Conceptos Clave de Física y Química: Ondas, Estructura Atómica y Enlaces Químicos

Conceptos Fundamentales de Física Cuántica y Ondas

Modelos Atómicos y Cuantificación de la Energía

El estudio de la materia y la energía ha evolucionado a través de diversos modelos y teorías. A continuación, se presentan algunos de los pilares fundamentales:

Dalton: Clasificación por Masa Atómica

Dalton propuso una clasificación de los elementos basada en su masa atómica, sentando las bases de la teoría atómica moderna.

Hipótesis Cuántica de Planck

Planck supuso que la energía emitida por un cuerpo negro debía ser múltiplo de un término al que denominó fotón, es decir, Planck cuantifica la energía. Esta idea revolucionaria marcó el inicio de la mecánica cuántica.

Efecto Fotoeléctrico

El Efecto Fotoeléctrico consiste en arrancar electrones a un átomo metálico haciendo incidir fotones sobre él. Asimismo, el efecto fotoeléctrico puso de manifiesto que la luz podía considerarse como una partícula llamada fotón, de energía h·f y sin masa en reposo. Este fenómeno es una prueba clave de la dualidad onda-corpúsculo de la luz.

Modelo Atómico de Bohr

Según Bohr, los electrones se encuentran en órbitas estables alrededor del núcleo sin emitir o absorber energía. Los electrones solo absorben o emiten fotones de energía característica y lo hacen al cambiar de nivel. Además, los electrones se encuentran en el menor nivel posible de energía, y existen limitaciones al número de electrones en cada nivel.

Modelo Mecano Cuántico

El Modelo Mecano Cuántico se basa en principios fundamentales como la dualidad onda-partícula, el principio de incertidumbre, la cuantificación de la energía y el concepto de orbital (región de probabilidad donde se encuentra un electrón).

Propiedades y Fenómenos Ondulatorios

Las ondas son un mecanismo fundamental para la transmisión de energía:

Definición de Onda

Una Onda es una forma de transmitir energía de un punto a otro sin desplazamiento neto de materia, como es el caso de la luz.

Fenómenos Ondulatorios Clave

• Reflexión: Vuelta de una onda de procedencia al encontrarse con un obstáculo.
• Refracción: Cambio en la dirección de propagación de una onda al cambiar de medio.
• Difracción: Capacidad de una onda para bordear obstáculos.
• Dispersión: Distinta refracción de un conjunto de ondas que viajaban juntas. Las distintas ondas se distinguen por la frecuencia y la energía asociada a las mismas.

Espectro Electromagnético

El Espectro es la imagen que se forma al dispersar la luz proveniente de una fuente de ondas electromagnéticas (o.e.m.).

Dualidad Onda-Corpúsculo de la Luz

La luz tiene un comportamiento ondulatorio y corpuscular, manifestándose como onda en fenómenos como la difracción y como partícula (fotón) en el efecto fotoeléctrico.

Clasificación de Sustancias y Tipos de Enlaces Químicos

Las sustancias se clasifican según el tipo de enlace predominante entre sus átomos, lo que determina sus propiedades macroscópicas.

Tipos de Sustancias Químicas

Sustancias Iónicas

Las Sustancias Iónicas son sólidas, de alto punto de fusión y ebullición, frágiles, duras, no maleables, solubles en disolventes polares, y conducen la corriente eléctrica cuando están fundidas o disueltas.

Sustancias Covalentes

Las Sustancias Covalentes pueden ser gases, sólidos o líquidos. Son fáciles de fundir (en general, aunque hay excepciones), solubles en disolventes apolares y no conducen la corriente eléctrica.

Sustancias Metálicas

Las Sustancias Metálicas son sólidas (a temperatura ambiente, excepto el mercurio), maleables, dúctiles, conducen bien el calor y la electricidad, y poseen un brillo característico.

Tipos de Enlaces Químicos

Enlace Iónico

El Enlace Iónico se produce cuando un elemento de bajo potencial de ionización pierde uno o varios electrones, que son ganados por un elemento con alta afinidad electrónica, dando lugar a iones con la configuración electrónica externa completa (ns² np⁶).

Enlace Covalente

El Enlace Covalente se da entre dos elementos de alta afinidad electrónica y elevado potencial iónico. Comparten electrones (uno, dos o tres pares), formando una nube electrónica u orbital molecular.

• Covalencia: Número de pares de electrones que se comparten.
• Puro: Se forma entre dos átomos de la misma o semejante electronegatividad.
• Polar: Se forma entre átomos con diferente electronegatividad.
• Dativo: Se produce entre dos elementos aportando el mismo elemento la pareja de electrones. Un elemento puede disponer de pares de electrones sin compartir en el nivel de valencia.

Propiedades de Sustancias Covalentes (Moleculares)

Las sustancias con enlaces covalentes (especialmente las moleculares) forman enlaces fuertes, difíciles de romper a nivel intramolecular. Sin embargo, las moléculas individuales no están fuertemente unidas entre sí, lo que hace que separarlas sea relativamente fácil (bajos puntos de fusión/ebullición).

Geometría Molecular y Fuerzas Intermoleculares

Geometría Molecular (Ejemplos)

• BeCl₂: Lineal
• BF₃: Plana trigonal
• CH₄, H₂O, NH₃: Tetraédrica (con variaciones en los ángulos debido a pares de electrones no enlazantes en H₂O y NH₃)

Fuerzas de Van der Waals

Las Fuerzas de Van der Waals son aspectos diferentes en la interacción de átomos y moléculas. Incluyen:

• La fuerza gravitatoria (aunque su influencia a nivel molecular es despreciable en comparación con otras fuerzas intermoleculares, el texto original la menciona, por lo que se mantiene). Así, los hidrocarburos son gases, los de 8-10 carbonos son líquidos y los de masa molecular alta son sólidos (esto es más bien una consecuencia de las fuerzas de dispersión de London, un tipo de Van der Waals, que aumentan con la masa molecular).
• La formación de dipolos temporales que mantendrán ligadas las moléculas (fuerzas de dispersión de London).

Fórmulas Fundamentales

A continuación, se presentan algunas fórmulas clave relacionadas con los conceptos abordados:

• E = h·f (Energía de un fotón, donde E es energía, h es la constante de Planck y f es la frecuencia)
• λ = c·T (Longitud de onda, donde λ es longitud de onda, c es la velocidad de la luz y T es el período)
• T = 1/f (Relación entre período y frecuencia)
• N = N₀·e^-λ·t (Ley de desintegración radiactiva, donde N es la cantidad de sustancia en el tiempo t, N₀ es la cantidad inicial, λ es la constante de desintegración y t es el tiempo)