Teoría atómica -2(2)
120
1 Teoría atómica: punto de vista químico “If, in some cataclysm, all of scientific knowledge were to be destroyed, and only one sentence passed on to the next generations of creatures, what statement would contain the most information in the fewest words? I believe it is the atomic hypothesis (or the atomic fact, or whatever you wish to call it) that all things are made of atoms — little particles that move around in perpetual motion, attracting each other when they are a little distance apart, but repelling upon being squeezed into one another. In that one sentence, you will see, there is an enormous amount of information about the world, if just a little imagination and thinking are applied.” Richard Feynman Lectures in Physics
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Teoria atómica, panorama general de la misma en la ciencias
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1
Teoría atómica: punto de vista químico
“If, in some cataclysm, all of scientific knowledge were to be
destroyed, and only one sentence passed on to the next
generations of creatures, what statement would contain the most
information in the fewest words? I believe it is the atomic
hypothesis (or the atomic fact, or whatever you wish to call it) that
all things are made of atoms — little particles that move around
in perpetual motion, attracting each other when they are a little
distance apart, but repelling upon being squeezed into one
another. In that one sentence, you will see, there is an enormous
amount of information about the world, if just a little imagination
and thinking are applied.”
Richard Feynman
Lectures in Physics
Frases de MF Suárez: para el
Voyager
• Todo lo que existe en el universo esta
constituido por un solo ente cuya cantidad total
es constante, y que tiene una alta capacidad de
transformase y de fluir.
• Toda transformación o proceso en la naturaleza
está regido por leyes bien definidas.
• Los procesos en el universo tienen una
dirección preferencial.
2
Materia: patrones en las
propiedades químicas
•Tabla periódica.
•Tabla de potenciales de reducción.
•La composición de sustancias puras esta
siempre en proporciones definidas entre sus
elementos básicos constituyentes.
•Poder de combinación CH4, CO2, H2O
•Las propiedades de los óxidos formados con
los distintos elementos químicos.
•Etc…
Patrones en las propiedades físicas
4
•Existe una sola ecuación de estado para todos los
gases ideales (PV=nRT).
•El calor especifico por mol a volumen constante
es el mismo para todos los gases ideales
monoatomicos y para todos los metales puros.
•La ley de Faraday, que dice que hay una
proporcionalidad entre la carga total que fluye por
el circuito eléctrico y la masa producida de una
sustancia en los experimentos de electrolisis.
Teoría atómica
5
Todos estos hechos anteriores son consistentes
con la existencia de átomos y con el hecho de
que los elementos químicos están
constituidos de unidades fundamentales que
tienen una misma propiedad característica que
determina su comportamiento químico, pero
que no necesariamente son idénticas.
10
11
12
Valencia: Capacidad de combinación de un átomo
con otros átomos. Esta nos explica el poder de
combinación de los elementos químicos.
14
𝑆𝑂3 + 𝐻2𝑂 → 𝐻2𝑆𝑂4
𝑆𝑂2 + 𝐻2𝑂 → 𝐻2𝑆𝑂3
𝑁𝑎2𝑂 + 𝐻2𝑂 → 2𝑁𝑎𝑂𝐻
𝐻2𝑆𝑂4 + 2𝑁𝑎𝑂𝐻 → 2𝐻2𝑂 + 𝑁𝑎2𝑆𝑂4
Compuesto alcalino
al disolverse en agua
Compuesto ácido al
disolverse en agua
El nombre de los compuestos químicos
contiene mucha información
Agua + Sal Ácido + Base
¿Si se pone en contacto Mg (sólido) con agua y se burbujea qué reacción ocurre?
¿Si se pone en contacto Ca (sólido) con agua y se burbujea qué reacción ocurre?
Si se mezclan 10 ml de una disolución 0,1 M de HCl con 7 ml de una disolución
0,25 M NaOH ¿cuál es la concentración de H+ remanente en la mezcla?
