos que el ncleo posee carga elctrica positiva por los protones quecontiene. Una de las leyes bsicas de la fsica establece que cargas delmismo signo se repelen. Si la fuerza repulsiva no estuviera compensada poralguna otra fuerza, el ncleo del tomo se rompera en pedazos. Dado queesto no ocurre, debemos concluir que existe algn tipo de fuerza que mantienela cohesin del ncleo.

La magnitud de esta fuerza no tiene precedente en la naturaleza. Si bien larepulsin entre dos cargas elctricas es algo bien conocido, el hecho de queen el interior del ncleo stas se encuentren a solo 10 -13 centmetros dedistancia. Representa una escala muy especial.

El hecho de la existencia del ncleo nos lleva a la conclusin de que debehaber un proceso en la naturaleza capaz de contrarrestar la repulsin entre losprotones. Este proceso debe producir fuerzas mucho ms poderosas que lasque actan en el mundo macroscpico, los fsicos denominaron a este procesola interaccin fuerte.

2.8 NMERO ATOMICO

En 1913, H.G.J. Moseley estudi el problema de la carga nuclear y el nmeroatmico. Su experimento requera el tipo especial de tubo de rayos catdicosque W.C. Roentgen us en 1896 para la produccin de rayos x (Fig. 2.6).


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c t o d o a n t i c t o d o

r a y o s x

n o d o


Fig. 2.6

Los rayos catdicos inciden sobre un blanco en donde se producen radiacioneselectromagnticas con longitudes de onda muy pequeas, la penetrante

radiacin es conocida como rayos x.

En el tubo de rayos x, Moseley us como blancos a diferentes metales y midilas longitudes de onda de los rayos resultantes. Observ una relacin entre lalongitud de onda de los rayos x emitidos y un nmero entero, Z, caractersticode cada metal, Z vino a ser el nmero atmico. La ecuacin de Moseley querelaciona la frecuencia de los rayos producidos por los diferentes elementos,con su nmero atmico es:

= )( bZa +

en donde a y b son constantes. As se estableci la evidencia experimentaldirecta de los nmeros atmicos y la base fundamental para el ordenamientode la tabla peridica.

Cualquier tomo especfico puede designarse usando el siguiente simbolsmo.Precediendo inmediatamente al smbolo qumico del elemento se encuentra elnmero atmico Z, como un subndice y el nmero de masa A comosuperndice. Por lo tanto:

AX

Z

indica un tomo del elemento X con un nmero atmico Z y un nmero demasa A.

Todos los tomos de un elemento dado tienen el mismo nmero atmico y por


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tomos y Molculas 39

consiguiente tanto la misma carga nuclear como el mismo nmero deelectrones en la regin extranuclear. Los tomos que tienen el mismo nmeroatmico pero diferentes nmeros de masa, se denominan istopos de lapalabra griega que significa el mismo lugar.

Por ejemplo hay tres istopos del hidrgeno:

HyHH 312

1

1

1 ,

Estos istopos difieren en masa por que diferentes nmeros de masa significandiferentes nmeros de neutrones (A Z ) en el ncleo. Entonces, los istoposse definen como tomos del mismo elemento que tienen diferentes nmerosde neutrones. Tambin es oportuno indicar que se conoce como isbaros alos tomos de elementos qumicos diferentes, que tienen el mismo nmero demasa.

Por ejemplo :

NyC 14714

6

Se conoce como istonos a los tomos que poseen igual nmero de neutrones

Por ejemplo

ByC 11512

6

2.9 MOLECULAS E IONES

La unidad estructural bsica de la mayora de las sustancias, es la molcula.

Una molcula es un grupo de dos o ms tomos unidos por fuerzas llamadasenlaces qumicos.

La composicin de una molcula se puede indicar mediante la formulaestructural:

H H H ClHidrgeno Cloruro de hidrgeno

Mas simple es utilizar la frmula molecular en la que el nmero de tomos decada clase se indica por un subndice.


