INSTITUTO POLITÉCICO NACIONAL Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica GUÍA DE ESTUDIO DE QUÍMICA BÁSICA JUNIO 2010 ACADEMIA DE QUÍMICA
ENTREGAR RESUELTA EL DÍA DEL EXAMEN EN UN C.D NO IMPRESA ESTRUCTURA ATOMICA 1.- Subraya Subraya la opción opción correcta: correcta: 1.- El modelo del átomo de Bohr a) Es semejante semejante al sistema solar solar en pequeño. 2.- La naturaleza ondulatoria de la luz establece: b) Algunas Algunas veces la luz se manifiest manifiesta a como onda onda.. Otras veces se manifiesta como partícula partícula.. Todo depende de las circunstancias. 3.- La La ecuación de Planck nos ayuda a: a) Determinar la energía total que tiene el electrón electrón cuando se encuentra en el el nivel n 4.- En el estado basal a) Se dice que el electrón se encuentra encuentra en su estado estado de más baja baja energía. 5.- La función de onda: a) Es la probabilidad que tiene el electrón electrón de ser encontrado encontrado en esa localización. localización. 6.- La distribución de los electrones en un átomo a) Se identifica por una combinación combinación de 4 números cuánticos b) Confirma el principio de exclusión de Pauli Esta regla nos dice que en un estado cuántico sólo puede haber un electrón. De aquí salen los valores del espín o giro de los electrones que es 1/2 y con proyecciones
.
c) Se divide divide en nivele niveles; s; los nivele niveless a su vez se dividen dividen en uno o más subniv subnivele eles, s, los cuale cualess contienen uno o más orbitales.
7.- Número cuántico principal n esta relacionado con: a) Energía Energía del del electrón. electrón.
8.- Número cuántico cuántico magnético m esta relacionado relacionado con: c) Número y posibilidades de de orientación del del orbital en el espacio. 9- Número cuántico azimutal l esta relacionado con: b) Forma del orbital o momento momento angular del del electrón. 10.- Número cuántico por giro o Spin s está relacionado con: d) Dirección rotacional del electrón sobre sobre su eje o posibilidad de aceptación aceptación o no aceptación de un un electrón adicional al orbital. 11.- En la configuración electrónica según el proceso Aufbau. a) Los electrones electrones entran primero al subnivel de menor energía. b) Todos los elementos elementos de un mismo grupo grupo contienen el mismo número de electrones en el último nivel.
c) Los elemento elementoss que pertenec pertenecen en a un mismo mismo grupo grupo de la tabla tabla periód periódica ica tienen tienen propie propieda dades des químicas semejantes.
12.- El principio de exclusión de Pauli indica: b) Dos electrones en un átomo átomo dado no pueden tener sus 4 números cuánticos iguales. iguales. 13.- Según Según la regla de Hund de máxima máxima multiplicidad, multiplicidad, Si N (Z = 7) indica indica el correcto: ↑ ↓
a)
1 s
2
↑ ↓ 2 s
2
2 p
↑
↑
↑ 1 x
2 p
1 y
2 p
1 z
14.- La tabla periódica: a) Constituye una forma de ordenar ordenar a los elementos de acuerdo con con el número atómico. b) Está constituid constituida a por casillas dentro de las cuales se coloca coloca el símbolo símbolo del elemento junto junto con su número atómico, masa atómica y nombre del elemento. c) Tiene una estructura formada por siete filas denominadas periodos, d) Esta formada por dieciocho dieciocho columnas llamadas grupos o familias.
15.- El radio atómico es: es: El radio atómico identifica la distancia que existe entre el núcleo y la capa de valencia (la más externa). Por medio del radio atómico es posible determinar el tamaño del átomo. Dependiendo del tipo de elemento, existen diferentes técnicas para su determinación como la difracción de neutrones, de electrones o de rayos X. En cualquier caso no es una propiedad fácil de medir ya que depende, entre otras cosas, de la especie química en la que se encuentre el elemento en cuestión. En un grupo cualquiera el radio atómico aumenta desde arriba hacia abajo debido al aumento en el n de niveles de E. En los períodos, el radio atómico disminuye al aumentar el número atómico (Z), hacia la derecha, debido a la atracción que ejerce el núcleo sobre los electrones de los orbitales más externos, disminuyendo así la distancia núcleo-electrón. El radio radio atómic atómico o puede puede ser o covale covalente nte o metálic metálico. o. La distan distancia cia entre entre núcle núcleos os de átomo átomoss "vecinos" en unas moléculas es la suma de sus radios covalentes, mientras que el radio metálico es la mitad de la distancia entre núcleos de átomos "vecinos" en cristales metálicos. Usualmente, cuando se habla de radio atómico, se refiere a radio covalente. 16.- El potencial o energía de ionización es: d) La energía necesari necesaria a para poder desprender desprender al electrón electrón más alejado de un átomo átomo neutro que se encuentra en fase gaseosa 17.- La afinidad electrónica es: a) La variación de energía de un átomo neutro en fase gaseosa gaseosa al captar un electrón. 18.- Describa a un protón: es una partícula subatómica con una carga eléctrica elemental positiva y una masa 1.836 veces superior a la de un electrón. Los protones, a su vez, se componen de partículas elementales llamadas quarks. 19.- Describa a un estado estacionario En química y física, el estado fundamental (también denominado estado basal) de un sistema es su estado cuántico de menor energía. Un estado excitado es todo estado con una energía
c) Los elemento elementoss que pertenec pertenecen en a un mismo mismo grupo grupo de la tabla tabla periód periódica ica tienen tienen propie propieda dades des químicas semejantes.
12.- El principio de exclusión de Pauli indica: b) Dos electrones en un átomo átomo dado no pueden tener sus 4 números cuánticos iguales. iguales. 13.- Según Según la regla de Hund de máxima máxima multiplicidad, multiplicidad, Si N (Z = 7) indica indica el correcto: ↑ ↓
a)
1 s
2
↑ ↓ 2 s
2
2 p
↑
↑
↑ 1 x
2 p
1 y
2 p
1 z
14.- La tabla periódica: a) Constituye una forma de ordenar ordenar a los elementos de acuerdo con con el número atómico. b) Está constituid constituida a por casillas dentro de las cuales se coloca coloca el símbolo símbolo del elemento junto junto con su número atómico, masa atómica y nombre del elemento. c) Tiene una estructura formada por siete filas denominadas periodos, d) Esta formada por dieciocho dieciocho columnas llamadas grupos o familias.
15.- El radio atómico es: es: El radio atómico identifica la distancia que existe entre el núcleo y la capa de valencia (la más externa). Por medio del radio atómico es posible determinar el tamaño del átomo. Dependiendo del tipo de elemento, existen diferentes técnicas para su determinación como la difracción de neutrones, de electrones o de rayos X. En cualquier caso no es una propiedad fácil de medir ya que depende, entre otras cosas, de la especie química en la que se encuentre el elemento en cuestión. En un grupo cualquiera el radio atómico aumenta desde arriba hacia abajo debido al aumento en el n de niveles de E. En los períodos, el radio atómico disminuye al aumentar el número atómico (Z), hacia la derecha, debido a la atracción que ejerce el núcleo sobre los electrones de los orbitales más externos, disminuyendo así la distancia núcleo-electrón. El radio radio atómic atómico o puede puede ser o covale covalente nte o metálic metálico. o. La distan distancia cia entre entre núcle núcleos os de átomo átomoss "vecinos" en unas moléculas es la suma de sus radios covalentes, mientras que el radio metálico es la mitad de la distancia entre núcleos de átomos "vecinos" en cristales metálicos. Usualmente, cuando se habla de radio atómico, se refiere a radio covalente. 16.- El potencial o energía de ionización es: d) La energía necesari necesaria a para poder desprender desprender al electrón electrón más alejado de un átomo átomo neutro que se encuentra en fase gaseosa 17.- La afinidad electrónica es: a) La variación de energía de un átomo neutro en fase gaseosa gaseosa al captar un electrón. 18.- Describa a un protón: es una partícula subatómica con una carga eléctrica elemental positiva y una masa 1.836 veces superior a la de un electrón. Los protones, a su vez, se componen de partículas elementales llamadas quarks. 19.- Describa a un estado estacionario En química y física, el estado fundamental (también denominado estado basal) de un sistema es su estado cuántico de menor energía. Un estado excitado es todo estado con una energía
superior a la del estado fundamental. Es el estado en el que los electrones de un átomo consumen la menor cantidad de energía posible, el ejemplo más utilizado es el hidrógeno
20.-Describa que es emisión Cada átomo es capaz de emitir o absorber radiación electromagnética, aunque solamente en algunas frecuencias que son características propias de cada uno de los diferentes elementos químicos. Espectro de emisión: mediante suministro de energía calorífica, se estimula un determinado elemento en su fase gaseosa, sus átomos emiten radiación en ciertas frecuencias del espectro visible, que constituyen su espectro de emisión. Ninguno de estos se repite. Por ejemplo, algunos de ellos lo hacen en el infrarrojo y otros cuerpos no. Ello depende de la constitución específica de cada cuerpo, ya que cada uno de los elementos químicos tiene su propio espectro de emisión.