15
𝐶𝑎𝑂 + 𝐶 → 𝐶𝑎𝐶2 + 𝐶𝑂
𝐶𝑎𝐶2 +𝐻2𝑂 → 𝐶𝐻2 + 𝐶𝑎 𝑂𝐻 2
Reacción de combustión
𝐶𝐻3 − 𝐶𝐻2 − 𝐶𝐻3 + 5𝑂2 → 4𝐻2𝑂 + 3𝐶𝑂2
Combustible + Comburente Agua + Dióxido de carbono
La materia tiene la propiedad de tener
carga eléctrica
16
La carga eléctrica fluye
Célula electroquímica
17
Atención: la diferencia de potencial eléctrico nos dice si
la reacción es viable en una dirección particular.
El flujo de electrones
ocurre “únicamente” en los
metales
El flujo de carga en los
electrolitos ocurre
“únicamente” por flujo de
iones
18
¿Qué sucede si una hoja de papel aluminio se pone en contacto
con una disolución de sulfato de cobre?
¿ Por qué al poner en contacto el acero con Zn se retrasa la
corrosión del acero?
Batería de Cu y Zn simple
19
Trabajo en casa: hacer funcionar un reloj digital con una batería
hecha por ustedes utilizando como electrolito un limón, una papa,
etc.. y electrodos de Zn y Cu
¿Cuales son las reacciones químicas que ocurren
en cada electrodo?
Veamos algunos conceptos físicos
antes de seguir
20
Aceleración
Inercia y masa (Kg)
21
Fuerza
22
Fuerza (N) = masa (Kg). Aceleración (m/s2)
Si hay un cuerpo que tienen una masa de 1 kg y un
peso de 9,8 N, cual sería su masa y su peso en la luna?
momento y fuerza
23
𝑝 = 𝑚𝑣 𝐹 = 𝑚𝑎 = 𝑚Δ𝑣
Δ𝑡=Δ𝑝
Δ𝑡
Presión
24
Presión (Pa) = Fuerza (N) / área (m2)
¿A qué presión esta sometido un buceador 10 m bajo
el agua?
Energía potencial y cinética
25
𝑇𝑟𝑎𝑏𝑎𝑗𝑜 𝐽 = 𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝑁 . 𝑑𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑚 ≈ 𝑚𝑔ℎ = 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑙
h
La energía potencial depende de la posición del objeto
Energía cinética (J)=𝐸𝑐 ≈1
2𝑚𝑣2 Energía asociada
al movimiento
26
Proporciones definidas y múltiples
Hipótesis de Avogadro
𝑄 𝐶 = 𝐼𝐶
𝑠𝑡(𝑠) 𝑚𝑜𝑙 − 𝑒 =
𝑄 (𝐶)
ℱ(𝐶/ 𝑚𝑜𝑙 − 𝑒) 𝑚𝑜𝑙 − 𝑒
2= 𝑚𝑜𝑙 − 𝐻2 =
𝑃𝑉
𝑅𝑇
-1,23 V
Presión de vapor
27
𝑃𝑉 = 𝑛𝑅𝑇
𝐶𝑉,𝑚, 𝑔𝑎𝑠 𝑚𝑜𝑚𝑜𝑎𝑡ó𝑚𝑖𝑐𝑜 =3
2𝑅
𝐶𝑉,𝑚, 𝑆ó𝑙𝑖𝑑𝑜 = 3𝑅
Π = 𝑅𝐶𝑇 R
Si las mismas constantes universales aparecen para describir distintas
propiedades de la materia en distintos estados, debe haber un marco de
referencia similar (una teoría común) que permita entender las propiedades de
la materia en sus distintos estados. Este paradigma es la teoría cinético-
molecular de la materia.
METAL HEAT CAPACITY
J/ g K J /mol K
Magnesium 1,04 25,28
Aluminum 0,904 24,4
Iron 0,473 26,41
Nickel 0,444 26,05
Copper 0,387 24,6
Zinc 0,386 25,23
Silver 0,236 25,46
Tin 0,228 27,06
Antimony 0,207
Gold 0,129 25,41
Lead 0,128 26,52
PROMEDIO 25,60
3R 24,94
La constante 𝑅 = 𝑘𝐵𝑁𝐴
¿Cuál es el peso atómico del antimonio?
𝐶𝑣 =𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎
𝑚𝑎𝑠𝑎. 𝐾
𝐶𝑣,𝑚 =𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎
𝑚𝑜𝑙. 𝐾
¿Sí existen los átomos, cuantos hay en una cantidad
determinada de masa? ¿Cuál es el valor de NA?
