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4.19: Átomos - Biología

4.19: Átomos - Biología


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Estructura del átomo

Para comprender cómo se unen los elementos, primero debemos analizar el componente o bloque de construcción más pequeño de un elemento, el átomo. Un átomo es la unidad de materia más pequeña que conserva todas las propiedades químicas de un elemento. Los átomos de oro no se pueden descomponer en nada más pequeño mientras conservan las propiedades del oro.

Un átomo se compone de dos regiones: el núcleo, que está en el centro del átomo y contiene protones y neutrones, y la región más externa del átomo que mantiene sus electrones en órbita alrededor del núcleo, como se ilustra en la Figura 1. Los átomos contienen protones, electrones y neutrones, entre otros elementos subatómicos. partículas. La única excepción es el hidrógeno (H), que está formado por un protón y un electrón sin neutrones.

Los protones y neutrones tienen aproximadamente la misma masa, alrededor de 1,67 × 10–24 gramos. Los científicos definen arbitrariamente esta cantidad de masa como una unidad de masa atómica (uma) o un Dalton, como se muestra en la Tabla 1. Aunque son similares en masa, los protones y neutrones difieren en su carga eléctrica. A protón tiene carga positiva mientras que un neutrón está descargado. Por lo tanto, la cantidad de neutrones en un átomo contribuye significativamente a su masa, pero no a su carga. Electrones son mucho más pequeños en masa que los protones, pesan solo 9.11 × 10–28 gramos, o aproximadamente 1/1800 de una unidad de masa atómica. Por lo tanto, no contribuyen mucho a la masa atómica general de un elemento. Por lo tanto, al considerar la masa atómica, se acostumbra ignorar la masa de cualquier electrón y calcular la masa del átomo basándose únicamente en el número de protones y neutrones. Aunque no contribuyen significativamente a la masa, los electrones contribuyen en gran medida a la carga del átomo, ya que cada electrón tiene una carga negativa igual a la carga positiva de un protón. En átomos neutros sin carga, el número de electrones que orbitan alrededor del núcleo es igual al número de protones dentro del núcleo. En estos átomos, las cargas positivas y negativas se anulan entre sí, lo que lleva a un átomo sin carga neta.

Teniendo en cuenta los tamaños de los protones, neutrones y electrones, la mayor parte del volumen de un átomo —más del 99 por ciento— es, de hecho, espacio vacío. Con todo este espacio vacío, uno podría preguntarse por qué los llamados objetos sólidos no se atraviesan simplemente entre sí. La razón por la que no lo hacen es que los electrones que rodean a todos los átomos están cargados negativamente y las cargas negativas se repelen entre sí.

Tabla 1. Protones, neutrones y electrones
CargarMisa (amu)Localización
Protón+11núcleo
Neutrón01núcleo
Electrón–10orbitales

Número atómico y masa

Los átomos de cada elemento contienen un número característico de protones y electrones. El número de protones determina la número atómico y se utiliza para distinguir un elemento de otro. La cantidad de neutrones es variable, lo que da como resultado isótopos, que son formas diferentes del mismo átomo que varían solo en la cantidad de neutrones que poseen. Juntos, el número de protones y el número de neutrones determinan el número de masa de un elemento, como se ilustra en la Figura 2. Tenga en cuenta que la pequeña contribución de masa de los electrones no se tiene en cuenta al calcular el número de masa. Esta aproximación de masa se puede usar para calcular fácilmente cuántos neutrones tiene un elemento simplemente restando el número de protones del número de masa. Dado que los isótopos de un elemento tendrán números de masa ligeramente diferentes, los científicos también determinan la masa atomica, que es la media calculada del número de masa de sus isótopos naturales. A menudo, el número resultante contiene una fracción. Por ejemplo, la masa atómica del cloro (Cl) es 35,45 porque el cloro está compuesto por varios isótopos, algunos (la mayoría) con masa atómica 35 (17 protones y 18 neutrones) y otros con masa atómica 37 (17 protones y 20 neutrones) .

Pregunta de práctica

El carbono tiene un número atómico de seis y dos isótopos estables con números de masa de doce y trece, respectivamente. Su masa atómica es 12,11.

¿Cuántos neutrones tienen el carbono 12 y el carbono 13, respectivamente?

[filas del área de práctica = ”2 ″] [/ área-de-práctica]
[revelar-respuesta q = ”912178 ″]Mostrar respuesta[/ revelar-respuesta]
[hidden-answer a = ”912178 ″] El carbono-12 tiene seis neutrones. El carbono 13 tiene siete neutrones. [/ Hidden-answer]


Los científicos de Harvard crean una nueva molécula dipolar

En un avance sin precedentes, los investigadores de Harvard han combinado dos átomos por primera vez para formar una sola molécula dipolar con propiedades únicas, según un artículo publicado en Ciencias revista el jueves pasado.