21.-Describa que es absorción Espectro de absorción: se presenta cuando un solido incandescente se encuentra rodeado por un gas más frio, el espectro resultante muestra un fondo interrumpido por espacios oscuros denominados líneas de absorción, porque el gas ha absorbido de la luz aquellos colores que éste irradia por sí mismo. Suele ocurrir que unos cuerpo absorben sólo la radiación de unas determinadas longitudes de onda y no aceptan absorber otras de otras longitudes, por lo que cada cuerpo, cada elemento químico en la práctica, tiene su propio espectro de absorción, el cual se corresponde con su espectro de emisión, al igual como si fuera el negativo con el positivo de una película. En la naturaleza se da también que otros cuerpos absorben radiación de otros cuerpos dejando rayas negras en los espectros.
22.-Describa cuál fue la Teoría o hipótesis de los siguientes científicos con respecto al modelo del átomo.
a).- De Broglie En 1.924 Louis De Broglie extendió el carácter dual de la luz a los electrones, protones, neutrones, átomos y moléculas, y en en general a todas las partículas materiales. Basándose Basándose en consideraciones relativistas y en la teoría cuántica pensó que si la luz se comportaba como onda y como partícula la materia debería poseer este carácter dual.
El movimiento de una partícula puede considerarse como el movimiento de un paquete de ondas, algo así como la superposición de varias ondas de longitudes de onda poco diferentes, cuyas oscilaciones se intensifican al máximo en el punto del espacio ocupado por la partícula. No hay nada de imaginario en estas ondas de materia, son tan reales como las ondas luminosas y las
del sonido, aunque no sean observables en todos los casos, como ocurre con las ondas electromagnéticas, los aspectos ondulatorios y de partículas de los cuerpos en movimiento nunca se pueden observar al mismo tiempo.
En ciertas situaciones una partícula en movimiento presenta propiedades ondulatorias y en otras situaciones presenta propiedades de partícula b).- Heisenberg Uno de los aspectos más importantes de la mecánica cuántica es que no es posible determinar simultáneamente, de un modo preciso, la posición y la cantidad de movimiento de una partícula. Esta limitación se conoce con el nombre de principio de incertidumbre o de indeterminación de Heisenberg.
El principio de incertidumbre es una consecuencia de la dualidad onda-partícula de la radiación y de la materia. Todos los objetos, independientemente de su tamaño, están regidos por el principio de incertidumbre, lo que significa que su posición y movimiento se pueden expresar solamente como probabilidades, pero este principio sólo es significativo para dimensiones tan pequeñas como las que presentan las partículas elementales de la materia. Este principio carece de interés en mecánica clásica, ya que las magnitudes involucradas son muy grandes comparadas con el valor de la constante h.
c).- Schrodinger
Basándose en la hipótesis de L. De Broglie y considerando que el movimiento del electrón es análogo a un sistema de ondas estacionarias, el físico austriaco Erwin Schrödinger propuso una ecuación de onda aplicable al átomo de hidrógeno, designada por el símbolo y, llamada función de onda, es función de las coordenadas cartesianas x, y, z; E y V.
Esta ecuación es puramente teórica y debe su validez a que sus resultados y conclusiones coinciden plenamente con hechos probados experimentalmente. Resolviendo la ecuación Shrödinger obtuvo valores de E que estaban plenamente de acuerdo con los obtenidos experimentalmente.
Al cuadrado del valor absoluto de la función de onda se le llama densidad de probabilidad. La probabilidad de encontrar la partícula descrita por la función y, en un punto y en el instante t, es proporcional al valor del cuadrado de la función de onda en aquel punto del espacio y en ese instante.
En cada punto del espacio existirá una probabilidad de que se encuentre el electrón, obteniéndose así lo que se denomina nube de probabilidad o densidad electrónica. En el modelo atómico de bohr, el electrón se mueve alrededor del núcleo de una órbita determinada. En la teoría cuántica del átomo, un electrón no está limitado a una órbita, sino que es libre para moverse en las tres dimensiones, en una nube de probabilidad que tiene una determinada forma en el espacio.
23.-Realice los cálculos que se solicitan: 24.- Calcúlese la longitud de onda De Broglie en los siguientes casos
h-constante de plank
p (cantidad de movimiento) = masa * velocidad a).- Un neutrón que se mueve a una velocidad de 10Km/s masa de un neutrón = 1,674 927 29(28)×10 −27kg 939,565 560(81) MeV/c2 1,008 664 915 6(6) uma longitud de onda = 6.626069311 x 10^-34 J·s (m 2 kg s-2)/(1,674 927 29(28)×10 −27kg )(10km/s) longitud de onda = 6.626069311 x 10^-34 J·s (m 2 kg s-2)/(1,674 927 29(28)×10 −27kg )(2.77m/s) =1.421x 10^-7 m.
b).-Un Móvil de 20 g que se mueve a 72Km/h 72 km = 20 m/s
6.626069311 x 10^-34 (m 2 kg s-2)/ 0.020 kg * 20 m/s = 1.656517328 x 10^33 m
2.-Calcular la longitud de onda de De Broglie asociada a un haz de neutrones de energía igual a 0.032Ev, masa del neutrón = 1.67x 10 -27 Kg Longitud de onda= h c (constante de Planck * velocidad de la luz) / incremento de e (energía) [ (6.63 x 10 ^-34 J*s ) (3x10^8 m/s) ] / 0.032 J =
m
Configuraciones Electrónicas 1. Escribir el nombre, significado y calcule los números cuánticos para cada uno de los niveles de energía (desde n= 1 hasta n=5).
Numero cuántico principal (n) determina la distancia promedio del electrón al núcleo, entre mayor el numero mayor el orbital. Azimutal l expresa la forma del orbital 0 para circular o diferente para elíptica a cada valor del número cuántico azimutal le corresponde una forma de orbital, que se identifica con una letra minúscula: L 0 1 2 3 4 5 Número del S p d f g h orbital El conjunto de niveles que tienen el mismo valor de n se conoce como nivel o capa. Los orbitales que tienen los mismos valores de n y l se conocen como subniveles o subcapa. Por ejemplo n=2 que está formado de dos subniveles l=0, y 1. Estos corresponden a los subniveles 2s y 2p donde 2 expresa el valor de n, y s y p se refieren al valor d l. El número cuántico magnético, ml , determina la orientación del orbital en el espacio. Los valores que puede tomar depende del valor del número cuántico azimutal, m, variando desde - l hasta + l . para cierto valor de l existen 2*l + 1 valores enteros para m l l (tipo) Orbitales 0 (s) 1 1 (p) 3 2 (d) 5 3 (f) 7 4 (g) 9 El número cuántico del espín del electrón m s explica que los electrones se comportan como imanes debido a su rotación en dos diferentes sentidos, (uno en dirección a las manecillas del reloj y otro al contrario) generando un campo magnético. Este número toma dos posibles valores +1/2 y – 1/2 Podemos resumir indicando que la corteza electrónica se organiza en capas, Indicadas por el número cuántico principal, n, que indica su lejanía al núcleo. Dentro de las capas hay distintos orbitales, especificados por el número cuántico azimutal, l, y que indica la forma del orbital. El número de orbitales de cada tipo está dado por el número cuántico magnético, m, que nos señala la orientación del orbital. Además hay otro número cuántico, de espín, s, que sólo puede tomar dos valores e indica el giro del electrón sobre sí mismo. N
L
ml
Numero orbitales
1 2
0 0 1 0 1 2
0 0 -1,0,1 0 -1,0,1 -2, -1,0,1,2
1 1 3 1 3 5
0 1 2
0 -1,0,1 -2, -1,0,1,2
1 3 5
3
-3, -2, -1, 0, 1, 2, 7 3
3
4
de Designación de los orbitales atómicos 1s 2s 2px, 2py, 2pz 3s 3px, 3py, 3pz 3dxy, 3dyz, 3dxz, 3dx2-y2, 3dz2 4s 4px, 4py, 4pz 4dxy, 4dyz, 4dxz, 4dx2-y2, 4dz2 4f
5
0 1 2
0 -1,0,1 -2, -1,0,1,2
3
-3, -2, -1, 0, 1, 2, 7 3 -4,-3, -2, -1, 0, 1, 9 2, 3, 4
* número atómico 4 mayor que 57
1 3 5
5s 5px, 5py, 5pz 5dxy, 5dyz, 5dxz, 5dx2-y2, 5dz2 *5f *5g
3.- Cuales son los números cuánticos que le corresponden al electrón diferencial del azufre?, Número atómico del S = 16 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p4
N=3 l=1 ml=-1, 0, 1, (3 orbitales) 3px, 3py, 3pz Primero los spines positivos…. Luego negativos… (3,1,-1,-1/2)
ms= -1/2
4.- Qué números cuánticos corresponden a los electrones de notación a) 3d7 n= 3 l=2 ml= -2,-1,0,1,2, ms=-1/2 b) 4p5
n=4
l=1 ml= -1,0,1 ms=-1/2
c) 5s1
n=5
l=0
ml= 0 ms=1/2
5.- A que elemento corresponde el electrón diferenciador cuyos números cuánticos son n=4, l=3, m=1, s=-1/2 4f 5
Pm (prometio) [Xe]6s2 4f 5 no. Atómico 61
6.- Describa las configuraciones electrónicas de los átomos de Cr, Cu,, La Cr 24= 1s22s22p6 3s2 3p6 4s1 3d5 ó [ar] 4s1 3d5 Cu 29= 1s22s22p6 3s2 3p6 4s1 3d10 o [ar] 4s1 3d10 LA 57 = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 (4f 14) 5d1 = [Xe] 6s2 5d1 7.- Definir la regla de máxima multiplicidad de Hund y aplicarla para deducir las valencias covalentes del elemento de número atómico 17. Establece que la distribución electrónica más estable en los subniveles es la que tiene el mayor número de espines paralelos, primero se llenan los electrones de valencia positivos en la representación orbital de spines. 17 es cloro Cl= [Ne] 3s2 3p5
ms = -1/2 ↑↓ ↑↓↑
8 Justificar el número máximo de electrones que pueden estar presentes en un orbital f 9 por que n=4 por lo tanto.. desde -4 hasta +4 pasando por 0.. son 9 orbitales en total.. o (2(n) +1)= # orbitales 9.- El cinc tiene el número atómico 30. Indicar: a).- Su estructura electrónica 1s 2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 b).- Los números cuánticos que corresponden a su electrón diferencial 4s 2
n=4
l=0
ml=0
ms= -1/2
↑↓
Tabla periódica 1.- De una semblanza de cómo se acomodaron los elementos en la tabla periódica según sus números atómicos. Se acomodaron los elementos según el tipo de orbital que se está llenando con electrones columnas s, d (metales de transición), p, y f (metales). y de acuerdo al nivel de energía. Con el uso de las frecuencias de los rayos x emitidos por cada elemento al ser bombardeados con electrones de alta energía surgió el concepto de número atómico aclarando problemas que se tenían en versiones anteriores basadas en pesos atómicos y se taparon huecos de la tabla con nuevos elementos.
