Compuestos con enlace metálico polar.

Compounds with Polar Metallic Bonding. Constantin Hoch (Ed.). MDPI Books, 2019. https://doi.org/10.3390/books978-3-03921-071-84

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La edición especial «Compounds with Polar Metallic Bonding» es una colección de ocho informes de investigación originales que presentan una amplia variedad de sistemas químicos, métodos analíticos, vías de preparación y descripciones teóricas de situaciones de enlace, con el objetivo común de comprender la compleja interacción de los electrones de conducción en compuestos intermetálicos que poseen diferentes tipos de dipolos.

Los dipolos coulómbicos introducidos por las diferencias de electronegatividad, los dipolos eléctricos o magnéticos, la polaridad inducida por la reducción de la simetría -todas las facetas posibles del término «polaridad»- pueden observarse en las fases intermetálicas polares y tienen sus propias y, en la mayoría de los casos, únicas consecuencias en el comportamiento físico y químico.

El esclarecimiento de las relaciones estructura-propiedad en los compuestos con enlace metálico polar es un campo científico moderno y creciente que combina la física del estado sólido, la química preparatoria, la metalurgia, los métodos analíticos modernos, la cristalografía, los cálculos teóricos del estado electrónico y muchas otras disciplinas.

La Galaxia Musical : La tristeza de ser electrón

Bienvenido a La Galaxia Musical. Todos los viernes en Vasos Comunicantes. 

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“Pasaron varios siglos sin que el hombre descubriera que vivía a su manera el electrón”.

electron - Buscar con Google

En los años ochenta, los hijos de Rocío  Dúrcal sacaron un disco que incluía una canción especialmente curiosa: “La tristeza de ser electrón“. La canción narra, con muchas referencias de física, el drama de un electrón enamorado de un protón inalcanzable.

Con los años, ha demostrado ser un tema que ha calado más allá del mundo infantil. La han versionado varios músicos: Prin’ La LáDon MatíasParadePapa Topo y, a petición del programa Cachitos de hierro  y cromo, de La2, también Josele Santiago.

 “Qué triste ser electrón, vivir en una nube, el electrón se aburre por definición”.

La tristeza se debe a que mientras que los protones (y los neutrones) se encuentran en el núcleo atómico, los electrones están en lo que se conoce como “la nube de electrones” (alejados del núcleo). Por eso se aburre el electrón. El que sea “por definición” es una expresión muy utilizada en la física. A veces se infiere un resultado a través de experimentos, que luego se concreta en una definición.

El autor de ‘La tristeza de ser electrón’: “A pesar de toda la física que he estudiado, tengo más facilidad para la música.” – UBUInvestiga

 

El autor del tema se llama  Carlos Fernández Tejero y es profesor de Física en la Universidad Complutense de Madrid. Además de tener publicados libros de física, como “100 problemas de Física Estadística«,  aparece como autor en la web Discologs.com, donde se revela parte de su trayectoria como autor de canciones para otros cantantes, como Cecilia, Mocedades, Vicky Larraz y Sergio y Estíbaliz.


La letra juega con el equívoco entre el amor y la atracción eléctrica entre un electrón y un protón (la ley de Coulomb, del que habla la canción). Hay también una referencia sutil al principio de indeterminación de Heisenberg.

La ley de Coulomb

La Ley de Coulomb , que establece cómo es la fuerza entre dos cargas eléctricas puntuales, constituye el punto de partida de la Electrostática como ciencia cuantitativa.

Fue descubierta por Priestley en 1766, y redescubierta por Cavendish pocos años después, pero fue Coulomb en 1785 quien la sometió a ensayos experimentales directos.

Entendemos por carga puntual una carga eléctrica localizada en un punto geométrico del espacio. Evidentemente, una carga puntual no existe, es una idealización, pero constituye una buena aproximación cuando estamos estudiando la interacción entre cuerpos cargados eléctricamente cuyas dimensiones son muy pequeñas en comparación con la distancia que existen entre ellos.

La Ley de Coulomb dice que «la fuerza electrostática entre dos cargas puntuales es proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa, y tiene la dirección de la línea que las une. La fuerza es de repulsión si las cargas son de igual signo, y de atracción si son de signo contrario».

La ley de Coulomb tiene la misma forma funcional que la ley de la Gravitación Universal.