El profesor asistente de química y biología química Kang-Kuen Ni y varios otros miembros del laboratorio de Ni, incluidos los investigadores Jonathan D. Hood, Lee R. Liu, Yichao Yu, Jessie T.Zhang, Till Rosenband y Nicholas R. Hutzler, hicieron el descubrimiento.

Los científicos examinaron específicamente la molécula dipolar formada al combinar un átomo de sodio y un átomo de cesio.

"Lo que hicimos fue atrapar dos átomos en pinzas ópticas individuales, que es justo lo que obtienes cuando enfocas un láser, y luego pudimos mover esas pinzas y superponer los átomos de forma independiente y ponerlos en la misma pinza", Liu dijo. "Agregamos un fotón, y luego eso desencadenó una reacción entre estos dos átomos".

“Lo que logramos es la cantidad mínima de ingredientes para una reacción: dos átomos más algo para agregar o quitar energía. En este caso, agregamos energía ”, agregó.

Ni explicó que la capacidad de combinar con precisión dos átomos individuales con pinzas ópticas evita la incertidumbre inherente a los métodos convencionales de realizar reacciones químicas, en las que se mezclan muchos átomos diferentes. Este enfoque tradicional a menudo produce otros compuestos en lugar del deseado, según Liu,

"En los experimentos habituales ... comienzas con un grupo de A, comienzas con un grupo de B, se encontrarán entre sí y producirán un producto que es AB", dijo Ni. “Pero lo que hemos hecho de manera diferente es que tenemos mucho más control. Así que agarramos exactamente una A, agarramos exactamente una B y luego les permitimos reaccionar de una manera muy controlada ".

Liu enfatizó que la clave del reciente avance del equipo no fue necesariamente inventar nuevas técnicas, sino combinar creativamente una variedad de tecnologías existentes de una manera única.

“Todas las técnicas individuales han existido de una forma u otra. Por ejemplo, lo principal aquí es el enfriamiento con láser, que hace que los átomos se acerquen mucho al cero absoluto; eso ha existido durante muchos, muchos años, incluso décadas ”, dijo Liu. “Esta es la primera vez que se juntan para dos especies diferentes, eso es lo importante, y se juntan para producir esta reacción química. Es una especie de combinación de todo lo nuevo aquí ".

La molécula particular de sodio-cesio que desarrollaron los investigadores es particularmente importante como un bloque de construcción para las computadoras cuánticas, o qubits, según Liu. Debido a su naturaleza asimétrica, la molécula actúa casi como un imán de barra, una propiedad que se desea en los qubits.

“Desde la perspectiva de la física, la molécula de sodio y cesio puede hacer mucho por nosotros. La razón por la que lo elegimos es porque esta propiedad de imán de barra que tiene es máximamente fuerte para esta combinación en particular ”, dijo Liu.

Ni dijo que el objetivo final de su grupo es hacer que estas nuevas moléculas dipolares sean estables y duraderas, lo que aumentará las atracciones y repulsiones entre los dos átomos, haciéndolos comportarse aún más como una barra magnética y mejorará su potencial para la computación cuántica.

“Las moléculas que hicimos directamente en este momento están en un estado de excitación electrónica. Así que no viven por mucho tiempo y no los guardamos poco después de que se hacen ", dijo. "Nuestro siguiente paso es combinar otras técnicas para que podamos hacer estas moléculas en un estado fundamental estable".

—La escritora del personal Amy L. Jia puede ser contactada en [email protected] Síguela en Twitter @AmyLJia.

—La escritora del personal Sanjana L. Narayanan puede ser contactada en [email protected]

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4.19: Átomos - Biología

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sec.1-2

sec.1-3
1. Las 10 reglas principales de seguridad en el laboratorio de ciencias (vídeo sobre seguridad en el laboratorio)

Lun 2/9 Mar 9/3 Mié 4/9 Jueves 5 de septiembre Vie 6/9
*NO HAY CLASES
(Día laboral)
(Usted elige su propio asiento para comenzar los asientos deben elegirse antes del jueves 9-5-19)
* Hoja de datos del estudiante * Introducción (maestro)
* Programa de estudios de biología y contrato de programa de estudios de amplificación
* HW: contrato de plan de estudios vence el 9-6-19
* bolsas de hombre y carteras amp van en contenedor azul
* política de telefonía celular
* conocer la habitación
(Usted elige su propio asiento para comenzar, los asientos deben ser elegidos para mañana 9-5-19)
* Reuniones de clase (hoy dia)

* ¡La política de teléfonos celulares está vigente HOY!

* Trabajo en clase: (Necesita lápiz n. ° 2) Prueba preliminar del primer semestre de biología (NO ESCRIBA EN LA PRUEBA)

- los estudiantes deben poner el número de cuadernillo del examen en su Scantron.

