clase_02

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QUÍMICA 3 – 116056M
Grupo 1
2019-2
José Guillermo López
Clase 02 – 24 de octubre 2019
Departamento de Química
Facultad de Ciencias Naturales y Exactas
Universidad del Valle
Información General
José G. López
❑ Oficina: 320 – 2095
❑ Correo electrónico: jlopez.univalle@gmail.com
❑ Sesión de taller: martes 11:10am-12:00pm.
❑ Talleres y material de consulta:
▪ Campus Virtual
http://campusvirtual.univalle.edu.co/
❑ Evaluación:
▪ Opción 1: 2 exámenes parciales y 2 exámenes opcionales.
▪ Opción 2: 3 exámenes parciales (30%, 35%, 35%) y 1 examen opcional (todo 
el contenido del curso). La nota del opcional reemplaza la nota más baja de los 
tres exámenes en caso de ser superior.
❑ Metodología:
▪ Clase magistral
▪ Sesión de taller
▪ Evaluación con exámenes parciales
❑ Salón de clases como recinto de aprendizaje
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Objetivos del Curso
José G. López
General:
Adquirir la preparación básica en estructura atómica y molecular 
(enlace químico) requeridos en los cursos posteriores de química 
orgánica, química inorgánica y química cuántica
Específicos:
1. Adquirir las herramientas conceptuales y cuantitativas básicas de la 
mecánica cuántica aplicada a la estructura de átomos y moléculas.
2. Emplear cuantitativamente los conceptos de orbital y configuración 
electrónica para interpretar las estructuras y los espectros 
electrónicos de los átomos y las moléculas y el comportamiento 
periódico de los elementos.
3. Promover la discusión crítica e informada de los alcances y 
limitaciones de las teorías estructurales de las sustancias utilizadas 
en la química moderna.
Contenido
0. Introducción: La Teoría Estructural Clásica
1. Comportamiento Cuántico
2. El Átomo de Hidrógeno: Orbitales Atómicos
3. Átomos Polielectrónicos y Propiedades Periódicas
4. Moléculas y Enlace Químico
José G. López
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Bibliografía Básica
❑ Cruz-Garritz D., J. A. Chamizo y A. Garritz; Estructura Atómica –
Un Enfoque Químico; Fondo Educativo Interamericano, 
México, 1986.
José G. López
❑ Gil, V.; Orbitals in Chemistry –A Modern Guide for Students; 
Cambridge University Press, Cambridge, 2000.
❑ DeKock, R. L. and H. B. Gray; Chemical Bonding and Structure; 
University Science Books, Sausalito, 1989.
❑ Arce J. C.; Notas de química cuántica; 2018. 
Fragmentos de los capítulos.
Contenido
0. Introducción: La Teoría Estructural Clásica
1. Comportamiento Cuántico
2. El Átomo de Hidrógeno: Orbitales Atómicos
3. Átomos Polielectrónicos y Propiedades Periódicas
4. Moléculas y Enlace Químico
José G. López
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Objetivos del Capítulo 0
0. Introducción: La Teoría Estructural Clásica
a. Repasar los desarrollos teóricos y experimentales sobre la estructura 
de los átomos y las moléculas previos a la mecánica cuántica.
b. Reconocer las limitaciones de las teorías estructurales clásicas del 
átomo y del enlace químico.
c. Motivar la necesidad de un nuevo enfoque para el estudio de la 
estructura de las sustancias.
1. Comportamiento Cuántico
2. El Átomo de Hidrógeno: Orbitales Atómicos
3. Átomos Polielectrónicos y Propiedades Periódicas
4. Moléculas y Enlace Químico
José G. López
Química
1Chemistry. Encyclopædia Britannica, Encyclopædia Britannica 2009 Student and Home Edition.
José G. López
Ciencia que estudia las propiedades, composición y estructura
de las sustancias, las transformaciones que sufren y la energía 
que se libera o absorbe durante estos procesos.1
¿Cómo identificar y diferenciar una sustancia? Propiedades y Composición
❑ Una sustancia tiene composición fija.
❑ Una sustancia se clasifica como compuesto o elemento.