Es importante hacer notar en relación a la ley de Coulomb los siguientes puntos:

  • Cuando hablamos de la fuerza entre cargas eléctricas estamos siempre suponiendo que éstas se encuentran en reposo (de ahí la denominación de Electrostática); Nótese que la fuerza eléctrica es una cantidad vectorial, posee magnitud, dirección  y sentido.
  • Las fuerzas electrostáticas cumplen la tercera ley de Newton (ley de acción y reacción) ; es decir, las fuerzas que dos cargas eléctricas puntualesejercen entre sí son iguales en módulo y dirección , pero de sentido contrario :

Fq → q = −Fq → q ;

x
Representación gráfica de la Ley de Coulomb para dos cargas del mismo signo.

En términos matemáticos, esta ley se refiere a la magnitud F de la fuerza que cada una de las dos cargas puntuales ejerce sobre la otra separadas por una distancia y se expresa en forma de ecuación como:

Ley_Coulomb001

es una constante conocida como constante Coulomb y las barras denotan valor absolutoes el vector Fuerza que sufren las cargas eléctricas. Puede ser de atracción o de repulsión, dependiendo del signo que aparezca (en función de que las cargas sean positivas o negativas).

  • Si las cargas son de signo opuesto (+ y –), la fuerza «F» será negativa, lo que indica atracción.
  • Si las cargas son del mismo signo (– y –   ó   + y +), la fuerza «F» será positiva, lo que indica repulsión.
x

En el gráfico vemos que, independiente del signo que ellas posean,  las fuerzas se ejercen siempre en la misma dirección (paralela a la línea que representa r), tienen siempre igual módulo o valor (q x q = q x q ) y siempre se ejercen en sentido contrario entre ellas.

Recordemos que la unidad por carga eléctrica en el Sistema Internacional (SI) es el Coulomb.

  • Hasta donde sabemos la ley de Coulomb es válida desde distancias de muchos kilómetros hasta distancias tan pequeñas como las existentes entre protones y electrones en un átomo.

Interferencia cuántica de electrones a temperatura ambiente

Resultado de imagen de DOI: 10.1038/s41565-018-0258-0

Investigadores de España y Holanda han desarrollado un dispositivo con dos hojas de grafeno que permite estudiar fenómenos cuánticos a altas temperaturas en una atmósfera normal. El avance podría ser utilizado como una herramienta ultrasensible para detectar y controlar moléculas biológicas como el ADN y las proteínas.

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Un equipo internacional con participación del Centro de Investigación en Nanomateriales y Nanotecnología, un centro mixto del CSIC y la Universidad de Oviedo, ha fabricado un nuevo dispositivo con dos hojas de grafeno, que permiter estudiar fenómenos cuánticos a altas temperaturas en una atmósfera normal.

El desarrollo, cuya fabricación aparece detallada en el último número de la revista Nature Nanotechnology, (VER ARTICULOpodría ser utilizado como una herramienta ultrasensible para detectar y controlar moléculas biológicas como el ADN y las proteínas, según los autores.

Las leyes de la física cuántica establecen que cualquier entidad física debe comportarse a la vez como onda y como partícula, un fenómeno llamado dualidad onda-corpúsculo. Los electrones se manifiestan habitualmente como partículas, y su naturaleza ondulatoria se ve habitualmente sólo a temperaturas muy bajas y en una atmósfera de ultraalto vacío.

“Este hecho impide poder explotar las potencialidades de la física cuántica en las máquinas que se emplean a diario.  El nuevo dispositivo usado en este estudio demuestra que puede no estar muy lejos el día en que las potencialidades de la física cuántica permitan hacer y usar dispositivos electrónicos de ciencia ficción”, explica Jaime Ferrer, uno de los autores.

Las dos hojas de grafeno resbalan una encima de la otra, con un deslizamiento que los investigadores han conseguido controlar con una precisión atómica. También han medido la corriente eléctrica que fluye a través del dispositivo y han observado que su intensidad presenta fuertes oscilaciones.

Naturaleza ondulatoria de los electrones

“El estudio demuestra que la fuente de esas oscilaciones observadas experimentalmente radica en la naturaleza ondulatoria de los electrones. Las ondas electrónicas rebotan una y otra vez en los bordes de las hojas de grafeno y producen un patrón de interferencias, que origina el carácter oscilatorio de la corriente eléctrica medida experimentalmente”, agrega Ferrer.

