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/

Qué es la interacción nuclear fuerte

La interacción nuclear fuerte es una de las cuatro interacciones fundamentales que el modelo estándar de la física de partículas establece para explicar las fuerzas entre las partículas conocidas.

Esta fuerza es la responsable de mantener unidos a los nucleones (protones y neutrones) que coexisten en el núcleo atómico, venciendo a la repulsión electromagnética entre los protones que poseen carga eléctrica del mismo signo (positiva) y haciendo que los neutrones, que no tienen carga eléctrica, permanezcan unidos entre sí y también a los protones.

Los efectos de esta fuerza sólo se aprecian a distancias muy pequeñas, del tamaño de los núcleos atómicos, y no se perciben a distancias mayores a 1 fm. A esta característica se la conoce como de corto alcance, en contraposición con las de largo alcance como la gravedad o la interacción electromagnética, que son estrictamente de alcance infinito.

Prof. Daniel Aníbal Galatro

danielgalatro@gmail.com

Esquel - Chubut - Argentina

Partículas elementales subatómicas

Los primeros modelos atómicos consideraban básicamente tres tipos de partículas subatómicas: protones, electrones y neutrones. Aquí vamos a presentar otras partículas mucho menos "populares".

Más adelante el descubrimiento de la estructura interna de protones y neutrones, reveló que estas eran partículas compuestas. Además el tratamiento cuántico usual de las interacciones entre las partículas comporta que la cohesión del átomo requiere otras partículas bosónicas como los piones, gluones o fotones.

Los protones y neutrones por su parte están constituidos por quarks. Así un protón está formado por dos quarks up y un quark down. Los quarks se unen mediante partículas llamadas gluones. Existen seis tipos diferentes de quarks (up, down, bottom, top, extraño y encanto).

Los protones se mantienen unidos a los neutrones por el efecto de los piones, que son mesones compuestos formados por parejas de quark y antiquark (a su vez unidos por gluones). Existen también otras partículas elementales que son responsables de la fuerza electromagnética (los fotones) y de la fuerza débil (los neutrinos y los bosones W y Z).

Los electrones, que están cargados negativamente, tienen una masa 1/1836 de la del átomo de hidrógeno, proviniendo el resto de su masa del protón. El número atómico de un elemento es el número de protones (o el de electrones si el elemento es neutro). Los neutrones por su parte son partículas neutras con una masa muy similar a la del protón. Los distintos isótopos de un mismo elemento contienen el mismo número de protones pero distinto número de neutrones. El número másico de un elemento es el número total de protones más neutrones que posee en su núcleo.

Fuente: internet.

Prof. Daniel Aníbal Galatro
Esquel - Chubut - Argentina
Marzo de 2014
danielgalatro@gmail.com

Soluciones neutras, ácidas y básicas

Cuando la concentración de protones y de oxhidrilos es la misma, la solución es neutra.

Cuando se añade un ácido al agua pura (neutra) aumenta concentración de protones, y ello da lugar a soluciones ácidas.

Cuando se añade una base al agua pura (neutra) aumenta la concentración de oxhidrilos, y ello da origen a soluciones básicas.

Por tanto, una solución neutra tiene una concentración de iones hidrógeno (protones) igual a 10-7 (10 elevado a la -7 = 0,0000001) moles/litro; una solución ácida tiene una concentración de protones mayor que 10-7; y una solución básica tiene una concentración de protones menor que 10-7.

pH

Para evitar el uso de la notación científica (exponencial) en la expresión de concentraciones de las sustancias, en 1909 el químico Peter Sorensen (1868-1939 postuló la escala de pH (a veces mal llamada “escala de potencial hidrógeno” pues debería quizá denominarse "escala potencial del hidrógeno"), la cual se define como el logaritmo negativo en base 10 de la concentración molar de iones hidrogeniones.

La escala de pH permite conocer el grado de acidez o de basicidad de una sustancia.

pOH

De manera análoga se puede considerar la escala de pOH, que es el logaritmo negativo en base 10 de la concentración molar de iones hidroxilos.

Relación

Si relacionamos lo antes expuesto con estas nuevas escalas,

será neutra una solución de pH = 7 (pOH = 7),

ácida la de pH menor de 7 (pOH mayor a 7), y básica la de pH mayor a 7 (pOH menor que 7).

Por ejemplo, el jugo gástrico tiene un pH aproximadamente igual a 2; el vino común y el jugo de naranjas, 3,5; la orina humana, 6; la sangre, 7,4; y el agua de mar, 8. Mayor el número, menor la acidez.

¿Cómo podemos saber cuál es el pH (acidez) de una sustancia?

A esta "pregunta.com" le damos una "respuesta.com".
http://www.misrespuestas.com/

"Hay distintas formas de medir el pH de una sustancia. La más sencilla es sumergir un papel indicador o tornasol en la solución durante varios segundos y éste cambiará de color según si es ácida (color rosa) o alcalina (color azul). Este método no es tan preciso como otros, pues indica ambiguamente qué tan ácida o qué tan alcalina es la sustancia, pese a la evolución que han experimentado los papeles en cuanto a su exactitud. Otra desventaja que presentan los papeles tornasol es que no pueden ser utilizados para ciertas sustancias, como por ejemplo, aquellas que son muy coloreadas o turbias.