❑ Leyes empíricas de los compuestos químicos:
▪ Conservación de la masa (Antoine Lavoisier 1773)
▪ Ley de proporciones definidas (Joseph Proust 1794)
▪ Ley de proporciones múltiples (John Dalton 1804)
¿De que están hechas las sustancias? Estructura
Sustancia ≡ sustancia pura: porción de materia sujeta al estudio de la química
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Hipótesis Atómica de Dalton (1808)
❑ Cada elemento se compone de partículas extremadamente pequeñas 
llamadas átomos
▪ Los átomos son pequeñas esferas sólidas indestructibles e idénticas para un 
elemento específico. (ley conservación de la masa)
❑ Los átomos pueden combinarse para formar estructuras más complejas 
(compuestos químicos).
▪ Un compuesto químico tendrá el mismo número relativo de la misma clase de 
átomo. (leyes proporciones definidas y múltiples)
▪ Regla de la mayor simplicidad.
❑ Los pesos atómicos de los elementos pueden calcularse de acuerdo al 
cociente de las masas en las que se combinan (peso atómico relativo).
▪ El átomo de hidrógeno se toma como referencia con un valor de una unidad 
de masa.
José G. López
Determinación de Pesos Atómicos
José G. López
❑ Amedeo Avogadro:
▪ Hipótesis de Avogadro (1811): iguales de gases, a la misma temperatura y 
presión, contienen el mismo número de moléculas.
▪ Posibilidad de determinar la masa molecular relativa de un gas a partir de la 
masa del gas con volumen conocido.
❑ John Dalton:
▪ Tabla de pesos atómicos publicada en su libro A New System of Chemical 
Philosophy (1808).
▪ Resultados equivocados para algunos elementos, particularmente el oxígeno.
❑ Stanislao Canizzaro:
▪ Uso de la hipótesis de Avogadro para la determinación de pesos atómicos.
▪ Presentación de los nuevos pesos atómicos en el congreso de Karlsruhe (1860).
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La Tabla Periódica de los Elementos
José G. López
❑ Dimitri Medeleev y Julius Lothar Meyer:
▪ Ley periódica: Si los elementos se organizan de acuerdo a sus pesos 
atómicos, caen en grupos de propiedades químicas y físicas similares que se 
repiten en intervalos periódicos.
▪ Los elementos son listados en filas y columnas de acuerdo a su peso atómico, 
comenzando una nueva fila o columna cuando las propiedades de los 
elementos son similares.
Peso atómico
V
o
lu
m
e
n
 a
tó
m
ic
o
 =
 p
e
s
o
 
a
tó
m
ic
o
/d
e
n
s
id
a
d
 
Teoría Estructural Clásica
José G. López
❑ ¿Cómo se unen los átomos para formar moléculas?
❑ Valencia química (Frankland 1852): 
Poder de combinación de un átomo con otros átomos, o grupos de 
átomos, para formar compuestos.
❑ Tetravalencia del carbono y la química orgánica estructural 
(Kekulé 1857, Couper 1858, Butlerov 1861): 
▪ “La suma de las unidades químicas de los elementos que se combinan con 
un átomo de carbono es 4”.
▪ “Una molécula compleja queda determinada por la naturaleza, cantidad y 
estructura química de las partículas elementales que la componen”
▪ Estructura química: “Naturaleza y manera en la que se presentan enlaces 
mutuos entre los átomos de una molécula”
▪ A partir del comportamiento químico de una sustancia es posible identificar 
la forma en que se agrupan los átomos en la molécula correspondiente.
https://en.wikipedia.org/wiki/August_Kekulé
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Teoría Estructural Clásica
José G. López
https://mobile.nytimes.com/2017/06/14/science/louis-pasteur-chirality-chemistry.html
D-ácido tartárico L-ácido tartárico
Dextro HO2CCH(OH)CH(OH)CO2H
Levo HO2CCH(OH)CH(OH)CO2H
Ácido tartárico
❑ ¿Cómo se unen los átomos para formar moléculas?
❑ Isomería óptica y estereoquímica: Estructura espacial de una molécula
▪ Louis Pasteur (1848): Comportamiento de algunas sustancias cuando son 
atravesadas por luz polarizada.
▪ Jacobus Van´t Hoff y Joseph Le Bel (1874): Arreglo espacial relativo de los 
átomos en una molécula.
Teoría Estructural Clásica
José G. López
Fórmula estructural: Fórmula química que provee información de la 
conectividad de los átomos en la molécula
agua
H2O2
H
|
H – C – H
|
H
benceno
C6H6
peróxido de hidrógeno
H – O – H
H – O – O – H
H2O
metano
CH4
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Teoría Estructural Clásica
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❑ ¿Existen los átomos y las moléculas?
