Química Inorgánica Avanzada (CHEM 4200) - PDF

QUIMICA INORGANICA AVANZADA (CHEM 4200) Dr. Izander Rosado Lozada  Química Inorgánica La química inorgánica es la rama de la química que estudia las propiedades, estructura y reactividad de los compuestos inorgánicos (los que nos tienen enlaces C-H)...

QUIMICA INORGANICA AVANZADA (CHEM 4200) Dr. Izander Rosado Lozada  Química Inorgánica La química inorgánica es la rama de la química que estudia las propiedades, estructura y reactividad de los compuestos inorgánicos (los que nos tienen enlaces C-H) Cerámica (Super Conductores) Semi conductores Catálisis (dispositivos electrónicos) Química Inorgánica Biología Geología (minerales,astroquím (transporte de ica) electrones, fotosintesis) Evolución de la Química Inorgánica Edad del Cobre y del Bronce (aproximadamente 4500 ̴ 7500 años) Edad del hierro (aproximadamente 4500 ̴ 3500 años hasta la actualidad) Revision Histórica 1869 Mendeleev: Tabla Periódica 1890-1899 Werner: teoría de coordinación 1916 Lewis y Sidwick: el enlace coordinado 1930-39 Bethe y Van Vleck: teoría del campo cristalino Pauling: teoría del enlace de valencia Mulliken: teoría del orbital molecular 1940-49 Síntesis de Elementos, Separación de isotopos, Cromatografía, Termodinámica, Quelación, Extracción por disolventes, Polarografía 1950-59 Teoría del Campo Ligando Mecanismos de reacción Revision Histórica (cont.) 1960-69 Determinación de Estructuras Catálisis Homogénea Síntesis de Organometálicos 1970-79 Química Bioinorgánica Química Catalítica (fotocatalisis,electrocatalisis) Oxidación Selectiva Enlaces Metal-Metal 1980-89 Enlaces Múltiples Polímeros inorgánicos Química de Materiales ¿Qué nos diferencia de la Química Orgánica? Enlaces Otros ejemplos [Nd(NO3)6]3-  Partículas Fundamentales del Átomo Átomo: es la unidad mas pequeña de un elemento, capaz de existir Se compone de protones, electrones y neutrones Protones y Neutrones en el núcleo el cual está cargado positivamente. Los electrones ocupan una región de espacio alrededor del núcleo Casi toda la masa del átomo esta concentrada en el núcleo Los neutrones y los protones tienen aproximadamente la misma masa, relativo a esto la del electrón es casi descartable. El radio del núcleo es cerca de 10-15m, mientras que el átomo por si es 105 veces mas grande  Números Atómicos Se entiende por núclido a todo átomo de un elemento que tiene una composición nuclear definida, es decir con un número de protones y neutrones definidos. Donde: E: Símbolo del elemento químico Z: Numero atómico,cuyo valor es único para un elemento. A: Numero de masa, es variable para un mismo elemento debido a la existencia de los isótopos. En todo núclido se cumple que: A > Z, con excepción del protio que no posee neutrones en su núcleo. Ejemplos: Para calcular el numero de neutrones solo se resta el numero de masa (A) y el numero atómico (Z) -----------> Neutrones = A - Z Masa Atómica Relativa La masa de los átomos es extremadamente pequeña si se expresa en kilogramos y se hace muy difícil operar con esos números, por ejemplo la masa de un átomo del isótopo más abundante del oxígeno es 26.5606 x10-27 kg. Por este motivo las masas atómicas se han expresado en valores relativos a una unidad previamente escogida (y que ha variado en diferentes épocas) de manera que los valores resultantes sean números muchos más fáciles de operar. Desde el año 1961 fue aprobado por los organismos internacionales correspondientes utilizar como unidad de masa atómica la doceava parte de la masa del átomo de carbono 12 26.5606 x10-27kg = 15.9949 1.66057x 10-27kg Para determinar la masa atómica de cada uno de los isótopos del silicio que integran una mezcla, se analizó ésta en un espectrómetro de masas. Con la información de la tabla siguiente, calcule el porcentaje de abundancia de los isótopos 28Si y 29Si. Considere que la masa atómica relativa promedio del silicio es de 28.086 [uma] Isótopo [%] de abundancia Masa atómica [uma] 28Si A 27.9769 29Si B 28.9765 30Si 3.09 29.9738 Isótopo % de Abundancia Masa Atómica del Contribución Natural Isótopo Isotópica [uma] [uma] 28Si A 