2.- A que se le llama periodicidad Las propiedades químicas de los elementos son función periódica de sus números atómicos La periodicidad se describe como una propiedad de los elementos químicos. Indica que lo elementos que pertenecen a un mismo grupo o familia de la tabla periódica tienen propiedades muy similares. 4.- Describa a la tabla periódica en función de dividirla en grupos y periodos Todos los elementos que pertenecen a un grupo tienen la misma valencia atómica, y por ello, tienen características o propiedades similares entre sí. Contrario a como ocurre en el caso de los grupos de la tabla periódica, los elementos que componen una misma fila tienen propiedades diferentes pero masas similares: todos los elementos de un período tienen el mismo número de orbitales. Siguiendo esa norma, cada elemento se coloca según su configuración electrónica 5.- Describa a la tabla periódica en función de metales, no metales y gases nobles o inertes. un elemento es metal cuando tiene tendencia a desprenderse de los electrones de su última capa o capa de valencia (formando cationes); tienen pocos electrones en la última capa, bajo potencial de ionización, baja afinidad electrónica, baja electronegatividad, son reductores, forman cationes, los óxidos e hidróxidos son básicos o anfóteros (para un mismo estado de oxidación según se desciende en un grupo aumenta el carácter metálico: aumenta la basicidad de los óxidos); aunque según se desciende en cada grupo, los números de oxidación altos producen óxidos cada vez más ácidos. Son sólidos, salvo excepciones. Se caracterizan por poseer enlace metálico. Por todo ello son buenos conductores del calor, electricidad, son dúctiles, maleables, etc.,.
Tienen muchos electrones en su capa externa; tiene elevado potencial de ionización, elevada afinidad electrónica, son electronegativos, son oxidantes, forman aniones y los óxidos e hidróxidos son ácidos. Tienen en común ser malos conductores de la electricidad y del calor. Al contrario de los metales, son muy frágiles y no pueden estirarse en hilos ni en láminas. Se encuentran en los tres estados de la materia a temperatura ambiente: son gases (como el oxígeno), líquidos (bromo) y sólidos (como el carbono). No tienen brillo metálico y no reflejan la luz. Suelen presentar enlace covalente. Los números de oxidación suelen ser negativos: ±4, -3, -2, -1; para el hidrógeno ±1. El término metaloide significa "parecido a un metal" y sirve para agrupar elementos que tienen algunas propiedades de metales y no metales. Los metaloides son elementos que se
encuentran en la línea que separa metales y no metales(*). Esta línea pasa entre el boro y aluminio y acaba entre el polonio y el astato. El aluminio se considera otro metal. El resto de los elementos vecinos a esta línea tienen características intermedias metal-no metal. Los más claros son los cinco que se mencionan a continuación y que se emplean en la fabricación de dispositivos de estado sólido en ordenadores y calculadoras (son semiconductores: pueden conducir la corriente en determinadas condiciones). debido a que su estado de oxidación es 0, teniendo 8 electrones en su últi ma capa (2 electrones s y 6 electrones p), lo que les impide formar compuestos fácilmente. Tienen una energía de ionización muy alta, por lo que son muy estables. todos son gases incoloros, inodoros e insípidos, solubles en agua. Tienen puntos de fusión muy bajos ya que las únicas fuerzas existentes entre los átomos en estado líquido y sólido son las de London. Excepto el helio, que lo hace en el sistema hexagonal, cristalizan en el sistema cúbico. Poco diferentes desde el punto de vista químico 6.- Describa a cada una de las propiedades periódicas - Estructura electrónica : distribución de los electrones en los orbitales del átomo - Potencial de ionización : energía necesaria para arrancarle un electrón. - Electronegatividad: mide la tendencia para atraer electrones. - Afinidad electrónica: energía liberada al captar un electrón. - Carácter metálico: define su comportamiento metálico o no metálico. - Valencia iónica: número de electrones que necesita ganar o perder para el octete. - Volumen atómico es el volumen que ocupa un mol de átomo del elemento considerado. - Radio iónico al igual que el radio atómico, la distancia entre el centro del núcleo del átomo y el electrón estable más alejado del mismo se denomina radio covalente a la mitad de la distancia entre dos átomos iguales que forman un enlace covalente. Normalmente se expresa en picómetros (pm) o ángstroms (Å), donde 1 Å = 100 pm. •
-La densidad atómica es una propiedad física que involucra tanto a la masa del objeto como al volumen que éste ocupa, según la siguiente relación:
Densidad atómica = Masaatómica / Volumenatómico - Calor específico De acuerdo con la ley formulada por los químicos franceses Pierre Louis Dulong y Alexis Therese Petit, el calor específico de los elementos sólidos es inversamente proporcional a su masa atómica de forma que el calor específico multiplicado por la masa atómica es aproximadamente una cantidad constante para todos los elementos sólidos. - Calor de vaporización - Punto de ebullición - Punto de fusión -Valencia covalente Oxidante es la sustancia que gana electrones real o formalmente. Reductor es la sustancia que pierde electrones. Ganar formalmente significa que los comparte pero los atrae con más fuerza que el
otro Los elementos más oxidantes son los que se encuentran más arriba y más a la derecha con excepción de los gases nobles. Los elementos más reductores con los que se encuentran más abajo y a la izquierda.
7.- En el diagrama de la tabla periódica, realice lo siguiente:
a-Anote en la parte superior de la tabla, los grupos A y B y numere los periodos en el lado izquierdo. b.- señale a los metales y a los no metales e indique en que son diferentes. Los metales conducen el calor y la electricidad, son maleables (se pueden golpear para formar láminas delgadas) y dúctiles (se pueden estirar para formar alambres) Los no metales varían mucho en su apariencia no son lustrosos y por lo general son malos conductores del calor y la electricidad c.- como varia la afinidad electrónica, potencial de ionización, radio atómico y electronegatividad por periodos y familias En un grupo, el volumen atómico aumenta al aumentar el nº atómico, pues aumenta el nº de
capas. En un periodo, el volumen atómico disminuye al aumentar el n atómico; ya que, para el mismo nº
de capas aumenta la carga eléctrica del núcleo y de la corteza y por tanto la fuerza de atracción. En un grupo, la energía de ionización disminuye al aumentar el nº atómico; pues al aumentar el
número de capas, los electrones más externos están menos atraídos por el núcleo y, por tanto, es menor la energía necesaria para separarlos. En un periodo, aumenta al aumentar el nº atómico; pues para la misma capa, a mayor nº atómico más atraídos por el núcleo estarán los electrones. También así varia la afinidad electrónica, capacidad de ganar electrones para formar ion negativo y La electronegatividad que se define como la tendencia que tiene un átomo a atraer electrones del enlace que forme con otro átomo diferente.
d.- Indique el tipo de enlace que forman al unirse los elementos Rubidio y Bromo y esquematícelo con su formula electrónica (o de Lewis). Rb 5s1 Br 4s2 4p5 3.-Escriba las configuraciones electrónicas del Br y Rb y los números cuánticos de sus electrones diferenciales. 35 Br 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p5 n=4 l= 1 (3 orbitales) m l=-1,0-1 ms=↑↓↑↓↑ -1/2 37 Rb 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 5s1 n=4 l=0 m l= 0 ms= ↑ 1/2 4.- Indique una propiedad física y una química de cada uno de los anteriores elementos, cual tiene mayor electronegatividad y cual menor. Punto de fusión Rb = 312.46ºK Al igual que los demás metales alcalinos presenta un único estado de oxidación (+1) Punto de fusión Br = 258.8ºK Estado(s) de oxidación: -1 más común, 1, 5 Tiene mayor electronegatividad el bromo pues esta varia en la tabla de abajo hacia arriba y de izquierda a derecha. El bromo por estar en la fila número 4 y hacia el extremo derecho tiene más electronegatividad que el rubidio que se encuentra del lado izquierdo en la fila numero 5.