* (necesita carpeta de 3 anillas para el día de organización del miércoles)

* 10 cosas (necesita ½ hoja de papel rayado) Anote 10 datos que se ven en esta imagen. (imagen no disponible)

* HW: Revisión de sección 1-1 y prueba de notas y lectura de libros de biología, págs. 2-7 (hasta el jueves)

* Prueba el jueves durante seg. 1-1 (7 puntos)

* (necesita carpeta de 3 anillas para el día de la organización de mañana)

* 10 cosas (necesita ½ hoja de papel rayado) Anote 10 datos que se ven en esta imagen. (imagen no disponible)

* Trabajo en clase / HW: Revisión de sección 1-1 y prueba de notas y lectura de libros de biología, págs. 2-7 (hasta mañana)

* Prueba mañana durante seg. 1-1 (7 puntos)

* (necesita carpeta de 3 anillas para el día de la organización de hoy)

* Entregue HW: 1-1 Sección de revisión y prueba de notas y lectura de libros de biología págs. 2-7

* HW: GRSW 1-2 "Cómo trabajan los científicos" (significa "Hoja de trabajo del estudiante de lectura guiada") (que se entregará mañana)

* entregar HW: GRSW 1-2 "Cómo trabajan los científicos" (significa "Hoja de trabajo del estudiante de lectura guiada")

* devolver el cuestionario en la sección 1-1

* cuestionario de 1-2 el miércoles

* Verificación de carpeta : vence el miércoles (18/9/19)

* semana de trabajo en clase: "Cómo trabajan los científicos" (tienes solo 20 minutos hoy, tendrás 10 minutos adicionales en clase mañana para terminar esto)

* cuestionario de 1-2 el miércoles

* Verificación de carpeta : vence el miércoles (18/9/19)

* Revisión de socios 1 y amp 2 (necesita ½ hoja de papel rayado)

* retroceder y continuar la semana de trabajo de clase: "Cómo trabajan los científicos" (solo tienes 10 minutos, comprueba cuando se acabe el tiempo)

* Pregunta de salida (otro lado de ½ hoja de papel rayado)

* cuestionario sobre seg. 1-2 mañana (11 preguntas)

* Verificación de carpeta : vence el miércoles (18/9/19)

* Trabajo en clase / semanas de HW. (para mañana)

* consultar el trabajo de clase / las semanas de HW. (para mañana)

* Tiempo de estudio del compañero de mesa (10 minutos)

* Entregue la Carpeta de biología en la casilla correspondiente en la mesa de laboratorio

* introducción al equipo de seguridad en clase: 10 reglas principales de seguridad en el laboratorio de ciencias (video sobre seguridad en el laboratorio)

* Recoja la Carpeta de biología de la caja correspondiente en la mesa de laboratorio (tu puntuación está en Mistar)

* pasar cuestionario sobre seg. 1-2

* Los estudiantes etiquetarán los artículos de seguridad en el aula.

* Laboratorio. Dry Lab: "Reconociendo la seguridad del laboratorio" (comienza en la página 1066, los estudiantes necesitarán el libro de texto y la información del aula). (vencer mañana)

Lun 23/9 Mar 24/9 Mié 25/09 Jueves 26/9 Vie 27/09
* continuar sec. 1-3 notas
* Pregunta grupal (cada persona necesita una hoja de papel rayado)
-Organizar los siguientes niveles de organización biológica desde el más complejo (el más grande) al menos complejo (el más pequeño).

grupos de células células organismo de población -ecosistema de la biosfera -comunidad de moléculas

* Con ese mismo grupo terminar sec. 1-3 notas usando el libro de texto del aula (5min.)

* iniciar Video: World of Discovery - "La vida secreta de 118 Green Street" (-En la parte posterior de la hoja de papel rayado de arriba, escriba al menos 10 datos interesantes del video).

* finalizar sec. 1-3 notas por tu cuenta
* terminar el video: World of Discovery - "La vida secreta de 118 Green Street" - use la misma hoja de papel rayado de ayer
* iniciar seg. 1-4 notas
-herramientas del oficio

Lun 30/9 Mar 10/1 Mié 2/10 Jueves 10/3 Vie 4/10
(Profesor invitado)
* Trabajo en clase / HW: (Ambos vencen mañana)
1. hojas de trabajo GRSW "Sección 1-3 Estudiar la vida" y amp GRSW "Sección 1-4 Herramientas y procedimientos"
2. hoja de trabajo "Revisión de conceptos clave para la revisión de las secciones 1-3 y 1-4"
* Prueba de 1-3 y 1-4 Miércoles (10-2-19) (25 misión)
* TEST capítulo 1 viernes (10-4-19) (50 puntos)
* entregar el laboratorio: el microscopio
* Microscopio y verificación de amplificador 1, 2, 3, 4
* consultar Trabajo en clase / HW: (Ambos vencen mañana)
1. hojas de trabajo GRSW “Sección 1-3 Estudiar la vida” y amp GRSW “Sección 1-4 Herramientas y procedimientos”
2. hoja de trabajo "Revisión de conceptos clave para la revisión de las secciones 1-3 y 1-4"
* Prueba de 1-3 y 1-4 mañana (búsqueda 25)
* TEST capítulo 1 viernes (10-4-19) (50 puntos)

