Ejercicios de Física Atómica: Longitud de Onda, Frecuencia y Energía, Guías, Proyectos, Investigaciones de Química

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TRANSICIONES

ELÉCTRICAS

I. OBJETIVOS

• Observar la luz emitida por el salto de electrones en átomos

excitados eléctricamente.

• Calcular la longitud de onda, frecuencia y energía asociada a

cada una de las radiaciones observadas.

Los fotones son las partículas portadoras de la luz visible, la luz ultravioleta, la luz infrarroja, los rayos X, los rayos gamma y el resto de las formas de radiación electromagnética. Viajan en el vacío a velocidad constante y presentan una masa invariante cero (carecen de masa). Los fotones, por otra parte, no tienen carga eléctrica. (Pérez y Gardey, 2007) ● h = Constante de proporcionalidad, llamada constante de Planck (h = 6.626 x 10-34 J.s). ● c = Velocidad de la luz en el vacío (2.998 x 108 m.s-1), ● ƒ = frecuencia de la radiación en s-1. ● ʎ = Longitud de onda de la radiación en metros. Carácter ondulatorio y corpuscular de la radiación electromagnética Los caracteres ondulatorios son un conjunto de propiedades que explican la posible ubicación de los electrones en los orbitales de energía determinada que no se mantiene. Esta idea es dada por Einstein, exponiendo que la luz tiene un doble comportamiento que es ondulatorio y corpuscular. Además, la radiación electromagnética está formada por la combinación de campos eléctricos y magnéticos que da como resultado la propagación en el espacio dando la forma de ondas de radiación Fuegos artificiales y pruebas a la llama Para la identificación de los colores de la llama, se debe realizar pruebas de distintas sustancias químicas para obtener el resultado. Además, este fenómeno va de la mano con los fuegos artificiales. Estos colores ocurren por la combustión, los diferentes metales producen unos efectos variados, con emisión de energía que varía y con colores diferentes, que nos permite distinguirlos. (El color de los fuegos artificiales, explicado gracias a la química, 9 de marzo de 2016).

MATERIALES:

MATERIALES IMAGEN PRESENTACIÓN USOS

Gradilla Las gradillas pueden ser de madera, plástico, metal y vidrio. Las más comunes son las de plástico. Es un utensilio utilizado para dar soporte a los tubos de ensayos o tubos de muestras. Además es utilizado para almacenar los tubos. Tubo de Ensayo Es un pequeño tubo de vidrio con una abertura en la zona superior, y en la zona inferior es cerrado y cóncavo. Está hecho de un vidrio especial que resiste las temperaturas muy altas, sin embargo los cambios de temperatura muy radicales pueden provocar el rompimiento de tubo. Se utiliza para contener líquidos y sólidos, los cuales se mezclan para preparar soluciones o se someten a diferentes pruebas como a variaciones de temperatura. Mechero Está constituido por un tubo vertical que va enroscado a un pie metálico con ingreso para el flujo de gas, el cual se regula a través de una llave sobre la mesa de trabajo. En la parte inferior del tubo vertical existen orificios y un anillo metálico móvil o collarín también horadado. Es usado en laboratorios de química o biología para calentar muestras o sustancias químicas.

Caja de Fósforos Contiene fósforos que están fabricados con un palito de madera o un rollito de papel prensado, con un extremo cubierto por un material que se enciende al recibir calor por fricción, lograda al frotar el fósforo contra una superficie adecuada. Sirve básicamente para encender fuego, con una opción mínima de riesgo Cloruro de Litio Su fórmula química es LiCl, es una sal, es un compuesto inorgánico. Puede prepararse haciendo reaccionar una disolución acuosa de hidróxido de litio o carbonato de litio con ácido clorhídrico. Se usa en la producción del litio mediante electrólisis de LiCl/KCl fundido a 450 °C. También en las soldaduras de aluminio realizadas en los automóviles. Cloruro de Sodio Sal común o sal de mesa, denominada en su forma mineral como halita, es un compuesto químico con la fórmula NaCl. El cloruro de sodio es una de las sales responsable de la salinidad del océano y del fluido extracelular de muchos organismos. En los hospitales usan una solución de cloruro de sodio intravenosa para suministrar agua y sal a los pacientes a fin de aliviar la deshidratación. También se usa en entornos de fabricación industrial para producir otros productos como plástico y papel. Cloruro de Potasio El compuesto químico cloruro de potasio (KCl), es un haluro metálico compuesto de potasio y cloro. En su estado puro es inodoro. Se presenta como un cristal vítreo de blanco a incoloro, con una estructura cristalina cúbica Se utiliza en medicina, aplicaciones científicas, procesamiento de alimentos y en ejecución legal por medio de inyección letal.

