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Fundamentos de Química
Inorgánica
Estructura Atómica
A
Z
X
A: ¿?
Z: ¿?
N: ¿?
1
1
H
2
3
1
1
H
H
Origen de los elementos
• Inicio: las primeras partículas elementales se formaron hace
unos 15.000 millones de años por la Gran Explosión (Big Bang)
de un núcleo primigenio, formado por quarks y energía (1032 K
y 1096g/cm3), produciéndose temperaturas del orden de 109 K.
• Un minuto después, al enfriarse por la expansión, las fuerzas
de interacción fuerte superaron a las cinéticas y los nucleones
se unieron por medio de reacciones nucleares de fusión.
• Unas dos horas después, la mayor parte de la materia se
hallaba como hidrógeno (89 %) y helio (11%)
• Con el paso del tiempo, los elementos capturaron otros
nucleones para dar origen a los elementos más pesados.
• Posteriormente, algunos de los más pesados e inestables se
fisionaron para estabilizarse.
• Al enfriarse aún más,
más la fuerza electromagnética enlazó
electrones a los núcleos para formar átomos.
Origen de los elementos - Nucleogénesis
0 Big Bang del núcleo primigenio (quarks y energía ~10
1032 K y 1096g/cm3)
10-43 s formación de nucleones y fotones
1 minuto ((T ~1010 K)) fusión de nucleones p
para dar deuterio
11 minutos (T ~108 K) fusión de nucleones para dar deuterio,
tritio y helio
Nucleogénesis primordial
T ~106 K
Procesos de fusión nuclear
* horno de protones (106-10
107 K):
* horno de helio (108 K):
* horno de carbono (5.108-109 K):
* horno de oxígeno (5.10
(5 108-10
109 K):
* horno de silicio (2.109-4.109 K):
Nucleogénesis
H
He
C
O
Si
He (directa o catalizada)
C (M > MΘ)
O, Ne, Na, Mg (M>8MΘ) Gigante
Roja
Si P
Si,
P, S
S, Ar
núclidos de A ~ 56
Procesos de capturas y/o fisión nuclear (supernovas,
(supernovas 1010 -1012 K):
*
Fe y otros elementos pesados
34 ≤ Z ≤ 80 y 74 ≤ A ≤ 206
Abundancia de los elementos
(para imprimir - no exponer)
•
•
•
•
•
•
•
El Universo está constituido fundamentalmente por aproximadamente
72 % de hidrógeno y 26 % de helio.
la abundancia disminuye de manera aproximadamente exponencial al
aumentar Z
la curva p
presenta un mínimo muy
y marcado p
para Li,, Be y B ((buenos
combustibles nucleares)
en la curva hay un máximo relativo para Fe (Z=26), mil veces más
abundante de lo esperable
hay otros máximos relativos menos intensos, relacionados con los
“números mágicos” (2, 8, 20, 50, 82) de nucleones, especialmente
estables y abundantes
los elementos de Z par son más estables y ab
abundantes
ndantes q
que
e los de Z
impar, igual que los de N par y A par respecto a los impares (Harkins)
Los elementos con Z ≤ 20 en los que A es múltiplo de 4 son más
abundantes que sus vecinos
Abundancia de los elementos
•
El Universo está constituido fundamentalmente por aproximadamente 72 %
de hidrógeno y 26 % de helio.
Reacciones Nucleares
Conservación de la masa
Conservación de la carga
Conservación de la energía
Partículas subatómicas más relevantes para este estudio
Partícula Símbolo Masa (1 u = 1,6605 . 10-27 kg)
Número de
masa
Carga
Electrón
e-
5,486 . 10-44
0
-1
Protón
p
1,0073
1
+1
Neutrón
n
1 0087
1,0087
1
0
Fotón
γ
0
0
0
Neutrino
ν
~0
0
0
e+ / β+ 5,486 . 10-4
0
+1
Positrón
Alfa
Beta
α
4 He2+
2
(núcleo de Helio)
4
+2
β
e- (radiación electromagnética
del núcleo)
0
-1
Reacciones Nucleares
Conservación de la masa
Conservación de la carga
Conservación de la energía
g
12
C +
13
1
N + γ
p
6
1
7
15
1
12
N +
7
15
8
O
4
C +
p
6
1
15
N +
7
α
2
e+ + γ
Reacciones Nucleares
Conservación de la energía
• Las reacciones nucleares son aproximadamente 106 veces
más energéticas que las químicas (1000 kJ/mol).
E = ∆m.c2
• La energía liberada en una reacción nuclear es el equivalente
energético de la diferencia entre las masas de los reactantes
y los productos:
26 protones + 30 neutrones = núcleo Fe
EuniónFe = [mnúcleoFe - (mprotonesFe + mneutornesFe].c2
• Las energías liberadas por distintos elementos en reacciones
nucleares permite determinar la fuerza de enlace entre los
nucleones (Eenlace/A), la cual es distinta para cada isótopo.
•
•
•
La síntesis de núcleos atómicos con A < 56 puede explicarse por fusión
nuclear.