1. hojas de trabajo GRSW "Sección 1-3 Estudiar la vida" y amp GRSW "Sección 1-4 Herramientas y procedimientos"


Porcentaje de abundancia natural

La mayoría de los elementos ocurren naturalmente como una mezcla de dos o más isótopos. La siguiente tabla muestra los isótopos naturales de varios elementos, junto con la porcentaje de abundancia natural de cada.

Tabla ( PageIndex <1> ): Masas atómicas y porcentajes de abundancia de algunos isótopos naturales
Elemento Isótopo (símbolo) Porcentaje de abundancia natural Masa atómica ( left ( text Derecha)) Masa atómica promedio ( left ( text Derecha))
Hidrógeno ( ce <_1 ^ 1H> ) 99.985 1.0078 1.0080
( ce <_1 ^ 2H> ) 0.015 2.0141
( ce <_1 ^ 3H> ) despreciable 3.0160
Carbón ( ce <_6 ^ <12> C> ) 98.89 12.000 12.011
( ce <_6 ^ <13> C> ) 1.11 13.003
( ce <_6 ^ <14> C> ) rastro 14.003
Oxígeno ( ce <_8 ^ <16> O> ) 99.759 15.995 15.999
( ce <_8 ^ <17> O> ) 0.037 16.995
( ce <_8 ^ <18> O> ) 0.204 17.999
Cloro ( ce <_ <17> ^ <35> Cl> ) 75.77 34.969 35.453
( ce <_ <17> ^ <37> Cl> ) 24.23 36.966
Cobre ( ce <_ <29> ^ <63> Cu> ) 69.17 62.930 63.546
( ce <_ <29> ^ <65> Cu> ) 30.83 64.928

Para algunos elementos, un isótopo particular predomina en gran medida sobre los otros isótopos. El hidrógeno natural es casi todo hidrógeno-1 y el oxígeno natural es casi todo oxígeno-16. Para muchos otros elementos, sin embargo, puede existir más de un isótopo en cantidades más sustanciales. El cloro (número atómico 17) es un gas tóxico de color verde amarillento. Aproximadamente tres cuartas partes de todos los átomos de cloro tienen 18 neutrones, lo que les da a esos átomos un número de masa de 35. Aproximadamente una cuarta parte de todos los átomos de cloro tienen 20 neutrones, lo que les da a esos átomos un número de masa de 37. Si calculara simplemente el promedio aritmético de la preciso masas atómicas, obtendrías 36.

Claramente, la masa atómica promedio real de la última columna de la tabla es significativamente menor. ¿Por qué? Necesitamos tener en cuenta el porcentaje de abundancia natural de cada isótopo para calcular el peso promedio. La masa atómica de un elemento es el promedio ponderado de las masas atómicas de los isótopos naturales de ese elemento. El siguiente problema de muestra demuestra cómo calcular la masa atómica del cloro.

Utilice las masas atómicas de cada uno de los dos isótopos de cloro junto con el porcentaje respectivo de abundancia natural para calcular la masa atómica promedio de cloro.

Paso 1: enumere las cantidades conocidas y desconocidas y planifique el problema.

  • Cloro-35: masa atómica (= 34.969 : text) y porcentaje de abundancia (= 75,77 \% )
  • Cloro-37: masa atómica (= 36.966 : text) y porcentaje de abundancia (= 24,23 \% )

Cambie cada porcentaje de abundancia en forma decimal dividiendo por 100. Multiplique este valor por la masa atómica de ese isótopo. Suma cada isótopo para obtener la masa atómica promedio.

[empezar exto & amp 0.7577 times 34.969 = 26.50 : text exto & amp 0.2423 times 36.966 = 8.957 : text exto & amp 26.50 + 8.957 = 35.46 : text fin]

Nota: La aplicación de reglas de cifras significativas da como resultado el (35.45 : text) resultado sin excesivo error de redondeo. En un solo paso:

[ left (0.7577 times 34.969 right) + left (0.2423 times 36.966 right) = 35.46 : text]

Paso 3: Piense en su resultado.

La masa atómica promedio calculada está más cerca de 35 que de 37 porque un mayor porcentaje de átomos de cloro naturales tienen el número de masa de 35. Concuerda con el valor de la tabla anterior.


¿Por qué son importantes los átomos?

