texto quimica 1° medio - ministerio de educación de chile

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Qumica 1 Ao Medio Autora: Mara Isabel Cabello Bravo Licenciada en Educacin. Profesora de Qumica. Universidad Metropolitana de Ciencias de la Educacin. Magster en Ciencias de la Educacin. Universidad Mayor.

2010 Ediciones Cal y Canto N de inscripcin: 180.765 ISBN: 978-956-8623-59-3 Reimpresin 2011 Ediciones Cal y Canto Director Editorial: Editora Jefe: Editora: Diseo: Diagramacin digital: Ilustraciones: Fotografas: Corrector de pruebas y estilo: Jefe de Produccin: Asistente de Produccin: Jorge Muoz Rau Alicia Manonellas Balladares Patricia Morales Inostroza Mara Jess Moreno Guldman Rodolfo Acosta Castillo Andrs Lizama Yvenes Banco de Fotos de Ediciones Cal y Canto Alejandro Cisternas Ulloa Cecilia Muoz Rau Lorena Briceo Gonzlez

El presente libro no puede ser reproducido ni en todo ni en parte, ni archivado, ni transmitido por ningn medio mecnico, electrnico, de grabacin, CD-Rom, fotocopia, microfilmacin u otra forma, sin la autorizacin escrita del editor. La materialidad y fabricacin de este texto est certificado por el IDIEM - Universidad de Chile. Impreso RR Donnelley Se termin de imprimir 272.498 ejemplares en el mes de diciembre de 2010.

TEXTO PARA EL ESTUDIANTE

MedioMara Isabel Cabello Bravo Licenciada en Educacin. Profesora de Qumica. Magster en Ciencias de la Educacin.

ESTRUCTURA DEL TEXTO

ENTRADA DE UNIDAD Se presenta una introduccin de la unidad acompaada de imgenes representativas y motivadoras. Tambin encontrars los objetivos de aprendizaje de la unidad.

ENTRADA DE TEMA Se presentan los contenidos que estudiars en el tema. Adems se incluye una evaluacin diagnstica y una seccin de activacin de los conocimientos previos.

CIENCIA EN ACCIN A travs de grupos de trabajo colaborativo o en forma individual, tendrs un acercamiento prctico a los contenidos. Es importante que seas cuidadoso y observes las indicaciones de seguridad presentes en cada actividad.

REVISTA CIENTFICA Aqu te encontrars con interesantes lecturas del mbito cientfico, siempre en el contexto de los temas que se estn abordando.

DESAFO CIENTFICO

Seccin que te permite desarrollar y practicar las habilidades de pensamiento y de proceso relacionadas con el tratamiento de los contenidos. Algunos de ellos tienen establecidos los indicadores de aprendizaje y se sugieren a modo de evaluacin formativa.

Metacognicin Pequea seccin orientada hacia la reflexin sobre el propio aprendizaje para desarrollar habilidades metacognitivas.

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REVISEMOS LO APRENDIDO Al final de cada tema te encontrars con la posibilidad de evaluar tus aprendizajes para saber cul ha sido tu grado de avance y qu tienes que reforzar.

SNTESIS Esta pgina te ser de gran ayuda, ya que en ella encontrars los conceptos relevantes que te permiten consolidar tu aprendizaje.

CAMINO A... Te permite ensayar para rendir pruebas nacionales o internacionales.

SABAS QUE En esta entretenida seccin podrs enterarte de datos curiosos o de las diversas conexiones que tienen los contenidos tratados con situaciones de nuestra vida diaria.

MS QUE QUMICA Relaciona el contexto histrico con el avance de la ciencia en el mundo de hoy.

En http:// Bajo este nombre te entregamos pginas web en las que puedes encontrar material complementario o de profundizacin a los temas.5

NDICEContenidos

UNIDAD 1ESTRUCTURA ATMICA12

Tema 1Modelo mecanocuntico

14

Antecedentes histricos; la revolucin en la fsica clsica.................. 19 El comportamiento de las ondas ........ 19 De la fsica clsica a la fsicacuntica...... 22 Espectros atmicos ................................ 25 El tomo de hidrgeno, modelo atmico de Niels Bohr .............. 28

La naturaleza dual del electrn.............. 32 Mecnica cuntica.................................. 33 Nmeros cunticos .............................. 34 Orbitales atmicos .............................. 36 Orbitales y sus energas ...................... 38 Principios de construccin .................. 39 La configuracin electrnica .................. 43

Tema 2Propiedades peridicas

48

Tabla peridica ...................................... 53 Tabla peridica y configuracin electrnica .................... 54 Metales, no metales y metaloides ........ 60 Propiedades peridicas .......................... 64 Volumen atmico ................................ 65 Radio atmico e inico ........................ 66 Potencial o energa de ionizacin (P.I.)................................ 67

Afinidad electrnica o electroafinidad (E.A.)........................ 68 Electronegatividad (E.N.) .................... 68 Electropositividad .............................. 68 Estados de oxidacin .......................... 68 Puntos de ebullicin y fusin .............. 69 Densidad.............................................. 69 Volumen molar.................................... 69 Tendencias peridicas y el modelo mecanocuntico .................................. 72 Enlace covalente coordinado o dativo .......................... 106 Compuestos covalentes .................... 108 Enlace metlico .................................... 110 Estereoqumica-Geometra molecular.... 113 Polaridad molecular ............................ 120 Interacciones moleculares.................... 123 Energa de enlace ............................ 125

UNIDAD 2ENLACE QUMICO78

Tema 1Los tomos se unen

80

Enlace qumico ...................................... 85 Smbolos de Lewis.................................. 87 Enlace inico o electrovalente................ 90 Prediccin de frmulas de los compuestos inicos .................. 94 Compuestos inicos ............................ 96 Enlace covalente .................................. 100 Enlace covalente apolar .................... 103 Enlace covalente polar ...................... 105

UNIDAD 3ESTEQUIOMETRA132

Tema 1De tomos a compuestos

134

Ecuacin qumica y leyes fundamentales............................ 138 Ley de Conservacin de la Masa y Ley de Lavoisier ............ 139 Cantidad de sustancia y su unidad de medida, el mol ............ 143 Frmulas empricas y moleculares ...... 158 Clculo de frmulas empricas .......... 159 Clculo de la frmula molecular........ 162 Ecuaciones qumicas.......................... 164

Balance de ecuaciones qumicas ...... 165 Informacin cuantitativa a partir de ecuaciones qumicas balanceadas .... 170 Tipos de reacciones qumicas .............. 171 Estequiometra, clculo a partir de reacciones qumicas ............................ 175 Mtodo de la relacin molar ............ 175 Reactivos limitantes ............................ 182 Rendimiento de reaccin .................... 185

Bibliografa: 1926

Actividad exploratoria

Revista cientfica

Evaluacin y sntesis

Autoevaluacin

La materia y su naturaleza elctrica ........15

LHC: El experimento del siglo XXI ............................45

Revisemos lo aprendido del Tema 1 ........................46

Autoevaluacin ................47

Ordenando elementos qumicos ..............49 Importancia de los Cmo se clasifican los oligometales ionizados elementos qumicos? ..............................57 en los seres vivos ..............73

Revisemos lo aprendido del Tema 2 ........................74 Sntesis de la Unidad 1 ......76 Camino a... ........................77

Autoevaluacin..................75

Combinacin de tomos ..........................81

La sangre: un fluido vital que forma enlaces qumicos ....127

Revisemos lo aprendido del Tema 1 ......................128 Sntesis de la Unidad 2 ....130 Camino a... ......................131

Autoevaluacin................129

Experimento de Lavoisier ......................135 Composicin porcentual a partir de datos experimentales ......................157

Relaciones cuantitativas en los procesos industriales ....187

Revisemos lo aprendido del Tema 1 ......................188 Sntesis de la Unidad 3 ....190 Camino a... ......................191

Autoevaluacin................189

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LA ENSEANZA DE LAS CIENCIASSomos capaces de percibir a todos los seres vivos y objetos inertes que estn a nuestro alrededor haciendo uso de nuestros rganos de los sentidos: vemos, escuchamos, olemos, gustamos y sentimos todo cuanto est a nuestro alrededor, y nos planteamos preguntas de nuestra realidad.

Metodologa de la indagacin Ciencia en accinFocalizacin

Esta bsqueda del conocimiento debe estar acompaada de estrategias, vale decir, de formas de elegir, coordinar y aplicar procedimientos para encontrar la respuesta a un problema. El avance de las ciencias, que es una forma de ver el mundo, en general y en especial de la qumica, ha sido vertiginoso, exitoso y a expensas de largos perodos de trabajo individual y colectivo. Es precisamente la acumulacin de los conocimientos obtenidos a partir del trabajo cientfico lo que permite comprender hechos cotidianos, curar enfermedades, mejorar procesos industriales, etc. A medida que avances en este texto conocers y aplicars muchas de las destrezas que emplean los cientficos en su trabajo diario, y te dars cuenta de que muchas de ellas ya las utilizas. En las actividades planteadas en este texto podrs practicar y desarrollar habilidades cientficas que te permitan comprender informadamente fenmenos naturales, buscar respuestas y soluciones a los problemas que se presentan a diario.

Observacin Preguntas de investigacin Formulacin de hiptesis Exploracin

Diseo experimental y experimentacin Registro de las observaciones Comparacin

Recopilar y ordenar datos Anlisis de datos Contrastar los resultados con la (s) hiptesis Aceptar o rechazar la (s) hiptesis AplicacinPara desarrollar estas destrezas aplicaremos la metodologa de la indagacin, que considera las etapas de: Focalizacin - Exploracin - Comparacin - Aplicacin. Etapas que pondrs en prctica cuando realices Ciencia en accin, de modo que cuando observes, plantees las preguntas de la investigacin y formules hiptesis, te encontrars en la etapa de Focalizacin. Estars en la etapa de Exploracin cuando realices el diseo experimental, experimentes y registres tus observaciones. Establecers la etapa de Comparacin cuando recopiles, ordenes la informacin y analices los datos y, por ltimo, realizars la etapa de Aplicacin cuando formules tus conclusiones y evales tu trabajo.