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Hidrgeno H2Cloruro de hidrgeno H Cl

IONESSi se dispone de suficiente energa, se pueden separar uno o varios electronesde un tomo neutro, quedando cargado positivamente. Tambin se puedenaadir electrones a un tomo para formar especies cargadas negativamente.Las partculas cargadas se llaman iones. Un ejemplo de un in positivo(catin) es el in Na+,

tomo de Na in Na+ + e-

Un in negativo (anin) muy frecuente es el in cloruro Cl- que se forma cuandose aade un electrn al tomo de cloro.

tomo de Cl + e- in Cl-

Muchos compuestos estn formados por iones, estos compuestos tienen elmismo nmero de cargas negativas y de cargas positivas.

Ejemplos :

Ba Cl2Na NO3K2 SO4

2.10PESOS ATOMICOS

Los datos de muchos experimentos realizados han demostrado que la masa delprotn es 1837 veces la masa del electrn. El protn y el neutrnesencialmente tienen la misma masa. Como la masa del electrn esdemasiado pequea, prcticamente la masa de un tomo se localiza en elncleo.Las masas de las partculas que componen a los tomos son:

1 electrn = 9,11 x 10-28

g1 protn = 1.673 x 10-24 g1 neutrn = 1,675 x 10-24 g

Para medir las masas atmicas de los elementos se selecciona un tomo de unelemento como patrn y todas las dems se dan en base a sta. Loscientficos utilizan un nclido de carbono, el carbono 12, como patrn para laescala de masa atmica. El tomo de carbono 12 es el nclido del carbono


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tomos y Molculas 41

con 6 protones y 6 neutrones en el ncleo. Uno de estos tomos se definecomo aquel que tiene una masa de 12 unidades de masa atmica. Una unidadde masa atmica se define como 1/12 de la masa del nclido del carbono 12.

El peso atmico de un elemento puede calcularse por las abundanciasrelativas de los istopos del elemento (esto es, los porcentajes de cada istopo)y las masas de cada istopo (en unidades de masa atmica). Ambos tipos dedatos pueden determinarse experimentalmente con una exactitud considerableusando tcnicas de espectrometra de masas, mtodo similar al que empleoThomson para determinar la relacin carga-masa del electrn.

2.11EL MOL

Los qumicos tienen su propia unidad para contar; el nmero de Avogadro.

Para un qumico, un mol es equivalente a un nmero de Avogadro de unidades.As:

Un mol de tomos de C = 6,022 x 1023 tomos de CUn mol de molculas de H2O = 6,022 x1023 molculas de aguaUn mol de protones = 6,022 x 1023 protonesUn mol de segundos = 6,022 x 1023 segundos

Un mol de sustancia pesa Y gramos, donde Y es la suma de las masasatmicas de los tomos que hay en la frmula. As:

Frmula Masa de un Mol

C 12,01 12,01 gH2O 2(1,008) + 16,00 =18,02 18,02 gNa Cl 22,99 + 35,45 = 58,44 58,44 g

2.12 ENERGIA Y TRANSFORMACIN NUCLEAR

La energa comprendida en los cambios nucleares es como un milln de veces

la que se produce en los cambios qumicos. Las caractersticas importantesde los cambios de energa que acompaan a la desintegracin nuclear puedenser resumidas como sigue:

1. Un cambio muy pequeo en masa est asociado con una energaenorme.

2. La energa del cambio nuclear imparte una velocidad muy alta a laspartculas emitidas, hacindolas en esta forma capaces de penetrar


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muy profundamente en la materia.3. Algo de la energa del cambio nuclear puede y usualmente es as,

aparecer como radiacin gamma.4. Algo de la energa de los cambios nucleares puede aparecer como

calor.

La notacin comnmente empleada para describir un cambio nuclear se llamaa veces reaccin nuclear. En esta notacin se incluyen solo aquellas partculasque intervienen en los cambios nucleares. Por ejemplo, la emisin de unapartcula alfa se describe con la expresin:

Ra22688 4

2

222

86 +Rn

Los nmeros de masa se dan como ndices a la izquierda y los nmeros

atmicos como subndices tambin a la izquierda de los smbolos; ambosdeben estar balanceados para cumplir con el principio de conservacin.

La perdida de una partcula beta produce en el tomo del que proviene elaumento de una unidad en el nmero atmico y no altera apreciablemente sumasa.