Cloruro de Calcio El cloruro de calcio es un compuesto químico, inorgánico, mineral, de fórmula (CaCl2). Otros nombres del compuesto son: dicloruro de calcio, cloruro cálcico, da una coloración naranja-roja a la llama. Utilizado como medicamento en enfermedades o afecciones ligadas al exceso o deficiencia de calcio en el organismo. También es usado en la industria de la alimentación. Cloruro de Estroncio El cloruro de estroncio (SrCl2) es una sal de estroncio y cloro. Como todos los compuestos de estroncio, emite un color rojo brillante en una flama Utilizado en la fabricación de fuegos artificiales, flujo de sodio electrolítico metálico. Se utiliza como catalizador para la síntesis orgánica. Cloruro de Bario El Cloruro de bario es un compuesto inorgánico de fórmula BaCl2. Es una de las sales solubles en agua más importantes del barrio. Al igual que otras sales de bario, es tóxica y da una coloración azul-verde a la llama. También es higroscópico. Utilizado en la fabricación de fuegos artificiales, flujo de sodio electrolítico metálico. Se utiliza como catalizador para la síntesis orgánica. Cloruro de Cobre El cloruro de cobre,de fórmula empírica CuCl Se presenta en forma de sólido blanco, si bien expuesto prolongadamente al aire se vuelve pardo por oxidación a de cobre (II), y por exposición a la luz adquiere tono verdoso. Está formado por cristales cúbicos de estructura tipo blenda Se usa en el petróleo, los textiles, la metalurgia, la fotografía y los productos agrícolas, y como aditivo para piensos y conservante de la madera.

I. DATOS Y RESULTADOS:

Cuadro 3.2: Emisión de radiación por excitación térmica (calor) ELEMENTO A EXCITAR FÓRMULA COLOR PREDOMINANTE DE LA RADIACIÓN EMITIDA Carbono C Dorado Cloruro de litio LiCl Rojo Cloruro de sodio NaCl Amarillo Cloruro de potasio KCl Violeta Cloruro de calcio CaCl Naranja Cloruro de estroncio SrCl Rojo Cloruro de bario BaCl Verde Cloruro de cobre CuCl Azul Magnesio Mg Blanco y Chispa eléctrica Hierro Fe Dorado Aluminio Al Blanco y Chispa eléctrica

Cuadro 3.3: Cálculos de frecuencia y energía ELEMENTO CÁLCULOS Longitud de onda ( ለ ) nm Frecuencia ( ⨏ ) s ⁻ ¹ Energía J/fotón Energía J/mol-fotón Energía kJ/mol Carbono 587 nm = 587 x 10⁻⁹m 5.11 x10¹⁴ s⁻¹ 3.39 x 10⁻¹⁹ J/fotón 2.04 x 10⁵ J/mol-fotón 2.04 x 10³ kJ/mol Litio 701 nm = 701 x 10⁻⁹m 4.28 x10¹⁴ s⁻¹ 2.84 x 10⁻¹⁹ J/fotón 1.71 x 10⁵ J/mol-fotón 1.71 x 10³ kJ/mol Sodio 587 nm = 587 x 10⁻⁹m 5.11 x10¹⁴ s⁻¹ 3.39 x 10⁻¹⁹ J/fotón 2.04 x 10⁵ J/mol-fotón 2.04 x 10³ kJ/mol Potasio 417.5 nm = 417.5 x 10⁻⁹m 7.19 x10¹⁴ s⁻¹ 4.76 x 10⁻¹⁹ J/fotón 2.87 x 10⁵ J/mol-fotón 2.87 x 10³ kJ/mol Calcio 609.5 nm = 609.5 x 10⁻⁹m 4.92 x10¹⁴ s⁻¹ 3.26 x 10⁻¹⁹ J/fotón 1.96 x 10⁵ J/mol-fotón 1.96 x 10³ kJ/mol Estroncio 701 nm = 701 x 10⁻⁹m 4.28 x10¹⁴ s⁻¹ 2.84 x 10⁻¹⁹ J/fotón 1.71 x 10⁵ J/mol-fotón 1.71 x 10³ kJ/mol Bario 534.5 nm = 534.5 x 10⁻⁹m 5.61 x10¹⁴ s⁻¹ 3.72 x 10⁻¹⁹ J/fotón 2.24 x 10⁵ J/mol-fotón 2.24 x 10³ kJ/mol Cobre 473.5 nm = 473.5 x10⁻⁹m 6.34 x10¹⁴ s⁻¹ 4.20 x 10⁻¹⁹ J/fotón 2.53 x 10⁵ J/mol-fotón 2.53 x 10³ kJ/mol Magnesio 580 nm = 580 x 10⁻⁹m 5.17 x10¹⁴ s⁻¹ 3.43 x 10⁻¹⁹ J/fotón 2.07 x 10⁵ J/mol-fotón 2.07 x 10³ kJ/mol Hierro 587 nm = 587 x 10⁻⁹m 5.11 x10¹⁴ s⁻¹ 3.39 x 10⁻¹⁹ J/fotón 2.04 x 10⁵ J/mol-fotón 2.04 x 10³ kJ/mol Aluminio 580 nm = 580 x 10⁻⁹m 5.17 x10¹⁴ s⁻¹ 3.43 x 10⁻¹⁹ J/fotón 2.07 x 10⁵ J/mol-fotón 2.07 x 10³ kJ/mol