Concluir y comunicacin de los resultados Evaluacin del trabajo realizado8

NORMAS DE SEGURIDAD EN EL LABORATORIOLas normas de seguridad en el laboratorio sern acordadas con tu profesor(a); no obstante, ten presente las siguientes normas bsicas: 1. Usa un delantal blanco para cuidar la ropa de reactivos que sean corrosivos o puedan mancharla. 2. Lee con atencin las instrucciones antes de comenzar a hacer las actividades propuestas. 3. Cuando trabajes en equipo, verifica que cada integrante tenga claro sus roles en la actividad experimental. 4. La mesa de trabajo debe estar siempre limpia y ordenada. 5. Los residuos inservibles y los productos slidos de desecho no deben abandonarse sobre la mesa ni arrojarse al suelo o al desage, sino nicamente a los recipientes habilitados para ello o donde indique el profesor o profesora. 6. Si salpica a tu cuerpo, manos, ojos alguna sustancia, infrmale de inmediato a tu profesor(a). Recuerda usar guantes o anteojos de seguridad cuando se indique. 7. Nunca debe calentarse con el mechero un lquido que produzca vapores inflamables. Cuando se caliente un tubo de ensayo debe cuidarse que la boca del tubo no se dirija hacia ninguna persona cercana. 8. Nunca deben dejarse los reactivos cerca de una fuente de calor. 9. Cualquier situacin imprevista infrmala a tu profesor(a); por ejemplo: derrame de sustancias, quiebre de material de vidrio o cualquier duda que surja durante el desarrollo de la actividad. 10. No tomes ningn producto qumico que el profesor(a) no te haya proporcionado. 11. No huelas, pruebes o toques con la manos ningn reactivo. 12. Los cidos requieren un cuidado especial. Cuando quieras diluirlos, mzclalos, cuidando que el cido sea depositado sobre el agua. 13. Los productos inflamables (gases, alcohol, ter, etc.) no deben estar cerca de fuentes de calor. Si hay que calentar tubos con estos productos, se har a bao Mara, nunca directamente a la llama. 14. Existen smbolos para indicar el grado de peligrosidad de los reactivos. Estn puestos en las etiquetas de los envases. a. Explosivas: sustancias que pueden explosionar bajo el efecto de una llama. b. Comburente: sustancias que, en contacto con otras, originan una reaccin fuertemente exotrmica, es decir, liberando calor. c. Txicas: sustancias que por inhalacin, ingestin o penetracin cutnea pueden entraar riesgos graves, agudos o crnicos e incluso la muerte. d. Irritantes: sustancias no corrosivas que por contacto inmediato, prolongado o repetido con la piel o mucosas pueden provocar una reaccin inflamatoria. e. Inflamables: subdivididas como: - Extremadamente inflamables: sustancias cuyo punto de ignicin sea inferior a 0 C y su punto de ebullicin inferior o igual a 35 C. - Fcilmente inflamables: sustancias que a temperatura ambiente en el aire pueden inflamarse. f. Corrosivas: sustancias y preparados que en contacto con los tejidos vivos puedan ejercer sobre ellos una accin destructiva. 15. Cuando trabajes con aparatos elctricos verifica que los cables no estn cerca de tus pies; no los desenchufes tirando del cable. 16. Finalmente, cuando termines de trabajar: a. Desecha los reactivos segn las indicaciones que se sugieren en el texto y/o consulta a tu profesor o profesora. b. Limpia o lava, si corresponde, los materiales. c. Deja limpio tu lugar de trabajo. Manos a la obra! Con estas consideraciones, tu trabajo y el de tus compaeros cientficos ser exitoso y aprenders qumica de forma entretenida.

EXPLOSIVO

COMBURENTE

TXICO

IRRITANTE

INFLAMABLE

CORROSIVO 9

HABILIDADES CIENTFICAS QUE TRABAJARS EN EL TEXTOObservar Gracias al uso de tus sentidos, podrs percibir objetos y sucesos. La observacin metdica de un fenmeno u objeto en estudio te permitir, adems, desarrollar otras habilidades importantes del proceso cientfico, como inferir, comparar, clasificar y medir. A partir del proceso de observacin surgir naturalmente una pregunta que guiar el proceso de investigacin. Medir y recopilar datos En la bsqueda de respuestas para la pregunta de investigacin debers medir y recopilar datos del fenmeno u objeto en estudio. Para ello usars diferentes medios e instrumentos. Disear, elaborar y usar modelos Para observar el fenmeno u objeto de estudio emplears diversos medios, siendo uno de los ms comunes los modelos, que son interpretaciones a escala de cosas muy pequeas o muy grandes. Por ejemplo, el modelo del tomo. Como no puedes manipular un tomo, hars un modelo de l, aumentando su tamao millones de veces! Esto, adems, te permitir poner en prctica la creatividad. De hecho, los experimentos en s mismos son modelos que te harn obtener respuestas. Predecir Incluso, antes de poner a funcionar tu modelo o de efectuar un experimento, hurgando en tus conocimientos y experiencias, junto a la informacin que te entregue la observacin, podras predecir lo que suceder. Inferir Formars tu propio juicio a partir de la observacin y del razonamiento. Esta inferencia es vlida, pero no siempre correcta, razn por la que tu juicio se transforma en una hiptesis, la que debers necesariamente poner a prueba para saber si es o no correcta. Formular hiptesis Las hiptesis son suposiciones sobre la relacin existente entre variables que explican el comportamiento de un objeto o que influyen en un hecho. Al experimentar podrs confirmarla o no. Si no puedes comprobarla, ser necesario que formules una nueva y la pongas a prueba. Identificar y controlar variables En cursos anteriores has aprendido que existen dos tipos de variables: las independientes (causas) y las dependientes (efectos). Al identificar las variables en un trabajo experimental podrs controlarlas y ver qu ocurre con el objeto o hecho estudiado, es decir, cmo se comporta la independiente y qu efecto tiene sobre la dependiente. Experimentar Como te has podido dar cuenta, experimentar te permitir observar la validez de la hiptesis planteada. Para ello realizars diferentes procesos, utilizando instrumentos y reactivos para controlar variables, efectuar observaciones, medir y recopilar datos.

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Presentar datos y resultados Los datos obtenidos (no slo en actividades experimentales, tambin en actividades tericas y prcticas) podrs presentarlos en tablas, grficos o esquemas para mostrar ordenada y coherentemente los resultados obtenidos. Tendrs que comparar los resultados con las hiptesis que planteaste antes de experimentar. Sacar conclusiones y comunicar Basndote en los datos obtenidos y en la presentacin de los resultados, podrs aceptar o rechazar tus hiptesis, segn si los resultados las respaldan o no lo hacen, sacar conclusiones gracias al anlisis que hagas de ellos, las que debers comunicar para compartir tus aprendizajes con otros compaeroscientficos. Todo lo anterior ser posible slo si trabajas individualmente o en equipo con responsabilidad, efectividad y eficiencia. Cuando trabajas as, logras alcanzar los objetivos de aprendizajes, pues t y todos los de tu equipo se involucran en la aventura de aprender ciencias. Ten presente los siguientes consejos cuando debas realizar un trabajo en equipo: 1. Objetivo claro y comn: cada uno de los integrantes del equipo sabe qu hacer y por qu lo harn. 2. Responsabilidad: cada integrante sabe que su trabajo es fundamental para el xito del equipo y, por ende, acta con responsabilidad y sentido del deber, considerando que sus acciones inciden en el bienestar de todos los miembros. Por ejemplo, al respetar las normas de seguridad en laboratorio. 3. Organizacin: se distribuirn todas las tareas que emanen de una actividad. Esto no significa que dividirn los trabajos parcializadamente, haciendo responsable a cada uno de una determinada parte; al contrario, se organizarn para que todos y cada uno conozcan las diferentes etapas y resultados del trabajo y as puedan suplir las necesidades que emerjan si uno de los integrantes se ausenta. 4. Coordinacin: cada uno de los integrantes sabe la actividad que debe realizar, se ha preocupado de estar informado(a) y acta en conjunto con sus compaeros cientficos. 5. Rotacin: las tareas debern rotar entre los integrantes del equipo en cada actividad para que todos puedan desarrollar y practicar las habilidades asociadas a la tarea. Por ejemplo: observar, medir, presentar resultados, comunicar, etc.11

UNIDAD 1ESTRUCTURA ATMICAIntroduccinEl modelo atmico de la materia, como su nombre lo indica, es una aproximacin a la realidad del tomo que se ha construido a lo largo de la historia con aportes de diversos cientficos. En el curso anterior estudiaste los modelos propuestos por J. Thomson, E. Rutherford y N. Bohr. Cada uno de ellos, adems de otros cientficos, contribuyeron a modelar lo que hoy se conoce como modelo mecanocuntico de la materia. Dicho modelo es motivo de estudio para esta unidad, desde sus principios y fundamentos fsicos, matemticos y qumicos hasta su descripcin del comportamiento de los electrones, ya que gracias a l las ciencias han evolucionado vertiginosamente, permitiendo a los cientficos explicar a cabalidad un gran nmero de fenmenos cotidianos y extraordinarios, como la energa nuclear, la transmutacin de los elementos, los fuegos artificiales y algo tan simple como preparar una taza de caf. Lee con atencin la informacin entregada y desarrolla cada una de las actividades propuestas, porque han sido elaboradas con la finalidad de que descubras y comprendas el maravilloso mundo atmico y qumico.

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Al finalizar la unidad estars en capacidad de: Identificar informacin relevante que sustenta el modelo mecanocuntico, relacionndola con el comportamiento atmico. Describir la cuantizacin de la energa del tomo utilizando informacin terica y evidencias experimentales para relacionarla con el espectro electromagntico. Relacionar la estructura atmica de la materia con los nmeros cunticos, prediciendo su comportamiento en tomos de nmero atmico menor que 20. Describir el tomo desde el punto de vista de la mecnica cuntica, utilizando evidencias experimentales. Definir los cuatro nmeros cunticos, relacionndolos con la estructura atmica para describir los estados permitidos para un electrn. Formular la configuracin electrnica de diversos elementos qumicos para relacionarlos con los nmeros cunticos y su ubicacin en la Tabla peridica. Explicar las propiedades peridicas a partir de la ubicacin de diversos tomos en la Tabla peridica. Relacionar el nmero atmico con los nmeros cunticos y las propiedades peridicas para ubicar los elementos en la Tabla peridica. Predecir las caractersticas metlicas y no metlicas de los distintos elementos a partir de su configuracin electrnica. Identificar problemas, hiptesis, procedimientos experimentales, inferencias y conclusiones en investigaciones clsicas.

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UNIDAD 1: ESTRUCTURA ATMICA

TEMA 1Modelo mecanocunticoEstudiars en este tema:

Antecedentes histricos, la revolucin en la fsica clsica. De la fsica clsica a la fsica cuntica. Espectros atmicos. El tomo de hidrgeno, Modelo atmico de Niels Bohr. Naturaleza dual del electrn. Mecnica cuntica. La configuracin electrnica.

El desarrollo del modelo mecanocuntico de la materia vino a revolucionar el conocimiento que los cientficos tenan hasta principios del siglo XX, tanto del tomo como de otros fenmenos fsicos; por ejemplo, la luz. Completa el siguiente esquema segn lo aprendido en el curso anterior.

Materia constituida por tomos varios distintos (1) presentan en su estructura (2) estn Corteza estn (9) Protn carga (5) carga (4) (3) (6) carga (7) (10) varios iguales Elementos (8) Rutherford algunos modelos son Dalton

Y para comenzar...1. Cuando usas chalecos o bufandas de lana suele suceder que al momento de sacarlos de tu cuerpo el pelo sigue el movimiento de estos porque se pega a la ropa. - Cmo puedes explicar este hecho? 2. Al frotar un objeto plstico en tu pelo o sobre la ropa y luego acercarlo al extremo de una hoja de papel, esta ltima es atrada por el plstico. - Por qu crees que sucede eso? - Si no se frota el plstico, es posible que este atraiga al papel? 3. Al acercar dos globos que han sido frotados en el cabello de dos individuos, se observa que estos se repelen. Esto sucede porque: a. Los globos... b. El cabello... Comenta tus respuestas con tus compaeros y compaeras. Llegaron todos a las mismas respuestas? De lo contrario, cul es la idea que ms se repite?, cul de todas las respuestas es la correcta?14

Cabello electrizado por contacto con el generador de Van der Graaf.

