Si pasas luz blanca por un prisma obtienes un arco iris continuo, sin cortes. Pero si miras con un prisma un letrero de neón o los fuegos artificiales del 4 de julio, el resultado es muy distinto: solo aparecen unas pocas líneas de color, separadas por oscuridad. Lo mismo pasa con un tubo de gas hidrógeno excitado con una descarga eléctrica. Ese patrón, extraño para la física clásica, fue la primera pista seria de que la energía dentro del átomo no puede tomar cualquier valor.
Espectros continuos y espectros de líneas
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El análisis de la luz emitida o absorbida por las sustancias constituye una herramienta fundamental para comprender la corteza atómica. a) Explica la diferencia física…
El análisis de la luz emitida o absorbida por las sustancias constituye una herramienta fundamental para comprender la corteza atómica.
a) Explica la diferencia física esencial entre un espectro continuo y un espectro discontinuo o de líneas.
b) Justifica por qué el espectro de emisión atómica de un gas a baja presión está formado por líneas discretas y explica la correspondencia que guardan dichas líneas con las observadas en su espectro de absorción.
De menor a mayor energía por fotón: ondas de radio, microondas, infrarrojo (IR), visible, ultravioleta (UV), rayos X y rayos gamma. Cada región interactúa de forma distinta con la materia: las microondas cambian la rotación de las moléculas, el IR cambia sus vibraciones y la luz UV/visible produce transiciones electrónicas. Por eso los espectros de IR y de UV/Vis dan información diferente sobre una sustancia.
Conexión con PES: un fotón ioniza un átomo solo si su energía supera la energía de ionización de ese electrón. En espectroscopía fotoelectrónica (PES) esa energía se mide como energía de enlace, que depende de la carga nuclear y de la distancia al núcleo (ley de Coulomb).
Absorción de luz y ley de Beer-Lambert
Los espectrofotómetros UV/Vis miden cuánta luz absorbe una disolución coloreada. La absorbancia sigue la ley de Beer-Lambert: $$A = \varepsilon b c$$ donde $\varepsilon$ es la absortividad molar, $b$ el recorrido de la luz por la cubeta (cm) y $c$ la concentración (M). Como $A$ es proporcional a $c$, una gráfica de calibración (absorbancia frente a concentración de patrones) es una recta que pasa por el origen.
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Un puntero láser utilizado habitualmente en demostraciones en clase emite radiación electromagnética visible de color rojo con una longitud de onda de…
Un puntero láser utilizado habitualmente en demostraciones en clase emite radiación electromagnética visible de color rojo con una longitud de onda de $656.3\,\mathrm{nm}$. A partir de estos datos, calcula:
a) La frecuencia asociada a dicha radiación electromagnética expresada en unidades del Sistema Internacional.
b) La energía que transporta un único fotón emitido por el dispositivo láser.
Datos: velocidad de la luz en el vacío, $c = 3.00 \times 10^8\,\mathrm{m\times s^{-1}}$; constante de Planck, $h = 6,626 \times 10^{-34}\,\mathrm{J\times s}$.
Según la física clásica, toda carga acelerada emite radiación continua, por lo que el electrón debería perder energía y estrellarse contra el núcleo en aproximadamente $10^{-11}\ \text{s}$ (una estimación clásica); sin embargo, los átomos son estables: ¿por qué los electrones no caen en espiral hacia el núcleo?
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En el modelo atómico propuesto por Bohr para el átomo de hidrógeno, la energía asociada a cada nivel electrónico depende del número cuántico principal $n$ mediante la…
En el modelo atómico propuesto por Bohr para el átomo de hidrógeno, la energía asociada a cada nivel electrónico depende del número cuántico principal $n$ mediante la expresión:
Al calentar vapor de sodio en una llama emite una luz amarilla muy pura de $589.0\ \text{nm}$, y ese mismo gas frío iluminado con luz blanca absorbe exactamente esa misma longitud de onda: ¿qué mecanismo atómico hace que un elemento emita y absorba fotones con energías idénticas?