Enlaces químicos Describa el fundamento teórico de la teoría de Lewis (simbología de Lewis) Los electrones que participan en los enlaces químicos se denominan electrones de valencia, son los electrones de la capa exterior incompleta de los átomos. Es una forma sencilla de presentar los electrones de valencia y de seguirles la pista durante la formación de enlaces. Cada electrón representa un punto alrededor del símbolo. Se apoya en la regla del octeto en donde los átomos tienden a ganar, perder o compartir electrones hasta estar rodeados por 8 electrones de valencia. 2.- Escriba un procedimiento o conjunto de reglas que apliquen para realizar las estructuras de Lewis de compuestos químicos. Regla del octeto en el bromo.
3.- Use la imagen de la tabla periódica y escriba los elementos con los puntos de Lewis que le corresponda. Considere los elementos representativos y los gases nobles o inertes
4.- Utilice los símbolos de puntos de Lewis para explicar la formación del ()
5.- Escriba la estructura de Lewis para los siguientes compuestos: a).- NF3
b).- HNO3
c).- Al203
d).- H2SO4
e).- AlI3 ( tri yoduro de aluminio)
f).- PF5 (penta fluoruro de fósforo)
6.- Explique que es un enlace iónico El enlace iónico es una unión que resulta de la presencia de atracción electrostática entre los iones de distinto signo, es decir, uno fuertemente electropositivo (baja energía de ionización) y
otro fuertemente electronegativo (alta afinidad electrónica). Eso se da cuando en el enlace, uno de los átomos capta electrones del otro. 7.- Explique como la energía de ionización y la afinidad electrónica determinan que los elementos se combinen entre sí para formar compuestos iónicos. La electronegatividad de un átomo en una molécula está relacionada con su energía de ionización su afinidad electrónica, que son propiedades de los átomos aislados. La energía de ionización mide la fuerza con que el átomo se aferra a sus electrones y la afinidad electrónica es una medida de la fuerza con que un átomo atrae electrones adicionales. Los muy electronegativos no sueltan electrones pero si los captan más fácilmente. La energía de ionización, potencial de ionización o E I es la energía necesaria para arrancar un electrón de un átomo en su estado fundamental y en fase gaseosa La afinidad electrónica (AE) o electroafinidad se define como la energía involucrada cuando un átomo gaseoso neutro en su estado fundamental (de mínima energía) captura un electrón y forma un ion mononegativo: 8.- Dé el nombre de cinco metales y cinco no metales que pueden formar enlace iónico. Metales: Sodio Na Rubidio Rb Cobre Cu Aluminio Al Litio Li No metales: Carbono C
Nitrógeno N Oxigeno O Cloro Cl
Bromo Br
9.- Escriba las propiedades de los compuestos con enlace iónico. • • • •
Las sustancias iónicas se encuentran en la naturaleza formando redes cristalinas, por tanto son sólidas. Su dureza es bastante grande, y tienen por lo tanto puntos de fusión y ebullición altos. Son solubles en disolventes polares como el agua. Cuando se tratan de sustancias disueltas tienen una conductividad alta.
En general, los compuestos con enlace iónico presentan puntos de ebullición y fusión muy altos, pues para separarlos en moléculas hay que deshacer todo el edificio cri stalino, el cual presenta una elevada energía reticular.
10.- Describa que es un enlace covalente
Un enlace covalente se produce por compartición de electrones entre dos o más átomos. Este tipo de enlace se produce cuando existe electronegatividad polar pero la diferencia de electronegatividades entre los átomos no es suficientemente grande como para que se efectúe transferencia de electrones. De esta forma, los dos átomos comparten uno o más pares electrónicos en un nuevo tipo de orbital, denominado orbital molecular . Los enlaces covalentes se suelen producir entre elementos gaseosos no metales.
11.- Cuál es la contribución de Lewis para entender un enlace covalente Para escribir un par de electrones compartidos… en un enlace covalente se utiliza un guion y los no compartidos con puntos.
12.- Cuantos pares libres de electrones existen en los átomos subrayados: H Br, H2S, CH4 en bromo 3 pares libres en el azufre 2 pares libres en el carbono ningún par libre todos se encuentran compartidos con los del hidrogeno, para alcanzar la configuración electrónica estable del helio. 13.-Para cada uno de los enlaces: sencillo, dobles y triples, escriba una molécula como ejemplo
14.- Haga una comparación de la solubilidad, punto de fusión y conductividad eléctrica de los compuestos iónicos y covalentes Iónicos Son sólidos con elevados puntos de fusión. Son solubles en disolventes polares como el agua. Sin embargo, presentan baja solubilidad en disolventes apolares. Fundidos y en disolución acuosa conducen la corriente eléctrica. Covalentes Los sólidos presentan puntos de fusión relativamente bajos. Presentan una importante solubilidad en disolvente apolares (tolueno, hexano, tetracloruro de carbono). Presentando baja solubilidad en disolventes polares. No presentan conductividad eléctrica en fase l íquida. 15.- Explique cómo se lleva a cabo un enlace metálico Estos átomos se agrupan de forma muy cercana unos a otros, lo que produce estructuras muy compactas. Se trata de redes tridimensionales que adquieren la estructura típica de empaquetamiento compacto de esferas. En este tipo de estructura cada átomo metálico está rodeado por otros doce átomos. Además, debido a la baja electronegatividad que poseen los
metales, los electrones de valencia son extraídos de sus orbitales y tienen la capacidad de moverse libremente a través del compuesto metálico, lo que otorga a éste las propiedades eléctricas y térmicas. Este enlace sólo puede presentarse en sustancias en estado sólido. 16.- Entre que elementos de la tabla periódica se genera un enlace metálico.
Ac
Actinio Al Aluminio Am Americio Ba Bario Be Berilio Bk Berkelio Bi Bismuto Bh Bohrio Cd Cadmio Ca Calcio Cf Californio Ce Cerio Cs Cesio Zr Circonio Co Cobalto Cu Cobre Cn Copernicio Cr Cromo Cm Curio Ds Darmstadtio Dy Disprosio Db Dubnio Es Einsteinio Er Erbio Sc Escandio Sn Estaño Sr Estroncio Eu Europio Fm Fermio Fr Francio Gd Gadolinio Ga Galio Hf HafnioHs Hassio Fe Hierro Ho Holmio In Indio Ir Iridio Yb Iterbio Y Itrio La Lantano Lr Lawrencio Li Litio Lu Lutecio Mg Magnesio Mn Manganeso Mt Meitnerio Md Mendelevio Hg Mercurio Mo Molibdeno Nd Neodimio Np Neptunio Nb Niobio41 No Nobelio Ni Níquel Au Oro Os Osmio76 Pd Paladio 46 Ag Plata Pt Platino 78 Pb Plomo Pu Plutonio Po Polonio K Potasio Pr Praseodimio Pm Prometio Pa Protactinio Ra Radio Re Renio Rh Rodio Rg Roentgenio Rb Rubidio Ru Rutenio Rf Rutherfordio Sm Samario Sg Seaborgio Na Sodio Tl Talio Ta Tantalio Tc Tecnecio Tb TerbioTi Titanio Th Torio Tm Tulio Uuh Ununhexio Uuo Ununoctio Uup Ununpentio Uug Ununquadio Uus Ununseptio Uut Ununtrio U Uranio V Vanadio W Wolframio Zn Zinc
17.- Escriba las propiedades de los compuestos metálicos. La mayor parte de los elementos metálicos exhibe el lustre brillante que asociamos a los metales. Los metales conducen el calor y la electricidad, son maleables (se pueden golpear para formar láminas delgadas) y dúctiles (se pueden estirar para formar alambres).