TEMA 1: MODELO MECANOCUNTICO

La materia y su naturaleza elctricaEstudiaremos: - El comportamiento elctrico de la materia. Introduccin Para abordar con xito un trabajo, los cientficos aplican el mtodo cientfico, que en trminos muy simples se define como la forma en que podemos estudiar cualquier aspecto del Universo mediante observaciones cuidadosas y experimentos muy bien planificados. En esta actividad podrn seguir la secuencia de un trabajo experimental, es decir, aplicar dicho mtodo y practicar algunas de las destrezas indicadas en las primeras pginas del texto. Paso 1: La observacin En la actividad Y para comenzar... observaron que al usar prendas de vestir de lana, el pelo experimentaba una atraccin, y que al frotar un objeto de plstico sobre la ropa o el pelo, era capaz de atraer trozos de papel. Es decir, observaron un hecho cientfico y se habrn preguntado por qu al frotar un cuerpo este es capaz de atraer a otro? Paso 2: Preguntas de investigacin Para entender un fenmeno, los cientficos y ahora ustedes, plantearn preguntas de investigacin; por ejemplo: qu sucede en un cuerpo cuando es frotado con otro?, si el plstico no es frotado, es capaz de atraer papel?, si cambio el plstico por un objeto metlico, se producir atraccin con el papel?, qu otras preguntas de investigacin se les ocurren? Todas ellas, pueden ser respondidas y sometidas a distintas pruebas experimentales. Paso 3: Formulacin de hiptesis Basados en sus experiencias y conocimientos previos, los cientficos dan posibles explicaciones a sus observaciones o respuestas a las preguntas planteadas, estas son las hiptesis de su trabajo. Por ejemplo: para la pregunta qu tipo de materiales electrizan el pelo cuando lo frotan?, la hiptesis planteada podra ser, el pelo se electriza cada vez que es frotado por un material sinttico. Para determinar si la o las hiptesis son correctas o no por medio de la experimentacin, deben ser planteadas como enunciados en los que las variables involucradas sean observables o medibles. Objetivos de la actividad a. Observar el comportamiento elctrico de la materia. b. Observar la atraccin y repulsin entre objetos. c. Valorar la experimentacin cientfica como medio de comprobacin y explicacin de fenmenos cotidianos. d. Reconocer los pasos que se deben seguir en un experimento. e. Comprender la importancia de tomar mediciones exactas durante un experimento. f. Aprender a trabajar en equipo. Qu hiptesis de trabajo podran plantear considerando los objetivos a y b de la actividad y del diseo experimental planteado en el paso 4?

CIENCIA EN ACCIN

Habilidades a desarrollar: - Observar. - Predecir. - Recopilar datos. - Identificar variables. - Interpretar datos. - Formular conclusiones.

Materiales Dos globos. Dos trozos de hilo de 15 cm de largo, aproximadamente. Una pieza de ropa de lana o acrlico (de preferencia un guante o un calcetn). Una hoja de papel blanco.

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Paso 4: Diseo experimental El diseo experimental debe permitir comprobar si la hiptesis de trabajo es vlida o errada. Lean con atencin cada uno de los procedimientos propuestos. 1. Dispongan sobre la mesa de trabajo todos los materiales. Recuerden trabajar en un lugar limpio. 2. Dividan la hoja de papel en trozos pequeos de similar tamao y gurdenlos. 3. Inflen los globos hasta un tamao medio, similar para ambos, y tenlos con los trozos de hilo por separado. 4. Froten slo un globo en el cabello de un compaero o compaera por 15 segundos. Asegrense de frotar todo el globo. Luego levntenlo sobre la cabeza del compaero o compaera algunos centmetros. 5. Repitan el punto 4, pero dispongan el globo sobre los trozos de papel dispuestos en la mesa. 6. Froten ambos globos sobre el cabello de dos compaeros o compaeras distintos(as) por 30 segundos. Tomen los globos por los hilos, djenlos colgar libremente, acrquenlos con cuidado sin permitir que se toquen. 7. Rpidamente, un integrante del grupo pondr su mano entre ambos globos. 8. Repitan los puntos 4 al 7, reemplazando el cabello de los compaeros o compaeras por el calcetn o guante de lana o de acrlico. 9. Frote una regla plstica en el cabello de un compaero o compaera y acrquela a uno de los globos. Luego frote la regla con el calcetn o guante de lana o de acrlico y acrquela a uno de los globos. Paso 5: Registro de observaciones Los cientficos deben hacer un registro de observaciones ordenado, en el que renan los datos para luego analizarlos y obtener conclusiones. En esta ocasin se propone reunir los datos en la siguiente tabla. En otras actividades, ustedes como grupo, ms adelante, debern decidir cmo registrar las observaciones. Procesos 1. Qu sucede al frotar el globo en el cabello de un compaero o compaera y levantarlo sobre su cabeza? 2. Qu se observ al frotar un globo en el cabello de un compaero o compaera y disponerlo sobre los trozos de papel que estaban en la mesa? 3. Qu se observa cuando se frotan ambos globos sobre el cabello de dos compaeros o compaeras por 30 segundos y luego se disponen uno cerca del otro? 4. Qu se observa cuando se frotan ambos globos sobre el cabello de dos compaeros o compaeras por 30 segundos y luego se disponen uno cerca del otro y un compaero o compaera puso su mano entre ambos globos? Qu sinti el o ella en su mano? 5. Qu sucedi al reemplazar la superficie de frotacin? 6. Qu sucede al frotar una regla plstica y acercarla a uno de los globos? Observaciones

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Paso 6: Recopilacin y ordenamiento de datos Al registrar las observaciones podrn recopilar datos y ordenarlos para posteriormente hacer un anlisis. En este caso emplearn la tabla propuesta a continuacin. Para completar la tabla usen la siguiente simbologa: + +++ Atraccin dbil Atraccin fuerte Repulsin dbil Repulsin fuerte ProcesoGlobo frotado con cabello Globo frotado con guante o calcetn de lana o acrlico

Material que se acerca Cabello Papel Globo

Paso 7: Anlisis de datos Al analizar los datos obtenidos podrn responder las preguntas de investigacin planteadas y, finalmente, comprender por qu al frotar un cuerpo, este es capaz de atraer a otro. Para dar respuestas a estas preguntas se debe estructurar un orden de anlisis que les permita someter a prueba las hiptesis. Contesten las siguientes preguntas. Si lo estiman necesario pueden consultar a su profesor o profesora, pues les orientar en el anlisis: 1. Indiquen en qu casos observaron atraccin elctrica (o electrosttica) y repulsin elctrica (o electrosttica). 2. Analicen los resultados experimentales que han obtenido del comportamiento que tiene el globo frotado sobre el cabello de un estudiante y los trozos de papel; busquen una explicacin coherente a sus observaciones. Consideren sus conocimientos de la estructura del tomo. 3. A partir de lo que saben de la estructura del tomo, qu asociaciones pueden establecer entre sus observaciones y la naturaleza elctrica de los tomos y de la materia. 4. Si observaron luminosidad durante la actividad, cmo podran explicarla? 5. Qu asociaciones pueden establecer del comportamiento de la materia al ser frotada con el movimiento de los electrones en los tomos? 6. Existir una relacin entre los electrones y la luminosidad desprendida por friccin de los distintos materiales? Paso 8: Conclusin y comunicacin de resultados Con los datos e informacin que tienes puedes aceptar o rechazar tus hiptesis. Finalmente, estn en condiciones de sealar por qu al frotar un cuerpo, este es capaz de atraer a otro. Respondan las siguientes preguntas, relacionen sus respuestas con la actividad que han realizado e incorprenlas en los resultados: 1. Qu es la fuerza electrosttica? Cmo se relaciona con esta experiencia? 2. Investiguen cmo funciona un pararrayo y apliquen lo aprendido en este laboratorio para explicar qu ocurre cuando recibe una descarga elctrica de la atmsfera.17


Redacten una conclusin en la que sealen sus observaciones experimentales y explicaciones sobre el hecho. Para comunicar sus resultados a sus compaeros y compaeras elaboren un dptico informativo y entreguen una copia a cada grupo de trabajo. Paso 9: Evaluacin del trabajo realizado Es importante evaluar el trabajo del equipo para observar fortalezas y debilidades. Las primeras, con el fin de reforzarlas, y las segundas, de superarlas. Completa la siguiente tabla en forma individual, con responsabilidad y seriedad, marcando con una X el casillero que corresponda, y posteriormente renete con tus compaeros y compaeras de trabajo para conversar y concluir. La simbologa utilizada como indicador de evaluacin es:

CUIDA EL AMBIENTE: Una vez terminada la actividad, eliminen los residuos en el basurero y dejen su puesto de trabajo limpio.

+ Lo hice bien. + Lo hice, pero podra haberlo hecho mejor. No lo hice. Criterios de evaluacinMe preocup de leer las habilidades que voy a desarrollar en esta actividad experimental. Examin cada uno de los pasos planteados en Ciencia en accin. Repas los pasos que no comprend con la primera lectura. Me preocup de entender el diseo de la actividad experimental. Fui responsable en las labores que me fueron confiadas. Me preocup de conocer las acciones de cada uno de los integrantes del equipo. Fui respetuoso del trabajo realizado por los otros integrantes del equipo. Cooper activamente para que el trabajo desarrollado fuera efectivo y seguro. Actu coordinadamente con mi equipo. Mis compaeros y compaeras actuaron responsablemente. Cuid de dejar mi espacio de trabajo limpio y ordenado. En general, evalo mi participacin en Ciencia en accin como:

Indicadores de logro + +

Quieres decir algo ms? Finalmente, conversa con tu equipo de trabajo. 1. Qu dificultades se presentaron durante el trabajo? Qu soluciones y medidas se tomarn para que no se vuelvan a repetir en las prximas actividades en las que trabajen juntos(as)? 2. Qu aprendieron en esta jornada respecto al trabajo en equipo?

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Antecedentes histricos; la revolucin en la fsica clsicaHoy se sabe que cuando los tomos reaccionan son sus electrones los que interactan, conocimiento que tiene su origen en la comprensin del comportamiento de la estructura electrnica del tomo y que fue obtenido luego de varios aportes realizados desde el mundo de la fsica, la matemtica y la propia qumica, revolucionando el conocimiento y entendimiento que se crea tener de la materia microscpica. Durante el siglo XIX, diversos fsicos trataron de comprender el comportamiento de los tomos y molculas a partir de las leyes fsicas existentes en la poca, pero sus intentos fracasaban al explicar el comportamiento de la materia microscpica con leyes que se aplicaban a la perfeccin y con xito en la explicacin del comportamiento de objetos grandes o materia macroscpica. En 1900, Max Planck, el joven cientfico alemn, revolucion el mundo de la fsica. Cuando observaba y analizaba los datos de radiacin emitida por slidos calentados a varias temperaturas, dedujo que la energa era emitida nicamente en nmeros enteros mltiplos de cantidades bien definidas, a las que llam cuantos. Esta idea puso de cabeza al mundo fsico, que aceptaba, hasta ese momento, que la energa era continua, por ende, cualquier cantidad de energa se poda liberar en un proceso de radiacin.MS QUE QUMICA Brown, Lemay y Bursten, en su texto Qumica, la ciencia central, sealan que un mtodo muy simple para determinar la frecuencia de las ondas, por ejemplo cuando una lancha pasa por un lago formando olas, es haciendo flotar un corcho y contando el nmero de veces que este realiza un ciclo completo de movimiento ascendente y descendente en un segundo de duracin.

