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8/19/2019 02 Estructura de La Materia 2 388521
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Renato Vargas S Ingeniero Civil
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ESTRUCTURA DE LA MATERIA
Materiales de Ingeniería
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La materia esta formada por Átomos. Los Átomos a su vez constan de un núcleo
y electrones circundantes.
El núcleo tiene carga positiva protones yneutrones!El número de unidades de carga positivaprotones! es el "# at$micoEl número de electrones es igual al deprotones e%uili&rio electroest'tico
Estructura de la (ateria
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Estructura de la (ateria El núcleo puede contener tam&i*n
neutrones. La suma del número de protones y
neutrones nucleones! es el peso at$mico. El núcleo tiene dimensiones del orden de
1+,1) a 1+,1- cm y los 'tomos tiene
dimensiones del orden ) a /0 (1 Å = 10-7 mm) 0 2ngstrom 131+.+++.+++.+++ m
= 1x 10-10 m = 0,000.000.000.1 m-
Estructura de la (ateria
Casi todas las propiedades f4sicas y%u4micas de los 'tomos depende delnúmero y de la distri&uci$n de sus
electrones e5teriores. 6ay un modelo simple y f'cil de visualizarde la estructura del 'tomo7 el modelo deBohr. 8e acuerdo a *l los electrones giranalrededor del núcleo en or&itas definidasllamadas 9Estados estacionarios deenerg4a: en %ue no ;ay radiaci$n
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Estructura de la (ateria La emisi$n o a&sorci$n de radiaci$n se
produce al pasar un electr$n de un estadoestacionario a otro.
El número de núcleos de energ4a o estadosestacionarios est' determinado por lacondici$n cu'ntica de %ue el momentoangular del electr$n sea un múltiplo enterode ;3)π en %ue ; es la cte. de =lanc>; ??)? 5 1+,-< @ s!
La energ4a según =lan>A 8onde7 n 1 ) B y v frecuencia de emisi$n o a&sorci$n
de energ4a radiante Carga del e ,1?+ 5 1+,1D coulom&s (asa D1 5 1+,-1 >g
?
vhn E ⋅⋅=
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Estructura de la (ateria Cada una de esas or&itas est' caracterizada
por dos números cu'nticos el principal 9n:y el azimutal 9>:.
=ara un valor dado de n > puede tener nvalores consecutivos a partir de 1 y laraz$n n3> es la raz$n entre los ees mayory menor de la $r&ita e5centricidad!
VER7
;ttp733FFF.c;em.arizona.edu3c;emt3sim3&o;r3
Estructura de la (ateria
Este modelo no concuerda con las ideasactuales %ue seGalan %ue no se puededeterminar simult'neamente con precisi$n
la posici$n y la velocidad del electr$n7 las$r&itas en lugar de ser c4rculos o elipses&ien definidos son regiones del espacioocupadas por nu&es de electrones dedensidad varia&le en %ue ;ay unadeterminada pro&a&ilidad de encontrar unelectr$n.
H
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Estructura de la (ateria Según los nuevos conceptos se re%uiere de
cuatro números cu'nticos para definir elestado energ*tico de cada electr$n conrespecto al núcleo.
Son ellos el número principal 9n: %ue tomavalores enteros consecutivosA el númeroazimutal 9l: %ue tiene para cada 9n:
valores desde + a 9n,1:Ael númeromagn*tico 9m: %ue para cada 9l: tomavalores desde 9l:A el número de giro o
9spin: %ue tiene valores ,13) y 13).D
Estructura de la (ateria En número 9n: define las or&itas o capas de
electrones cada una de las cuales puedecontener un número m'5imo de )n) electronesy completado ese número comienza a ocuparse
la capa siguiente. 8entro de cada una de estas capas ;ay
su&niveles de energ4a definido por los valores 9l: y dentro de estos estados determinadospor los sucesivos valores de 9m: en los cualestienen ca&ida ;asta dos electrones de distinto
9spin:
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Estructura de la (ateria
Las capas se designan con las letrasJ L ( " K.
Los su&niveles azimutales por lasletra s p d f g.
El cuadro siguiente es%uematiza loanterior.
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n capa l m spin N°de electrones
1 K 0 s 0 (1/2), (-1/2) 2 = 2 = 2 x 12
2 L 0 s 0 (1/2), (-1/2) 2
1 p 1, 0,-1 (1/2), (-1/2) 6 = 8 = 2 x 22
3 M 0 s 0 (1/2), (-1/2) 21 p 1, 0,-1 (1/2), (-1/2) 62 d 2,1,0,-1,-2 (1/2), (-1/2) 10 = 18 = 2 x 32
4 N 0 s 0 2
1 p 1,0,-1 6
2 d 2,1,0,-1,-2 103 f 3,2,1,0,-1,-2,-3 (1/2), (-1/2) 14 = 32 = 2 x 42
1)
;ttp733FFF.pta&le.com
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Estructura de la (ateria La configuraci$n electr$nica se deduce del
estudio del espectro $ptico para los electronese5teriores y de rayos 5 para los interiores yde principios te$ricos de mec'nica cu'ntica.