Los átomos son importantes porque forman los bloques de construcción básicos de toda la materia visible en el universo. Hay 92 tipos de átomos que existen en la naturaleza, y en el laboratorio se pueden producir otros tipos de átomos. Los diferentes tipos de átomos se denominan elementos.

El hidrógeno, el oro y el hierro son ejemplos de elementos compuestos por tipos únicos de un solo tipo de átomo. Los átomos también pueden combinarse en proporciones fijas para formar moléculas. El agua es una molécula compuesta por dos átomos de hidrógeno y un solo átomo de oxígeno unidos entre sí.

Los átomos están compuestos por partículas aún más pequeñas llamadas neutrones, protones y electrones. Los neutrones y protones tienen cargas positivas y son muy grandes y pesados ​​en comparación con los electrones. Estas dos partículas existen en el núcleo del átomo, que se encuentra en su centro. La mayor parte de la masa del átomo se encuentra en el núcleo.

Los electrones orbitan el núcleo atómico de manera muy similar a como la Tierra orbita el sol. Los electrones pueden almacenar energía en el movimiento de estos electrones alrededor del núcleo. Esta energía química permite que el átomo participe en reacciones químicas para formar compuestos. Los electrones pueden obtener energía de la luz, saltando más lejos del átomo. Cuando saltan hacia atrás, pueden deshacerse de esta energía extra emitiendo luz propia.


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Enlaces covalentes

Otra forma en que se puede satisfacer la regla del octeto es compartiendo electrones entre átomos para formar enlaces covalentes. Estos enlaces son más fuertes y mucho más comunes que los enlaces iónicos en las moléculas de los organismos vivos. Los enlaces covalentes se encuentran comúnmente en moléculas orgánicas basadas en carbono, como nuestro ADN y proteínas. Los enlaces covalentes también se encuentran en moléculas inorgánicas como H2O, CO2y O2. Se pueden compartir uno, dos o tres pares de electrones, formando enlaces simples, dobles y triples, respectivamente. Cuantos más enlaces covalentes entre dos átomos, más fuerte es su conexión. Por tanto, los triples enlaces son los más fuertes.

La fuerza de los diferentes niveles de enlace covalente es una de las principales razones por las que los organismos vivos tienen dificultades para adquirir nitrógeno para usarlo en la construcción de sus moléculas, a pesar de que el nitrógeno molecular, N2, es el gas más abundante en la atmósfera. El nitrógeno molecular consta de dos átomos de nitrógeno con enlaces triples entre sí y, como ocurre con todas las moléculas, el hecho de compartir estos tres pares de electrones entre los dos átomos de nitrógeno permite el llenado de sus capas externas de electrones, lo que hace que la molécula sea más estable que el individuo. átomos de nitrógeno. Este fuerte triple enlace dificulta que los sistemas vivos rompan este nitrógeno para usarlo como constituyentes de proteínas y ADN.

La formación de moléculas de agua proporciona un ejemplo de enlace covalente. Los átomos de hidrógeno y oxígeno que se combinan para formar moléculas de agua están unidos por enlaces covalentes. El electrón del hidrógeno divide su tiempo entre la capa externa incompleta de los átomos de hidrógeno y la capa externa incompleta de los átomos de oxígeno. Para llenar completamente la capa exterior de oxígeno, que tiene seis electrones en su capa exterior pero que sería más estable con ocho, se necesitan dos electrones (uno de cada átomo de hidrógeno): de ahí la conocida fórmula H2O. Los electrones se comparten entre los dos elementos para llenar la capa exterior de cada uno, haciendo que ambos elementos sean más estables.

Vea este breve video para ver una animación de enlaces iónicos y covalentes.


Enlaces covalentes polares

Hay dos tipos de enlaces covalentes: polares y apolares. en un enlace covalente polar, mostrado en la Figura 2, los electrones son compartidos de manera desigual por los átomos y son atraídos más hacia un núcleo que hacia el otro. Debido a la distribución desigual de electrones entre los átomos de diferentes elementos, una (δ+) o ligeramente negativo (δ-) se desarrolla la carga. Esta carga parcial es una propiedad importante del agua y explica muchas de sus características.

El agua es una molécula polar, con los átomos de hidrógeno adquiriendo una carga positiva parcial y el oxígeno una carga negativa parcial. Esto ocurre porque el núcleo del átomo de oxígeno es más atractivo para los electrones de los átomos de hidrógeno que el núcleo de hidrógeno para los electrones del oxígeno. Por tanto, el oxígeno tiene una mayor electronegatividad que el hidrógeno y los electrones compartidos pasan más tiempo en la vecindad del núcleo de oxígeno que cerca del núcleo de los átomos de hidrógeno, dando a los átomos de oxígeno e hidrógeno cargas ligeramente negativas y positivas, respectivamente. Otra forma de decir esto es que la probabilidad de encontrar un electrón compartido cerca de un núcleo de oxígeno es más probable que la de encontrarlo cerca de un núcleo de hidrógeno. De cualquier manera, la electronegatividad relativa del átomo contribuye al desarrollo de cargas parciales siempre que un elemento es significativamente más electronegativo que el otro, y las cargas generadas por estos enlaces polares pueden usarse para la formación de enlaces de hidrógeno basados ​​en la atracción de cargas parciales opuestas. (Los enlaces de hidrógeno, que se analizan en detalle a continuación, son enlaces débiles entre átomos de hidrógeno con carga levemente positiva y átomos con carga levemente negativa en otras moléculas). Dado que las macromoléculas a menudo tienen átomos dentro de ellas que difieren en electronegatividad, los enlaces polares a menudo están presentes en moléculas orgánicas. .