27.9769 (.279769)A 29Si B 28.9765 (0.289765)B 30Si 3.09 29.9738 (0.299738)(3.09) A + B + 3.09 = 100 (0.279769)A + (0.289765)B + (0.299738)(3.09) = 28.086 A = 92.1684 B = 4.7416 Más ejercicios El magnesio (Z = 12) tiene tres isótopos: el 78.70 % de los átomos del metal tienen 12 neutrones, 11.13 % tienen 13 neutrones y 10.17 % tienen 14 neutrones. Calcule la masa atómica relativa promedio aproximada del magnesio. Leer Box 1.1 Hacer ejercicios Self-Study Teoria Cuantica Toma lugar en dos etapas 1900-1925 los electrones eran tratados como partículas, luego como onda El modelo actual del átomo se basa en la mecánica cuántica ondulatoria, la cual está fundamentada en cuatro números cuánticos, mediante los cuales puede describirse un electrón en un átomo. El desarrollo de está teoría durante la década de 1920 es el resultado de las contribuciones de destacados científicos entre ellos Einstein, Planck (1858-1947), de Broglie, Bohr (1885-1962), Schrödinger (1887- 1961) y Heisenberg La siguiente figura muestra las modificaciones que ha sufrido el modelo del átomo desde Dalton hasta Schrödinger. Planck Sugiere que la energia puede ser absorbida o emitida solo en “quanta”de magnitud ΔE relacionada a la frecuencia de radiacion ΔE = ℎ𝑣 E= Julios 𝑐 = λ𝑣 𝑣 = s-1 or Hz h = 6.626 x 10-34 J · s c= 2.998 x 108 m/s ΔE = ℎ𝑐/ λ Aplicaciones Uno de los mas grandes aportaciones de comienzos de la teoría cuántica lo fue la interpretación del espectro atómico de hidrógeno basado en el modelo de Rutherford-Bohr Líneas espectrales Ecuación de Rydberg Teoría de Bohr 1913-Combinó elementos de teoría cuántica y la física clásica. Postula para un electrón en un átomo Estados estacionarios = la energía de un electrón es constante Se caracterizan por orbitas circulares alrededor del núcleo en los cuales el electrón tiene un momento angular mvr ℎ 𝑚v𝑟 = n 2𝜋 m = masa del electrón v= velocidad del electrón r = radio de la orbita h= constante de Planck n = número cuántico principal La energia es absorbida o emitida solo cuando un electron se mueve de un estado estacionario a otro.  Si aplicamos el modelo de Bohr al átomo de hidrogeno, el radio de cada orbita circular permitida puede ser determinada por la siguiente ecuación. ε = constante de permitividad en el vacío  0h n2 2 rn  8.854 x 10-12 F · m-1 me e 2 Esta ecuación toma en cuenta la fuerza centrífuga actuando en el electrón según se mueve en la orbita circular Para que la orbita se mantenga la fuerza centrífuga debe ser igual a la fuerza de atracción entre el electrón cargado negativamente y el núcleo cargado positivamente Ejercicio Práctica Determine el radio de Bohr para n=1 Contestación = 5.292 x 10-11 m 52.92 pm este es el radio de Bohr Energía de Ionización Un aumento de n=1 ∞ corresponde a la ionización del átomo H (g) H+ (g) + e- y puede ser determinada por ℎ𝑐 1 1 IE= E∞ - EI = = hc R 2 − 2 = 2.181 x 10-18 J λ 1 ∞ Introducción a la Mecánica Cuántica La naturaleza de onda de las partículas En 1924 de Broglie argumento Si la luz estaba compuesta de partículas y mostraba propiedades similares a una onda (wave-like) esto también debía ser cierto para los electrones y otras partículas. Esto se conoce como la dualidad onda-partícula ℎ λ= m= masa ; v= velocidad mv Si un electrón tiene propiedades similares a una onda, hay una consecuencia importante y dificultosa : es imposible conocer exactamente el momentun (mv) y la posición de un electrón en un mismo instante de tiempo. Esto se conoce como el principio de incertidumbre de Heisenberg En términos matemáticos ℎ ∆𝑥 ∆mv ≥ 4𝜋 Ejercicios; Ejercicio #1. Calcula la longitud de onda asociada a una pelota de golf de 100 g de masa que se mueve con una velocidad de 250 m/s Ejercicion #2 El angstron (Å) es una unidad de longitud típica de los sistemas atómicos que equivale a 10-10m. La determinación de la posición de un electrón con una precisión de 0,01 Å es más que razonable. En estas condiciones, calcular la indeterminación de la medida simultánea de la velocidad del electrón. (Dato: la masa del electrón es 9.1096 · 10-31 Kg). Solución #1 2.65 x 10 –35 m #2 2.1 x 10-8 km · h-1