Química. Teoría Cuántica y Estructura Atómica

Unidad 1. Teoría Cuántica y Estructura Atómica

Química

Introducción 

La química es la ciencia que estudia los cambios que ocurren en las sustancias que existen a nuestro alrededor, la química es una ciencia teórico-experimental que se basa en poner especial atención a los cambios de fases en los materiales, esta ciencia se apoya en las matemáticas con el simple hecho de que debemos realizar cálculos de proporciones, de cantidades, de sustancias al momento de preparar un pastel, utiliza a la física debido a que las propiedades y reactividades varían con la presión, temperatura, composiciones, tiempos, agitaciones e interacciones de distintos tipos de energía sobre el entorno y también la química se apoya del arte ya que las moléculas que presentan simetría o antisimetría en su estructura atómica.

La química se aplica en todas las áreas de conocimiento científico aplicable a la industria, el conocimiento científico que de manera directa relaciona a la química con todas las áreas del conocimiento ingenieril y en diseño recibe el nombre de nanociencias y nanotecnologías.

El átomo y sus partículas subatómicas

Introducción 

En el espacio material existen una gran variedad de sistemas con diferentes órdenes de magnitud desde el universo hasta el átomo. La palabra átomo viene del griego “indivisible”, se creía que hasta ahí llegaba la segmentación en el proceso de división de sistemas fisicoquímicos, fue hasta tiempo después que se descubrió que el átomo se puede dividir en partículas más pequeñas.

Los primeros modelos atómicos consideraban tres tipos de partículas subatómicas: protón, neutrón y electrón. Después se determinó que estos también estaban compuestos por constituyentes más pequeños como los piones, gluones o fotones. Estando los protones y electrones constituidos por quarks, los quarks están creados en base a cantidades individuales de energía. Lo anterior se puede explicar en base a la relación de Albert Einstein (E=mc2) dicha relación nos dice que cuando un objeto e empieza a mover y se acelera cada vez más llegando la velocidad a la de la luz se transforma en energía.

Existe algo llamado número atómico, representa la ubicación que se encuentra un elemento químico en la tabla periódica, siendo este el número de protones que contiene el átomo, o electrones para un elemento neutro. La masa de un átomo esta dada por la suma de la mase de los protones y los neutrones contenidos, los electrones tienen una carga negativa de -1.6*10-19C (al igual que los protones solo que con carga positiva), mientras que su masa es de 1/1836 veces la más del átomo de hidrogeno.

Los rayos catódicos

Los rayos catódicos son corrientes de electrones observadas en tubos de vacío que contienen dos electrodos en una configuración tipo diodo. Cuando se calienta el cátodo se emite energía en forma de radiación que circula hacia el ánodo. Al desplazarse por el aire y chocar con alguna molécula de oxigeno o hidrogeno se produce una iluminación en la misma dirección al flujo de los electrones.

Cuando el vacío es elevado y el voltaje es alto dese una fuente, se emite la radiación de nombre rayos catódicos, estos rayos viajan al electrodo (+) por lo que J.J Thomson dedujo que eran partículas negativas que son repelidas por el electrodo  (-) sugiriendo el nombre de estas partículas como electrones e-

Según observaciones estos rayos, se desplazan en línea recta, producen efectos magnéticos, químicos, eléctricos, mecánicos, térmicos y luminosos, además se demostró que estos tienen masa, el cual es de 9.1*10-31 Kg.

Rayos anódicos 

Los rayos anódicos o positivos son haces de radiación producidos por cationes atómicos o moleculares que se desplazan por el electrodo negativo en un tubo de Crookes. Se emplean en elementos radioactivos, impresionan placas, por lo tanto, sirven para realizar radiografías de huesos y tendones.

Estos se generan por el choque aleatorio de electrones con energías lo suficientemente alas para ionizar a los átomos neutros de los gases arrancando electrones de esos átomos, las partículas parcialmente positivas se dirigen al cátodo y algunas lo atraviesan, su avance es contraria a los tubos de rayos catódicos, y tienen un comportamiento inverso al interactuar con campos electromagnéticos. Se encontró que son mucho más pesadas que los electrones y que su masa dependía del gas encerrado en el tubo y es igual a la masa atómica de dicho gas. Una propiedad destacada es tienen carga positiva y su magnitud es un múltiplo entero de la carga del electrón.