La teoría estructural clásica asume que existen pero no puede probarlo
❑ ¿Es la ley periódica general para todoslos elementos?
La ley periódica, tal como era enunciada en el siglo 19, presentaba algunas 
excepciones, pero la teoría estructural clásica no podía explicarlas
❑ ¿Cuál es la causa del comportamiento periódico de los elementos?
La teoría estructural clásica no puede responder este interrogante
❑ ¿Qué origina la valencia de los átomos?
La teoría estructural clásica no puede responder este interrogante
❑ ¿Tienen las moléculas en realidad geometrías específicas?
La teoría estructural clásica asume que las moléculas tienen geometrías 
específicas pero no explica por qué.
¿Existen los Átomos y las Moléculas?
José G. López
❑ El movimiento browniano: 
movimiento aleatorio de partículas microscópicas suspendidas en un 
fluido (líquido o gas)
▪ En 1905 el físico Albert Einstein explicó el 
movimiento browniano como el resultado de 
colisiones aleatorias de las partículas 
suspendidas con los átomos o moléculas del fluido.
▪ En 1908 el físico Jean Perrin verificó las predicciones de Einstein y fue galardonado 
con el premio Nobel de física en 1926 por sus contribuciones a la estructura 
discontinua de la materia. 
https://www.youtube.com/watch?v=R5t-oA796to
https://en.wikipedia.org/wiki/Brownian_motion
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¿Existen los Átomos y las Moléculas?
José G. López
❑ ¿Qué tan pequeños son los átomos y las moléculas?
¿Existen los Átomos y las Moléculas?
José G. López
❑ ¿Qué tan pequeños son los átomos y las moléculas?
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¿Podemos Ver los Átomos y las Moléculas?
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Ojo humano
Microscopio 
óptico
Microscopio 
electrónico
1m 1dm 1cm 1mm 100μm 10μm 1μm 100nm 10nm 1nm 0.1nm
1m 10–1m 10–2m 10–3m 10–4m 10–5m 10–6m 10–7m 10–8m 10–9m 10–10m
Niño 5 años
~1m
Ancho mano
~8cm
Abeja
~15mm
Cabello
40–120μm
Glóbulo rojo
6.2–8.2μm
E. coli
0.5×2μm
Virus gripe
80–120nm
Surcos ADN
~3nm
Grafeno rC–C
~0.15nm 
Microscopia de Barrido por Efecto Túnel
José G. López
http://nano.anl.gov/facilities/proximal_probes.html
http://www.rsc.org/Education/EiC/issues/2008Mar/ExperimentalNanoscienceUndergraduates.asp
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¿Podemos Ver los Átomos y las Moléculas?
José G. López
José G. López
Microscopia de Barrido por Efecto Túnel
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http://www.ncnr.nist.gov/staff/taner/nanotube/types.html
http://phycomp.technion.ac.il/~talimu/structure.html
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Teoría Estructural Clásica
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❑ ¿Existen los átomos y las moléculas?
La teoría estructural clásica asume que existen pero no puede probarlo
❑ ¿Es la ley periódica general para todos los elementos?
La ley periódica, tal como era enunciada en el siglo 19, presentaba algunas 
excepciones, pero la teoría estructural clásica no podía explicarlas
❑ ¿Cuál es la causa del comportamiento periódico de los elementos?
La teoría estructural clásica no puede responder este interrogante
❑ ¿Qué origina la valencia de los átomos?
La teoría estructural clásica no puede responder este interrogante
❑ ¿Tienen las moléculas en realidad geometrías específicas?
La teoría estructural clásica asume que las moléculas tienen geometrías 
específicas pero no explica por qué.
¿Es la Ley Periódica General?
José G. López
❑ La ley periódica clásica de los elementos químicos:
▪ Si los elementos se organizan de acuerdo a sus pesos atómicos en orden 
creciente, caen en grupos de propiedades químicas y físicas similares que se 
repiten en intervalos periódicos
▪ La conexión entre los pesos atómicos y la ocurrencia periódica de las 
propiedades de los elementos condujo a la tabla periódica de Mendeleev.
❑ Limitaciones de la tabla periódica de los elementos del siglo 19:
▪ No se puede asignar una posición específica al hidrógeno en la tabla periódica.
