Guía 2 de Química: modelos materiales

Hubo un tiempo que fue hermoso… (como dice una bella canción) en el que nos decían que todos los elementos estaban constituidos por átomos, y que esos átomos tenían solamente protones y neutrones en una región llamada “núcleo” con inquietos electrones orbitando a su alrededor.

Aunque aquí vamos a retornar de algún modo a ese pasado sencillo quiero dejar sentado que las nuevas experiencias están demostrando que existen otros conceptos tales como “bosones”, “fermiones”, “quarks”, etc. que exploran más profundamente la materia que nos forma y nos rodea.

ÍNDICE DE ESTA GUÍA

 1 - ¿Qué es la materia?
 2 – Modelos de materia.
 3 – Una más moderna definición de materia.
 4 – Estados de agregación de la materia.
 5 – Sustancias homogéneas y heterogéneas.
 6 – Propiedades de la materia.
 7 – Átomos y moléculas.
 8 – Ley de las proporciones definidas.
 9 – Ley de las proporciones múltiples.
10 – Cambios de la materia.
11 – Técnicas de separación de mezclas.
12 – Ley de la conservación de la materia y la energía.
13 – Partículas elementales: protones, neutrones, electrones.
14 – Detalles del modelo atómico de Bohr.
15 – El Principio de Incertidumbre de Heisenberg (1926).
16 – La Ecuación de Schroedinger (1926).
17 – Números cuánticos.
18 – Principio de exclusión de Pauli (1925).
19 – Principio de máxima multiplicidad de Hund (1927),
20 – Enlaces covalentes y espines.
21 – Propiedades magnéticas de los átomos.

¿Cómo puedes adquirir una copia del archivo e-book de esta Guía? 

Es muy sencillo. Escríbeme un email a mi correo danielgalatro@gmail.com o completa el formulario de contacto que encontrarás en este blog y te diré cuáles son los simples pasos para lograrlo.

Estaré esperándote.

Prof. Daniel Aníbal Galatro

Esquel - Chubut - Argentina

El LHC vuelve a funcionar

Imagen: Maximilien Brice/CERN

El pasado 5 de Abril/2015, luego de dos años de intenso mantenimiento y consolidación, y varios meses de preparación para el reinicio de sus funciones, el LHC (Large Hadron Collider), el más poderoso acelerador de partículas del mundo, está nuevamente en operación.

A las 10.41 am un rayo de protones estaba de regreso en el anillo de 27 kilómetros seguido a las 12.27 pm por un segundo rayo rotando en la dirección opuesta.

Estos rayos circularon gracias a una inyección de energía de 450 GeV. En los próximos días lo operadores controlarán todos los sistemas antes de aumentar la energía de los rayos.

"El CERN vuelve a latir al ritmo del LHC" expresó su Director General Rolf Heuer. Y agregó que ese retorno recompensa una enorme cantidad de trabajo de muchos equipos de personas.

La "parada" técnica del LHC fue una tarea digna de Hércules. Unas 10.000 interconecciones entre magnetos fueron establecidas al tiempo en tanto se aumentaban y reforzaban elementos criogénicos, de vacío y electrónicos.

Además los rayos se colocarán de tal forma que producirán más colisiones de protones instalados a menor distancia disminuyendo el tiempo entre choques de 50 nanosegundos a 25 nanosegundos.

Luego de dos años de esfuerzo se estima que el LHC "está en gran forma pero también que el paso más importante aún está por venir cuando se incremente a energía de los rayos a nuevos niveles récord.

Se inicia así la segunda etapa de operación que en razón del trabajo realizado en los últimos dos años operará a una energía sin precedente que casi duplica la de la primera a 6.5 TeV por rayo. Cuando para el verano europeo se alcancen colisiones protón-protón, las experiencias del LHC estarán explorando terreno desconocido.

