Fundamentos de Química y Física: Estructura Atómica, Modelos Cuánticos y Magnitudes de Medida

Estructura Atómica y Partículas Fundamentales

Radiaciones y Partículas Subatómicas

Tipos de Radiaciones

Alfa (α)

Partículas con carga positiva y masa significativa. Son núcleos de helio.

Beta (β)

Partículas con carga negativa (electrones) y masa insignificante.

Gamma (γ)

Radiación de naturaleza electromagnética (sin masa ni carga).

(Referencia al Experimento de la lámina de oro de Rutherford).

Composición del Átomo

• Núcleo: Donde se encuentran los protones y la mayor parte de la masa atómica.
• Zona de Vacío.
• Corteza: Los electrones giran alrededor del núcleo para evitar precipitarse en él.

Limitaciones del Modelo de Rutherford

En la época de Rutherford, se admitía que una partícula cargada (como el electrón) en movimiento emitía energía, lo que causaría una pérdida de velocidad y de fuerza centrífuga. Por lo tanto, el electrón tendría que precipitarse sobre el núcleo, lo cual no ocurre en la realidad.

Partículas Subatómicas Fundamentales

Protón (p+)

Carga: Positiva (+). Masa: 1 u. Ubicación: Núcleo.

Neutrón (n)

Carga: Nula. Masa: 1 u. Ubicación: Núcleo.

Electrón (e-)

Carga: Negativa (-). Masa: 1/1840 u. Ubicación: Gira alrededor del núcleo (corteza).

Conceptos de Estructura Atómica

Iones

Cationes

Iones positivos. El número de electrones es menor que el número atómico (Z).

Aniones

Iones negativos. El número de electrones es mayor que el número atómico (Z).

Isótopos y Masa Atómica

• Isótopos: Átomos del mismo elemento (mismo número atómico Z) pero con diferente número másico (A) y, por ende, diferente número de neutrones.
• Población Isotópica (Pleyado): Es el conjunto de isótopos estables de un elemento.
• Masa Atómica: Es la masa de un átomo. Se toma como referencia la masa del átomo del isótopo 12 del carbono, definida como 12 unidades de masa atómica (u).
• Masa Atómica Promedio: Se calcula como: (Masa atómica * Abundancia) / 100.

Modelos Atómicos Cuánticos y Configuración Electrónica

Postulados de Bohr

1. Los electrones, mientras giran en una órbita determinada, no absorben ni emiten energía.
2. Las órbitas en las que giran los electrones no pueden ser cualesquiera, sino que deben cumplir:
   • Radio = Constante * n²
   • Energía = Constante / n²
3. Cuando un electrón pasa de un nivel a otro, absorbe o emite energía en forma de radiación luminosa.

Correcciones al Modelo de Bohr

Corrección de Sommerfeld

Sommerfeld observó que los rayos espectrales obtenidos por Bohr, cuando se utilizaba un espectrógrafo de mayor resolución, se desdoblaban en dos o más rayos. Concluyó que las órbitas no tienen por qué ser circulares, sino que pueden tener otras formas (elípticas).

• Introduce el número cuántico secundario (l), que mide la forma de la órbita.

Corrección de Zeeman

Zeeman sometió el átomo a un campo magnético, observando un nuevo desdoblamiento de las líneas espectrales. Justificó estos hechos admitiendo:

1. Las órbitas en el espacio pueden tener distintas orientaciones.
2. El electrón gira en dos sentidos (spin).

Introduce los siguientes números cuánticos:

Número Cuántico Magnético (m)

Mide la orientación de las órbitas. Valores: -l, 0, +l.

Número Cuántico de Spin (s)

Mide el sentido del giro del electrón. Valores: -1/2; +1/2.

Configuración Electrónica

Es la distribución de los electrones de un átomo. Se rige por tres principios fundamentales:

1. Principio de Aufbau: Los electrones ocupan los distintos niveles de energía de menor a mayor.
2. Principio de Exclusión de Pauli: En un átomo no pueden existir dos electrones con la misma energía; se tienen que diferenciar en al menos un número cuántico.
3. Regla de Multiplicidad de Hund: En las órbitas degeneradas (mismo n y l), los electrones se colocan con el mayor desapareamiento posible.

Relación entre Números Cuánticos y Orbitales

Donde n es el nivel y l es el orbital:

Orbital s

l = 0. Valores de m = 0.