Realice los cálculos que se solicitan: h-
constante
de
plank
Frecuencia*longitud de onda = velocidad de la luz 1.- Calcúlese la longitud de onda De Broglie en los siguientes casos: a).- Un neutrón que se mueve a una velocidad de 10Km/s b).-Un Móvil de 20 g que se mueve a 72Km/h 2.-Calcular la longitud de onda λ de De Broglie asociada a un haz de neutrones de energía igual a 0.032Ev, masa del neutrón = 1.67x 10 -27 Kg
3.- Al llevar a la flama el compuesto RbBr, su espectro es de qué tipo?; su longitud de onda es de 4.5 X 10 -11 nm ¿Calcule su frecuencia? llama de color violeta amarillento, Frecuencia*longitud de onda = velocidad de la luz Frecuencia ( v nu)=velociad de la luz (c) / λ longitud de onda (lambda) v = c/ λ longitud v=6.666 hz
= (3x10^8 m/s)/ 4.5 X 10 -11 nm
4.-Al conocer la longitud de onda que es de 4.5 X 10 -11 nm y la frecuencia calculada del compuesto RbBr, Calcule la energía que están emitiendo sus electrones. E=hv E= (constante de plank 6.63 x10^-34 J*s)(frecuencia 6.666 s^-1) E=4.41558x10^-33 J
5.- Calcular la energía, longitud de onda y frecuencia de un fotón emitido por un átomo de hidrógeno, cuando su electrón desciende del nivel n=5 al nivel n=2. Delta E = hv = hv / λ longitud = -2.18x10^-18 J (1/n2)= -2.18 x10-18(1/n2f – 1/n2i) Si delta E es negativo indica que se libera energía del átomo, osea que nf es menor que ni Delta E = 2.18x10^-18 J (1/2^2 - 1/ 5^2)
= 4.578 x 10 ^-19 J
8.-Calcular la λ en nm, de la línea en el espectro de hidrogeno correspondiente a n 1 = 2 y n2 = 4 en la ec. De Rydberg. 1/longitud de onda λ = (RH)(1/n21 – 1/n22) RH = 1.096776 x10^7 m -1 1/λ = (1.096776 x10^7 m -1)(1/2^2 - 1/4^2)
= 4.8627 x 10^-7 m
6.-Calcular la Energía que el fotón requiere cuando un e - pasa del 2º al 6º nivel de E en un átomo de Hidrogeno. Evaluar la frecuencia y la λ (en nanómetros) de este fotón. Delta E = 2.18x10^-18 J (1/6^2 - 1/ 2^2) Delta e = hv v= delta e/ h -1 -7.19268*10^14 hz s Delta e = hc/ λ -4.17090x10^-7 m
λ = hc/delta E =
= -4.76875*10^-19 J v = -4.76875*10^-19 J / 6.63x10^-34
J*s
=
(6.63x10^-34 J*s)(3x10^8 m/s) / -4.76875*10^-19 J =
-4.17090x10^-7 m a nanómetros = 417.090 x10^-9 m
UNIDAD II.- ESTADO SÓLIDO 1.- Los sólidos difieren de los líquidos y gases por: c) Tener volumen y forma definida. 2.- La forma definida de un sólido a) Se atribuye al hecho de que sus unidades estructurales están limitadas en posiciones de equilibrio definidas.
b) Se atribuye al hecho de que sus unidades estructurales pueden vibrar, c) Se atribuye al hecho de que sus unidades estructurales están limitadas pero de las que no pueden salir fácilmente
3.- Las sustancias sólidas se clasifican: a) como cristalinas y amorfas. 4.- Un sólido cristalino es aquel: a) en el que las unidades estructurales que lo constituyen están dispuestas según una configuración geométrica característica de la sustancia. b) en el cual configuración se repite con periodicidades definidas en tres dimensiones, resultando así una constitución ordenada y extendida..
5.- las sustancias amorfas son: a) poseen mucho de los atributos de un sólido, como la forma definida, cierta rigidez y dureza b) al efectuar una prueba no muestran una estructura ordenada que se extienda a distancia c) puede adquirir algunas características cristalinas bajo condiciones especiales
Complete los siguientes cuadros en función de lo que se pide: a.- Sobre la clasificación de los sólidos cristalinos: TIPO DE PROPIEDADES CLASIFICACIÓN PARTICULAS DE LOS COMPUESTOS Atómico
Metales no metales metaloides gases
Fuerza entre partículas como la dispersión de London, fuerzas dipolo –dipolo, puentes de o hidrogeno Blandos, punto de fusión de bajo a moderadamente alto, baja conductividad térmica y eléctrica.
Argón Ar, metano CH4, sacarosa C12H22O11, hielo seco CO2
Fuerzas de enlaces covalentes
Diamante, C; cuarzo SiO2
Átomos moléculas
Red Covalente
Átomos conectados en una red de enlaces covalentes
Muy duros, puntos de fusión muy alto, comúnmente baja conductividad térmica y eléctrica Atracciones electrostáticas
Metálico
Iones positivos y Duros y quebradizos, alto punto negativos de fusión, baja conductividad eléctrica y térmica Átomos
DE
Dependen de cada elemento
Átomos
Molecular
Iónico
EJEMPLO COMPUESTOS
Enlaces metálicos
Sales típicas, NaCl, Ca(NO3)2
Todos los elementos metálicos. Cu, Fe, Al,
Desde blandos hasta muy duros, Pt punto de fusión desde bajo hasta alto, excelente conductividad térmica y eléctrica, maleable y dúctiles.
b.- Sobre las características de los sistemas cristalinos: Sistema Cristalino
Ejes
Angulos entre ejes
Cúbico
a=b=c
α = β = γ = 90°
Tetragonal
a=b≠c
α = β = γ = 90°
Ortorrómbico
a ≠ b ≠ c ≠ a α = β = γ = 90°
Hexagonal
a=b≠c
Trigonal (o Romboédrica) a = b = c
α = β = 90°; γ = 120° α = β = γ ≠ 90°
Monoclínico
a ≠ b ≠ c ≠ a α = γ = 90°; β ≠ 90°
Triclínico
a≠b≠c≠a α≠β≠γ α, β, γ ≠ 90°
Sistema Cristalino
Elementos característicos
Cúbico
Cuatro ejes ternarios
Tetragonal
Un eje cuaternario derivado)
Ortorrómbico
Tres ejes binarios o tres planos de simetría
Hexagonal
Un eje senario (o ternario derivado)
Trigonal (o Romboédrica)
Un eje ternario
Monoclínico
Un eje binario o un plano de simetría
Triclínico
Un centro de simetría o bien ninguna simetría
(o
binario
Generalidades del estado sólido 1.- De una descripción sobre el estado sólido Los sólidos se caracterizan por tener forma y volumen constantes. Esto se debe a que las partículas que los forman están unidas por unas fuerzas de atracción grandes de modo que ocupan posiciones casi fijas. En el estado sólido las partículas solamente pueden moverse vibrando u oscilando alrededor de posiciones fijas, pero no pueden moverse trasladándose libremente a lo largo del sólido. Las partículas en el estado sólido propiamente dicho, se disponen de forma ordenada, con una regularidad espacial geométrica, que da lugar a diversas estructuras cristalinas. Al aumentar la temperatura aumenta la vibración de las partículas:
2.- Describe las propiedades de los sólidos cristalinos Los átomos, iones o moléculas están ordenados en disposiciones bien definidas, por eso suelen tener superficies planas o caras que forman ángulos definidos entre si dándose formas muy regulares. 3.- Describa los tipos de enlace químicos que tienen los sólidos cristalinos Moleculares: unidos por fuerzas dipolo-dipolo, fuerzas de dispersión de London y puentes de hidrogeno, y estas fuerzas que dependen del contacto íntimo no son tan eficaces y el punto de fusión es más bajo y son blandos. Covalente: unidos por enlaces covalentes son más duros estos compuestos y tienen punto de fusión más alto. Iónicos: unidos por enlaces iónicos su estructura depende de las cargas y los tamaños relativos de los iones. Son duros y quebradizos. Metálicos: consisten exclusivamente en átomos de metal, suelen tener empaquetamiento compacto hexagonal o cubico centrado en las caras o en el cuerpo, normalmente con 8 o 12 átomos adyacentes la fuerza de sus enlaces aumenta dependiendo al número de electrones disponibles para los enlaces.
4.- Si un sólido cristalino requiere poco calor para fundirse, ¿Qué tipo de enlace tiene? y anote sus características. Molecular 5.- Si un sólido cristalino requiere elevado calor para fundirse, ¿Qué tipo de enlace tiene? y anote sus características. Red covalente
Características de los sólidos cristalinos 1.- Clasifique a los siguientes compuestos como sólidos iónicos, metálicos, moleculares, de red o amorfos: NaCl iónico Ag molecular CaCl2 iónico Vidrio covalente Polietileno covalente Diamante molecular Cobre metálico K2SO4, iónico I2 molecular Fe metálico nylon covalente 4 Indique el tipo de sólido cristalino al que le corresponde cada una de las siguientes propiedades: a).- Funde por debajo de 100°C y es insoluble en agua _____________molecular___________ b).- Conduce la electricidad solo después de fundirse _____________iónico______________ d).- Es insoluble en agua y no conduce la electricidad ___________molecular_______________ e).- No es cristalino y funde dentro de un intervalo de temperaturas amplio ___metálico______ 3.- Explique como se comportaría cada una de las siguientes sustancias si se le aplica un martillazo. Justifique el comportamiento de cada sustancia. a).- Un metal como el oro se deforma porque es muy fuerte en sus enlaces b).- Un no metal como el azufre
se quiebra por su enlace débil molecular
c).- un compuesto iónico como el NaCl se quiebra por su enlace débil ionico 4,. Indique el tipo de sólido cristalino al que le corresponde cada una de las siguientes propiedades: a).Funde por debajo de 100ªC y es insoluble en agua: ________molecular________________________ b).Conduce la electricidad solo después de fundirse _____________iónico_____________________ d).Es insoluble en agua y no conduce la electricidad _____________metálico____________________ e).- No es cristalino y funde dentro de un intervalo de temperaturas amplio ______metálico___________ 5.- Con lo que sabe acerca de los enlaces, explique por que el diamante es más denso que el grafito.
Figura 1. Átomos de carbono en el grafito (a) y en el diamante (b). En el caso del diamante, los átomos se encuentran en las esquinas de un cubo, en el centro de las caras y en el centro de algunas diagonales. Esta disposición se reproduce al infinito. El arreglo de los átomos de carbono en el grafito es en forma de hexágonos, por eso se dice que el diamante cristaliza en un sistema cúbico pero que el grafito lo hace en un sistema hexagonal. 6.- Con los ejemplos de sólidos cristalinos de red, determine si estos materiales son solubles en agua o en disolventes orgánico. Insolubles en agua. Solubles en disolventes orgánicos como gasolina. 7.- Explique por que el diamante es un aislante eléctrico y el grafito es un conductor eléctrico. Porque en el grafito los electrones se mueven libremente por los orbitales deslocalizados y en el diamante no tiene electrones libres en alguna de sus bandas..