Al2813 0

1

28

14 +Si

La ganancia o perdida de neutrones por un ncleo atmico puede afectar lamasa, pero no el nmero atmico:

nAl1

0

27

7 + +Al28

13

La ganancia o perdida de neutrones por un ncleo atmico puede afectar lamasa y el nmero atmico

nN 1014

7 + HC1

1

14

6 +

FISION NUCLEAR

Uno de los primeros medios de obtencin de energa nuclear fue elbombardeo de uranio con neutrones. En vez de producirse istopos de uraniopor simple transmutacin, se encuentran entre los productos ncleos de masaaproximadamente de la mitad de la del ncleo original de uranio:

Un 235921

0 + nLaBr1

0

146

57

87

35 3++


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tomos y Molculas 43

Entre los productos de fisin del uranio 235 se han identificado ms de 200istopos de 35 elementos diferentes, tambin estn neutrones que reaccionancon otros ncleos de uranio 235 y establecen as una reaccin en cadena.

FUSION NUCLEAR

Con elementos como el hidrgeno, helio y litio, se dispone de energa nuclearcomo resultado de la fusin de ncleos ms pequeos en ncleos msgrandes. Algunas de las posibilidades de obtener energa a partir de estasreacciones se pueden ilustrar en las siguientes ecuaciones nucleares:

HH2

1

2

1 +nHe 10

3

2 +

HH2

1

2

1 + HH1

1

3

1 +

HH 213

1 + nHe1

0

4

2 +

La ltima reaccin es unas 100 veces ms rpida que las otras. De ah queest favorecida para la produccin de energa por fusin y probablemente,interviene en la bomba de hidrgeno. Para iniciar las reacciones de fusin serequieren temperaturas del orden del milln de grados. Ya que actualmente elnico medio disponible para obtener estas altas temperaturas son lasreacciones de fisin, las reacciones de fusin del hidrgeno son iniciadas conuna bomba de fisin.

La fusin de ncleos ligeros es una fuente mucho mayor de energa que la

fisin. La fusin de H21 con H3

1para formar He42 por ejemplo, emite

aproximadamente cuatro veces ms energa por gramo que en la fisin U23592

.

PROBLEMAS

1.- Cuntos electrones hay en :a) Un tomo de uranio (nmero atmico del U = 92)?b) Un mol de carbn (nmero atmico del C = 6)?c) 10 g de azufre (nmero atmico del S = 16 y masa atmica del

S = 32,06)?

SOLUCION


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a) 92U = 92 protones en el ncleo y por tanto tambin 92 electronesalrededor del ncleo .

b) 6C = 6 protones es el ncleo= 6 electrones en la periferia de cada ncleo.

Como un mol de tomos es igual a 6,023 x 1023 tomos,tendremos 6,023 x 1023 tomos x 6 electrones / tomo = 3,6138 x 1024

electrones

c) 1 mol de S = 32,06g = 6,023 x 1023 tomos de S, entonces en 10 g= x tomos de S

g

gSdetomosx 06,32

1010023,6 23

=

Sdetomosx 23108787,1 =

Multiplicaremos por los electrones contenidos en cada tomo

1.8787 x 1023 tomos de SSdetomos

electronesx

16

= 3,0059 x 1024 electrones

2.- Escribir los smbolos nucleares de dos istopos de uranio (nmero atmico= 92) que tienen 143 y 146 neutrones respectivamente.

SOLUCION:

Los nmeros msicos deben ser 143 + 92 = 253 ; 146 + 92 = 238; por lotanto, los istopos son:

U235

92 , U238

92

3.- Cul es el nmero de protones y electrones del in Na+?

SOLUCION:


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tomos y Molculas 45

En la tabla peridica vemos que el nmero atmico del Na (sodio) es 11,por tanto, el Na+ tiene 11 protones y 11-1 = 10 electrones.