Enlaces covalentes no polares

Figura 2. El hecho de que una molécula sea polar o no polar depende tanto del tipo de enlace como de la forma molecular. Tanto el agua como el dióxido de carbono tienen enlaces covalentes polares, pero el dióxido de carbono es lineal, por lo que las cargas parciales de la molécula se cancelan entre sí.

Enlaces covalentes no polares se forman entre dos átomos del mismo elemento o entre diferentes elementos que comparten electrones por igual. Por ejemplo, oxígeno molecular (O2) es no polar porque los electrones se distribuirán por igual entre los dos átomos de oxígeno.

Otro ejemplo de enlace covalente no polar es el metano (CH4), que también se muestra en la Figura 2. El carbono tiene cuatro electrones en su capa más externa y necesita cuatro más para llenarla. Obtiene estos cuatro de cuatro átomos de hidrógeno, cada uno de los cuales proporciona uno, lo que forma una capa exterior estable de ocho electrones. El carbono y el hidrógeno no tienen la misma electronegatividad pero son similares, por lo que se forman enlaces no polares. Cada uno de los átomos de hidrógeno necesita un electrón para su capa más externa, que se llena cuando contiene dos electrones. Estos elementos comparten los electrones por igual entre los átomos de carbono y de hidrógeno, creando una molécula covalente apolar.

Mire este video para obtener otra explicación de los enlaces covalentes y cómo se forman:


Impresión mecánica de átomos en cerámica ferroeléctrica

Las electrocerámicas como los condensadores son componentes esenciales en los dispositivos electrónicos. Intervenir en su estructura cristalina puede cambiar propiedades específicas. Así, por ejemplo, se pueden usar métodos químicos para reemplazar átomos individuales en la red cristalina por otros. Se puede crear una forma estable reemplazando una serie completa de átomos en lugar de uno solo. Un equipo internacional de investigadores bajo la dirección de la TU Darmstadt ha logrado, por primera vez, insertar una dislocación en una cerámica ferroeléctrica imprimiendo mecánicamente los átomos en el material, un procedimiento que hasta ahora solo se ha utilizado en metales. Los hallazgos se han publicado en Science, la reconocida revista.

El mercado mundial de la electrocerámica ronda los 25.000 millones de euros al año. Estos componentes muy pequeños a menudo ni siquiera se perciben en la vida diaria. Un teléfono inteligente por sí solo contiene 600 condensadores, 3 billones, es decir, 3000 mil millones, de los cuales se fabrican cada año. La forma en que funcionan muchas electrocerámicas no se basa en el flujo de corriente a través del material, sino en pequeñas dislocaciones de carga, llamadas polarización, sobre fracciones de un diámetro atómico. Aproximadamente una cuarta parte de las electrocerámicas producidas en el mundo vinculan esta polarización a una extensión del material, que a su vez se puede ajustar con la precisión de un diámetro atómico. Solo entonces se pueden estructurar componentes informáticos y micro-robots cada vez más pequeños.

Reemplazo de series atómicas en el átomo

Las propiedades de las electrocerámicas se pueden mejorar mediante el uso de intervenciones químicas para reemplazar átomos individuales en la red cristalina de forma regular con otros (dotación), un poco como sentar a un solo fan del Borussia Dortmund con una camiseta negra y amarilla en un cine lleno de Fans del FC Bayern de Múnich en camisetas rojas. Sin embargo, donde existen requisitos especiales, como una mayor temperatura o voltaje eléctrico, el átomo dotado perdería su lugar (el ventilador se empujaría), en detrimento de la función de la cerámica.

Monocristal con reflejos de dominio en el sol poniente. Crédito: Marion Höfling

La instalación de átomos individuales en una red de cristal de cerámica no es lo suficientemente estable para requisitos complejos, pero la instalación de series atómicas completas (desplazamiento) es robusta. En el ejemplo del fútbol, ​​esto correspondería a tener una fila de aficionados del Borussia entre los aficionados del Bayern. Los científicos de materiales de tres grupos de trabajo de la TU Darmstadt están cooperando con grupos de investigación de Suiza, los Países Bajos y los Estados Unidos en la investigación de estos desplazamientos.