2.
Sistemas Cristalinos
Clasificación de los sistemas cristalinos y redes de bravais 1. Describa las diferencias en función de ángulos y vértices que existen en cada uno de los diferentes sistemas cristalinos que hay ( USE IMÁGENES)
2. Escriba el nombre de las redes de Bravais que hay en cada una de los sistemas cristalinos
USE IMÁGENES 3. Describa que es una red cristalina USE IMÁGENES Es una matriz tridimensional de puntos, cada uno de los cuales representa un entorno idéntico dentro del cristal.
4. Describa que es una celda unitaria USE IMÁGENES La unidad de repetición de un sólido. 5. Describa las propiedades relevantes de una celda unitaria Son paralelepípedos y se puede describir en términos de las longitudes de las aristas de la celda y los angulos entre dichas aristas. 6. Defina parámetro de red El parámetro de red hace referencia a la distancia constante entre las celdas unitarias en una estructura cristalina. Las estructuras o redes en tres dimensiones generalmente tienen tres parámetros de red, a, b y c . Sin embargo, en el caso especial de redes cúbicas, todos los parámetros son iguales, con lo cual nos referimos a ellos como a. Del mismo modo, en las
estructuras cristalinas hexagonales, los parámetros a y b son iguales, por lo que únicamente consideraremos a y c . La coincidencia de parámetros de red es importante para hacer crecer capas finas de unos materiales sobre otros; cuando estos parámetros son diferentes se forman irregularidades en la capa y se hace imposible hacer crecer nuevas capas sin defectos. Los parámetros de red pueden ser medidos mediante difracción por rayos X. 7. Determine la relación entre el radio atómico y el parámetro de red para la celda C y
esquematícelo. Debido a la geometría de la celda unitaria existe una relación matemática entre el radio de los átomos que la componen y el parámetro de red. Para los átomos que forman una estructura cubica, los átomos se tocan entre si a lo largo de la diagonal principal del cubo. 8. Determine la relación entre el radio atómico y el parámetro de red para la celda CC y
esquematícelo. 9. Determine la relación entre el radio atómico y el parámetro de red para la celda CCC y
esquematícelo. 10.Calcule el factor de empaquetamiento para la celda CCC 11.Calcule el factor de empaquetamiento para la celda CC 12.Calcule el factor de empaquetamiento para la celda C
13. ¿Qué estudia la cristalografía? La cristalografía es la ciencia que se dedica al estudio y resolución de estructuras cristalinas. La mayoría de los minerales adoptan formas cristalinas cuando se forman en condiciones favorables. La cristalografía es el estudio del crecimiento, la forma y la geometría de estos cristales. 14.¿Qué es la estructura cristalina? En geometría y cristalografía las redes de Bravais son una disposición infinita de puntos discretos cuya estructura es invariante bajo cierto grupo de traslaciones. En la mayoría de casos también se da una invariancia bajo rotaciones o simetría rotacional. Estas propiedades hacen que desde todos los nodos de una red de Bravais se tenga la misma perspectiva de la red. Se dice entonces que los puntos de una red de Bravais son equivalentes.
Empaquetamiento compacto: Esto es cuando los átomos de la celda están en contacto unos con otros. No siempre será así y en muchos casos mediará una distancia mínima entre las nubes electrónicas de los diferentes átomos. Parámetro de red: Es la longitud de los lados de la celda unitaria. Puede haber tan solo uno, dos o hasta tres parámetros de red distintos dependiendo del tipo de red de bravais que tratemos. En las estructuras más comunes se representa con la letra a y con la c en caso de haber dos. Nodos o átomos por celda: Tal y como dice el nombre es el número de nodos o átomos que posee cada celda. Una celda cuadrada, por ejemplo, poseerá un nodo por celda ya que cada esquina la comparte con cuatro celdas más. De hecho si una celda posee más de un nodo de red es que no es unitaria, en cambio si posee más de un átomo por celda pudiera ser que estuviésemos en una celda unitaria pero con una base atómica de más de un átomo. Número de coordinación: Es el número de puntos de la red más cercanos, los primeros vecinos, de un nodo de la red. Si se trata de una estructura con empaquetamiento compacto el número de coordinación será el número de átomos en contacto con otro. El máximo es 12. Factor de empaquetamiento: Fracción del espacio de la celda unitaria ocupada por los átomos, suponiendo que éstos son esferas sólidas.
15.¿Qué es un punto reticular Un átomo, molécula o ion. De una celda unitaria. 16. Investigue la estructura cristalina del NaCl, y en función de ella conteste ¿Cuantas celdas
unitarias comparten cada uno de los iones Na + que están en la cara frontal de la celda unitaria? ¿Cuantas celdas unitarias comparten cada uno de los iones Cl - de esa cara? 4 de Na y 5 de Cl por cada cara y
17. Los radios iónicos de Cs y Cl son de 0.169 y 0.181nm respectivamente ¿Que longitud tiene
la diagonal del cuerpo de la celda unitaria del CsCl? ¿Cuánto mide la arista de esta celda unitaria?
Diagonal = 4R/3^1/2 =
Arista = 2R (Cl) = 3.62x10^-10 m
18.Se forma una celda unitaria cúbica simple de modo que los átomos ó iones esféricos apenas se toquen a lo largo de las aristas. Demuestre matemáticamente que el porcentaje de espacio dentro de la celda es de 52.4%.
LEYES CRISTALOGRÁFICAS LEY DE LOS ÁNGULOS DIEDROS (Romé de l’Isle, 1772-1783) Los ángulos diedros que forman las caras equivalentes de diversos cristales de una sustancia son iguales y característicos de ella, sea cual sea la forma del cristal
LEY DE LA SIMETRÍA (Haüy, 1803): Todos los cristales de una misma sustancia poseen la misma simetría, sean cuales sean las caras que presenten
Ángulos interfaciales 1. Describa que es un ángulo interfacial. Los ángulos que forman los átomos en las moléculas. Los ángulos entre las caras equivalentes de los cristales del mismo mineral (substancia) medidos a la misma temperatura son constantes
2. Describa cual es el uso que se le da a los ángulos interfaciales en cristalografía.
3. Describa cuales son los ángulos interfaciales que caracteriza a cada uno de los sistemas cristalinos. Use imágenes 4.
5.
6.
7.
8.
9.
(1) CÚBICO (ISOMÉTRICO) - Los tres ejes cristalográficos son todos de igual longitud y cortan a los ángulos rectos (90 °) en dirección al observador. Sin embargo, si se renombra al eje a1, a2, y a3 ahora porque ellos son la misma longitud (a se vuelve a 1, b se vuelve a2, y c se vuelve a3). (2)TETRAGONAL - Tiene los tres ejes, todos en ángulo recto, dos de los cuales son iguales en la longitud (a y b) y uno (c) qué es diferente en la longitud (más corto o más largo). ¡nota: Si c fuera igual en la longitud a a o b, entonces se estaría en el sistema cúbico!. Se discutirá en la parte 4. 3) ORTORRÓMBICO - Tres ejes, todos en ángulo recto, y los tres de longitudes diferentes. ¡ nota: Si cualquier eje fuera de longitud igual a cualquier otro, entonces se estaría en el sistema del tetragonal!, se discutirá en la parte 5. (4) HEXAGONAL - ¡Cuatro ejes! se debe definir esta situación considerándola no derivada de la Figura 1. Tres de los ejes son horizontales y contenidos en el mismo plano es así como cortan a la cruz axial a 120° entre los extremos positivos. Estos 3 ejes, denominados a 1, a2, y a3, son la misma longitud. El cuarto eje, llamado c, puede ser más largo o más corto que los demás ejes. El eje c también pasa a través de la intersección de los ejes en ángulo recto en el plano formado. Mirar la figura 2 para ver estas relaciones más claramente. Se discutirá en la parte 6. (5) MONOCLÍNICO - Los tres ejes, todos desiguales en la longitud, dos de los cuales (a y c) se cortan en ángulo oblicuo (no de 90°), el tercer eje (b) es perpendicular a los otros dos ejes. ¡ nota: Si a y c se cruzan a 90 °, entonces se estaría en el sistema ortorrómbico!. Se discutirá en la parte 7. (6) TRICLÍNICO - Los tres ejes son todos desiguales en la longitud y se cortan a tres ángulos diferentes (cualquier ángulo pero diferentes de 90°). ¡La nota: Si cualquiera de los ejes cruzara a 90 grados, entonces se estaría describiendo un cristal del monoclínico! Será discutido en la parte 8.