4.- Considere el istopo del nitrgeno N147

a) Cuantos protones hay en el ncleo?b) Cuntos neutrones hay en el ncleo?c) cuntos electrones hay en N3-

SOLUCION:

a) Los protones (cargas positivas) en el ncleo estn indicados por sunmero atmico: 7 protones

b) Los neutrones en el ncleo se obtiene restando los protones al nmerode masa; 14 7 = 7 neutrones.

c) La expresin N3- indica que el tomo neutro ha ganado 3 electrones, esdecir : 7 + 3 = 10 electrones

5.- Indique el nmero de protones, neutrones y electrones representados

por Ne21

10 ,+Li73 y

23116 S

SOLUCION:

Para el Ne,

Nmero de protones = 10Nmero de neutrones = 21 10 =11Nmero de electrones = 10 0 =10

Para el Li+,

Nmero de protones = 3Nmero de neutrones = 7 3 = 4Nmero de electrones = 3 1 = 2

Para el S2-,

Nmero de protones = 16Nmero de Neutrones = 31 16 = 15Nmero de electrones = 16 + 2 = 18

6.- El nmero de masa del aluminio es 27 y tiene una cantidad de neutrones


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que es igual a la quinta parte de 70. Cul es el nmero atmico de dichotomo?

SOLUCION:

A = nmero masa = protones + neutronesZ = nmero atmico = nmero de protones

A = 2770/5 = neutrones14 = neutrones. Si llamamos a los neutrones N

A = N + Z Z = A N = 27 14 = 13Z = 13, es el nmero atmico

7. Un tomo tiene 40 neutrones y su nmero masa es el triple de su nmero de

protones Cul es el nmero atmico de dicho tomo?

SOLUCION:

A = N + ZN = 40

A = 3Z3Z = 40 + Z3Z - Z =40

Z =2

40 = 20

El tomo tiene un nmero atmico de 20.

8.- Cul ser el nmero atmico de un tomo si al ionizarse con carga +5posee 15 electrones?

SOLUCION :Nmero atmico = Z = nmero de e-

Si se ioniza positivamente pierde electronesEntonces Z = nmero de e- + nmero de e- perdidosZ = 15 + 5 = 20

Nmero atmico igual a 20

9.- Si el tomo de fluor tiene 19 nucleones y 10 neutrones Cul es su nmeroatmico?


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tomos y Molculas 47

SOLUCION :Nucleones = protones + neutrones

19 = Z + 10Z = 19 10 = 9y como Z = 9, es el nmero atmico

10.- Cul es el nmero atmico del hidrgeno?

SOLUCION:El hidrgeno es el elemento qumico ms sencillo ya que tiene un soloprotn y por lo tanto el nmero atmico es:

Z = 1

PROBLEMAS DE PESO ATMICO

11.- Calcule el peso atmico del oxgeno con los siguientes datosexperimentales

ISTOPOS ABUNDANCIARELATIVA

MASA (UMA)

O16899,759 15,995

O1780,037 16,991

O1880,204 17,991

ISTOPOS ABUNDANCIA

RELATIVA

MASA (UMA)

O16899,759 15,995

O1780,037 16,991

O1880,204 17,991


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SOLUCIN :

%100

()(%)()(% BistopopesoBistopoAistopopesoAistopoatmicopeso

+=

100

)991,17()204,0()991,16()037,0()995,15()759,99( ++=atmicopeso

UMAatmicopeso 999,15=

12.- El elemento boro tiene dos istopos, B10

5 y B11

5. Sus masas en la

escala del carbono 12 son 10, 01 y 11, 01 respectivamente. Laabundancia ms ligera es del 20,0 por 100 Cul es:

a) La abundancia del ms pesado yb) La masa atmica del boro?

SOLUCION :

a) La suma de abundancias debe ser 100. Por tanto,

%0,800,200,10011

5 ==B

b) Sustituyendo en la ecuacin

umaatmicopeso 81,10100

)01,11()0,80()01,10()0,20( =+=

13. Cul es la masa molecular del azcar (sacarosa), cuya frmula moleculares C12 H22 O11?


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tomos y Molculas 49

SOLUCION

Para hallar la masa molecular basta sumar las masas atmicas de todos

los tomos de la molcula

Masa molecular C12H22O11 = 12(12,01) + 22 (1,008) + 11(16,00)

Masa molecular = 342,30

14. Calcular la masa en gramos de 5 x 109 molculas de agua

SOLUCION:

En este caso 6,023 x 1023

molculas de H2O pesan 18,02 gPor tanto

Masa = 5 x 109 molculas de H2OOHdemolculas

gx

2

2310023,6

02,18

Masa = 5 x 10-14

Masa = 1,5 x 10-13 g

15.- Una molcula tiene un tomo de P y x tomos del Cl. Es 17.35 veces

ms pesada que el tomo de C126 . Cunto vale x?