30
𝑁𝐴 =ℑ (𝐶 𝑚𝑜𝑙−1)
𝑒 (𝐶 𝑝𝑎𝑟𝑡í𝑐𝑢𝑙𝑎−1) Coulombimetría
𝑃𝑖𝑃𝑗= 𝑒−𝑚𝑔Δℎ𝑖−𝑗𝑘𝐵𝑇
Ecuación de distribución
de Bolzmann
𝑁𝐴 =𝑅
𝑘𝐵
Calculen la presión de
Bogotá conociendo la
presión a nivel del mar.
¿Cuantos átomos hay en 12g de
diamante (hecho de 12C) ?
6,02214129 (30) × 1023 átomos
1023 = 105106106106 Cienmil trillones
Por economía del lenguaje decimos que en 12 g de
diamante hay una mol de átomos de carbono.
1 𝑚𝑜𝑙 = 𝑁𝐴
¿Cuantos átomos de carbono hay en 0,3
libras de diamante?
Tabla periodica vista como propiedades de
los elementos: Volumen molar
32
¿Qué tan grandes son los
átomos?
𝑑𝑙𝑢𝑛𝑎𝑑𝑚𝑜𝑛𝑒𝑑𝑎
=𝑑𝑚𝑜𝑛𝑒𝑑𝑎𝑑á𝑡𝑜𝑚𝑜
Video sobre cómo podemos manipular átomos
http://www.youtube.com/watch?v=Dqj29lzuSIM
34
Tabla periódica vista como propiedades atómicas
Tabla periódica vista como propiedades atómicas:
Electronegatividad
35
Electronegatividad
de Mulliken
𝜒 =𝐸𝑖 + 𝐸𝑎𝑓−𝑒
2
Electronegatividad de Pauling
Analogía de la
electronegatividad
36
El número 8: Relación entre hidruros y óxidos
37
Octavas de Newlands
38
39
ESTRUCTURAS DE LEWIS
Las estructuras, diagramas o fórmulas de Lewis (USA, 1916)
de una molécula son representaciones bidimensionales
sencillas que representan las “conexiones” de los átomos a
través de enlaces en la molécula mediante un modelo que hace
uso de unas reglas empíricas donde los electrones de valencia
se representan como puntos dispuestos alrededor de un ion
central (compuesto por el núcleo atómico y los electrones
internos). Tienen como finalidad predecir si una molécula es
estable, el número de enlaces químicos que se forman y las
posibles reacciones químicas que se pueden dar entre varias
moléculas.
Este modelo es muy restringido ya que no tienen en cuenta
consideraciones termodinámicas, cinéticas o físicas de los
sistemas atómicos.
Reglas para obtener la estructura de Lewis
1. Los átomos tienden a adquirir la configuración electrónica del gas noble
mas cercano cuando forman enlaces.
2. Elegir el átomo central, que será generalmente el menos electronegativo,
exceptuando el H (y generalmente el F) que siempre son terminales
porque solo pueden formar un enlace. En los compuestos orgánicos
siempre es el C (excepto en los éteres). Colocar los electrones de valencia
de cada ion lo más homogéneamente distribuidos arriba, abajo, a la
izquierda y la derecha con un máximo de dos electrones en cada
posición.
3. Alrededor del átomo central se sitúan los demás (ligandos) de la forma
más simétrica posible.
41
3. Dibujar un enlace entre cada par de átomos conectados, asignando a
cada enlace un par de electrones. Enlace covalente es cuando se comparte
un par de electrones (??).
4. En general los átomos centrales del 2º período deben tener 8
electrones alrededor, excepto Be con 4 y B con 6. El H debe tener dos.
Si hay algún electrón desapareado éste se representa por un solo punto,
que se situará lógicamente en el átomo central (en este caso la
molécula tiene momento magnético y es paramagnética).
Mas problemas con el modelo: desde este punto de vista la molécula
de oxígeno sería diamagnética pero resulta que es paramagnética.