Radiactividad

La radioactividad es el proceso mediante el cual el átomo pierde energía del interior de su núcleo y se va desintegrando de manera que emite radiación en forma de partícula alfa, beta con neutrino, gamma o un solo neutrino. Son perjudiciales a la salud de seres vivos produciendo algunos malestares como deformaciones, cáncer o mutaciones de algún tipo. Ciertos estados nucleares de vida corta pueden decaer a través de emisiones de neutrones o de protones (es más raro este efecto).

Es imposible predecir que átomo se va a desintegrar en que momento, pero si existe un periodo de vida medio para un conjunto de átomos de un isotopo de un elemento especifico.

Base experimental de la teoría cuántica 

Introducción

La teoría cuántica se origina en base a unas inconsistencias de algunos fenómenos que no siguen las leyes naturales de la física clásica. En la física clásica se creía que la energía era un medio continuo y que podría tener prácticamente cualquier valor. Ocurrió algo llamado catástrofe ultravioleta el cual genero muchas dudas y pánico en la comunidad científica por tratar de comprender el error que se generaba, esta catástrofe es un fallo al explicar la radiación de un cuerpo en temperatura ambiente. Según el electromagnetismo clásico este cuerpo debería irradiar energía a cualquier rango de frecuencia y suponiendo mayor rango de frecuencia mayor energía. Según Rayleigh y Jeans, la densidad de energía emitida debería ser el cuadrado de la emisión anterior, poniéndolo así a mayor frecuencia la energía tiende a ser infinita, pero al realizar mediciones dentro de frecuencias del infrarrojo y al compararlos con los resultados teóricos se observó una convergencia, cual es diferente a la teoría.

Tiempo después se estudiaron radiaciones UV y visible se observó que la ley de Rayleigh-Jeans no se cumplían los intervalos, en términos simples la energía no subía cuadráticamente, al incrementar esos valore la energía bajaba.

Teoría ondulatoria de la luz

La luz son todas esas radiaciones tanto visibles como no visibles al ojo humano. La luz está formada por partículas masa 0 o fotones cuya propiedad es un sistema que se comporta como una onda, pero también se comportan como partículas.

El área de estudio de la luz es la óptica, la luz se ha llegado a estudiar de tal forma que su velocidad en el vacío es de 299 792 458 m/s siendo la velocidad de propagación menor dependiendo de la velocidad del medio de transmisión.

La relación de la velocidad de la luz y un medio es de n=c/v

La refracción es la variación brusca de dirección de la luz al cambiar de medio, esto se explica debido a la variación de la velocidad de la luz antes y después de atravesar algún espacio, la ley de Snell relaciona un cambio de Angulo con el cambio de la velocidad por medio de los índices de refracción de los medios. Cuando una luz blanca pasa a través de caras no paralelas como prismas, pasada la separación de la luz en sus componentes.

Algunas propiedades de la luz:

• Va en línea recta
• Puede reflejarse
• Se divide al pasar por un espacio pequeño
• La frecuencia y el periodo son recíprocos (si los multiplican dan 1 como resultado)

 Radiación del cuerpo negro y teoría de Planck

Todos los cuerpos son radiados a temperaturas superiores al cero. La cantidad de radiación electromagnética o luz depende de la temperatura, y no de la fuerza del objeto. Ahora bien, haremos notar que un cuerpo negro absorbe todas las radiaciones, uno blanco refleja todas las radicaciones, mientras que un cuerpo verde absorbe todas las radiaciones excepto las radicaciones de color verde, Una radicación térmica emitida por muchos objetos ordinarios puede aproximarse a la radiación de un cuerpo negro.

Un cuerpo negro a temperatura ambiente aparece negro, ya que la mayor parte de su energía que irradia es infrarroja, además de tener un espectro continuo y característico que depende de su temperatura, llamado espectro o ley Planck.

El espectro alcanza su punto máximo cuando su frecuencia se desplaza a una frecuencia más alta a medida de una temperatura más alta. Por encima de los 500 grados, los cuerpos negros por encima de los 500 grados emiten luz visible.

Catástrofe ultravioleta

Rayleigh y Jeans, por quienes la catástrofe ultravioleta se le conoce como catástrofe Rayleigh-Jeans, Su ley enuncia que la densidad de energía liberada par cada valor de frecuencia de la radiación debería ser proporcional al cuadrado de dicha frecuencia. Para valores de frecuencia bajos, esto converge, pero para valore de frecuencia altos supone que la energía es “infinita” lo cual resulta en una aberración con los valores experimentales medidos a altas frecuencias, además de poner en riesgo las leyes de conservación de la energía.

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