SOLUCION:

La molcula tiene por masa molecular 17.35 veces la masa del C126 es decir:

17,35 x 12,01 = 208,374

Al restar de este valor el peso de un tomo de fsforo nos queda el peso delos tomos de cloro

208,374 30,974 = 177,40

Como cada cloro pesa 35,45, los tomos de cloro son

545,35

40,177=

16.- En el ncleo de un tomo los neutrones y los protones estn en la relacin


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de 6 a 4. Si su nmero de masa es 90. Hallar su nmero atmico.

SOLUCION:Nmero masa = protones + neutrones

xx 6490 +=

9010 =x

910

90 ==x

Neutrones = 6x = 6 x 9 = 54Protones = 4x = 4 x 9 = 36

Nmero Atmico = 36

17.- Escriba las reacciones nucleares ajustadas para :

a) Emisin de positrn del C116

b) Emisin de partcula del Po21884

c) Emisin de partcula del Sr9038

SOLUCION:

a) C

11

6 Be

11

5

0

1 ++

b) Po21884 PbHe214

82

4

2 +

c) Sr9038 Ye90

39

0

1+

20.- Una cierta serie radioactiva natural comienza por el U-238 y termina con elPb-206. En cada etapa de la serie se produce o bien la prdida de unapartcula o bien la de una partcula . Cuntas partculas se liberan

en total en toda la serie? Y Cuntas partculas ?

SOLUCION:

Siendo la partcula igual a , He42 , en tanto que la partcula es igual a

e0

1 ; vemos que solo la primera influir en la diferencia en el nmero de

masa 238-206 = 32 lo que corresponde a 8 partculas que se pierden ytambin determinan una diferencia de 16 en el nmero atmico 92-16 =


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76, como el Pb tiene Z = 82 , la diferencia 82-76 = 6 se debe a quetambin se han perdido 6 partculas .


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CAPITULO IIIEL ATOMO Y SU ESTRUCTURA ELECTRNICA

En el ao 1912 las piezas del rompecabezas atmico estaban listas para seracopladas adecuadamente. Einstein haba establecido como vlida la teorade los cuantos, y haba introducido la idea de los fotones aunque sta no eratodava aceptada. Einstein afirm que la energa slo existe realmente en

porciones de un tamao determinado. Rutherford haba presentado una nuevaimagen del tomo, con un ncleo central pequeo y una nube de electronescircundantes, si bien tampoco esta idea gozaba de la aceptacin general. Eltomo de Rutherford, sin embargo, no se corresponda a las leyes clsicas dela electrodinmica. La solucin consisti en utilizar reglas de los cuantos paradescribir el comportamiento de los electrones dentro de los tomos.

Niels Bohr fue un fsico dans que finaliz su doctorado en el verano de 1911 yviaj a Cambridge en septiembre para trabajar junto a J.J. Thomson en ellaboratorio Cavendish. Era un investigador muy tmido y que hablaba un

ingls imperfecto por lo que tuvo serias dificultades en encontrar un trabajoadecuado en Cambridge; pero en una visita a Manchester conoci aRutherford, que se mostr muy interesado por Bohr y su trabajo. En marzo de1912, Bohr se traslad a Manchester donde comenz a trabajar dentro delequipo de Rutherford, concentrndose especialmente en el problema de laestructura del tomo.

3.1.ESPECTROS ATOMICOS Y EL MODELO DE BOHRCuando un rayo de luz atraviesa un prisma, el rayo se desva o se refracta; larefraccin depende de la longitud de onda. Una onda con una longitud de ondacorta se desva ms que una con longitud de onda larga. Debido a que la luzblanca ordinaria est formada por ondas con todas las longitudes de onda en elespectro visible, un rayo de luz blanca se esparce en una banda ancha llamadaespectro continuo. El espectro es un arco iris de colores sin espacios; elvioleta se convierte en azul, el azul en verde y as sucesivamente.