Racionalidad de los índices 1. Describa ampliamente a que se refiere la racionalidad de los índices
LEY DE LA RACIONALIDAD DE LOS ÍNDICES ( Haüy, 1781): Las aristas intersección de tres caras de un cristal permiten definir un sistema de ejes de coordenadas. La distancia a la que una cuarta cara corta a cada eje se le considera la unidad de medida sobre este eje. Todas las restantes caras del cristal cortan a dichos ejes a unas distancias cuya razón con las longitudes definidas como unidades son números racionales y en general sencillos
2.- Describa el uso que se le da a la racionalidad de los índices en cristalografía 3.- Indique que relación tiene la racionalidad de los índices con los índices de Miller Para poder identificar unívocamente un sistema de planos cristalográficos se les asigna un juego de tres números que reciben el nombre de índices de Miller . Los índices de un sistema de planos se indican genéricamente con las letras (h k l) Los índices de Miller son números enteros, que pueden ser negativos o positivos, y son primos entre sí. El signo negativo de un índice de Miller debe ser colocado sobre dicho número.
Simetría 1.- use imágenes para explicar los siguientes conceptos a).- simetría b).- ejes de simetría es una línea imaginaria que pasa a través del cristal, alrededor de la cual, al realizar éste un giro completo, repite dos o más veces el mismo aspecto. Los ejes pueden ser: monarios, si giran el motivo una vez (360º); binarios, si lo giran dos veces (180º); ternarios, si lo giran tres veces (120º); cuaternarios, si lo giran cuatro veces (90º); o senarios, si giran el motivo seis veces (60º). c).- centros de simetría es un punto dentro de la celda que, al unirlo con cualquiera de la superficie, repite al otro lado del centro y a la misma distancia un punto similar.
d).- Para el sistema cúbico en sus tres redes de braváis , y hexagonal busque cuantos ejes de simetría tienen
Sistema cúbico (a=b=c
=ß= =90º)
Posee como característica fundamental cuatro ejes de rotación ternarios inclinados a 109,47º
Sistema hexagonal (a=b#c
=ß=90º =120º)
Su característica fundamental es la presencia de un eje de rotación senario o un eje de inversión senario (eje ternario + plano de simetría perpendicular)
Para mayor precisión, generalmente se introduce un cuarto eje i, coplanario con a y b, que forma un ángulo de 120º con cada uno de ellos, así la cruz axial será (a=b=i#c =ß=90º, =120º)
*Índices de Miller hexagonales: Como se trabaja con un cuarto índice, que se sitúa en el plano a1 a2 y a 120º de cada uno de estos ejes, los planos hexagonales se van a representar por cuatro índices (hkil). El valor de i se determina como h+k.
Sistema Cúbico 1.-Cuantos átomos equivalentes hay en cada una de las tres celdas unitarias cúbicas:
(a) 1
(b)
2
(c) 4
2.-Las anteriores estructuras cristalinas a que redes de Bravais corresponden Cubicas 3.- El oro (radio atómico= 144 pm) cristaliza en una celda unitaria centrada en las caras ¿Cuánto mide una arista de la celda. 288 pm 4.- Dibuje la celda unitaria del CsCl y en función de ella indique ¿Cuántos iones de Cs hay en cada celda unitaria ¿Cuántos iones de Cl?
5.- El cobre es cúbico centrado en las caras tiene una constante de red de 0.3615nm. Calcule el valor de radio atómico de un átomo de cobre en nm. 0.128 nm 6.- Calcule la densidad volumétrica del Cu si pertenece al sistema cúbico centrado en las caras, el radio es igual a 1.278Å El Cu posee una estructura FCC y un radio atómico de 0.1278 nm y considerando que los átomos son esferas sólidas que contactan a lo largo de las diagonales de la celdilla unidad FCC. ¿Cuál es el valor teórico de la densidad del Cu ? Masa atómica del Cu=63.54 g/mol
1/8 * 8= 1 átomo ½ * 6= 3 átomo a 4 átomos en la celda FCC
Parámetro de Red:
Volumen de la celda:
V=a3 = (0.361nm)3 =0.047nm3x(1X10-9m)3 = 4.7 x 10-29 m3 Masa de los átomos de Cu en la celda:
Densidad Volumétrica:
El valor tabulado experimentalmente es de 8.96 , la diferencia se debe a que los átomos no son esferas perfectas, a la ausencia de átomos en las posiciones atómicas, a defectos en la red, etc.
7.- Determine el parámetro de red del Fe si tiene una densidad de 7.882g/ml, pertenece a un sistema cúbico centrado en el cuerpo.
Índices de Miller 1.- Dibuje e indique las coordenadas atómicas en una celda unitaria cúbica
2.- Describa a que se le llama índices de Miller Para poder identificar unívocamente un sistema de planos cristalográficos se les asigna un juego de tres números que reciben el nombre de índices de Miller . Los índices de un sistema de planos se indican genéricamente con las letras (h k l) Los índices de Miller son números enteros, que pueden ser negativos o positivos, y son primos entre sí. El signo negativo de un índice de Miller debe ser colocado sobre dicho número. 3.- Escriba el procedimiento para determinar los índices de Miller para cada red del sistema cúbico El siguiente procedimiento que permite asignar índices de Miller está simplificado y sólo sirve para el sistema cúbico (con celda unitaria de dimensiones a x a x a ).
Para ilustrar el procedimiento, consideremos la siguiente superficie /plano:
Paso 1: identificar las intersecciones con los ejes x, y,z. En este caso la intersección con el eje x tiene lugar en x=a y la superficie es paralela a l os ejes y, z (consideramos que los corta en ∞). Los cortes son a, ∞, ∞. Paso 2: especificar los cortes en coordenadas fraccionarias. Las coordenadas se convierten en fraccionarias dividiéndolas por la dimensión de l a celda unidad. Por ejemplo un punto (x,y,z) en una celda unidad de dimensiones a x b x c, tiene las coordenadas fraccionarias (x/a, y/b, z/c). En nuestro caso ( celda cúbica), las coordenadas fraccionarias serán: a/a, ∞/a, ∞/a, es decir 1,∞, ∞. Paso 3: obtener los reciprocos de las coordenadas fraccionarias Este paso final genera los índices de Miller que, por convención, han de especificarse sin estar separados por comas. Los índices se encierran entre paréntesis () cuando se especifica una única superficie como en este ejemplo. Los recíprocos de 1 y ∞, son 1 y 0, respectivamente, lo que nos conduce a (100). Por tanto el plano del dibujo es el (100) del cristal cúbico. 4.- Dibuje los planos cristalinos de una celda unitaria cúbica centrada en las caras 5.- Dibuje los siguientes planos: a).- (220) Las superficies (210)
cortes: a/2, a,∞; cortes fraccionarios: 1/2, 1,∞ ; índices de Miller: (210)
b).- (111)
La superficie (111)
cortes: a,a,a ; cortes fraccionarios: 1,1,1 ; índices de Miller: (1,1,1)
c).- (110) La superficie (110)
cortes: a,a,∞ ; cortes fraccionarios: 1,1,∞ ; índices de Miller: (1,1,0)
Resuelve los siguientes problemas: 1.- En un estudio sobre los cristales de sulfato de cobre, la incidencia del ángulo fue de 25.36º, cuando la longitud de onda de los rayos X empleados era de 1.85 Å. Determinar las dimensiones de la celda unitaria de los cristales de cobre, los cuales pertenecen al sistema cúbico. 2.- El platino tiene una densidad de 21.5 g/cm3, y se sabe que sus cristales pertenecen a un sistema cúbico. La longitud de la arista de su celda unitaria es de 3.914 Å ¿Qué tipo de red tienen los cristales de platino? 3.- Calcule el factor de empaquetamiento iónico para el Fe, en el cloruro de hierro, que pertenece a un sistema cúbico centrado en las caras. Los radios atómicos son: Fe = 0.124nm y Cl - = 0.181nm 4.- El Cu pertenece a una estructura cristalina cúbica centrada en las caras, tiene una constante de red de 0.361nm, calcule el valor del radio atómico. Ejercicios sobre Estado sólido y Ecuación de Bragg. 1.- Cuando la plata cristaliza forma celdas cúbicas centradas en las caras. La longitud de la arista de la celda unitaria es de 409 pm. Calcule la densidad de la plata. 2.- Calcule la densidad del Cu, que tiene 2 átomos equivalentes, el radio del Cu = 0.1278 pm, además escriba a qué tipo de red cristalina pertenece. La masa atómica del cobre es igual a 63.54g/mol 3.- El Cu pertenece a una estructura cristalina cúbica centrada en las caras, tiene una constante de red de 0.361nm, calcule el valor del radio atómico.