La manera más exacta para la medición del pH, es utilizando un pHmetro y dos electrodos, uno de referencia y otro de cristal. Un pHmetro es un voltímetro que junto con los electrodos, al ser sumergidos en una sustancia, generan una corriente eléctrica. Esta corriente eléctrica dependerá de la concentración de iones de hidrógeno que presente la solución. El pHmetro mide la diferencia de potencial entre el electrodo de referencia (plata) y el de cristal que es sensible a los iones de hidrógeno. Para obtener con exactitud el pH de una sustancia, se debe calibrar el pH con soluciones de valores de pH llamadas buffer que resisten los cambios experimentados por el pH y tiene un valor de pH específico."
 

Disociación del agua

El agua es un electrolito débil que se disocia en un protón y un oxhidrilo. Su constante de disociación es igual al producto de las concentraciones de protones y oxhidrilos, dividido por la concentración del agua no disociada.

Un mol de agua pesa 18 gramos, por lo que en 1 litro de agua (1.000 gramos) habrá 55,55 moles, es decir, la concentración será 55,55 M.

Si multiplicamos la constante de disociación del agua por esa concentración del agua, obtendremos una nueva constante llamada kw , igual al producto de las concentraciones de protones y oxhidrilos, y su valor será de 10-14.

De allí, como por cada protón se produce un oxhidrilo al disociarse el agua, entonces la concentración de protones será igual a la concentración de oxhidrilos, cada una de ellas igual a 10-7.

Ácidos y Bases - Propiedades

Los ácidos fuertes tienden mucho a ceder protones, mientras que las bases fuertes poseen gran tendencia a aceptarlos (Bronsted-Lowry). Así se puede determinar el poder de una sustancia según tienda a donar o a aceptar protones.

Las sustancias que al disociarse conducen la corriente eléctrica se llaman “electrolitos”. La disociación alcanza un equilibrio entre la velocidad de la reacción directa y la velocidad de la reacción inversa. En ese momento puede determinarse una constante de equilibrio que se denomina “constante de disociación” (kd).

Cuando una reacción directa alcanza un equilibrio dinámico con una reacción inversa, la velocidad de formación de productos es igual a la velocidad de formación de los reactivos, y las concentraciones de reactivos y productos permanecen constantes en el tiempo.

Un ácido fuerte y una base fuerte son las sustancias con carácter ácido o básico, que se disocian por completo; al final de la disociación, sólo se hallan los productos de la misma. Un electrolito fuerte no genera un equilibrio, porque su disociación es total, pero algunos ácidos y bases, pese a no disociarse en un 100%, tienen constantes de disociación bastante altas, lo que permite clasificarlos como “electrolitos fuertes”.

De hecho, no todos los ácidos y bases débiles se disocian con la misma intensidad. Para determinar el grado de disociación se emplea la expresión “porcentaje de disociación”.

Ácidos y Bases - Teoría de Bronsted y Lowry

Según la teoría de Bronsted-Lowry, un ácido es una sustancia donadora de protones y una base es una sustancia aceptora de protones (un protón es un átomo de H que ha perdido su electrón). Toma en cuenta el solvente, es decir, adiciona cada protón a una molécula de agua, obteniendo así un ión que denomina “hidronio”:

H3O+

La molécula de agua se comporta así como una base porque acepta un protón. Entonces el ión hidronio se comporta como un ácido porque dona un protón, y cualquier anión se comporta como una base cuando acepta ese protón.

Constantes atómicas

Relación carga/masa del electrón: -1,759 x 108 culombios/gramo.
Carga del electrón: - 1,6 x 10-19 culombios.
Masa del electrón: 9,11 x 10-28 gramos.

Relación carga/masa del protón (núcleo de hidrógeno): 96.500 culombios/gramo.
Carga del protón: + 1,6 x 10-19 culombios.
Masa del protón: 1,66 x 10-24 gramos.

Masa del neutrón: 1,67 x 10-24 gramos.

Número másico (A)

Es la suma de la cantidad de protones + neutrones en el núcleo de un átomo.

Para cada elemento, el valor de A puede variar (isótopos) pero el valor de Z es invariable.

La cantidad de neutrones en un núcleo se obtiene restando A - Z.

Número atómico (Z)

Es la cantidad de protones en el núcleo de un átomo.

Define de qué elemento se trata, pues cada elemento tiene un solo número atómico
y a cada número atómico corresponde un único elemento.

Invariabilidad de la composición química

Se encuentre ésta en estado sólido, líquido o gaseoso, los átomos o moléculas que constituyen una sustancia determinada no pierden sus propiedades físicas ni químicas.
Solamente en estado de "plasma" sufre una desintegración que separa sus protones, neutrones y electrones, perdiendo así aquéllas propiedades originales.

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".