Cuando los gases o vapores de una sustancia qumica se calientan en un arcoelctrico o un mechero de Bunsen, se produce luz. Si un rayo de esta luz se

- 52 -


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El tomo y su Estructura Electrnica 53

pasa a travs de un prisma, se produce un espectro de lneas (Fig. 3.1). Esteespectro est formado por un nmero limitado de lneas coloreadas, cada unade las cuales corresponde a diferentes longitudes de onda de luz. El espectrode lneas de cada elemento es nico.

p r i s m a

e s p e c t r od e l n e a s

Fig. 3.1

Las frecuencias que corresponden a la lneas en la regin visible del espectrodel hidrgeno se representan por la ecuacin:

=

c (3.1)

En 1913, Niels Bohr propuso una teora para la estructura electrnica del tomo

de hidrgeno que explicaba el espectro de lneas de este elemento. El tomode hidrgeno contiene un electrn y un ncleo que consiste de un solo protn.La teora de Bohr incluye los siguientes puntos:

1. El electrn del tomo de hidrgeno puede existir solamente en ciertasrbitas esfricas (las cuales se llaman niveles de energa o capas deenerga). Estos niveles se hallan dispuestos concentricamente alrededordel ncleo. Cada nivel est designado por una letra (K, L, M, N, O...) o unvalor de n (1, 2, 3, 4, 5,...)

2. El electrn posee una energa definida y caracterstica de la rbita enla cual se mueve. El nivel K(n=1), es el nivel ms cercano al ncleo ytiene el radio ms pequeo. Un electrn en el nivel K tiene la energa msbaja posible. Con el aumento de la distancia del ncleo (K, L, M, N, O;n=1,2,3,4,5), el radio del nivel y la energa de un electrn en el nivelaumenta. El electrn no puede tener una energa que lo coloque entre losniveles permitidos.


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3. Cuando los electrones en un tomo estn lo ms cerca posible delncleo (para el hidrgeno, un electrn en el nivel K), stos se hallan en lacondicin de la energa ms baja posible, llamado estado fundamentalobasal. Cuando los tomos se calientan en un arco elctrico o mechero deBunsen, los electrones absorben energa y pasan a niveles exteriores, losque son estados energticos superiores. Se dice entonces que los tomosestn en estados excitados.

4. Cuando un electrn vuelve a un nivel inferior, emite una cantidaddefinida de energa. La diferencia de energa entre el estado de energasuperior y el estado de energa inferior es emitida en la forma de un cuantode luz. El cuanto de luz tiene una frecuencia y longitud de ondacaractersticas y produce una lnea espectral caracterstica. En estudiosespectrales, muchos tomos absorben energa al mismo tiempo que otrosla emiten. Cada lnea espectral corresponde a una transicin electrnica

diferente. Bohr deriv una ecuacin para la energa que tendra un electrnen cada rbita.Simplificada, esta ecuacin es:

E = ,...)3,2,1(2

= nn

B(3.2)

El valor de la constante B es igual a 1 312 Kj/mol.Algunas de las transiciones se indican en la figura 3.2. Observe que el electrnpuede volver a:

- el estado fundamental ( n = 1 )- un estado excitado ( n = 2,3,... )


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n = 5n = 4

n = 3

n = 2

n = 1

B1 6

B9

B4

B

Fig. 3.2

Ejemplo 3.1 : Calcule la longitud de onda para la primera lnea de la serie deLyman ( n = 2 a n = 1 )

Solucin.- Usando la ecuacin 3.2

mol

KjE

4

13122

= =mol

Kj0.328

E1 =mol

Kj

1

1312= - 1 312

mol

Kj

E = E2 - E1 = - 328,0 (- 1 312)

E = 984 Kj/mol

Aplicando la ecuacin


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E =

ch

984 mol

Kj

= mol

nmKj

.10196,15

despejando

984

10196,15

= nm

5,121= nm

Otra magnitud que se puede calcular con la teora de Bohr es la energa deionizacin del tomo de hidrgeno. Es la energa que se debe absorber paraseparar el electrn, en estado gaseoso, empezando desde el estadofundamental:

H(g) H+ (g) + e- ; E = energa de ionizacin

A partir de la ecuacin 3.2, es posible calcular la energa de ionizacin delhidrgeno. Para ello calculamos E cuando un electrn se mueve desde n = 1,E = 1 312Kj/mol, a un estado en que est completamente separado del tomo(n = , E = 0):

E = 0 - (-1 312Kj/mol) = 1 312 Kj/mol

El valor medido de 1 318 Kj/mol concuerda casi perfectamente.