▪ Si los pares (yodo, telurio) y (níquel, cobalto) se organizan de acuerdo a sus 
pesos atómicos (el yodo y el níquel de primeros en cada par por tener menor 
peso atómico), los pares de elementos quedarían en posiciones incorrectas en 
términos de su comportamiento químico.
▪ No predice la existencia de los gases nobles.
▪ Es difícil ubicar los lantánidos y actínidos en una tabla periódica basada en 
pesos atómicos.
❑ Una ley periódica general del comportamiento de los elementos químicos 
requiere conocer la estructura de los átomos.
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Estructura de los Átomos
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❑ El átomo nuclear, 1908:
Evidencia de un núcleo con carga positiva 
en el átomo como resultado de los 
experimentos de dispersión de partículas 
alfa (núcleos de helio) de E. Rutherford.
❑ Descubrimiento del electrón, 1897: 
Los experimentos de J. J. Thomson con tubos de rayos 
catódicos revelan una partícula con carga negativa más 
liviana que el hidrógeno.
❑ Descubrimiento del protón, 1917:
Producción de núcleos de hidrógeno
con carga positiva y evidencia de su 
presencia en átomos más pesados por parte de E. Rutherford.
❑ Descubrimiento del neutrón, 1932:
J. Chadwick revela la existencia del neutrón al estudiar un nuevo tipo de 
radiación que no era afectada por un campo eléctrico.
¿Es la Ley Periódica General?
José G. López
❑ Los átomos tienen estructura interna:
▪ Núcleo con tamaño del orden de femtómetros y con la 
mayor parte de la masa del átomo.
▪ Protones con carga eléctrica positiva y masa de 1.0073 uma
▪ Neutrones sin carga eléctrica y masa de 1.0087 uma
▪ Electrones alrededor del núcleo con carga eléctrica 
negativa y masa de 5.486 × 10–4 uma.
❑ Isótopos:
▪ Átomos con el mismo número de protones y electrones pero diferente número de 
neutrones.
▪ Un elemento estable suele estar compuesto por isótopos del mismo tipo de átomo
C Símbolo del elemento
Número de masa A = 
No. Protones + No. neutrones 
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Número atómico Z = No. Protones 
http://en.wikipedia.org/wiki/Atom
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¿Es la Ley Periódica General?
José G. López
❑ Ley periódica moderna de los elementos químicos:
▪ Cuando los elementos se organizan de acuerdo a sus números atómicos en 
orden creciente, caen en grupos de propiedades químicas y físicas similares 
que se repiten en intervalos periódicos.
▪ Ley descubierta por Henry Moseley en 1914 en sus investigaciones de los 
elementos con rayos X.
▪ Cada átomo de un elemento sucesivo tiene una carga nuclear exactamente una 
unidad más grande que la de su predecesor.
▪ El nuevo orden de los elementos, de acuerdo a sus números atómicos, resolvió 
las limitaciones de la tabla periódica basada en la ley periódica anterior y predijo 
la existencia de dos nuevos elementos (Hafnio y Renio).
❑ Peso atómico de los elementos:
▪ Propiedad de un elemento que depende del número atómico del elemento.
▪ Promedio ponderado de los pesos atómicos de los isótopos estables que 
componen un elemento.
Tabla Periódica Moderna
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https://sciencenotes.org/printable-periodic-table/
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2019 –Año Internacional de la Tabla Periódica
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Teoría Estructural Clásica
José G. López
❑ ¿Existen los átomos y las moléculas?
▪ La teoría estructural clásica asume que existen pero no puede probarlo.
▪ El movimiento Browniano es una prueba indirecta de la existencia de los 
átomos.
❑ ¿Es la ley periódica general para todos los elementos?
▪ La ley periódica, tal como era enunciada en el siglo 19, presentaba algunas 
excepciones, pero la teoría estructural clásica no podía explicarlas.
▪ La ley periódica clásica permite predecir la existencia de algunos 
elementos pero no es capaz de confirmar o descartar la existencia de más 
elementos.
❑ ¿Cuál es la causa del comportamiento periódico de los elementos?
▪ La teoría estructural clásica no puede responder este interrogante
❑ ¿Qué origina la valencia de los átomos?
▪ La teoría estructural clásica no puede responder este interrogante
❑ ¿Tienen las moléculas en realidad geometrías específicas?