Orbital p

l = 1. Valores de m = +1, 0, -1.

Orbital d

l = 2. Valores de m = -2, -1, 0, +1, +2.

Orbital j (f)

l = 3. Valores de m = -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3.

Fundamentos de la Medida y Magnitudes Físicas

Definiciones Básicas

• Magnitud: Todo aquello que se puede medir.
• Medir: Comparar la magnitud que deseamos medir con aquello que hemos tomado como unidad de referencia.

Clasificación de Magnitudes

Intensivas

Dependen de la cantidad de materia (ej. temperatura, densidad).

Extensivas

No dependen de la cantidad de materia (ej. masa, volumen).

Escalares

Se definen con un número y la unidad correspondiente.

Vectoriales

Se definen con un vector: punto de aplicación, intensidad, dirección y sentido.

Fundamentales

Se definen por sí mismas: longitud, masa, tiempo, temperatura, cantidad de sustancia, intensidad eléctrica y luminosa, ángulo plano y ángulo sólido.

Derivadas

Se derivan de las fundamentales (ej. volumen, velocidad, fuerza).

Sistemas de Unidades

• Sistema Internacional (SI): M.K.S (Metro, Kilogramo, Segundo).
• Sistema Cegesimal (CGS): C.G.S (Centímetro, Gramo, Segundo).

Unidades Fundamentales del SI

Longitud

Metro (m)

Masa

Kilogramo (Kg)

Tiempo

Segundo (s)

Cantidad de Sustancia

Mol (mol)

Intensidad de Corriente

Amperio (A)

Intensidad Luminosa

Candela (Cd)

Temperatura

Kelvin (K)

Ángulo Plano

Radián (Rad)

Ángulo Sólido

Estereorradián (Sr)

Cifras Significativas y Prefijos

Cifras Significativas: Todas las cifras (incluyendo ceros) que están entre la cifra más significativa y la menos significativa. (Incluye reglas de Redondeo y Truncamiento).

Prefijos del SI (Potencias de 10)

Tera (T)

10¹²

Giga (G)

10⁹

Mega (M)

10⁶

Kilo (k)

10³

Hecto (h)

10²

Deca (da)

10¹

Deci (d)

10⁻¹

Centi (c)

10⁻²

Mili (m)

10⁻³

Micro (µ)

10⁻⁶

Nano (n)

10⁻⁹

Pico (p)

10⁻¹²

Cualidades de los Instrumentos de Medida

Fidelidad

Un instrumento tiene fidelidad cuando, al repetir la medida, el resultado es siempre el mismo (consistencia).

Sensibilidad

Un aparato es más sensible cuanto menor sea la variación en la magnitud que puede detectar.

Precisión

Se refiere a la dispersión de los resultados obtenidos. Un aparato es más preciso cuando los valores de las medidas realizadas son muy cercanos entre sí.

Exactitud

Un aparato es exacto cuando el valor de la medida realizada se acerca al valor verdadero.

Sesgo

Es la medida más grande que puede realizar un instrumento (Alcance).

Método Científico y Procesos

Etapas del Método Científico

1. Observación
2. Establecimiento de Hipótesis
3. Experimentación
4. Leyes o Teorías

Tipos de Procesos

• Físicos: No cambian la naturaleza de la materia.
• Químicos: Cambian la naturaleza de la materia.

Modelos Atómicos Históricos

Postulados de Dalton

1. La materia está constituida por partículas indivisibles llamadas átomos.
2. Los átomos de un mismo elemento tienen masa e iguales propiedades.
3. Los átomos de distintos elementos tienen distinta masa y distintas propiedades.
4. En los compuestos químicos, la relación numérica de los átomos que los forman es una relación de números enteros y sencillos.

Modelo de Thomson (El Pudín de Pasas)

Thomson descubrió la existencia del electrón mediante los tubos de descarga de rayos catódicos. Calculó la relación carga/masa del electrón y afirmó que la naturaleza de la carga del electrón es negativa y su masa es insignificante comparada con la masa del átomo de Hidrógeno (H).

El modelo consiste en una masa positiva (el "pastel") que lleva integrados los electrones (las "pasas").

Modelo de Rutherford

Está basado en sus experiencias con la radioactividad. La radioactividad es una propiedad que tienen algunos elementos radiactivos que consiste en emitir radiación.