𝐸𝑛𝑙𝑎𝑐𝑒𝑠 𝑐𝑜𝑣𝑎𝑙𝑒𝑛𝑡𝑒𝑠 =8𝑛𝑜𝑐𝑡 − 𝑛𝑒,𝑣2
42
Ácido
fosfínico
Ácido triprótico Acido biprótico Acido monoprotico
¿Cuál es la estructura de Lewis para el perclorato de
sodio y el clorato de sodio?
Reacciones orgánicas
43
Problemas
44
Átomo como un sistema físico
46
Interacción entre objetos: mecánica clásica
Newton, Sir Isaac, PRS,
(1643 – 1727),
Matemático y físico
inglés
Interacción
a distancia
Leyes de Newton: Inercia, Acción-reacción, F.
𝐹𝑔𝑟𝑎𝑣 = −𝐺𝑚1𝑚2𝑟21−2
47
Classical Electrodynamics
Coulomb, Charles
Augustin (1736 –
1806), French
physicist
Biot, Jean Baptiste
(1774 --1862), French
Physicist;
Savart, Félix (1791 --
1841),
French Physicist
Ampere, Andre
Marie (1775 -- 1836),
French Physicist
Faraday, Michael
(1791 -- 1867),
English Physicist
Lorentz, Hendrik
Antoon (1853 --
1928), Dutch
Physicist
Maxwell, James Clerk (1831 – 1879), Scottish physicist
𝐹𝑒 =1
4𝜋𝜀0
𝑞1𝑞2𝑟21−2
48
Classical Thermodynamics
Clausius, Rudolf
Julius Emanuel
(1822 -- 1888) ,
German
mathematical
physicist.
Thomson, William
(Baron Kelvin)
(1824 - 1907),
British physicist
and mathematician.
Boltzmann, Ludwig, (1844 –
1906), Austrian physicist.
Helmholtz, Hermann
Ludwig Ferdinand von
(1821 -- 1894), German
physicist and physician.
Carnot, Nicolas
Léonard Sadi (1796
-- 1832),
French physicist.
Dalton, John (1766
-- 1844), British
chemist and
physicist.
Joule, James
Prescott (1818 --
1889), British
physicist.
Maxwell, James
Clerk (1831 –
1879), Scottish
physicist
Mecánica y termodinámica estadistica
Boltzmann, Ludwig, (1844 –
1906), Austrian physicist.
Maxwell y los anillos de Saturno (1857):
teoría cinético molecular
50
Las mismas leyes físicas
fundamentales rigen el
comportamiento de
todos los procesos
observados en el
universo.
Utilicemos la teoría cinético- molecular
para explicar los estados de la materia
Definición: En la naturaleza se observa que, para
cualquier sustancia pura al modificar las condiciones
de temperatura y/o presión, pueden obtenerse distintos
estados o fases de agregación, denominados estados de
la materia. Estos se van a distinguir por la intensidad
de la energía de unión entre las partículas (moléculas,
átomos o iones) que constituyen la materia. Cada
estado de la materia se caracteriza por una función de
estado (una función que relaciona las propiedades del
sistema).
Diagrama de fases del CO2
Sólido
Gas
Líquido
Cristales
líquidos
Plasma
Superfluidos
Fusión
Cristalización
Sólido
Gas
Líquido
Cristales líquidos,
Estado vítreo, etc
Fluidos
Supercríticos
Plasma
Superfluidos
Condensación de
Bose-Einstein
T
Estados de la materia y la teoría cinético molecular
http://phet.colorado.edu/en/simulation/states-of-matter
T = 298,15 K
Sólidos
Gases
Por qué todos los gases ideales tienen
la misma energía cinética promedio?