4.1 Energía J/mol-fotón (3.39 x 10⁻¹⁹ J ) (6.022 x 10²³) = 204145.8 = 2.04 x 10⁵ J/mol - fotón fotón mol 4.2 Energía J/mol-fotón (2.84 x 10⁻¹⁹ J ) (6.022 x 10²³) = 171024.8 = 1.71 x 10⁵ J/mol - fotón fotón mol 4.3 Energía J/mol-fotón (3.39 x 10⁻¹⁹ J ) (6.022 x 10²³) = 204145.8 = 2.04 x 10⁵ J/mol - fotón fotón mol 4.4 Energía J/mol-fotón (4.76 x 10⁻¹⁹ J ) (6.022 x 10²³) = 286647.2 = 2.87 x 10⁵ J/mol - fotón fotón mol 5.1 Energía kJ/mol (2.04 x 10⁵ J ) ( 1 kJ ) = 2.04 x 10³ J/mol - fotón mol - fotón mol - fotón 5.2 Energía kJ/mol (1.71 x 10⁵ J ) ( 1 kJ ) = 1.71 x 10³ J/mol - fotón mol - fotón mol - fotón 5.3 Energía kJ/mol (2.04 x 10⁵ J ) ( 1 kJ ) = 2.04 x 10³ J/mol - fotón mol - fotón mol - fotón 5.4 Energía kJ/mol (2.87 x 10⁵ J ) ( 1 kJ ) = 2.87 x 10³ J/mol - fotón mol - fotón mol - fotón

CONCLUSIONES:

• Cuando los electrones están excitados consiguientemente los átomos también, es así, que el electrón se mueve a través de un nivel de energía saltando a un orbital más lejano del núcleo. Cuando el electrón vuelve de absorber energía de un nivel, va emitiendo la energía, como consecuencia se obtiene la luz emitida que al momento de la excitación es de color blanco, ya que no se puede determinar un valor específico a dicho elemento, debido a que la luz blanca es la mezcla de todos los colores que proporcionan la misma longitud de la onda que tienen la misma frecuencia.
• Al momento de hacer los cálculos nos da a conocer el color determinado que posee cada elemento al excitarse, ya que al excitarse nos sirve para determinar el rango en el que se encuentra el elemento y así poder asemejar cada color que le corresponda y de este modo poder definir la longitud de onda, frecuencia y energía.