El comportamiento de las ondasPara comprender el mundo atmico es preciso entender el comportamiento de la luz, partiendo por definir la luz visible (aquella que perciben nuestros ojos) como un tipo de radiacin electromagntica. Fue James Maxwell, en 1873, quien demostr tericamente que la luz visible contaba con ondas electromagnticas y que adems era capaz de transportar energa, razn por la que se le conoce tambin como energa radiante. La radiaciones electromagnticas se caracterizan por moverse a travs del vaco a una velocidad de 3 108 m/s (velocidad de la luz) y por poseer carcter ondulatorio (similar al de las olas). Observa la Figura 1. En ella se aprecia que las ondas presentan una longitud de onda, que corresponde a la distancia entre las crestas o entre los valles, expresadas comnmente en metros (m), centmetros (cm) o nanmetros (nm). Y la amplitud que es la distancia vertical desde la lnea media de la onda a la cresta o al valle de la misma. La frecuencia, por su parte, indica la cantidad de veces que la longitud de onda completa pasa por un punto dado en un segundo, expresada en ciclos por segundos (ciclo/s), unidad denominada Hertz (Hz).Longitud de onda Cresta Valle Amplitud

Nodo

Figura 1. Esquema de una onda peridica.

19


Como todas las radiaciones electromagnticas se mueven a la velocidad de la luz, es posible establecer una relacin entre la longitud de onda (l) y la frecuencia (n).

DESAFO CIENTFICOHabilidades a desarrollar: - Observar. - Interpretar - Deducir.

Indica la alternativa correcta a la pregunta segn observes en las siguientes imgenes:Longitud de onda 1

Longitud de onda

2

Longitud de onda

3

1. Cul de las ondas enumeradas tendr la mayor frecuencia? a. 1 b. 2 c. 3 2. Cul de las ondas enumeradas tendr la menor frecuencia? a. 1 b. 2 c. 3 3. Cul de las siguientes afirmaciones es correcta respecto a la relacin entre l y n? a. Mientras mayor sea l, mayor ser n. b. No existe una relacin fija entre l y n. c. Existe una relacin inversa entre l y n. 4. Cmo es la amplitud de onda en las imgenes 1, 2 y 3 al establecer la comparacin? Fjate en la lnea verde. a. Igual b. Distinta c. No hay relacin 5. Cul de las imgenes tiene mayor nmero de montes y valles? a. 1 b. 2 c. 320


A partir del comportamiento de las ondas, se establece que la relacin entre la longitud de onda y la frecuencia se puede expresar como:

ln = cDonde:

l (lambda) n (nu)c

es la longitud de onda. corresponde a la frecuencia. es la velocidad de la luz.

Existen diversos tipos de radiaciones electromagnticas segn la longitud de onda y la frecuencia. El espectro electromagntico ordena dichas radiaciones segn la longitud de onda que presentan (Figura 2).Longitud de onda 10-3 10-6 10-8 U.V. Infrarrojo

10-11 Rayos Gamma Rayos X

10-1

103 Radiofrecuencias

Microondas

Luz visible

Violeta

Azul

Cyan

Verde

Amarillo

Anaranjado

Rojo

380

430

500

560

600

650

750 (nm)

Figura 2. Espectro electromagntico.

Podrs observar que la luz visible corresponde a una pequea porcin del espectro, cuyas longitudes de onda (l) van desde los 400 a los 750 nm, aproximadamente. Existen diferentes unidades de medida para expresar la longitud de onda, dependiendo del tipo de radiacin. Por ejemplo:

Unidad Angstrom Nanmetro Micrmetro Milmetro Centmetro Metro

Smbolo Nm m mm cm m

Longitud (m) 10-10 10-9 10-6 10-3 10-2 1

Tipo de radiacin Rayos X Ultravioleta, visible Infrarrojo Infrarrojo Microondas TV, radio

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De la fsica clsica a la fsica cunticaA pesar de que el modelo ondulatorio de la luz explicaba muchos aspectos de su comportamiento, existan aun a fines del siglo XIX algunos fenmenos que este modelo no era capaz de interpretar. El primero de ellos se denomina radiacin de cuerpo oscuro, que hace referencia a la emisin de luz por parte de objetos calientes que antes de calentarse son oscuros. Un claro ejemplo de este fenmeno son los quemadores de las estufas elctricas, pues al estar apagadas se conservan en color negro y una vez encendidas toman un color rojo intenso.

Figura 3. Comparacin de las estufas elctricas a cuarzo para visualizar el fenmeno de la radiacin del cuerpo oscuro.

Muchos cientficos trataban de entender este fenmeno buscando una relacin entre la longitud de onda y la intensidad. Pero las leyes de la fsica existentes no cuadrabanen dicho escenario. Algunas de ellas lograban aclarar el comportamiento para longitudes de onda larga, pero fallaban en la explicacin del comportamiento de las longitudes de onda corta, y viceversa. En 1900, el fsico alemn Max Planck resuelve el problema con una hiptesis revolucionaria: la energa slo puede liberarse (o ser absorbida) por los tomos en paquetes discretos con un tamao mnimo, a los que denomin cuantos, definindolos como la mnima cantidad de energa que puede ser emitida o absorbida en forma de radiacin electromagntica. A partir de ello propuso que la energa (E) de un solo cuanto era igual a una constante (h) multiplicada por la frecuencia (n): E = hn La unidad para medir la frecuencia es Hertzs (Hz), que indica una oscilacin por segundo. La constante de proporcionalidad para esta relacin (h) es conocida como Constante de Planck y tiene el valor 6,63 10-34 J s. De acuerdo con la Teora Cuntica de Planck, la energa se emite o absorbe siempre en mltiplos de la relacin hn; por ejemplo, hn, 2hn, 3hn, etc., es decir, 1 cuanto, 2 cuantos, 3 cuantos, respectivamente. Por esto se indica que la energa est cuantizada, o sea, que sus valores estn restringidos a ciertas cantidades, hecho absolutamente contrario a lo conocido en la poca y definido en la fsica clsica, que supona un comportamiento continuo de la materia. Nace as la fsica cuntica. Esta idea parece compleja, pero se aplica completamente a la vida cotidiana. Raymond Chang en su libro Qumicaseala la siguiente analoga para comprender el concepto de cuantos de mejor manera:22

Max Karl Ernest Ludwig Planck (1858 1947). Obtiene en 1918 el Premio Nobel de Fsica por su contribucin al estudio de la fsica por medio de su teora cuntica.


Una carga elctrica tambin est cuantizada; slo puede haber nmeros enteros mltiplos de e, la carga del electrn. La materia misma est cuantizada, como el nmero de protones, electrones y neutrones, as como el nmero de tomos en una muestra de materia debe tambin ser entero. Aun los procesos en los sistemas vivos incluyen fenmenos cuantizados. Los huevos puestos por las gallinas estn cuantizados, y una gata preada da a luz un nmero entero de gatitos, no medio o tres cuartos de gatitos.

Figura 4. Una persona movindose en una rampa es una analoga de cambios continuos de energa potencial y la persona cambia su energa cuantizada entre cada peldao ya que no puede pisar entre ellos. (Extrado del libro de qumica de Brown y Lemay)

Otro fenmeno que no explicaba la fsica clsica era la emisin de electrones por superficies metlicas en las que incida la luz, conocido como efecto fotoelctrico.Rayos X incidentes Electrn expulsado

Albert Einstein (1879 1955). Fsico americano, nacido en Alemania. Obtiene el Premio Nobel de Fsica en 1921 por su explicacin del efecto fotoelctrico. Tambin se hizo acreedor a la Medalla Copley en 1925, mayor reconocimiento al trabajo cientfico, en cualquiera de sus campos, otorgado por la Real Sociedad de Londres, y a la Medalla Max Planck en 1929 por sus contribuciones extraordinarias a la Fsica terica, entregada por la Sociedad de Fsica Alemana.

Figura 5. Efecto fotoelctrico.

Diversos experimentos demostraban que ciertos metales expuestos a una luz que presentaba una frecuencia mnima, denominada frecuencia umbral, emitan electrones desde la superficie en una cantidad proporcional a la intensidad de la luz, pero no su energa. A la luz de lo propuesto por Max Planck, en 1905 Albert Einstein sugiere que para explicar el fenmeno no se puede pensar en la luz como un rayo de luz en trminos de onda, sino como un rayo de partculasa las que denomin fotones. Cada uno de estos posee una energa E, que se puede calcular con la frmula: E = hn Donde: E Es la energa. h Constante de Planck (6,63 10-34 J s). n Corresponde a la frecuencia de la luz (Hertzs).23


Podrs observar que la ecuacin propuesta es igual a la formulada por Planck, esto porque la radiacin electromagntica es emitida o absorbida en la forma de fotones. Se entiende, entonces, que los electrones se mantienen en un metal por fuerzas de atraccin, y que para liberarlos se debe emplear luz de frecuencia suficientemente alta. Es decir, un rayo de luz resplandeciente sobre una superficie metlica se puede considerar como el disparo de un rayo de partculas (fotones) sobre los tomos del metal. Si su frecuencia es tal que ln es igual (como mnimo) a la energa de enlace de los electrones, entonces estos se soltarn de la superficie del metal. Si la energa es mayor, no solo se rompern los enlaces, sino que adems los electrones adquirirn energa cintica.

Figura 6. Una aplicacin del efecto fotoelctrico son las celdas solares. Cuando la luz solar incide sobre las placas de metales semiconductores, estos sueltan los electrones de su superficie y adquieren cierta energa cintica que les permite desarrollar una corriente elctrica que es almacenada en bateras.

La relacin que expresa el efecto fotoelctrico est dada por la siguiente ecuacin: hn = Ec + Ee Donde: Ec Ee Es la energa cintica. Es la energa de enlace del electrn al metal.

DESAFO CIENTFICOHabilidades a desarrollar: - Aplicar. - Resolver problemas. - Interpretar.

1. Observando el espectro electromagntico, explica por qu los rayos gamma son dainos para la salud. 2. Calcula la energa de un fotn de luz amarilla de longitud de onda igual a 587 nm. 3. Si un lser emite luz con una frecuencia de 4,7 1014 s-1, cul es la energa de un fotn de la radiacin del lser? 4. Seala por qu la ecuacin propuesta por Planck para explicar la cuantizacin de la energa es igual a la propuesta por Einstein para explicar la energa de los fotones. 5. De acuerdo con tus conocimientos, por qu se recomienda no apuntar a la cara ni a los ojos de una persona con los punteros lser? Utiliza para tu explicacin los conceptos de longitud de onda, frecuencia, fotn.