3.2. VISION MODERNA DEL ATOMO

La teora de Bohr para la estructura del tomo de hidrgeno tuvo mucho xito.

Los cientficos de aquella poca crean poder predecir los niveles de energa detodos los tomos. Sin embargo, la extensin de las ideas de Bohr a tomoscon ms de dos electrones dieron slo concordancia cualitativa con losresultados experimentales. Consideremos, por ejemplo, lo que sucede cuandose aplica la teora de Bohr al tomo de helio. En este caso, los errores en elclculo de las energas y longitudes de onda eran del orden del 5 por 100 enlugar del error del 0,1 por 100 en el tomo de hidrgeno. No pareca quehubiese manera de modificar la teora para que funcionase bien con el helio u


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otros tomos. De hecho, pronto se hizo patente que haba un problemafundamental con el modelo de Bohr. La idea de un electrn que se muevealrededor del ncleo en una rbita definida a una distancia fija del ncleo hubose ser abandonada.

DUALISMO ONDA-PARTICULAAntes de 1900 se supona que la luz tena naturaleza ondulatoria. Sinembargo, los trabajos de Planck y Einstein sugirieron que en muchos procesosla luz se comportaba como si consistiese de partculas llamadas fotones. En 20aos, el carcter dualista de la luz, ondulatorio-corpuscular, se acept casigeneralmente. En 1924 un joven fsico francs, Luis de Broglie, vino con unaidea revolucionaria acerca de la naturaleza de la materia. De Broglie sugirique las partculas, podrn exhibir propiedades ondulatorias. Mostr que lalongitud de onda, , asociada a una partcula de masa m que se mueve a una

velocidad v vena dada por:

=mv

h(3.3)

donde h es la constante de Planck. Pocos aos despus, Davisson y Germer,que trabajaban en los laboratorios de la Bell Telephone, comprobaron laspredicciones de la teria de De Broglie. Mostraron que un haz de electronestena propiedades ondulatorias. Adems, la longitud de onda observada era

exactamente la predicha por De Broglie.

Fig. 3.3

Por medio de la ecuacin 3,3 es posible mostrar que el nmero cuntico n dela teora de Bohr aparece de una manera natural. Para ello consideremos lafigura 3,3. Aqu, imaginamos a un electrn en forma de onda movindosealrededor del ncleo a lo largo de una circunferencia. En estas condiciones hayuna restriccin a las longitudes de onda que puede tener el electrn. Lasondas, en sucesivas revoluciones, han de estar exactamente en fase unas conotras. Esto es, deben tener la misma altura (amplitud) en un punto dado. Esto


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quiere decir, que una onda debe caer en la circunferencia, 2r, un nmeroentero de veces. En otras palabras:

2r = n (3.4)

Donde es la longitud de onda y n es un nmero entero, es decir, 1, 2, 3,...,pero no 1, 5, 2,1,..., combinando las ecuaciones 3,3 y 3,4 se obtiene

2r =mv

nh

mvr =2

nh

Esta es la condicin que Bohr impuso arbitrariamente al momento angular delelectrn en el tomo de hidrgeno. Por medio de la relacin de De Broglieesta condicin se hace fsicamente razonable.

EL PRINCIPIO DE INCERTIDUMBRE DE HEISENBERG

Segn los trabajos de De Broglie, Davisson y Germer entre otros, se sabe quelos electrones pueden considerarse ms como ondas que como partculaspequeas y compactas que se mueven en rbitas circulares o elpticas. Laspartculas muy pequeas, como electrones, tomos y molculas, no obedecenlas leyes de la mecnica clsica (o newtoniana) como lo hacen las pelotas degolf o los automviles. El comportamiento de las partculas muy pequeas sedescribe mucho mejor mediante otro tipo de mecnica, llamada mecnicacuntica. Sin embargo, la mecnica newtoniana es simplemente un casoespecial de la mecnica cuntica y vale para todos los casos excepto parapartculas muy pequeas.

Uno de los principios fundamentales de la mecnica cuntica es que no puededeterminarse con precisin el camino seguido por los electrones alrededor de

los ncleos atmicos. El principio de Heisenberg, o principio de incertidumbre,es un principio terico congruente con las observaciones experimentales yestablece que es imposible determin

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