Relación entre P y V para un gas
∆𝑝 = 𝑚𝑣𝑥 − −𝑚𝑣𝑥 ∆𝑝 = 2𝑚𝑣𝑥
𝐹 =∆𝑝
∆𝑡=2𝑚𝑣𝑥2𝑙𝑥𝑣𝑥
=𝑚𝑣𝑥2
𝑙𝑥
lx
𝑃 = 𝐹𝑖𝐴
𝑛
𝑖=1
= 𝑚𝑣𝑥,𝑖2
𝑙𝑥𝐴
𝑛
𝑖=1
=𝑚
𝑉 𝑣𝑥,𝑖
2
𝑛
𝑖=1
𝑣2 = 𝑣𝑥2 + 𝑣𝑦
2 + 𝑣𝑧2 𝑣2 =
3
𝑛 𝑣𝑥
2
𝑃 =𝑚𝑣2
3𝑉𝑛 𝑃𝑉 =
𝑚𝑣2
3𝑛
𝐸𝐶 =1
2 𝑚𝑣2 =
3
2𝑘𝐵𝑇 𝑃 =
𝑘𝐵𝑇
𝑉𝑛 Video 1
Interacciones intermoleculares
57
Gases constituidos con partículas que interactuan
entre ellas: Johannes Diderik van der Waals
𝑃 +𝑎
𝑉𝑚2 𝑉𝑚 − 𝑏 = 𝑅𝑇
La constante “a” es una constante
proporcional a la energía potencial de
interacción entre las partículas y “b”
es una constante proporcional al
volumen que ocupan las partículas
cuando están completamente apiñadas.
a (dm6•bar•mol-2) b (dm3•mol-1)
He 0,035 0,024
NH3 4,304 0,037
Calcule la presión que ejerce un mol de
amoniaco en un volumen de 25 l a 300 K
suponiendo que es un gas ideal o un gas
vdW.
Energía potencial de interacción entre un par de
partículas: energía potencial de Lennard-Jones
58
Parámetros de Lennard Jones para algunos elementos en estado
gaseoso y algunas propiedades termodinámicas de ellos
59
Mas interacciones moleculares: energías potenciales entre pares
60
Dipolo - Dipolo Ion – ion
𝑈𝑖−𝑖(𝑟) =1
4𝜋𝜀0𝜀𝑟
𝑞1𝑞2𝑟1−2
Interacciones ion dipolo
61
Dipolo dipolo-inducido
62
Interacciones de dispersión
Imagen clásica!
63
Nubes negras
Lord and Lady Kelvin at the
coronation of King Edward
VII in 1902.
Sir William Thomson
working on a problem of
science in 1890.
William Thomson produced 70
patents in the U.K. from 1854
to 1907.
“There is nothing new to be discovered in physics now.
All that remains is more and more precise measurement.”
64
La descripción atomista-mecánica de los fenómenos físicos y químicos
fueron recibidos con gran hostilidad por un gran sector de la comunidad
científica. Existieron dos líneas principales a través de las cuales se
plantearon las objeciones:
• La metodología fenomenalista-instrumentalista (positivista) predominante
en la época, para la cual el objetivo de la ciencia era la búsqueda de “leyes”
compactas, que no contuvieran aspectos ocultos o inobservables. Por lo cual
se consideró con escepticismo el postulado de la existencia de moléculas y de
su movimiento, como fundamento “oculto” del comportamiento de la materia
y de las leyes de la termodinámica (E. Mach).
• Otra línea planteaba un rechazo a la idea que todos los fenómenos pudieran
reducirse a esquemas o descripciones mecánicas, argumento fundamentado
en los descubrimientos sobre numerosos fenómenos ópticos, térmicos,
eléctricos y magnéticos, que indicaban aparentemente que una gran parte de
los fenómenos del universo no requerían de descripciones mecánicas.
65
Pero aún más importante que estas objeciones de tipo “filosóficas”,
fueron las críticas de tipo “técnico” sobre la consistencia de la teoría. Un
aspecto, ya notado por J.C.Maxwell en correspondencia con W.
Thompson, llego a la atención de Boltzmann en 1876-77, a través de un
artículo y de discusiones con Joan Loschmidt’s (1821-1895). Dicha
objeción se relacionaba con la capacidad de la teoría para describir
adecuadamente la irreversibilidad de los fenómenos térmicos, es la
llamada Objeción de Reversibilidad.
El teorema H de Boltzmann indicaba que un gas que inicialmente tuviera
una distribución de velocidades apartada de la de equilibrio debería
evolucionar monótonamente hacia él, y una vez alcanzado, debería
permanecer allí. Sin embargo las leyes de la mecánica, que nos
garantizan la reversibilidad de los fenómenos mecánicos, hacen
incompatible el teorema H con las leyes de la “micro-dinámica”.