¿Qué trae el menú previsto para esta segunda estación? Muy variado: el mecanismo de Brout-Englert-Higgs, la materia oscura, la antimateria y el plasma quark-gluon. Recordemos que en 2012 se descubrió el bosón de Higgs con la colaboración ATLAS-CMS. Con los próximos experimentos se someterá el "Modelo Estándard" a una prueba más comprometida, buscando una nueva Física más allá de esta teoría con sus descripciones e interacciones entre partículas.

http://press.web.cern.ch/

Apunte: Sólidos, líquidos y gases

La llamada "materia", es decir, ese tipo de energía que quizá cobró realidad cuando nació con la conformación de un superátomo inicial postulado por Hawkins, es algo que nos debe interesar profundamente. Es que nosotros mismos estamos armados físicamente utilizando esa tal "materia" y con el complemento imprescindible del resto de la energía.

Porque los átomos que se crearon a partir de aquél comienzo fueron logrando alguna estabilidad enlazándose entre sí para formar moléculas, es decir, los elementos se convirtieron en compuestos y dieron como resultado el universo que vemos. Y lo vemos porque somos parte de él, utilizando los mismos "ingredientes", tridimensionales, etc.

El ser humano tomó conciencia de la materia cuando se vio a sí mismo y se sintió de todas las formas, como vio y sintió lo que lo rodeaba, tanto en su entorno como en la lejanía más sorprendente.

Y esa materia se presentaba como sólidos, como líquidos, como gases y como estados intermedios. Descubrió también que esos estados de agregación - como se los llamó después - no eran permanentes. El agua líquida se helaba cuando disminuía la temperatura, o se evaporaba cuando el sol la calentaba. Todo cambiaba de un estado a otro al varias las condiciones del ambiente. Y entonces comenzó a modificar él mismo los ambientes para provocar los cambios.

También aprendió mucho más tarde los porqués de esos estados y de esos fenómenos. Si llegar a saberlo todo pero logrando algunas explicaciones suficientemente satisfactorias para cada época de su desarrollo intelectual.

Supo crear "modelos", respuestas aproximadas que permitían justificar lo que observaba, que daban respuestas relativamente válidas a las preguntas que se formulaba.

Modelizó la materia suponiendo una estructura para cada tipo de átomo, con protones, neutrones y electrones. Y encontró una explicación del porqué y cómo se unían para conformar moléculas. Dedujo que todo era un problema de energías y que el universo parecía buscar estados que se estabilizaran con la menor energía posible.

Pudo suponer con fundamento que las partículas (átomos, moléculas, iones) estaban bajo la influencia de fuerzas que buscaban atraerlos unos a otros, pero también de fuerzas que procuraban separarlos. Y que, en cada momento, intentaban equilibrar ambas tendencias variando, por ejemplo, la distancia que los separaban.

Cuando las fuerzas de atracción son mayores que las de repulsión, la materia se muestra como un sólido, con un alto grado de cohesión, en unos casos cristalino y en otros amorfo (sin forma ordenada). En ese estado, las partículas están tan cercanas unas a otras como les sea posible. Esto les da una forma propia, un volumen definido, una carencia total de fluidez. Son prácticamente incompresibles, se dilatan apenas un poco cuando aumenta la temperatura, y sus partículas no tienden a escapar (su presión de vapor es baja).

Cuando las fuerzas de repulsión son mayores que las de atracción, la materia se muestra como un gas, con un mínimo grado de cohesión que hace que las partículas estén tan lejanas unas de otras como les sea posible. No tienen una forma propia pues se expanden para ocupar todo el espacio disponible, ocupando un lugar mucho mayor al que por su volumen propio necesitarían. Esas partículas se mueven caóticamente y cuando chocan contra un obstáculo ejercen una fuerza que llamamos "presión". También responden en forma significativa a los cambios de temperatura, ya que ésta mide de algún modo el grado de agitación que manifiestan la materia en estado gaseoso.

Pero hay una tercera posibilidad de manifestación de la materia, un tercer estado de agregación, que se aprecia cuando las fuerzas de atracción son relativamente semejantes a las fuerzas de repulsión entre las partículas. No la vemos ni estructurada como en el estado sólido ni desordenada como en el estado gaseoso. Decimos que se muestra como un "líquido".

