Principios Fundamentales de Química: Estructura Atómica, Cuántica y Enlaces
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Fórmulas Fundamentales en Química Cuántica y Estructura Atómica
A continuación, se presentan algunas de las ecuaciones clave que describen fenómenos en la química cuántica y la estructura atómica:
- Energía de un fotón:
E = h·f - Relación entre frecuencia y longitud de onda:
f = c/λ - Longitud de onda de De Broglie:
λ = h/p - Energía cinética máxima de un electrón en el efecto fotoeléctrico:
Ec,máx = h·(f - f0) - Energía de transición electrónica (modelo de Bohr, serie de Balmer):
ΔE = RH·(1/nfinal2 - 1/ninicial2) - Energía de un nivel electrónico en el átomo de hidrógeno:
En = -2.18 × 10-18 J / n2 - Principio de Incertidumbre de Heisenberg:
Δx·Δp ≥ h/(4π) - Ecuación del Efecto Fotoeléctrico:
Efotón = Wextracción + Ec,electrón - Función trabajo (energía de extracción):
Wextracción = h·f0 - Energía cinética:
Ec = 1/2·m·v2
Conversiones Importantes
- Para convertir de electronvoltios (eV) a julios (J), multiplicar por
1.6 × 10-19. - Para convertir de átomos a moles, dividir entre el número de Avogadro (
NA).
Series de Balmer
La serie de Balmer describe las transiciones electrónicas en el átomo de hidrógeno donde el electrón llega al nivel energético n = 2. Las transiciones de partida ocurren desde niveles superiores como n = 3, 4, 5, ...
Principio de De Broglie
De Broglie extendió el doble comportamiento de onda-partícula, ya comprobado para la luz por Einstein en el efecto fotoeléctrico, a toda la materia y radiación conocida. Propuso un doble comportamiento onda-partícula para todo lo que existe, estableciendo una relación entre las características como onda (longitud de onda) y las características como partícula (cantidad de movimiento).
La relación fundamental es λ = h/p, donde λ es la longitud de onda, h es la constante de Planck y p es la cantidad de movimiento. Se observa que a mayor cantidad de movimiento (p), menor carácter ondulatorio presentará la materia.
Orbital Atómico
Un orbital atómico se define como un volumen alrededor del núcleo en el que existe un 99% de probabilidad de localizar un electrón con una energía concreta.
Es importante destacar que la mecánica cuántica actual no acepta el concepto de "órbita" (como en el modelo de Bohr) debido al Principio de Incertidumbre de Heisenberg, que establece límites fundamentales a la precisión con la que se pueden conocer simultáneamente la posición y el momento de una partícula.
Efecto Zeeman Anómalo
En presencia de un campo magnético externo y utilizando espectroscopios de alta resolución, se observa que cada una de las líneas espectrales que se desdoblan en el efecto Zeeman normal, a su vez, se dividen en dobletes. Este fenómeno se conoce como Efecto Zeeman Anómalo.
Se considera que, en presencia de campos magnéticos externos, los electrones se comportan como pequeños imanes que orientan su polo norte o sur de acuerdo con la dirección o sentido del campo magnético externo, lo que lleva a la división adicional de los niveles energéticos.
Efecto Fotoeléctrico
El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones por un material (generalmente un metal) al incidir sobre él una radiación electromagnética (luz) de frecuencia suficientemente alta.
Enlace Químico
Enlace Iónico
El enlace iónico se debe a la atracción electrostática entre iones de carga opuesta. Es típico de la combinación entre metales (que tienden a ceder electrones y formar cationes) y no metales (que tienden a aceptar electrones y formar aniones).
El carácter iónico de un enlace está favorecido por:
- Gran diferencia de electronegatividades entre los átomos.
- Carga pequeña de los iones, lo que reduce la atracción y facilita la separación.
- Catión grande y anión pequeño, ya que esto minimiza el efecto polarizante del catión sobre el anión, manteniendo el carácter iónico.
Los compuestos iónicos, en estado fundamental, forman redes iónicas cristalinas.
Enlace Covalente
El enlace covalente es característico entre no metales. La unión interatómica se debe a la compartición de pares de electrones entre átomos contiguos, buscando alcanzar una configuración electrónica estable (generalmente de gas noble).
Enlace Metálico
El enlace metálico se forma entre metales. En este tipo de enlace, los electrones de valencia se comparten de forma colectiva, formando un "mar de electrones" deslocalizados que se mueven libremente a través de la red cristalina de iones metálicos positivos.
Naturaleza Electrónica del Enlace Químico
Los elementos químicamente más activos son aquellos cuyos átomos tienen una fuerte tendencia a desprender electrones con facilidad (metales) o a captarlos (no metales) para alcanzar una configuración electrónica más estable.
Energía Reticular
La energía reticular es la energía necesaria para separar completamente los iones de una red cristalina iónica, llevándolos al estado gaseoso y a una distancia infinita entre ellos. Es una medida de la fuerza del enlace iónico.
El Enlace Químico: Un Proceso de Estabilización
El enlace químico es un proceso fundamental en el que los átomos interactúan, ya sea ganando, cediendo o compartiendo electrones de sus capas externas, con el objetivo de conseguir una configuración electrónica más estable, similar a la de un gas noble.
Redes Iónicas Cristalinas
Un cristal iónico está formado por una celda unidad que se repite indefinidamente en las tres direcciones del espacio, construyendo una estructura tridimensional ordenada.
Para que el cristal sea eléctricamente neutro, el número total de cargas positivas debe ser igual al número total de cargas negativas.
Los iones de un signo que rodean a uno del otro signo se disponen simétricamente para que la repulsión entre los iones del mismo signo sea mínima, maximizando la estabilidad de la red.
Los iones se disponen de forma compacta, y la relación entre el tamaño de los iones positivos (cationes) y el tamaño de los iones negativos (aniones) es un factor determinante en la adopción de una u otra ordenación cristalina específica.