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Espectros atmicosEl tercer fenmeno que no poda explicar la fsica clsica era la emisin de luz de tomos en estado gaseoso, excitados electrnicamente, conocido como espectros de emisin. Desde el siglo XVII se saba, por los trabajos de Newton y Huygens, que la radiacin luminosa, la luz, se desva al atravesar un medio de densidad distinta, como el agua, sufriendo sus componentes una dispersin en diferentes ngulos y se pueden identificar visualmente por los diversos colores que muestran. As, cuando la luz blanca que procede del Sol atraviesa gotas de lluvia, esta se desva, y sus componentes, que son la luz de color rojo, naranja, amarillo, verde, azul, ndigo y violeta, se separan, formando el arco iris. Esto ocurre debido a que los componentes de la luz blanca del Sol, en desplazamiento general de 300.000 km por segundo, tienen diferentes longitudes de onda. En cambio, cuando la radiacin est formada por una sola longitud de onda se indica que es monocromtica.MS QUE QUMICA La idea de que la energa de la luz depende de la frecuencia nos permite comprender los efectos que las radiaciones electromagnticas tienen sobre la materia. Por ejemplo, te has fijado que en todos los centros mdicos, hospitales y clnicas se advierte al pblico acerca del uso de Rayos X? Esto porque tiene una frecuencia de onda elevada (puedes observar el espectro electromagntico de la pgina 21) y, por ende, una longitud de onda corta, y los fotones de este tipo poseen alta energa, la que puede causar daos a los tejidos e incluso producir cncer.

Figura 7. Formacin de un arco iris.

Si mediante suministro de energa, por ejemplo calorfica, se estimula un determinado elemento en su fase gaseosa, sus tomos emiten radiacin en ciertas frecuencias del visible, lo que constituye su espectro de emisin. Si el mismo elemento, tambin en estado de gas, recibe radiacin electromagntica, sus tomos absorben radiacin en ciertas frecuencias del visible, precisamente en las mismas en las que emite cuando se estimula mediante calor. Este ser su espectro de absorcin. Se cumple, as, la llamada Ley de Kirchoff, que nos indica que todo elemento absorbe radiacin en las mismas longitudes de onda en las que la emite. Los espectros de absorcin y de emisin resultan ser, pues, el inverso uno del otro. Puesto que el espectro, tanto de emisin como de absorcin, es caracterstico de cada elemento, sirve para identificar a cada uno de ellos en la Tabla peridica por simple visualizacin y anlisis de la posicin de las lneas de absorcin o emisin en su espectro.25


Estas caractersticas se manifiestan ya se trate de un elemento puro o bien combinado con otros elementos, por lo que se obtiene un procedimiento bastante fiable de identificacin. Fuente: http://personales.ya.com/casanchi/fis/espectros/espectros01.htm Observa, el siguiente ejemplo, en el que se presenta el espectro del hidrgeno.Espectro de absorcin Cuando la radiacin atraviesa un gas, este absorbe una parte del espectro, apareciendo lneas negras, nicas y caractersticas de cada elemento, como si fuese una huella dactilar.

Espectro de emisin Un gas excitado libera radiacin slo en ciertas longitudes de onda.

Fue en 1885 cuando el maestro de escuela suizo Johann Balmer observ que las frecuencias de las cuatro lneas del espectro de hidrgeno se ajustaban a una ecuacin matemtica simple. Posteriormente, y gracias a nuevos descubrimientos de ese espectro (lneas adicionales en las regiones del ultravioleta y del infrarrojo), la formula de Balmer se extendi a una ms general, conocida como ecuacin de Rydberg, que permite calcular las longitudes de onda de todas las lneas espectrales del hidrgeno.

1 1 1 = RH 2 2 n1 n2 Donde: l RH n1 y n2 Longitud de onda de la lnea espectral. Constante de Rydberg igual a 1,096776 107 m-1 Enteros positivos, donde n2 es mayor que n1, y corresponden al nmero cuntico principal, que ser estudiado en detalle posteriormente.

El espectro de absorcin atmica es una representacin grfica que indica cantidad de luz absorbida a diferentes valores de l, que depende, fundamentalmente, de la estructura qumica de la sustancia. El espectro de emisin atmica de un elemento es un conjunto de frecuencias de las ondas electromagnticas emitidas por tomos de ese elemento. Cada espectro de emisin atmico de un tomo es nico y puede ser usado para determinar si ese elemento es parte de un compuesto desconocido.26


Observa, a continuacin, los espectros de absorcin y emisin de los siguientes tomos:

DESAFO CIENTFICOHabilidades a desarrollar: - Comparar. - Interpretar.

Li

Al

Ag

Si

1. Cules son las diferencias y semejanzas que puedes establecer entre los espectros de absorcin y emisin del mismo tomo? 2. Por qu crees que es importante estudiar los espectros de los distintos tomos? 3. Por qu los espectros de absorcin muestran casi todos los colores del arco iris? 4. Por qu el espectro de emisin slo muestra algunos colores? 5. Seala si la informacin presentada corresponde a un problema, una hiptesis, un procedimiento experimental, una inferencia o una conclusin. 6. Indica la importancia de estudiar los espectros atmicos.

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El tomo de hidrgeno, modelo atmico de Niels BohrConsiderando lo propuesto por el modelo atmico Rutherford (modelo planetario), el fsico dans Niels Henrik David Bohr trat de explicar el espectro de emisin del hidrgeno suponiendo inicialmente, y tal como postul Ernest Rutheford, que los electrones se movan en rbitas circulares alrededor del ncleo atmico. Pero segn la fsica clsica, una partcula como el electrn (con carga elctrica), que se mueve en trayectoria circular, debera perder energa constantemente por emisin de radiacin electromagntica, razn por la que en algn momento el electrn deba caeren el ncleo.Niels Bohr (1885 1962), fsico dans. Recibi el Premio Nobel de Fsica en 1922 por sus trabajos sobre la estructura atmica y la radiacin.

Para sustentar su explicacin, Bohr valid las ideas de Planck respecto a los cuantos de energa y postul que: 1. Solo estaran permitidas rbitas con ciertos radios, correspondientes a energas definidas por los electrones de un tomo. 2. Un electrn en una rbita permitida tendr una energa especfica, presentndose entonces como un electrn en estado de energa permitida, razn por la que no irradia energa y no cae al ncleo. 3. Un electrn puede absorber o emitir energa. Cuando pasa de un estado permitido de energa (estable) a otro de mayor energa, el electrn absorbe energa. Mientras que cuando un electrn pasa a un nivel de menor energa, se emite energa, dicha emisin podra ser en forma de un fotn, es decir, luz visible. Desde esta perspectiva, los electrones ocupan regiones del espacio asociadas a niveles de energa cunticos, pudindose expresar las energas asociadas al electrn del tomo de hidrgeno con la ecuacin:

En =

RH n2

Donde RH = Constante de Rydberg igual a 1,096776 107 m-1 n = Nmero cuntico principal, que puede tener valores 1, 2, 3, 4. El hidrgeno tiene un solo electrn, que ocupa el nivel ms bajo de energa. La ocupacin de los niveles energticos define el estado del sistema. El estado fundamental o basal es el que representa el estado de ms baja energa, como muestra el siguiente diagrama:n=4 n=3 n=2

n=1

Figura 8. Diagrama de energa del tomo de hidrgeno.

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Adems, se pueden generar estados excitados, como muestran las siguientes figuras:

n=4 n=3 n=2

n=4 n=3 n=2

n=1

n=1

n=4 n=3 n=2

n=1

Figura 9. Diagrama de energa de los estados de excitacin electrnica del tomo de hidrgeno.

La diferencia de energa entre dos orbitales o estados cunticos estara dada por la ecuacin de Rydberg, vista con anterioridad. Segn esta ecuacin, cuando un tomo absorbe energa puede pasar desde un estado de ms baja energa a otro de ms alta, fenmeno conocido como excitacin electrnica; y al revs, cuando se encuentra en un estado de alta energa (est excitado) pasa a un estado de ms baja energa, emitiendo energa, fenmeno conocido como relajacin electrnica. Esto se ilustra en los siguientes diagramas:n=3 n=2

E

n=3 n=2

n=1

n=1 Relajacin (Emisin de energa) El electrn pasa de un estado con n = 3 a uno con n = 1, emitiendo energa, segn la ecuacin E = E1 E3

Excitacin (Absorbe energa) El electrn pasa de un estado con n = 1 a uno con n = 3, absorbiendo energa, segn la ecuacin E = E3 E1

Figura 10. Comparacin de los diagramas de energa del tomo de hidrgeno de los estados de excitacin y relajacin electrnica.

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La teora de Bohr del tomo de hidrgeno permite explicar el espectro de lneas de dicho tomo. La energa radiante absorbida por el tomo hace que el electrn se mueva de una regin de menor energa a una de mayor. Inversamente, la energa radiante (en forma de fotn) es emitida cuando el electrn se mueve de una rbita de mayor energa a una de menor. Visto as, la ecuacin de Rydberg puede expresarse de la siguiente manera para determinar la diferencia de energas ( E) entre el estado inicial (ni) y el final (nf ):

1 1 E = RH 2 2 ni n f Aplicando esta ecuacin, es posible determinar que la existencia de lneas espectrales puede atribuirse a los saltos cuantizados de electrones entre los niveles de energa. A poco andar, el mundo cientfico determina que el modelo atmico de Bohr presenta algunas limitaciones, pues logra explicar exitosamente el comportamiento del tomo de hidrgeno, pero no los espectros atmicos de otros tomos. Adems, describe al electrn como una partcula pequea y no aclara su comportamiento como onda, cuestin que se analizar en profundidad ms adelante. Aun cuando el modelo de Bohr se convirti en otro paso ms en la bsqueda del modelo actual del tomo, al igual que los de Thomson y Rutherford, impuso dos ideas primordiales que se conservan en el modelo vigente: 1. Los electrones existen en niveles discretos de energa, que se describen con nmeros cunticos. 2. En el movimiento de un electrn de un nivel de energa a otro interviene energa.n=3

n=2 n=1

E = hn+Ze

Figura 11. Modelo del tomo de hidrgeno de Bohr. Donde +Ze es la carga positiva del ncleo, la flecha azul indica el salto de un electrn desde una rbita de mayor energa a una de menor energa y la flecha roja indica la energa emitida.

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El siguiente desafo te permitir evaluar el nivel de logro que has alcanzado respecto de los siguientes objetivos de aprendizaje: Identificar informacin relevante que sustenta el modelo mecanocuntica, relacionndola con el comportamiento atmico. Describir la cuantizacin de la energa del tomo utilizando la informacin terica para relacionarla con el espectro electromagntico. 1. Por qu es importante conocer el comportamiento de las ondas para establecer las bases del modelo mecanocuntico de la materia? 2. Cmo influye el estudio y explicacin de los fenmenos como la radiacin del cuerpo oscuro, el efecto fotoelctrico y los espectros atmicos en la formulacin del modelo mecanocuntico de la materia? 3. Cul es el aporte de Planck a la estructuracin del modelo atmico actual de la materia? 4. Qu son los espectros atmicos? y cul es su utilidad en la configuracin del modelo mecanocuntico de la materia? 5. Cul es la diferencia entre el estado basal o fundamental y el estado excitado de un electrn? 6. Cmo puedes justificar que los tomos tengan distintos espectros atmicos? 7. Cuando un tomo est excitado gana o pierde energa? Justifica tu respuesta. 8. Qu relacin tienen los postulados de Bohr con el espectro del tomo de hidrgeno?