La formación de núcleos con A > 56 por fusión es endoenergética respecto al
de A = 56, lo que requeriría suministrar enorme energía a muy alta presión.
La formación de los núcleos de A > 56 se podrían alcanzar en procesos
donde elementos pesados capturan partículas másicas de carga pequeña o
nula y estabilizan su núcleo mediante emisión de partículas sin masa y con
carga, aunque en numerosos casos se fracturan en otros más livianos por
fisión nuclear
Banda de máxima
estabilidad nuclear
Clasificación de los elementos
• metales:
se combinan con los no metales p
para dar
compuestos que por lo general son sólidos
duros y no volátiles,
cuando se combinan con (o mezclan) entre sí,
forman aleaciones con características metálicas.
• no metales:
cuando se combinan entre sí, a menudo forman
comp estos molec
compuestos
moleculares
lares volátiles.
olátiles
• metaloides:
con características
t í ti
intermedias
i t
di a los
l anteriores.
t i
Tabla Periódica
tabla
Orbitales atómicos
• Los electrones presentan características de onda y partícula.
• El principio de incertidumbre establece que no se puede
conocer simultáneamente el momento lineal y la posición de un
electrón
• La ecuación de Schöridinger toma esta dualidad y explica el
movimiento de los electrones en los átomos.
• Las soluciones de esta ecuación son funciones de onda ψ.
• El cuadrado de la función de onda ψ2 en un punto indica la
probabilidad de encontrar un electrón en un lugar determinado
• La densidad de probabilidad
del electrón es el producto
p
entre el cuadrado de la
función de onda ψ2 y el
volumen donde se calcula
esa probabilidad de
encontrarlo
Niveles de Energía en los Orbitales atómicos
Números cuánticos
• Cada función de onda de un átomo hidrogenoide está indicada
por tres números enteros llamados cuánticos y dos fraccionarios
• Número cuántico principal n: indica la energía del electrón
electrón, y
toma los valores 0; 1; 2; ..., más grande y difuso cuanto mayor
sea el valor (tamaño del orbital).
• Número cuántico del momento angular orbital l: indica la forma
angular del orbital, con el número de lóbulos creciendo según l
aumenta pudiendo tomar los valores 0; 1;
aumenta,
1;..., (n-1)
(n 1). (forma
geométrica del orbital).
• Número cuántico magnético m: puede tomar los valores -l a l
indica la orientación del momento (orientación del orbital
respecto a una dirección determinada).
• Número cuántico magnético del spín ms: es un número
fraccionario cuantificado y sólo puede tomar los valores +/- 1/2.
Niveles de Energía en los Orbitales atómicos
Función de distribución radial ((R2r2)
• determina la probabilidad de
encontrar un electrón a una
distancia determinada del núcleo,
sin importar su dirección, permite
evaluar cuán fuerte se encuentra
este enlazado.
• tiene uno o más máximos, por ser
la combinación del producto de r2
(crece con la distancia) y de la
función de onda al cuadrado ψ2
(disminuye con la distancia)
Niveles de Energía en los Orbitales atómicos
Función de distribución radial
• La superficie límite de un
orbital indica la región
g
del
espacio dentro de la cual
es más probable
encontrar un electrón,
electrón
siendo el valor usual de
referencia el de 75%.
Penetración y apantallamiento
• L
La configuración
fi
ió electrónica
l tó i b
basall d
de un át
átomo es aquella
ll en
la cual los electrones se encuentran con la mínima energía
p
posible.
• El principio de exclusión de Pauli establece que un orbital sólo
puede ser ocupado por dos electrones, en cuyo caso sus
espines se encuentran apareados
apareados.
• No es posible completar un orbital electrónico si otros de la
misma energía
g se encuentran vacíos.
• La carga nuclear efectiva Zef que recibe un electrón es igual a
la carga nuclear Z menos el apantallamiento σ que producen
los otros electrones q
que
e se enc
encuentran
entran entre el núcleo y ssu
orbital.
p
con la misma
• No todos los electrones internos apantallan
eficacia, los f apantallan menos que los d y estos que los p,
siendo los más eficaces los s.
Principio de construcción progresiva
Parámetros atómicos
• Radio: Radio metálico,, Radio covalente,, Radio iónico
• Energía de Ionización (I): es la energía mínima necesaria para
remover un electrón de un átomo gaseoso
• Afinidad Electrónica (Ea): es el cambio de energía cuando un
átomo gaseoso gana un electrón. Está determinada
fundamentalmente por la energía del orbital más bajo sin llenar,
donde experimenta la carga nuclear efectiva que lo atrae.
• Electronegatividad χ: poder con que un átomo atrae los
electrones
l t
cuando
d se encuentra
t enlazado.
l
d H
Hay di
distintas
ti t
expresiones, la de Mülliken es χ = ½ (I + Ea)
• Polarizabilidad: capacidad para ser distorsionado por un campo
eléctrico cercano. Los orbitales frontera (último lleno y primero
sin llenar) cercanos facilitan la polarizabilidad, son propios de
los átomos mayores
mayores. Los átomos más pequeños y de elevada
carga son polarizantes.