Reversibilidad microscópica e
irreversibiliad Macroscopica
66
La explicación del teorema H
da lugar a interpretar la
entropía como una
probabilidad.
La distribución de
velocidades de MC Maxwell
describe adecuadamente un
gas ideal ya que es la más
probable.
𝑅𝑒𝑣𝑒𝑟𝑠𝑖𝑏𝑖𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑚𝑖𝑐𝑟𝑜𝑠𝑐ó𝑝𝑖𝑐𝑎
Irreversibilidad
macroscópica
21
2e k km v E h W
In 1905, Albert Einstein.
Movimiento Browniano y
efecto fotoeléctrico
El paradigma cinético molecular de la
materia se afianza
Onda electromagnética
68
𝐶 = 𝜆𝜈
𝜆
𝐸 = ℎ𝜈 𝐶=299.792.458 𝑚 𝑠−1 ≈ 3𝑥108 𝑚 𝑠−1
h =6.62606957 x 10−34 m2 kg / s = 6.62606957 x 10−34 J s
70
La radiación del cuerpo
negro y los paquetes de
energía
71
Planck (1858 -- 1947), German physicist.
Planck’s assumption
(1900): radiation of a
given frequency ν could
only be
emitted and absorbed in
“quanta” of energy E=hν
72
73
Estructura del átomo
Zoológico de partículas: el
electrón
La relación carga masa del electrón
75
𝐹 𝑒𝑙𝑒𝑐 = 𝑞𝐸
𝐹 𝑚𝑎𝑔 = q𝑣 ⨂ 𝐵 = 𝑚𝑎 = 𝑚𝑣2
𝑟𝒖
q𝑣𝐵 = 𝑞𝐸
𝑣 =𝐸
𝐵
𝑞
𝑚=𝐸
𝑟𝐵2
Imanes flotantes
Radioactividad
77
79
El atomo tiene un núcleo (1911):
Ernest Rutherford
80
Según la física clasica el átomo de
Rutherford debería colapsar!
Según la electrodinámica clásica
partículas cagadas en movimiento
deben emitir radiación
electromagnética cuando son
aceleradas.
La aceleración es el cambio del
vector velocidad en función del
tiempo.
Esto
significa
que el
electrón
debría
colapsar
con el
núcleo.
Se necesita una nueva
teoría que explique la
estabilidad del átomo!
81
Masa de los átomos o moleculas
83
http://www.youtube.com/watch?v=HnmEI94URK8
El neutrón
Modelo estándar de física de
partículas
htt
p:/
/ww
w.p
hdco
mic
s.co
m
88
Masa =
Energía
• Masa es igual a una forma de energía muy concentrada.
• Masa se puede ver como la carga gravitacional. Masa e inercia son equivalentes.
• La masa no tiene volumen, o al menos el que nosotros pensamos que tiene desde el punto de vista macroscópico.
Densidad de una estrella de neutrones es alrededor de 109 g/cm³
Interacción Teoría Fuerza
relativa
Función
Fuerte
Cromodinámica
Cuántica
1038
Electromagnética
Electrodinámica
Cuántica
1036
Débil
Teoría Electrodébil
1025
Gravitacional
Relatividad general
1
2reRr
21 r
21 r
2, rerm zw
Fuerzas fundamentales de la naturaleza
91
Espectroscopia: una herramienta para
entender la estructura atómica.
Balmer, Johann
Jakob (1825 -- 1898),
Swiss mathematician
and an honorary
physicist.
Espectro visible Serie de Balmer
(1885)
Formula de Rydberg para el H
(1888)
Rydberg, Johannes
Robert (1854 -- 1919),
Swedish physicist.
from n ≥ 3 to n = 2
Ejemplos de espectros de emisión
92
93
La propiedad fundamental de los
elementos químicos es que sus
partículas constituyentes tienen
el mismo número atómico
Z es el parámetro que determina
el espectro no la masa del átomo.
94
II. Primera teoría cuántica
(Una teoría semiclasica, semiempirica,
inconsistente o paraconsistente, etc.