DESAFO CIENTFICOHabilidades a desarrollar: - Analizar. - Comprender.

Si tienes alguna duda respecto a lo expuesto hasta aqu en el texto, te invitamos a leer nuevamente las pginas anteriores y, posteriormente, a contestar en tu cuaderno las preguntas planteadas. No mires el texto para responder; formula tus respuestas con la informacin que hasta ahora manejas. Posteriormente, revisa tus respuestas en grupo, y con la ayuda del texto y de tu profesor o profesora, verifcalas. Si encuentras algn error en tus respuestas, vuelve a redactarlas. Este ejercicio te permitir tener una apreciacin objetiva respecto a tu proceso de aprendizaje. Reflexiona: a. Cuntas respuestas elaboradas por ti fueron correctas sin la ayuda del texto o de tu profesor o profesora? b. Si recurriste al texto o a tu profesor o profesora para responder algunas de las consultas, por qu fue? no recordabas? no lo entendas? Explica brevemente. c. Consideras que has logrado los aprendizajes esperados? Fundamenta tu respuesta.

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La naturaleza dual del electrnMS QUE QUMICA La tcnica de difraccin de electrones permite, por ejemplo, obtener imgenes de objetos diminutos en los microscopios electrnicos, puesto que partculas pequesimas de materia se pueden comportar como ondas. Los microscopios electrnicos utilizan electrones para formar imgenes de objetos diminutos que pueden alcanzar una capacidad de aumento de 500.000 veces su tamao original, debido a que la longitud de onda de los electrones es muy pequea.

La teora de Bohr intrig ms an al mundo cientfico cuando postul que los electrones estaban restringidos a viajar en ciertas rbitas a distancias fijas del ncleo. Solo en 1924 Louis de Broglie dio respuesta a la inquietud, al plantear que si las ondas luminosas se pueden comportar como un rayo de partculas, es posible que los electrones posean la propiedades ondulatorias. Sugiri entonces que el electrn, en su trayectoria circular alrededor del ncleo, tena una longitud de onda (l) caracterstica, la que dependa de su masa (m) y de su velocidad (v), lo que se expresa en la siguiente ecuacin:

=

h mv

Donde:

l h mv

Longitud de onda. Corresponde a la constante de Planck. Relacin de masa y velocidad que describe la cantidad de movimiento (momentum) para cualquier objeto.

A partir de sus experimentos, De Broglie seala en su tesis doctoral que una corriente de electrones (debido a que su masa es infinitamente pequea) exhibe el mismo comportamiento ondulatorio que la radiacin electromagntica.Onda elctrica

Direccin de la onda

a a nd ic O nt Direccin ag m

Figura 12. La onda electromagntica presenta campos de vibracin elctricos (color rojo) y campos de vibracin magnticos (color azul).

El electrn tiene un comportamiento dual de corpsculo y onda, pues posee masa y se mueve a velocidades elevadas. Al comportarse el electrn como una onda, es imposible conocer en forma simultnea su posicin exacta y su velocidad; por lo tanto, slo existe la probabilidad de encontrar un electrn en cierto momento y en una regin dada en el tomo.

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Mecnica cunticaComo se mencion antes, a pesar de los avances alcanzados por el modelo atmico de Niels Bohr, ste presentaba deficiencias cuando se deseaba explicar el espectro de tomos multielectrnicos (que poseen ms de un electrn), lo que llev a otros cientficos a suponer la existencia de estructuras dentro del tomo que los modelos anteriores no describan, las que se denominaron subniveles de energa. En 1924, el cientfico francs Louis de Broglie postul que los electrones (as como otras partculas materiales) tenan un comportamiento dual de onda y partcula, pues cualquier partcula que tuviere masa y que se moviera a cierta velocidad, poda comportarse adems como onda. En 1927, Werner Heisenberg, a partir de un supuesto matemtico, sugiere que es imposible conocer con exactitud la posicin, el momento (masa por velocidad) y la energa de un electrn y, en general, de una partcula de pequeo tamao, lo que se resuelve a medida que la materia tiene mayor tamao por la razn masavelocidad que puede alcanzar. Por ejemplo, si una pelota de tenis es lanzada por un compaero dentro de una habitacin, podrs determinar exactamente su posicin y velocidad en un tiempo determinado, e incluso su energa. Sin embargo, si esta misma experiencia es realizada con la cabeza de un alfiler, la determinacin de su posicin, velocidad y energa simultneamente ser una tarea bastante ms compleja. No obstante, de algo s estars seguro, la cabeza del alfiler no ha salido de la habitacin A este fenmeno, Heisenberg lo denomin principio de incertidumbre, y se refiere a la incapacidad de determinar exactamente la posicin, velocidad y energa, de manera simultnea, de un electrn dentro del tomo. En 1927, el fsico austriaco Erwin Schrdinger, a partir de sus estudios matemticos, considerando adems las conclusiones de De Broglie, establece una ecuacin compleja que al ser resuelta permite obtener una funcin de onda (), tambin denominada orbital, que en su expresin cuadrtica (2) contiene la informacin que describe probabilsticamente el comportamiento del electrn en el tomo. Adems, establece que esta funcin de onda corresponde a la distribucin de densidad electrnica, que es mayor cerca del ncleo y menor (exponencialmente) en la medida que nos alejamos del ncleo. Este hecho marca el inicio de la mecnica ondulatoria o mecnica cuntica. Con la teora de E. Schrdinger queda establecido que los electrones no giran en rbitas alrededor del ncleo tal como lo haba propuesto N. Bohr, sino que en orbitales, que corresponden a regiones del espacio en torno al ncleo donde hay una alta probabilidad de encontrar a los electrones. Figura 13.

Louis de Broglie (1892 1987). Premio Nobel de Fsica 1929.

Werner Heisenberg (1901 1976).

Erwin Schrdinger (1887 1961).

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Lo postulado por Schrdinger conduce a la existencia de un nmero ilimitado de funciones de onda por nivel energtico, y a su vez stas, en un tomo multielectrnico, resultan tener diferentes energas, lo que se denomina subniveles, identificados con las letras s, p, d, f.

Figura 13. Modelo atmico mecanocuntico.

SABAS QUE Bohr utiliz el tomo de hidrgeno, que posee un protn en el ncleo y un electrn girando alrededor, para desarrollar su modelo.

Estos nmeros derivan de la solucin matemtica de la ecuacin de Schrdinger para el tomo de hidrgeno. Permiten representar los orbitales atmicos y describir el comportamiento de los electrones. En sntesis, la distribucin de los electrones alrededor del ncleo obedece a una serie de reglas o principios de la teora mecanocuntica, que se traducen en un modelo matemtico que reconoce tres nmeros bsicos denominados nmeros cunticos. Hay un cuarto nmero cuntico descubierto en 1925 por George Uhlenbeck y Samuel Goudsmit, llamado Espn.

Nmeros cunticos1. Nmero cuntico principal (n): corresponde a los niveles de energa que a su vez estaran formados por uno o ms subniveles (l), los que van aumentando en la medida que nos alejamos del ncleo. Este nmero tambin se relaciona con la distancia promedio del electrn al ncleo en un orbital especfico. As, a mayor valor de n, mayor la distancia promedio del electrn respecto del ncleo y por ende mayor y menos estable es el orbital. Este nmero puede ir desde el uno en adelante, expresndose slo en nmeros enteros. n = 1, 2, 3, . En la prctica n llega hasta 7. 2. Nmero cuntico secundario (l): tambin conocido como nmero cuntico de momento angular o azimutal, puede tener valores desde 0 hasta (n - 1) para cada valor del nmero cuntico principal (n). Este define la forma que tiene el orbital. Se calcula considerando: Por ejemplo: Si n = 1, Si n = 2, Si n = 3, Si n = 4,

l = 0, 1, 2, ..., (n-1) l=0 l = 0, 1 l = 0, 1, 2 l = 0, 1, 2 ,3

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Para expresarlo cmodamente y evitar la confusin, la comunidad cientfica ha aceptado que los nmeros que representan los subniveles sean reemplazados por las letras s, p, d, f, respectivamente; las que representan distintos tipos de orbitales, por lo tanto:

n 1 2 3 4

l en nmero 0 0,1 0, 1, 2 0, 1, 2, 3

l en letras s s, p s, p, d s, p, d, fMS QUE QUMICA Al buscar informacin complementaria en textos e Internet, podrs desarrollar habilidades de investigacin, formas de observacin, razonamiento y de proceder, caractersticos de la metodologa cientfica. Anmate y hazlo, ya que estas habilidades no te servirn exclusivamente en qumica.

3. Nmero magntico (ml ): se calcula segn el valor del nmero cuntico secundario (l), adquiriendo todos los valores, que van desde el -l hasta + l (-l, , 0, +l). Este nmero describe la orientacin del orbital en el espacio. Por ejemplo: a. Para l = 0 (s), b. Para l = 1 (p),

m = 0, esto significa que existe un solo orbital. m va desde el -1, 0, 1, esto significa que existen tres orbitales, los que se conocen como px, py, pz o como p 1, p 2, p 3. m va desde el -2, -1, 0, +1, +2, lo que significa que en el subnivel 2 existen cinco orbitales, los que se conocen como d1, d2, d3, d4, d5.

c. Para l = 2 (d),

4. Espn (s): para comprender su significado debemos considerar que los electrones se desplazan girando sobre su propio eje, lo que genera a su alrededor un campo magntico que permitira la existencia de un mximo de dos electrones por orbital con espines opuestos + 1/2 y 1/2. Figura 14.

e e

Figura 14. Espn de un electrn.

Gracias a los cuatro nmeros cunticos (n, l, m, s) es posible identificar completamente un electrn en algn orbital de cualquier tomo. As, por ejemplo, para un electrn ubicado en el orbital 2s los nmeros cunticos sern: n l m s =2 =0 =0 = +1/2 o 1/2

Este nmero cuntico (s) puede tener un valor de +1/2 o 1/2 , no depende de ninguno de los otros tres nmeros cunticos. De hecho, el primer electrn presente en un orbital puede poseer el espn +1/2 o 1/2; el segundo tendr el signo opuesto al primer electrn, ya que dos electrones presentes en un mismo orbital poseen espines diferentes y la presencia de ambos electrones se suele anotar como 1/235


Orbitales atmicosLos nmeros cunticos permiten analizar en profundidad los orbitales atmicos de los tomos simples, como el hidrgeno, hasta los tomos polielectrnicos segn la relacin que se muestra en la siguiente tabla:

n l1 2 0 0 0 3 0 0 0

m

Nmero de Designacin de los orbitales en orbitales atmicos* la subcapa 1s 11 3 1 3 5 2s 2px , 2py , 2pz 3s 3px , 3py , 3pz 3dyz , 3dxz , 3dxy , 3dx 2 y2, 3dz 2

Nmero total de orbitales en la capa 14

1 -1, 0, +1 1 -1, 0, +1 2 -2, -1, 0, +1, +2

9

*x, y, z corresponden a los ejes a lo largo de los cuales se encuentra orientado el orbital, en las tres dimensiones.