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El siguiente esquema muestra los tres primeros niveles energéticos del átomo de hidrógeno y dos transiciones electrónicas etiquetadas como A y B: . A partir del diagrama…
El siguiente esquema muestra los tres primeros niveles energéticos del átomo de hidrógeno y dos transiciones electrónicas etiquetadas como A y B:
. A partir del diagrama y de los datos dados:
a) Razona si las transiciones A y B corresponden a procesos de absorción o de emisión de energía.
b) Calcula la energía (en $\mathrm{eV}$) y la longitud de onda (en $\mathrm{nm}$) del fotón involucrado en la transición A ($3 \rightarrow 2$), e indica razonadamente cuál de las dos transiciones (A o B) emite radiación de menor longitud de onda.
En una lámpara de descarga que contiene gas hidrógeno monoatómico se produce una transición electrónica masiva desde el cuarto nivel cuantizado ($n=4$) hasta el estado…
En una lámpara de descarga que contiene gas hidrógeno monoatómico se produce una transición electrónica masiva desde el cuarto nivel cuantizado ($n=4$) hasta el estado fundamental ($n=1$).
a) Calcula la energía desprendida por un único átomo de hidrógeno en esta desexcitación y determina la frecuencia del fotón emitido.
b) Calcula la energía total emitida, expresada en $\mathrm{kJ\times mol^{-1}}$, si un mol entero de átomos de hidrógeno experimenta dicha desexcitación de forma simultánea.
Datos: fórmula de Bohr para el hidrógeno: $E_n = -\frac{2.18 \times 10^{-18}}{n^2}\,\mathrm{J}$; constante de Planck, $h = 6,626 \times 10^{-34}\,\mathrm{J\times s}$; constante de Avogadro, $N_A = 6,022 \times 10^{23}\,\mathrm{mol^{-1}}$.
Energía de ionización y límites del modelo de Bohr
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La energía de ionización de una especie química gaseosa es la energía mínima indispensable para arrancar su electrón más externo llevándolo desde su estado inicial hasta…
La energía de ionización de una especie química gaseosa es la energía mínima indispensable para arrancar su electrón más externo llevándolo desde su estado inicial hasta el reposo en el infinito.
a) Tomando como base el modelo de Bohr para el hidrógeno ($E_n = -\frac{2.18 \times 10^{-18}}{n^2}\,\mathrm{J}$), calcula la energía de ionización de un átomo de hidrógeno en su estado fundamental ($n=1$) en julios y el valor correspondiente para un mol de átomos en $\mathrm{kJ\times mol^{-1}}$.
b) Si una muestra gaseosa de átomos de hidrógeno se encuentra previamente excitada en el nivel $n=3$, determina la longitud de onda máxima (en $\mathrm{nm}$) que debe tener un haz de luz monocromática para lograr fotoionizar los átomos desde dicho nivel excitado, e identifica razonadamente la región del espectro electromagnético a la que pertenece.
En un espectrómetro óptico se registra una línea de emisión del átomo de hidrógeno en el intervalo visible (serie de Balmer, cuyo nivel de llegada es $n_f = 2$) con una…
En un espectrómetro óptico se registra una línea de emisión del átomo de hidrógeno en el intervalo visible (serie de Balmer, cuyo nivel de llegada es $n_f = 2$) con una longitud de onda experimental de $\lambda = 434.1\,\mathrm{nm}$.
a) Calcula la energía del fotón emitido en julios y determina el número cuántico principal del nivel orbital inicial $n_i$ del que procedía el electrón, aplicando la expresión de Bohr $E_n = -\frac{2.18 \times 10^{-18}}{n^2}\,\mathrm{J}$.
b) Justifica rigurosamente mediante el balance energético pertinente si un fotón incidente de radiación con una energía de $3.00\,\mathrm{eV}$ podría ser absorbido por un átomo de hidrógeno que se halla en el estado $n=2$.
Vuelve al principio: El tubo de hidrógeno solo emite unas pocas líneas visibles porque sus electrones caen entre órbitas cuantizadas superiores ($n=3, 4, 5, 6$) y el nivel $n=2$ (serie de Balmer); cada línea de color corresponde a la emisión de fotones con la energía exacta $|E_2 - E_n|$ de cada transición.
Resumen
¡A practicar! 2 ejercicios de nivel medio en este apartado