▪ La teoría estructural clásica asume que las moléculas tienen geometrías 
específicas pero no explica por qué.
Mecánica Cuántica
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Contenido0. Introducción: La Teoría Estructural Clásica
1. Comportamiento Cuántico
2. El Átomo de Hidrógeno: Orbitales Atómicos
3. Átomos Polielectrónicos y Propiedades Periódicas
4. Moléculas y Enlace Químico
José G. López
Objetivos del Capítulo 2
0. Introducción: La Teoría Estructural Clásica
1. Comportamiento Cuántico
a. Justificar la necesidad de la mecánica cuántica para el estudio de la 
estructura de la materia.
b. Familiarizarse con los conceptos y terminología básicos de la 
mecánica cuántica.
c. Definir qué es función de onda, cómo calcularla y cómo obtener 
información física relevante de ella.
2. El Átomo de Hidrógeno: Orbitales Atómicos
3. Átomos Polielectrónicos y Propiedades Periódicas
4. Moléculas y Enlace Químico
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Necesidad de la Mecánica Cuántica
José G. López
❑ Las sustancias están compuestas por átomos y moléculas
▪ Movimiento browniano: movimiento aleatorio de partículas 
microscópicas suspendidas en un fluido (líquido o gas)
❑ El comportamiento de los átomos y moléculas es diferente al 
de los objetos macroscópicos
Necesidad de la Mecánica Cuántica
José G. López
❑ Capacidad calorífica de los elementos sólidos
▪ Ley de Dulong y Petit (1819): La capacidad calorífica de un 
elemento sólido es constante con un valor aproximado de 3R
https://en.wikipedia.org/wiki/Dulong-Petit_law
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Necesidad de la Mecánica Cuántica
José G. López
H. D. Young and R. Freedman, Sears and Zemansky´s University Physics, 13 edition, Addison –Wesley, San Francisco, 2012
❑ Capacidad calorífica de los elementos sólidos
▪ Ley de Dulong y Petit (1819): La capacidad calorífica de un 
elemento sólido es constante con un valor aproximado de 3R
Necesidad de la Mecánica Cuántica
José G. López
❑ Espectros de líneas de gases atómicos
D. W. Oxtobi; H. P. Gillis; and A. Campion, Principles of Modern Chemistry, 6th editionD. W. Oxtobi; H. P. Gillis; and A. Campion, Principles of Modern Chemistry, 6th edition
Hidrógeno Mercurio Neón
(H) (Hg) (Ne)
https://wiki.brown.edu/confluence/display/PhysicsLabs/Experiment+240
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Necesidad de la Mecánica Cuántica
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❑ Espectros de líneas de gases atómicos
https://www.youtube.com/watch?v=SxQr3oi81pE&t=10s
Espectro de líneas del helio
Necesidad de la Mecánica Cuántica
José G. López
K. W. Whitten; R. E. Davis; and L. Peck , General Chemistry, 6th edition
Espectros de emisión 
Espectro de absorción 
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Necesidad de la Mecánica Cuántica
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❑ Dualidad onda – partícula de la luz
▪ Propiedades ondulatorias de la luz
Difracción InterferenciaDispersión
http://scripts.mit.edu/~tsg/www/
▪ Propiedades corpusculares de la luz
Efecto fotoeléctrico 
Propiedades Ondulatorias de la Luz
José G. López
Radiación electromagnética: campos eléctricos y magnéticos 
oscilantes (perpendiculares entre sí) que se propagan en el espacio y que 
transportan energía
https://en.wikipedia.org/wiki/Antenna_(radio)
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/7e/Spherical_Wave.gif
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Propiedades Ondulatorias de la Luz
José G. López
Radiación electromagnética: campos eléctricos y magnéticos 
oscilantes (perpendiculares entre sí) que se propagan en el espacio y que 
transportan energía
https://tex.stackexchange.com/questions/262015/drawing-wave-propagation-using-tikz
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Plane_Wave_Oblique_View.jpg
❑ Onda electromagnética plana: Tren de planos separados por una longitud de 
onda
Propiedades Ondulatorias de la Luz
José G. López
Radiación electromagnética: campos eléctricos y magnéticos 
oscilantes (perpendiculares entre sí) que se propagan en el espacio y que 
transportan energía
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Plane_Wave_Oblique_View.jpg
❑ Onda electromagnética plana: Tren de planos separados por una longitud de 
onda
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:EM-Wave.gif
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