Es una teoría como la de Lewis, que
son ni chicha ni limonada pero sabe
bien)
(1913 -- 1924)
Bohr, Niels Henrik David (1885 -- 1962), Danish physicist.
Bohr's model of atomic structure, 1913
El momento angular de los electrones
esta cuantizado.
Este modelo “explica” las líneas espectrales de átomo de hidrógeno
𝐼 = 𝑚𝑟2
96
Prince de Broglie obtiene su Ph.D.
Hipótesis de Broglie sobre la
existencia de ondas de materia
(1923): Toda la materia tienen una
naturaleza ondulatoria (Dualidad
onda partícula) .
97
Por qué los átomos tienen movimiento? La teoría cuántica – relativista al rescate!!
ATOMIC TRAP cools by means of two different mechanisms.
First, six laser beams (red) cool atoms, initially at room
temperature, while corralling them toward the center of an
evacuated glass box. Next, the laser beams are turned off, and the
magnetic coils (copper) are energized. Current flowing through the
coils generates a magnetic field that further confines most of the
atoms while allowing the energetic ones to escape.
98
Supongamos que tenemos un gas a una temperatura fija en un sistema
aislado.
El gas debe estar en equilibrio con la radiación electromagnética. Si esta
última es constante la suma de la norma de los momentos de todos los
fotones debe ser constante. Lo que implica que las suma de la norma del
momento de todos los átomos, o moléculas, que conforman el gas debe
ser constante.
𝐸 = 𝑚𝑐2 = 𝑝2𝑐2 +𝑚02𝑐4 𝐸𝑐
2 = 𝑐2 𝑝𝑖2
𝑛
𝑖
Si 𝑝𝑖2𝑛
𝑖 es constante la energía cinética total del
sistema debe ser constante.
99
Las ecuaciones dinámicas clásicas son buenas
aproximaciones validas a bajas velocidades y para el
mundo macroscópico. Para describir adecuadamente
los fenómenos naturales (como el movimiento de los
átomos o el de los planetas, la fotosíntesis,
transferencia de carga en la proteínas, la electrónica,
etc.) necesitamos utilizar la teoría cuántica y la de la
relatividad.
𝑚 =𝑚0
1 −𝑣2
𝑐2
𝑑𝑚
𝑑𝑣=
𝑣𝑚
𝑐2 1 −𝑣2
𝑐2
𝑑𝐸
𝑑𝑣≈ 𝑣𝑚 𝐸𝑐 ≈
1
2𝑚𝑣2
100
Experimento de Davisson-Germer (1927)
Los electrones se pueden
comportar como ondas
(diffraccion)!
Experimento de la doble rendija
101
Postulados fundamentales de QM
• ¿Cómo se describe un estado físico de un
sistema?
• ¿Cómo se representan los observables en
la teoría?
• ¿Cuáles son los resultados esperados de
una medida?
• ¿Cómo los estados físicos evolucionan en
el tiempo?
102
Principio de
incertidumbre de
Heisenberg
Función de distribución radial
Fe sobre Cu
106
Densidad de carga y enlace químico
107
En laces en algunas moléculas
Mapas electrostáticos y
estructura 3D de las moléculas
108
109
𝐹𝑒𝑟𝑟𝑜𝑐𝑒𝑛𝑜
110
Por qué es importante conocer las disposición
espacial de los átomos?
La disposición de los átomos en el espacio determina un gran número de las
propiedades de las sustancias puras o de los materiales. Esta estructura esta
determinada por las leyes de la termodinámica (un compromiso entre mínima
energía potencial y la probabilidad)
Isómeros estructurales
111
De cadena
Funcionales
De posición
Ácidos grasos cis y trans
112
Los ácidos grasos trans, que generalmente son sintetizados
artificialmente, están prohibidos por su toxicidad.
Rotámeros
113
114
Enantiomeros
115
Los aminoácidos
L son los que
conforman la gran
mayoría de las
proteínas en la
naturaleza. La
vida es de
estructura L.
La talidomida (1963!)
116
R- Medicamento efectivo
contra las nauseas, la lepra…
L- sustancia que genera
malformaciones en el feto.
Estructuras del carbón
117
120
Física Biología
Química
Biofísica
Fisicoquímica
Bioquímica