Esa nueva forma de presentación da a la materia algunas propiedades particulares. Muestran una "tensión superficial" que hace que las partículas superficiales se atraigan formando una "capa" porque las del interior del líquido las atraen.

También manifiestan resistencia a fluir, lo que se conoce como "viscosidad", ya que las partículas rozan unas contra otras. Todo depende, como ya mencioné, de la agitación que experimentan, es decir, de la temperatura. Cuando esta aumenta, las partículas se alejan un poco unas de otras, rozan menos entre sí y la viscosidad disminuye.

La materia en estado líquido no tiene forma propia como en estado sólido ni se expande indefinidamente como en estado gaseoso. Adopta la forma del recipiente que la contiene. También sus partículas pueden volatilizarse en su superficie libre, produciéndose la llamada "evaporación". Cuando algunas partículas se volatilizan, la temperatura de las que quedan disminuye.

Si colocamos un líquido en un recipiente cerrado, las partículas de la superficie se evaporan y pasan al estado gaseoso, pero algunas del estado gaseoso vuelven a ser atraídas por las de la superficie del líquido hasta que llegan a un equilibrio que depende de la temperatura. Eso se denomina "presión de vapor".

Pero si aplicamos temperatura suficiente a un líquido, no solamente las partículas de la superficie se evaporan sino que ocurre que las del interior comienzan a desesperarse por convertirse en gas. Es cuando decimos que "hierve". Ese fenómeno es llamado "ebullición".

Así que tenemos tres estados bien definidos de la materia: el sólido, el líquido y el gaseoso. Pero ya debes haber notado que a veces se ve la materia como una especie de "pasta", entre sólida y líquida. Y también otros estados intermedios entre líquido y entre sólido y gas. Es verdad, los hay, pero quedarán para ser analizados en alguna próxima clase.

Espero que este apunte te haya sido útil. Espero tus comentarios aquí o en mi email.
Un saludo afectuoso

Prof. Daniel Aníbal Galatro
danielgalatro@gmail.com
Esquel - Chubut - Argentina
Noviembre 2013

Procesos endotérmicos y exotérmicos

Si un cambio químico o físico absorbe energía cuando se produce, el proceso se denomina "endotérmico".
Si al producirse libera energía se llama "exotérmico".

Siempre que se producen cambios en la materia, cambia la energía del sistema.