CUESTIONARIO

1. Explicar el espín nuclear e imágenes por resonancia magnética nuclear (RMN). El espín nuclear: En base a la investigación de la Universidad de Santiago de Compostela, el espín es una propiedad intrínseca, de los tres tipos de partícula que constituyen un átomo, que se utiliza para representar el momento angular total de un núcleo, en los electrones de los átomos se hace una clara distinción entre el espín del electrón y el momento angular orbital del electrón, y luego al combinarlos para dar el momento angular total. Así mismo, se sabe que asociado con cada espín nuclear hay un momento magnético nuclear, que produce interacciones magnéticas con su entorno. Imágenes por resonancia magnética nuclear (RMN): Según Manual MSD (2019) estas imágenes son obtenidas de un aparato con un potente imán que genera imágenes del interior de su cuerpo. Una computadora registra los cambios en el campo magnético alrededor de su cuerpo, utilizando los cambios registrados para crear una serie de imágenes detalladas. Cada imagen se ve como una rebanada tomada a través de su cuerpo. La computadora también puede crear una imagen tridimensional del interior de su cuerpo. A diferencia de la tomografía computarizada (TC) y la tomografía por emisión de positrones (PET), la resonancia magnética nuclear (RMN) no emplea radiación, pero emplea más tiempo. 2. ¿Cuál es la longitud de onda de un fotón que tiene 4 veces más energía que otro fotón cuya longitud de onda es 375nm? Datos: E 1 = Energía del fotón 1 h= Constante de Planck (6.626 x 10 J. s) − c= Velocidad de la luz en el vacío (3x 10 m/s) − ለ 1 = Longitud de onda 1 (375nm = 375 m x 10 ) − E 2 = Energía del fotón 2 ለ 2 = Longitud de onda 2 = X Resolución: E 1 = h x c = 1.24 x 10 = 3.30 J − ለ 1 375 x 10 − X= 4 (E 1 )= h x c → 4 (3.30 J)= 1.24 x 10 = ለ 2 = 9.4 x m − 10 − ለ 2 ለ 2

3. Calcular la frecuencia, la longitud de onda y la energía asociada al salto electrónico desde el nivel 5 al 3 en el átomo de hidrógeno. Frecuencia: F= 3 x 10 = 396.8 s 8 1.28 x 10 6 Longitud de onda: 1/ለ= 1.0967 x 10 ( 1 - 1 ) = 1.0967 x ( 16 ) = 0.77x 7 2 2 10 7 10 3 𝑚 3 5 225 Energía asociada al salto electrónico: Constante de energía= 2,18 x 10 J − E 3 = - 2,18 x 10 /3² E 5 = - 2,18 x / 5² − 10 − E 3 = -2,42 x 10 J E 5 =- 8,72 x J − 10 − Energía gastada en emitir el salto=E 5 - E3 = (- 8,72 x 10 J)-(-2,42 x J)= 3.3 x − 10 − 10 − 𝐽 4. Explicar el funcionamiento del microscopio electrónico mediante la mecánica cuántica. En la investigación de Vesperinas (2018) se menciona que el microscopio electrónico funciona utilizando electrones con alta energía para realizar observaciones a diferencia del óptico, que se sirve de la luz (fotones). La energía que se maneja en estos sistemas está representada por una unidad denominada electronvoltio (símbolo eV). Un electronvoltio se define como una unidad de energía para el electrón cuando es acelerado por una diferencia de potencial de un voltio. Este valor se obtiene experimentalmente y equivale aproximadamente a 1,602176462 x 10-19 Julios. Un microscopio electrónico de barrido convencional puede alcanzar del orden de 30 KeV (1 KeV = 103 eV). 5. ¿Qué es un rayo láser, cómo se emite? Según Mendez (2010) el rayo láser es un sistema de amplificación de la luz que produce rayos coincidentes de enorme intensidad, los cuales presentan ondas de igual frecuencia que siempre están en fase. Como este rayo producido es coincidente, puede ser utilizado para llevar cualquier tipo de señal, ya sea música, voz humana, una imagen de televisión, etc. Para la producción de este rayo láser se requiere una barra de rubí, la cual posee en su interior átomos de cromo dispersos como impurezas, en ambos extremos debe tener superficies espejadas de las cuales una refleja el 100% de los rayos y las otra aproximadamente 95%. La barra de rubí es estimulada por fotones generados por el destello de una lámpara. El rubí libera fotones monocromáticos para descargar la energía acumulada, un fotón estimula la formación de otro idéntico, produciéndose el fenómeno de clonación de los mismos. Cuando estos fotones se desplazan entre las dos superficies reflectantes superan una determinada cantidad de energía, son liberados a través de la superficie semirreflectante generando un rayo láser que

13. Mendez, A. (2010, 5 diciembre). Los rayos láser – Ciencias Médicas. Ciencias Médicas. https://blog.ciencias-medicas.com/archives/
14. Vesperinas, J. (2018). ¿Cómo funciona un microscopio electrónico? UPNA. https://traductordeciencia.es/como-funciona-un-microscopio-electronico/