Nuevos átomos, nuevas propiedades

“Los métodos químicos ya no son suficientes para los desplazamientos planificados”, explica el profesor Jürgen Rödel, director del grupo de investigación de materiales inorgánicos no metálicos de la TU Darmstadt. En cambio, los investigadores lograron lograr el desplazamiento mecánicamente. Utilizaron un proceso en el que las cerámicas se deforman mecánicamente bajo condiciones de presión y temperatura controladas para que el desplazamiento se pueda imprimir en la cerámica. Un enfoque como este es trivial con los metales, pero hasta ahora se consideraba en gran parte imposible con la cerámica debido a su tremenda dureza. Además, la superficie de la cerámica es extremadamente frágil y puede romperse fácilmente. Para superar estos obstáculos, los científicos llevaron a cabo una impresión mecánica a 1150 grados Celsius en un solo cristal de la orientación optimizada previamente calculada.

Este método ahora permite un campo bien ordenado de filas atómicas recién ocupadas. Estas series controlan la polarización local, la dislocación de la carga, en el material. Como la serie impresa limita claramente la polarización, no puede perder estructura incluso en condiciones de funcionamiento muy elevadas. En el funcionamiento de la electrocerámica, las áreas materiales ahora delimitadas por la serie (desplazamientos) toman ciertos turnos de carga continuando con la analogía del fútbol, ​​es como si la afición del Bayern se inclinara hacia adelante o hacia los lados por tramos. Como estas áreas de material no cambian en condiciones elevadas, la fricción interna no convierte energía y el comportamiento del material permanece estable.

Estos materiales ahora permiten asegurar propiedades consistentes incluso a temperaturas elevadas y con un mayor uso de energía. Al mismo tiempo, los investigadores están abordando la reducción de costes necesaria para proporcionar los desplazamientos mediante varias opciones de impresión mecánica.

Referencia: & # 8220 Control de polarización en ferroeléctricos a granel por impresión de dislocación mecánica & # 8221 por Marion Höfling, Xiandong Zhou, Lukas M. Riemer, Enrico Bruder, Binzhi Liu, Lin Zhou, Pedro B. Groszewicz, Fangping Zhuo, Bai-Xiang Xu, Karsten Durst, Xiaoli Tan, Dragan Damjanovic, Jurij Koruza y Jürgen Rödel, 28 de mayo de 2021, Ciencias.
DOI: 10.1126 / science.abe3810

Proyecto Reinhart Koselleck

La DFG ha dotado a la “Investigación de desplazamientos en cerámica” como proyecto de Reinhart Koselleck con 1,25 millones de euros durante cinco años. El programa tiene como objetivo la libertad para la investigación particularmente innovadora y, en el sentido positivo, arriesgada, por lo que honra a científicos de gran renombre. Esta es la primera vez que el profesor Jürgen Rödel solicita este tipo de apoyo DFG para TU Darmstadt. En los campos adyacentes del transporte de carga y el aumento de la fiabilidad de la cerámica (cerámica dúctil), ya ha habido una serie de publicaciones de alto rango y las primeras solicitudes de patente para su proyecto. El número de socios de investigación internacionales está aumentando muy rápidamente y también incluye equipos en Inglaterra, China y Japón en particular.


4.19 - 4.22 Alcanos

La serie Alkane es una familia de hidrocarburos. El nombre técnico para este tipo de "familia" es una "serie homóloga". Las moléculas de alcano contienen átomos de hidrógeno y carbono únicamente.

La fórmula general para los alcanos es CnorteH2n + 2

Conocimientos previos asumidos

4.1 - 4.7 Química orgánica

4.7 - 4.9 Petróleo crudo

4.19- 4.21 Actividad 1. Del uno al diez

Los estudiantes deben:

  • 4.19 conoce la fórmula general de los alcanos
  • 4.20 explique por qué los alcanos se clasifican como hidrocarburos saturados
  • 4.21 comprender cómo dibujar las fórmulas estructurales y mostradas para alcanos con hasta cinco átomos de carbono en la molécula y nombrar los isómeros de cadena no ramificada

Use los primeros 3 minutos y 20 segundos del video aquí para ayudarlo a responder las preguntas a continuación:

  1. ¿Por qué los alcanos se consideran hidrocarburos saturados?
  2. ¿Cuántos enlaces covalentes necesita formar un átomo de carbono para volverse estable?
  3. ¿Cómo se conoce también el metano?
  4. ¿Para qué se utiliza el metano?
  5. ¿Cuál es la fórmula del etano?
  6. ¿Cuál es la fórmula del pentano?
  7. ¿Y Decane?
  8. ¿Cuál es la fórmula general de los alcanos?
  1. Los alcanos se consideran hidrocarburos saturados porque solo tienen enlaces simples entre sus átomos de carbono.
  2. ¿Un átomo de carbono necesita formar cuatro enlaces para volverse estable?
  3. Metano también conocido como gas natural
  4. El metano se utiliza para calentar y cocinar.
  5. La fórmula del etano es C2H6
  6. La fórmula del pentano es C 5 H12
  7. La fórmula del decano es C 10 H22
  8. La fórmula general para los alcanos es C norte H2n + 2