Modelos atómicos a lo largo de la historia

· Anaxágoras (499-442 a.C.): "El universo está quizá formado por partículas diminutas".
· Leucipo de Mileto (450-370 a.C.): (concepto similar al de Anaxágoras).
· Demócrito de Abdera (460-370 a.C.): "La materia está formada por átomos (indivisibles), infinitos en cantidad y calidad, cuyas cualidades aleatorias son la eternidad, el espacio, la impenetrabilidad, el peso, y la indestructibilidad. Los átomos adoptan una figura, orden y posición diferentes para originar la variedad de los seres. El ser es uniforme y no hay diferencias cualitativas entre los seres porque los átomos son idénticos. La consistencia y peso de los átomos se dan a medida que se alejan o acercan de los demás".
· Epicuro de Samos (341-270 a.C.): Consideró posibles las teorías de sus antecesores.
· Lucrecio (99-55 a.C.): Postuló que el fundamento central del universo gira en torno a los átomos.
· Herón (S. III d.C.): "Los gases están formados por partículas".
· John Dalton (alrededor de 1803): a) todos los elementos están compuestos de partículas indivisibles y microscópicas llamadas átomos. b) el universo, aunque formado por una gran cantidad de sustancias, es el resultado de la combinación de los átomos. c) los átomos de un mismo elemento son idénticos entre sí en cuanto a su masa, su forma y su tamaño; los átomos de diferentes elementos son diferentes entre sí.
· William Crookes (1832-1919): Mediante experiencias realizadas con descargas eléctricas en tubos de vacío, descubre los rayos que llamó "catódicos", con evidente carga eléctrica positiva.
· Robert Andrew Millikan (1868-1953): Determina el valor de la carga de los electrones y confirma la existencia de los átomos como constituyentes de la materia. Pero también demuestra así que los átomos no son indivisibles.
· Dimitri Ivanovich Mendeléiev (1834-1907): En 1869 desarrolla una organización de los diferentes elementos químicos conocidos basados en el conocimiento de sus "valencias" (capacidades de combinación). Los fue ubicando en filas horizontales y verticales por sus similitudes de comportamiento y en orden creciente de sus masas atómicas. Fue un trabajo totalmente experimental que sufrió modificaciones posteriores, pero sin cambiar la idea básica del creador. Actualmente, los elementos están ordenados en la tabla en orden creciente de sus números atómicos, esto es, de la cantidad de protones que tienen en sus núcleos, pero Mendeléiev no podía, en su tiempo, conocer la existencia de esos protones.
· Eugen Goldstein (1850-1930): Identifica los rayos anódicos o rayos canales como constituidos por partículas positivas a los que denomina "protones".
· James Chadwick (1891-1985): Demuestra la existencia de neutrones, con masa similar a la de los protones pero sin carga eléctrica.
· Joseph John Thomson (1856-1940): Estudia los rayos catódicos a los que denomina "electrones" y determina su relación carga/masa. Esboza el átomo como una masa de carga positiva dentro de la cual se incrustan las partículas negativas. Y deberían ser iguales en cantidad esas cargas positivas y negativas ya que el átomo resulta neutro.
· Ernest Rutherford (1871- 1937): Desarrolla la idea de un núcleo atómico constituido por protones positivos con electrones negativos que giran alrededor de él. Asimismo sus estudios permiten descubrir los rayos alfa (núcleos de Helio doblemente ionizados), los beta (electrones) y los gama (energía pura).
· Niels Bohr (1885-1962): En los átomos los electrones no giran en cualquier lugar alrededor del núcleo. Lo hacen en niveles específicos de energía ("estados estacionarios") correspondientes a determinados "cuantos" de energía. Estos niveles son K, L, M, N, O, P y Q (antiguamente), o 1, 2, 3, 4, 5, 6 y 7 (actualmente). La energía de cada uno de estos niveles es exacta (está "cuantizada) de manera que siempre será un número exacto de longitudes de onda. Éstos son los niveles de energía permitidos y nunca un electrón podrá ubicarse fuera de alguno de ellos. Mientras que un electrón se encuentre en un "estado estacionario" no irradiará energía. Cuando un átomo absorbe una cantidad de energía suficiente, puede saltar a una capa más externa ("transición forzada"). Cuando regrese a su estado inicial ("estado basal") emitirá una cantidad de energía correspondiente a la diferencia entre esas capas ("transición espontánea").
· Arnold Sommerfeld: Plantea que los niveles están formados por capas más pequeñas o subniveles (s, p, d y f) y considera órbitas no circulares sino elípticas.
· Werner Heisenberg (1901-1976): Enunció su "principio de incertidumbre", que puede expresarse diciendo que no puede conocerse con exactitud, al mismo tiempo, la posición y la velocidad de una partícula subatómica. Para determinar su posición debemos detenerla, con lo que perdemos la medida de su velocidad. Para determinar su velocidad debemos hacerlo en movimiento, con lo que no podemos establecer su posición.
· Erwin Schrödinger (1887-1961): Desarrolla el llamado "modelo cuántico del átomo" o "modelo probabilístico", planteando una ecuación matemática ("ecuación de onda") que permite calcular la probabilidad de encontrar un electrón girando en un momento dado en una región del espacio a la que llama "orbital atómico".

¿Qué es la Química?

Es una ciencia natural que estudia:
· la estructura de la materia,
· sus propiedades o características,
· su composición,
· sus cambios,
· los factores o condiciones que afectan esos cambios,
· las energías consumidas o liberadas en esos cambios.

Definición tomada de Carlos Javier Mosquera Suárez
Universidad Distrital Francisco José de Caldas - Colombia