Orbitales s: definir la forma de un orbital no es tarea fcil, pues en rigor stos no tienen una forma bien definida, ya que la ecuacin de onda que caracteriza a cada orbital se extiende desde el ncleo hasta el infinito. La Figura 15 muestra la disposicin esfrica de los orbitales 1s, 2s, 3s. No obstante, pensar y determinar una forma aproximada para los orbitales nos permitir comprender con mayor facilidad los enlaces qumicos.z

z

z

x

x

x

y 1s

y 2s

y 3s

Figura 15. Orbitales s.

Orbitales p: estos comienzan en el nivel 2 (n = 2). Si n = 2, l toma los valores 0 y 1. Cuando l es 1, los nmeros cunticos magnticos asociados son 1, 0, +1, presentando entonces tres orbitales (2px, 2py, 2pz ), como muestra la Figura 16.

36


Donde:z x z x z x

y

y

2py

y

2pz

2px

Figura 16. Orbitales p.

A diferencia de los orbitales s, en los orbitales p la densidad electrnica se concentra en dos regiones a los lados del ncleo, denominadas lbulos, separadas por un nodo, en donde se encontrara el ncleo atmico. Al igual que los orbitales s, los p crecern en la medida que aumente el nivel cuntico principal, es decir, 2p ser ms pequeo que 3p, y este a su vez ms pequeo que 4p. Orbitales d: los orbitales d aparecen cuando n = 3 o mayor. Si n = 3, y el valor de l es 2, da origen a los nmeros cunticos magnticos 2,1,0,+1,+2, que corresponde a los orbitales 3dx2 y2 , 3dxy , 3dyz , 3dxz , 3dz2 , que se muestran en la Figura 17.z x z x z x

y x 3dx2 y2 x 3dxy

y x 3dyz

y

z

3dxy x

z x

3dyz

y

y

x 3dxz

x 3dz2

Figura 17. Orbitales d.

Por ltimo, cuando n alcanza el valor 4 o mayor, hay siete orbitales f equivalentes.37


Orbitales y sus energasLa utilidad del modelo mecanocuntico radica en la extensin que se puede hacer a tomos con ms de un electrn. No obstante, se debe tener en cuenta que la presencia de ms de un electrn altera considerablemente las energas de los orbitales. Por ejemplo, en el hidrgeno la energa de un orbital slo depende del nmero cuntico principal (n), y las subcapas 3s, 3p y 3d tendrn la misma energa, denominndose como degenerados. En cambio, en un tomo con muchos electrones, la repulsin electrn - electrn hace que las subcapas presenten diferentes energas, como muestra la siguiente figura:

4p 3d 4s Energa 3p 3s

2p 2s

1s

Figura 18. Diagrama de los niveles energa de tomos polielectrnicos.

En sntesis, se puede indicar que en un tomo con muchos electrones, para un valor dado de n, la energa de un orbital aumenta al incrementarse el valor de l.

DESAFO CIENTFICOHabilidades a desarrollar: - Aplicar. - Asociar.

1. Determina los valores del nmero cuntico principal, nmero cuntico de momento angular y el nmero cuntico magntico para los siguientes orbitales y subniveles: a. 3p b. 4s c. 4d 2. Indica cul es el nmero de orbitales asociado con los siguientes nmeros cunticos principales: a. n = 2 b. n = 3 c. n = 4 3. Identifica los nmeros cunticos de los electrones que se ubican en los siguientes orbitales: a. 1s b. 2p c. 3p 4. Determina el orden decreciente de energa del siguiente grupo de orbitales en un tomo de hidrgeno: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p. Explica brevemente el ordenamiento que haces al respecto. 5. Para tomos con ms de un electrn, indica el orden creciente de energas de los siguientes grupos de orbitales: a. 1s, 3s, 2s, 3d, 2p b. 1s, 3s, 4s, 4d, 3p, 2s, 2p, 4p, 3d

38


Para entender el comportamiento electrnico de tomos polielctricos se establece la configuracin electrnica, que informa cmo estn distribuidos los electrones entre los diferentes orbitales atmicos. De esta forma, la configuracin electrnica de un tomo estara descrita mediante el esquema cuyo orden de llenado se indica mediante flechas en la Figura 19.

1 s 2 s 3 s 4 s 5 s 6 s 7 s 8 s p p p p p p d d d d f f

Figura 19. Esquema de llenado de los orbitales atmicos.

El esquema de la Figura 19 muestra el orden de llenado de la configuracin electrnica que corresponde. Como podrs observar, dicho llenado est ntimamente relacionado con la energa de los orbitales.

Principios de construccinA pesar de estar prcticamente establecida la estructura atmica, algunos aspectos energticos y electrnicos impedan comprender a cabalidad el comportamiento de los electrones en tomos multielectrnicos. La respuesta lleg mediante el principio de Aufbau o de construccin, que se compone de los siguientes principios: 1. Principio de mnima energa:Los electrones se ubican primero en los orbitales de ms baja energa; por lo tanto, los de mayor energa se ocuparn slo cuando los primeros hayan agotado su capacidad. Figura 20.4d 5s 4p 3d

4s 3p3s

2p 2s 1s

Figura 20. Niveles de energa de tomos polielectrnicos.

39


2. Principio de exclusin de Pauli: los orbitales son ocupados por doselectrones como mximo, siempre que presenten espines distintos (Figura 21). Por lo tanto, en un tomo no pueden existir dos electrones que tengan los mismos nmeros cunticos. Para el orbital que tiene ms de un subnivel, por ejemplo p, se tiene:

e

e

e

e

e

e

px

py

pz

Figura 21. Orbitales p ocupados por el mximo de sus electrones.

MS QUE QUMICA W. Ernst Pauli (1900 1958), fsico austriaco, estudi en Dblinger Gymnasium de Viena, donde se licenci en fsica en 1918, y slo tres aos ms tarde, en 1921, recibi el grado de doctor en fsica en la Universidad de Ludovico Maximiliano de Mnaco. En 1945 recibi el Premio Nobel de Fsica por su trabajo en el principio de exclusin.

3. Principio de mxima multiplicidad de Hund: en orbitales de la mismaenerga, los electrones entran de a uno, ocupando cada orbital con el mismo espn. Cuando se alcanza el semillenado, recin se produce el apareamiento con los espines opuestos (Figura 22). Para p se tiene: px , py , pz

e

e

e

px

py

pz

e

e px

e

e

py

pz

e

e

e

e

e

px

py

pz

e

e

e

e

e

e

px

py

pz

Figura 22. Orbitales p que muestran el llenado progresivo de los electrones en el subnivel.

40


Segn estos principios, en los subniveles existe un nmero especfico de electrones: por ejemplo, en el subnivel s, donde hay un solo orbital, existen dos electrones como mximo, mientras que en el subnivel p, donde hay tres orbitales, existe un mximo de seis electrones, dos de ellos en px, otros dos en py y los ltimos dos en pz. En el subnivel d hay cinco orbitales con un total de 10 e-, y en el subnivel f hay siete orbitales con un total de 14 e(Figura 23).

MS QUE QUMICA En el trabajo realizado por los cientficos ya estudiados, y los que seguirs estudiando, podrs observar la capacidad de saber reconocer que nadie es poseedor de la verdad absoluta. Cada uno de ellos puso su trabajo a disposicin de la humanidad para que fuese cuestionado y mejorado, gracias a lo cual se desarroll el actual modelo atmico de la materia, con partculas elctricas (Thomson), un ncleo (Rutherford) y orbitales (Bohr) que componen la cortezaatmica.

s

px

py

pz

d1

d2

d3

d4

d5

f1

f2

f3

f4

f5

f6

f7

Figura 23. Representacin del nmero mximo de los electrones por subnivel.

El aprendizaje es un proceso constante y sistemtico. Al respecto, marca, segn corresponda, si usas o no las siguientes estrategias metacognitivas: Criterios de evaluacin Diriges tu atencin hacia informacin clave como: los ttulos, subttulos, tablas, diagramas o las palabras marcadas con negrita, entre otras. Estimulas la codificacin, vinculando la informacin nueva con la que ya estaba en tu memoria. Construyes esquemas mentales que organizan y explican la informacin que ests procesando. Favoreces la vinculacin de informaciones provenientes de distintas reas o disciplinas. Reconoces las acciones y situaciones que nos facilitan el aprendizaje para que puedas repetir o crear las condiciones ptimas para adquirir el conocimiento bajo el estilo propio. S No

1. 2. 3. 4. 5.

Si el mayor nmero de respuestas es no, intenta realizar la estrategia mencionada para fortalecer tus habilidades metacognitivas.

En http://www.educaplus.org/sp2002/configuracion.html podrs encontrar ejemplos de configuracin electrnica y la aplicacin del principio de construccin paso a paso y desarrollar ejercicios.41


DESAFO CIENTFICOHabilidades a desarrollar: - Deducir. - Relacionar datos.

1. Cuntos orbitales tienen los siguientes subniveles? y cuntos electrones como mximo puede alojar cada uno? a. Subnivel d. b. Subnivel f. 2. Completa las siguientes oraciones: a. El nmero cuntico ____________ se simboliza con la letra ____________ y toma valores 0, 1, 2, 3... hasta (n - 1). b. El mximo de electrones para el orbital s son ____________ e. c. A los subniveles 0 y 2 se les asignan las letras _____ y _____ d. El subnivel ____________ tiene tres orbitales. e. El nmero cuntico magntico toma los valores ____________ 3. Qu puedes deducir de las siguientes figuras del texto? a. Figura 19. Esquema de llenado de los orbitales atmicos. b. Figura 20. Niveles de energa de tomos polielectrnicos. c. Figura 22. Orbitales p que muestran el llenado progresivo de los electrones en el subnivel. 4. De acuerdo con la informacin que manejas, responde las preguntas: a. Cul es la importancia de conocer la forma de los orbitales atmicos? b. Por qu es til conocer la energa de los orbitales atmicos? c. Qu es un tomo degenerado? d. Cul es la relacin entre la energa de los orbitales atmicos y la configuracin electrnica? Cmo va tu proceso de aprendizaje? a. Desarrolla una lista de los conceptos que has aprendido sobre la estructura atmica y construye un esquema para relacionarlos. Para construir el esquema, ubica un concepto clave y relaciona los conceptos usando flechas y palabras que te permitan leer la relacin existente. Mira el esquema sobre la distribucin del agua en el planeta, que te servir como modelo.Agua se distribuye como

Ocenica (salada) corresponde al 95% se encuentra en Ocanos, mar, lagos salados Hielo

Continental (dulce) corresponde al 5% se encuentra en Atmsfera Ros Lagos

b. Observa con atencin el esquema que has construido. Cul de los conceptos mencionados o relaciones establecidas es el que tienes menos claro A qu asocias esto? Qu hars para mejorar la situacin?42


La configuracin electrnicaLa configuracin electrnica explica la ubicacin probable de los electrones considerando cada uno de los aportes y postulados establecidos por los diferentes cientficos que se han estudiado a lo largo de la unidad. Para desarrollarla fcilmente estableceremos el siguiente protocolo: 1 Identifica el nmero de electrones que tiene el tomo o in por configurar.