4.22 Actividad 2. Hora de una sustitución

Los estudiantes deben:

  • 4.22 describir las reacciones de alcanos con halógenos en presencia de radiación ultravioleta, limitado a la mono-sustitución, no se requiere conocimiento de los mecanismos de reacción

Aquí analizamos la forma en que los alcanos reaccionan con los halógenos (por ejemplo, el cloro Cl2). Cuando el cloro se mezcla con metano (CH4 ) no pasa nada hasta que la mezcla se irradia con radiación ultravioleta.


Los puntos cuánticos mantienen los átomos espaciados para impulsar la catálisis

Los ingenieros de la Universidad de Rice han liderado el desarrollo de un proceso que utiliza puntos cuánticos de grafeno funcionalizado para atrapar metales de transición para una catálisis de un solo átomo con una carga de metal más alta. Crédito: Grupo Wang / Universidad Rice

Espera, grafeno. En serio, su agarre podría ayudar a hacer mejores catalizadores.

Los ingenieros de la Universidad de Rice han reunido lo que dicen que puede transformar la catálisis química al aumentar en gran medida la cantidad de átomos individuales de metales de transición que se pueden colocar en un portador de carbono.

La técnica utiliza puntos cuánticos de grafeno (GQD), partículas de 3-5 nanómetros del material de carbono 2D superfuerte, como soportes de anclaje. Estos facilitan átomos individuales de metales de transición de alta densidad con suficiente espacio entre los átomos para evitar aglomeraciones.

Un equipo internacional liderado por el ingeniero químico y biomolecular Haotian Wang de la Escuela de Ingeniería Brown de Rice y Yongfeng Hu de Canadian Light Source en la Universidad de Saskatchewan, Canadá, detalló el trabajo en Química de la naturaleza.

Demostraron el valor de su síntesis general de catalizadores de un solo átomo de alta carga de metales al hacer un catalizador de níquel mejorado con GQD que, en una prueba de reacción, mostró una mejora significativa en la reducción electroquímica de dióxido de carbono en comparación con un catalizador de níquel más bajo. catalizador de carga de níquel.

Wang dijo que los metales nobles costosos como el platino y el iridio son ampliamente estudiados por la comunidad de catalizadores de un solo átomo con el objetivo de reducir la masa necesaria para las reacciones catalíticas. Pero los metales son difíciles de manipular y normalmente constituyen una pequeña porción, del 5 al 10% en peso o menos, del catalizador total, incluidos los materiales de soporte.

Por el contrario, el laboratorio de Wang logró cargas de metales de transición en un catalizador de un solo átomo de iridio de hasta el 40% en peso, o de 3 a 4 átomos de un solo metal espaciados por cada cien átomos de sustrato de carbono. (Eso es porque el iridio es mucho más pesado que el carbono).

"Este trabajo se centra en una pregunta fundamental pero muy interesante que siempre nos hacemos: ¿cuántos átomos individuales más podemos cargar en un soporte de carbono y no terminar con agregación?" dijo Wang, cuyo laboratorio se centra en la catálisis energéticamente eficiente de sustancias químicas valiosas.

"Cuando se reduce el tamaño de los materiales a granel a nanomateriales, el área de la superficie aumenta y la actividad catalítica mejora", dijo. "In recent years, people have started to work on shrinking catalysts to single atoms to present better activity and better selectivity. The higher loading you reach, the better performance you could achieve."

"Single atoms present the maximum surface area for catalysis, and their physical and electronic properties are very different compared to bulk or nanoscale systems," he said. "In this study, we wanted to push the limit of how many atoms we can load onto a carbon substrate."

He noted that the synthesis of single-atom catalysts has to now been a "top-down" or "bottom-up" process. The first requires making vacancies in carbon sheets or nanotubes for metal atoms, but because the vacancies are often too large or not uniform, the metals can still aggregate. The second involves annealing metal and other organic precursors to "carbonize" them, but the metals still tend to cluster.

The new process takes a middle approach by synthesizing GQDs functionalized with amine linkers and then pyrolyzing them with the metal atoms. The amines crosslink with the metal ions and keep them spread out, maximizing their availability to catalyze reactions.

"The maximum appears to be about 3-4 atomic percent using this approach," Wang said. "Future challenges include how to further increase the density of single atoms, ensure high stability for real applications and scale up their synthesis processes."


Ver el vídeo: Tema 1: Átomo, Molécula y Biomoléculas (Diciembre 2022).