4.-Determine la densidad del Radio con sistema cristalino cúbico centrado en las caras, cuyo parámetro de red es 0.153 nm (m.a. Ti = 46.88 g /mol ) 5.- El platino tiene una densidad de 21.5 g/cm 3, y se sabe que sus cristales pertenecen al sistema cúbico. La longitud de la arista de su celda unitaria es de 3.914 Å ¿Qué tipo de red tienen los cristales de platino? 6.- El Níquel tiene una estructura cristalina cúbica centrada en las caras y tiene una constante de red de 0.3523nm, calcule la distancia interplanar siguiente: a).- d111 7.- Calcule el factor de empaquetamiento iónico para el Cesio, en el cloruro de cesio, que pertenece a un sistema cúbico centrado en el cuerpo. Los radios son: Cs + = 0.170 nm y Cl - = 0.181 nm 8- Para el sistema cúbico en sus tres redes de bravais. Deducir los cálculos siguientes: a).- átomos equivalentes b).- volumen de la celda unitaria 9.- Dibujar los siguientes planos: (110), (221) y en función de cada uno determine las distancias interplanares si a= 0.361nm y a = 0.421nm respectivamente. 10.- En un estudio sobre los cristales de sulfato de cobre, se encontró que la reflexión máxima de primer orden sobre los planos 111, ocurrió en un ángulo de 25.36 0, cuando la longitud de onda de los rayos X empleados era de 1.85 Å. Determinar las dimensiones de la celda unitaria de los cristales de cobre, los cuales pertenecen al sistema cúbico. 11.-Al difractar rayos X con λ de 2.65 Å sobre cristales de platino, indicó que la reflexión de primer orden (n = 1) se presenta a 820 0΄. Calcúlese la distancia entre las capas sucesivas del cristal de platino. 12.- Los rayos X de longitud de onda igual a 4.08 Å dan una reflexión de primer orden con un ángulo de 5.36 0 , para un cristal de diamante. ¿Cuál es la distancia entre las capas del cristal? 13.-Un cristal difracta los rayos X de longitud igual a 0.154 nm con un ángulo de 14.17 0. Suponiendo que n = 1, ¿cuál es la distancia (en pm) entre las capas del cristal? 14.- Determine los índices de Miller y dibuje el plano correspondiente, si se tienen las siguientes intersecciones a=1/3, b= - 2/3, c=1/2 con los ejes cristalográficos. 15.-Calcule las distancias interplanares para sistema cúbico centrado en el cuerpo del plano (100), del plano (110) y del plano (111).
Relaciona ambas columnas ( 8 ) El sistema cúbico se caracteriza 1.- Cúbica centrada en las caras por ( 3 ) Predijo que si un haz de rayo X 2.- Cúbica simple no homogéneo se dirigiera contra un cristal y se colocara una placa fotográfica detrás de él, la imagen obtenida mostraría una serie de manchas dispuestas en forma geométrica alrededor del haz central. ( ) Como cada red del sistema 3.- Max Von Laue sugirió que cúbico presenta un conjunto de planos particulares, El valor de la relación entre las distancias interplanares es ( 9 ) Nombre general de las formas en 4.- Max Von Laue y Bragg que se encuentran colocados los átomos o iones dentro de la celda unitaria correspondiente, formando así por su colocación la forma geométrica del sistema
( 4 ) Fueron los primeros en utilizar a 5.Hexagonal (P), Monoclínica los cristales como una rejilla de simple y triclínico simple reflexión ( 1 ) Contiene 4 átomos equivalentes 6.La cúbica simple, la de caras en la celda unitaria centradas y la de cuerpo centrado. ( 3 ) si un cristal está formado realmente por una disposición ordenada de átomos, entonces los planos atómicos en el cristal actuarían como una rejilla de difracción tridimensional para los rayos X
7.-
La longitud de onda con que se
incide
el
rayo
es
directamente
proporcional a la distancia entre los planos por el seno del ángulo del rayo incidente
( 2 ) Contiene un átomo equivalente 8.- Ejes del mismo tamaño (a = b = c) en la celda unitaria y sus ángulos iguales y perpendiculares entre si (α = β = γ = 90º). ( 6 ) redes de Bravais del sistema 9.- Redes de Bravais cúbico ( 7 ) Descripción de la ecuación de 10.- también un valor característico Bragg para cada red espacial
n λ
2 d tan θ
=
16.- Complete el siguiente cuadro: Estructura
a (r)
Número de Átomos coordinació por celda n
Factor de Ejemplos empaquetamiento
Cúbica simple Cúbica centrada en el cuerpo Cúbica centrada en las caras Hexagonal compacta
17.-Para los siguientes planos, ¿Cuales son sus índices de Miller?
18.- La teoría de bandas como esclarece la conductividad de un material conductor y como la de un aislante.
OXIDACIÓN REDUCCIÓN 1.- Escribe las reglas para asignar los NUMEROS DE OXIDACIÓN de los elementos 2.-En las siguientes reacciones, identifica el agente oxidante y el agente reductor, así como los cambios de número de oxidación. a) 2 Mg + O2 → 2 MgO b) 2 HNO3 + 3 H3AsO3 → 2 NO + 3 HAsO4 + H2O 3.- balancee las siguientes reacciones por el método del número de oxidación, además determine para cada una, la sustancia oxidada, la reducida, el agente oxidante y el reductor. a).- Fe + HCl FeCl2 + H2 b).- Al + MnO2
Al203 + Mn
ELECTROQUIMICA
Subraya la respuesta correcta de las siguientes preguntas 1.- El anodizado se define como el proceso: a).- Por el cual una corriente guiada por potencial eléctrico externo, produce un cambio químico. c).- Que sirve para engrosar y estabilizar las películas superficiales de oxido sobre el metal base.
2.-Relaciona ambas columnas 1.- Oxido - reducción 2.- Iónico 3.- Basicidad ( 5 ) Es una rama de la química que 4.- Celda electrolítica. estudia la relación que existe entre la electricidad y las reacciones químicas. ( 1 ) Tipo de reacciones que se llevan 5.- Electroquímica a cabo por el intercambio de electrones y que se estudian en la electroquímica. ( 6
)
La celda que es capaz de 6.- Celda voltaica
convertir la energía química de una reacción química espontánea en corriente eléctrica ( ) Son procesos no espontáneos 7.- La galvanoplastia o recubrimiento que requieren de la adición de de un metal con otro metal, la energía para llevarse a cabo obtención y la refinación de un metal o la recarga de un acumulador ( ) Son dispositivos electroquímicos que generan electricidad, y pueden realizar un trabajo eléctrico útil ( ) La celda que requiere la energía eléctrica para realizar una reacción química en sentido contrario al espontáneo, se le da el nombre de (8 ) Las relaciones cuantitativas entre la electricidad y los cambios químicos fueron descritas por ( 6 ) Dispositivo que tiene la función de mantener la neutralidad eléctrica y cerrar el circuito en las celdas
8.- Michael Faraday 9.- Celda galvánica
10.- Celda de Daniell 11.- Pilas secas
( 10 ) Utiliza la reacción espontánea 12.- El puente salino o la membrana entre el Zinc metálico y los iones de semipermeable cobre (II) (
13 ) El pH es una medida de:
13.- Acidez en una sustancia
LEYES DE FARADAY 1.- Realice el diagrama de una celda electrolítica incluyendo las siguientes partes que la forman. a).-ánodo y sus reacciones b).- cátodo y sus reacciones c). Ionización del electrolito 2. De la descripción de las siguientes pilas o celdas galvánicas: a).- Pila de combustión b).- Celda Solar c).- Acumuladores
3.-Realice un esquema de una celda galvánica e indique lo que se solicita a) Soluciones electrolíticas que se usaron b) Electrodos que se usaron c) reacciones que se llevaron a cabo
d) Como se observa físicamente la oxidación e) Como se observa físicamente la reducción
Resuelve los siguientes problemas. Especifica las unidades en el desarrollo de los problemas. 1.- ¿Cuántos segundos se requieren para depositar 21.4 g de Ag de una solución de AgNO 3 utilizando una corriente de 10 amperes? Realiza el diagrama de la celda e indica las reacciones que se llevan a cabo. 2.- ¿Cuántos gramos de Cu de una solución de CuSO 4, se depositarán si se suministra una corriente de 2 amperes durante 1.5 hrs.? 3.- ¿Qué cantidad de corriente se requiere para depositar 0.4 g de Ni, con una solución de NiSO4 en 15 min? 4.- Dos pilas electrolíticas se colocaron en serie, una contenía una disolución de AgNO 3 y la otra una disolución de CuSO 4. Se pasó una corriente eléctrica por las pilas hasta que se depositaron 1,273 g de Ag. Calcule la cantidad de Cu depositado al mismo tiempo en la otra pila. Hacer el diagrama. 5.- Calcule la FEM estándar de una celda que utiliza las reacciones de semicelda Mg|Mg 2+ y Cu|Cu2+ a 25ºC. Escriba la ecuación de la reacción de la celda en condiciones estándar y realiza el diagrama de la celda que se forma 4.- Calcular la constante de equilibrio de la siguiente reacción a 25ºC. Fe 2+ (ac) + 2 Agº (s) → Fe º (s) + 2 Ag+ (ac) 5. Prediga si la siguiente reacción procede espontáneamente a 298 K tal como está
escrita. Co (s) + Fe2+ (ac) Co 2+ (ac) + Fe (s) Si Co 2+ = 0.15 M y Fe 2+ = 0.68 M
ECUACIÓN DE NERST 1.- Una celda galvánica se compone de un electrodo de Mg en una disolución 1.0 M de Mg(NO3)2 y un electrodo de Ag en una disolución 1.0 M de AgNO 3. Calcule la FEM estándar de esta celda electroquímica a 25 ºC. Ag+ (1 M) + 1 e- → Ag (s) Eº = 0.80 V Mg++ (1 M) + 2 e- →
Mg (s)
Eº = - 2.37 V
4.- Consulta la serie electromotriz e indica para cada uno de los siguientes pares cual es mejor agente oxidante en condiciones estándar a) Br 2 u Au3+ b) H2
Ag+
ó
c) Cd2+ ó
Cr 3+
5.- Consulta la serie electromotriz e indica para cada uno de los siguientes pares cual es mejor agente reductor en condiciones estándar a) Na ó Li b) H2
ó
I2
ACIDOS Y BASES