SABAS QUE Al configurar, hay que respetar el orden de llenado y la aplicacin de los principios de construccin. Adems, los electrones de valencia son los electrones exteriores en un tomo, los que participan en la formacin de los enlaces.

2 Escribe la estructura de configuracin electrnica segn el orden de llenadoque obedece al principio de mnima energa.

3 Completa la configuracin electrnica asignando a cada subnivel elmximo de electrones posibles. Nunca utilices el nivel siguiente si el anterior no est lleno, pues los electrones por atraccin siempre tratarn de estar lo ms cerca del ncleo.

4 Existen cuatro formas de escribir la configuracin electrnica: a. Global: en ella se disponen los electrones segn la capacidad de nivel ysubniveles.

b. Global externa: tambin se le denomina configuracin electrnicaresumida. Se indica en un corchete el gas noble anterior al elemento configurado y posteriormente los niveles y subniveles que no estn incluidos en ese gas noble y pertenecen al elemento configurado. Este tipo de configuracin es muy til cuando el inters est concentrado en conocer los electrones ms externos o lejanos al ncleo, es decir, los que se ubican en la capa ms externa, llamados electrones de valencia. c. Por orbital detallada: se indica la ubicacin de los electrones por orbital. d. Diagrama de orbitales: en este se simboliza cada orbital por un casillero, utilizando las expresiones y para representar la disposicin del espn de cada electrn. Ejemplos: Nmero 1: configuraremos el Na. Se sabe que el Na tiene 11 e; por lo tanto, su configuracin electrnica global ser: 1 s2 2 s2 p6 3 s1 o 1s2 2s2 2p6 3s11 2 3 4 5 6 7 8

1s2 2s2 3s2 4s2 5s2 6s2 7s2 8s2 2p6 3p6 4p6 5p6 6p6 7p6 3d10 4d10 5d10 6d10 4f14 5f14

La configuracin global externa ser: [Ne] 3s1 La configuracin detallada por orbital: 1 s2 2 s2 px2 py2 pz2 3 s1 El diagrama por orbital:1 s 2 s 3 s px py pz

Esquema de llenado de los orbitales atmicos.

43


Nmero 2: el in Al 3+ presentaba 10 e, entonces su configuracin electrnica ser: 1s2 2s2 2p6 1 s2 o 2s2 p6 La configuracin global externa ser: 10[Ne] La configuracin detallada por orbital: 1 s2 2 s2 px2 py2 pz2 1 El diagrama por orbital: 2

DESAFO CIENTFICOHabilidades a desarrollar: - Interpretar resultados. - Comparar. - Aplicar. - Predecir.

El siguiente desafo te permitir evaluar el nivel de logro que has alcanzado respecto de los siguientes objetivos de aprendizaje: Formular la configuracin electrnica de diversos elementos qumicos considerando los nmeros cunticos. 1. Establece los nmeros cunticos (n, l, m y s) para el electrn de valencia de mayor energa indicado en cada caso. A este electrn se le denomina electrn diferencial y en un tomo hay slo uno. a. 3p3, sera indicar los cuatro nmeros cunticos para el electrn ubicado en 3pz1. c. 4p2 d. 3d5 b. 2s1 2. Determina la configuracin electrnica global de los siguientes elementos. Cuando los electrones de un mismo orbital ocupan ambos giros, se debe indicar que el espn es igual a 1/2. a. Hidrgeno e. Azufre i. Helio b. Potasio f. Cloro j. Nen c. Flor g. Magnesio k. Argn d. Carbono h. Nitrgeno l. Criptn 3. Explica brevemente cul ser el comportamiento de los electrones de valencia de acuerdo con los valores de n, l, ml y s de la pregunta anterior. 4. Compara la configuracin global, los diagramas de orbitales y los nmeros cunticos de los elementos qumicos pertenecientes a los gases nobles (Helio, Nen, Argn y Criptn) con los otros elementos configurados del punto 2. a. Qu diferencias observas en la configuracin global? b. Qu diferencias observas en los diagramas de orbitales? c. Qu diferencias observas en los nmeros cunticos de sus electrones de valencia? d. Investiga qu relacin tienen las comparaciones realizadas con la formacin de iones. Reflexiona frente al objetivo de aprendizaje enunciado en el desafo cientfico. Indica cul ha sido tu nivel de logro. Logrado, Medianamente logrado, No logrado. Justifica.

44

LHC: el experimento del siglo XXIEl diario electrnico Espaol La Gaceta describi lo que se transformara en la noticia del mes y tal vez del ao el 10 de septiembre de 2008. Lleg la hora de la verdad. Tras una larga y tensa espera, miles de fsicos cruzarn los dedos expectantes ante el instante en que, por fin, se pondr en marcha el Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en ingls de Large Hadron Collider), considerado ya como el experimento cientfico del siglo. l LHC es un acelerador y colisionador de partculas ubicado en la Organizacin Europea para la Investigacin Nuclear (CERN), cerca de Ginebra, en la frontera franco-suiza. Se dise para colisionar haces de hadrones, ms exactamente de protones de 7 TeV de energa (TeV = Teraelectrn-voltio), siendo su propsito principal examinar la validez y lmites del modelo estndar, que actualmente es el marco terico de la fsica de partculas. Los protones, acelerados a velocidades del 99% de c (velocidad de la luz, 300.000 km/s) y chocando entre s en direcciones diametralmente opuestas, produciran altsimas energas que permitiran simular algunos eventos ocurridos durante o inmediatamente despus del big bang. Este experimento consta bsicamente de un tnel circular de 27 kilmetros de largo, dentro del cual viajarn dos rayos de partculas en direcciones opuestas. En cuatro lugares distintos del anillo intersectarn y las partculas chocarn con las que vengan viajando en direccin contraria. En dichos puntos se han construido cuatro enormes detectores (se dice que cada uno tiene el tamao de una catedral) para obtener los resultados de las colisiones. Los protones se acelerarn hasta tener una energa de 7 TeV cada uno (siendo el total de energa de la colisin de 14 TeV). Pero adems de la construccin de un colosal colisionador, la CERN ha debido generar un nuevo

E

programa computacional, pues el LHC requerir de enormes espacios de almacenamiento generar 15 Petabytes (15 millones de Gigabytes) de datos por ao-, lo que indica que ningn PC conocido sera capaz de procesar esa cantidad de informacin. Por ello, se desarroll un programa de cmputo en red denominado Grid computing, que aspira a enlazar a cientos de los mayores centros de cmputo en todo el mundo. Tericamente se espera que una vez en funcionamiento se detecte la partcula conocida como el bosn de Higgs (a veces llamada la partcula de Dios). La observacin de esta partcula confirmara las predicciones y enlaces perdidos del modelo estndar de la fsica, pudindose explicar cmo las otras partculas elementales adquieren propiedades como su masa. Verificar la existencia del bosn de Higgs sera un paso significativo en la bsqueda de una teora que unifica tres de las cuatro fuerzas fundamentales conocidas, quedando fuera de ella nicamente la gravedad. Adems, este bosn podra explicar por qu la gravedad es tan dbil comparada con las otras tres fuerzas. Junto al

bosn de Higgs tambin podran producirse otras nuevas partculas, que fueron predichas tericamente, y para las que se ha planificado su bsqueda, como los strangelets, los microagujeros negros, el monopolo magntico o las partculas supersimtricas, adems de responder a preguntas fundamentales para la ciencia, tales como: Qu es la masa?, cul es el origen de la masa de las partculas?, cul es el origen de la masa de los bariones?, cuntas son las partculas totales del tomo?, por qu las partculas elementales tienen diferentes masas?, qu es la materia oscura? Y despejar las dudas respecto a la existencia de las partculas supersimtricas. Cientficos de todo el mundo aseguran que adems de dar respuesta a cuestiones fundamentales, el LHC traer para la humanidad la posibilidad de incursionar en nuevas tecnologas para la cura del cncer y sistemas computacionales que permitirn procesar una gran cantidad de informacin, entre otros beneficios.

PARA LA REFLEXIN1. Qu plantea la teora del big bang?, por qu se indica que este experimento permitir reproducirlo? 2. Qu son los hadrones? 3. Qu son los quark? 4. Qu son los bariones? 5. Qu relacin tienen las partculas mencionadas en las preguntas 1 a la 3 con la estructura de la materia y el modelo mecanocuntico? 6. Investiga qu resultados se han obtenido en el LHC. Habilidades a desarrollar: - Analizar datos. - Comparar. - Sistematizar informacin.

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Revisemos lo aprendido del Tema 1I. tem de desarrollo: responde segn lo pedido en cada una de las preguntas dadas a continuacin: 1. Completa la informacin solicitada en la siguiente tabla: ElementoHelio

5. Escribe la configuracin electrnica global de los elementos cuyos nmeros atmicos son los siguientes: a. 2 b. 5 c. 8 d. 10

Nen Sodio Aluminio

N de Configuracin Electrones electrones electrnica de valencia 2 6 1s 2 2 s 2 2 p 2 8 6 1s 2 2 s 2 2 p 6 11 1s 2 2 s 2 2 p 6 3s 2 2 3

6. Escribe los diagramas de orbital de los elementos cuyos nmeros atmicos son los siguientes: a. 4 b. 6 c. 11 d. 13

7. Determina el nmero de electrones de valencia para cada uno de los elementos configurados en los ejercicios 4 y 5. 8. Qu informacin puedes obtener en los siguientes casos? a. De la configuracin electrnica global externa. b. De la configuracin electrnica detallada por orbital. 9. Qu principios de construccin o de Aufbau necesitas aplicar para desarrollar la configuracin electrnica detallada por orbital? 10. Indica los nmeros cunticos para: a. 3s2 b. 2p3 c. 2s2 d. 3p3

2. Segn la configuracin electrnica de los tomos neutros y de los iones, qu cambios experimentan los tomos al convertirse en los siguientes iones? a. 17Cl Q 17Cl b. 20Ca Q 20Ca2+ c. 16S Q 16S2 d. 19K Q 19K+ e. 8O Q 8O2 f. 12Mg Q 12Mg2+

3. Explica los siguientes principios: a. b. c. d. De incertidumbre. De mnima energa. De exclusin de Pauli. De mxima multiplicidad de Hund.

4. Completa la informacin solicitada en la siguiente tabla: Nmero atmico (se simboliza con una Z y corresponde al nmero de protones del tomo) 134 [Ne] 3s 2 3p 3 14 7 [Ne] 3s 2 p 5 20 [Ar] 4s1

11. Dada la configuracin electrnica 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2, indica: a. Valor de Z. b. Nmeros cunticos para los electrones de la capa ms externa. 12.Para los siguientes Z: Z = 19 Z = 12 Z = 18 Z = 10

Configuracin global externa

[Ne] 3s1

Obtn: a. Configuracin electrnica global externa. b. Nmeros cunticos asociados a las orbitales del ltimo nivel con electrones. c. Grupo y perodo. d. Orbitales.

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II. tem de opcin

texto quimica 1° medio - ministerio de educación de chile

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