Gracias a este trabajo, que se enmarca en el programa europeo de Horizonte 2020 Graphene Flagship, los científicos son ahora capaces de reproducir las mismas oscilaciones tantas veces como quieran, en atmósfera y temperatura ambientes. Además han demostrado que estas oscilaciones dependen de la diferencia en las distancias que viajan las distintas ondas electrónicas al reflejarse en los bordes y, por tanto, dependen de la posición relativa de las dos hojas de grafeno.


Referencia bibliográfica:

Sabina Caneva, Pascal Gehring, Víctor M. García-Suárez, Amador García-Fuente, Davide Stefani, Ignacio J. Olavarria-Contreras, Jaime Ferrer, Cees Dekker y Herre S. J. van der Zant. «Mechanically controlled quantum interference in graphene break junctions». Nature Nanotechnology. DOI: 10.1038/s41565-018-0258-0


 

Describir una reacción química con las transferencias de electrones

Investigadores de la Universidad Jaume I de Castellón y la Universidad Pierre y Marie Curie de París han descrito una nueva metodología que, basándose en medidas físicas, permite la descripción de una reacción química a partir de las transferencias de electrones que forman los enlaces. De esta forma se pueden fundamentar las descripciones tradicionales de los mecanismos de las reacciones.

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Juan Andrés,  Patricio González-Navarrete,  Vicent Sixte Safont  and  Bernard Silvi. “Curly arrows, electron flow, and reaction mechanisms from the perspective of the bonding evolution theory”. Phys. Chem. Chem. Phys., 2017, 19, 29031-29046. DOI: 10.1039/ C7CP06108K.

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La naturaleza del vínculo químico es, hoy en día, muy controvertida, porque no existe una definición única y precisa en la que estén de acuerdo químicos y físicos. Sin embargo, conocer la distribución de la densidad de electrones durante una reacción química puede proporcionar datos fundamentales para comprenderla y controlarla siendo uno de los objetivos principales de la química.

Investigadores del departamento de Química Física de la Universidad Jaume I de Castellón y de la Universidad Pierre y Marie Curie de París han descrito una nueva metodología que permite, basándose en observables físicos que se pueden medir, recuperar la descripción de una reacción química a partir de las transferencias de electrones que forman los enlaces, dotando así de fundamento las descripciones tradicionales de los mecanismos de las reacciones. El trabajo se ilustra con algunos ejemplos paradigmáticos.

La teoría de la evolución del enlace

Los investigadores han aplicado la teoría de la evolución del enlace (Bonding Evolution Theory, BET), que tiene como objetivo explicar los procesos de formación y rotura de los enlaces químicos, y han recuperado las flechas usadas para describir los reordenamientos electrónicos, proporcionando bases físicas detalladas para este tipo de representación en el marco de la mecánica cuántica.

FUENTE: www.agenciasinc.es

Movimiento combinado de núcleos y electrones

L. Cattaneo, J. Vos, R. Y. Bello, A. Palacios, S. Heuser, L. Pedrelli, M. Lucchini, C. Cirelli, F. Martín & U. Keller. «Attosecond coupled electron and nuclear dynamics in dissociative ionization of H2«Nature Physics.  Doi:10.1038/s41567-018-0103-2.

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Fig. 1

Utilizando tecnología láser de attosegundo, la trillonésima parte de un segundo, investigadores de la Universidad Autónoma de Madrid, IMDEA Nanociencia y el Instituto Politécnico de Zurich han logrado observar por primera vez el movimiento correlacionado de electrones y núcleos en una molécula de hidrógeno. Los resultados podrían permitir la manipulación de las propiedades de cualquier enlace químico.

Gracias a los espectaculares avances que la tecnología láser ha experimentado en la última década, hoy es posible visualizar el movimiento de los electrones en el interior de átomos y moléculas. Para esto se utilizan pulsos de luz ultravioleta o de rayos X con una duración de tan sólo unos pocos cientos de attosegundos (10 -18segundos), que es la escala de tiempo en la que se mueven los electrones de forma natural.

En una molécula, además de los electrones, también se mueven los núcleos atómicos que la componen. En un reciente trabajo publicado en la revista Nature Physics, los investigadores  observaron por primera vez el movimiento combinado de electrones y núcleos en la molécula de hidrógeno (H2), demostrando explícitamente que existe una enorme interdependencia entre ellos.

Como electrones y núcleos son los responsables de la formación de enlaces químicos en las moléculas (desde el H2 al ADN), estos resultados abren la puerta a manipular las propiedades de estos enlaces actuando indistintamente sobre electrones o núcleos en intervalos de tiempos del orden de los attosegundos.