Estos principios son7 el de e5clusi$n de =aulie%ue dice %ue en cada 'tomo no puede ;a&erm's de un electr$n en cada estado de energ4a
y el principio de formaci$n %ue permite irdeduciendo las configuraciones at$micas apartir de las m's simples
1-
Estructura de la (ateria
Iniciando la serie con el 'tomo de 6;idr$geno! formado por un prot$n y unelectr$n se forman los dem's agregando
cada vez un prot$n y un electr$nA cadanuevo electr$n ocupa el nivel energ*ticom's &ao disponi&le.
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Nuevos modelos atómios en el siglo !!
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2vanzado ya el siglo los cient4ficos continuarone5plorando las propiedades del núcleo at$mico ydescu&rieron %ue los protones y los neutronesesta&an compuestos por minúsculos %uar>s.
=ara ver los %uar>s no &astan los microscopiospor potentes %ue sean pues se necesitar4a unaprecisi$n de 1+,1 cm y se ;izo necesario idear
otras t*cnicas m's sofisticadas. Mue as4 como seinventaron los aceleradores de part4culas.
;ttp733astroem.com3teorias3%uar>s.;tml
NI=KS 8E SKLI8KS El modelo descrito de estructura at$mica permite sacar
algunas conclusiones cualitativas so&re las propiedadesde los elementosA por E.7 a medida %ue aumenta elnúmero at$mico ;ay m's protones en el núcleo loselectrones internos est'n sometidos a fuerzas deatracci$n mayores pero los de las capas e5ternas est'nm's sueltos por %ue se encuentran a niveles de energ4am's elevados.
Esto se refiere a 'tomos aislados entre 'tomospr$5imos se producen interacciones %ue dan origen aagru"aiones de ellos en alguna de las diversas#ormas de agregaión de la materia$ así%
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Nipos de S$lidos Los 'tomos de fierro se unen en un
material %ue tiene gran resistencia yrigidez.
Los de mercurio forman un l4%uido. Los de car&ono pueden dar lugar o al
diamante de gran dureza o el grafito.
Los de co&re dan lugar a un materialmalea&le y muy conductor del calor y de laelectricidad
Los de 6 " K etc. forman gases.1H
Nipos de S$lidos
Estas diferencias de estado f4sico y depropiedades mec'nicas el*ctricast*rmicas etc. son consecuencia de
diferentes tipos de interaiones ode #uer&as de enlae entre 'tomoslas cuales est'n determinadas por laconfiguraci$n electr$nica e5terna delos 'tomos de %ue se trata.
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Nipos de S$lidos Muera de e5istir fuerzas de atracci$n
de&en ;a&er tam&i*n fuerzas derepulsi$n pues se necesitan grandespresiones e5ternas para comprimir uns$lido o un li%uidoA por lo dem's si noe5istieran los sistemas de 'tomos no
ser4an esta&les.
)+
Nipos de S$lidos
Las #uer&as de enlae entre 'tomos sehan dividido en uatro di#erentes lases%
a( Los enlaes iónios
)( Los enlaes ovalentes( Los enlaes met'liosd( Los enlaes moleulares o van der *aals
e! Semiconductores. A ada uno orres"onde un ti"o de sólido
on "ro"iedades araterístias+
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Enlaces i$nicos
Los enlaces iónicos se
producen entre átomosde distinta naturaleza,
uno de ellos fuertemente
electronegativo y el otro
muy electropositivo.
Hay una captura de los
electrones externos del
segundo por parte del
primero (- captura a +)
transformándose este en
un ion negativo y auel
en ion positivo! entre
am"os se producenfuerzas electrostáticas
de atracción.
))
Enlaces i$nicos
Nal vez el E.7 m's conocido es el "aClA en%ue "a de estructura 1s) )s) )p? -s1
entrega su electr$n de la tercera capa
%uedando transformado en "a
y el Cl deestructura 1s) )s) )p? -s) -p/ incorporaese electr$n a su tercera capatransform'ndose en Cl,
Los electrones de am&os iones est'nfirmemente atra4dos por sus respectivosnúcleos.
)-
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;ttp733FFF.educaplus.org3play,,Enlace,i$nico.;tml
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-ER%
Enlaces i$nicos La energ4a de atracci$n o de enlace i$nica se
eerce por igual en todas direcciones y por ello sedice %ue es de distri&uci$n esf*rico,sim*trica. Suorden de magnitud est' dado por una e5presi$n
de la forma E 2 O e) 3r en %ue72 7 factor %ue depende de la geometr4a delcristal.O 7 es la valencia de los ionese 7 es la carga electrost'tica del electr$nr 7 es la distancia entre iones
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Enlaces i$nicos Reemplazando los valores se encuentra %ue
la energ4a es del orden de H eV para ionesmonovalentes y mayor para los polivalentes.
Esta energ4a es de magnitud relativamentefuerte dentro de la escala de co;esi$n entres$lidos.
)?
Enlaces i$nicos
Las caracter4sticas seGaladas e5plican laspropiedades de los s$lidos i$nicos. Sons$lidos duros de gran resistencia al cizalle
y a la compresi$n te$ricamente de&ieranser resistente a la tracci$n Son malos conductores del calor y la
electricidad pero a alta temperaturatienen conductividad i$nica.
Su punto de fusi$n %ue es 4ndice de laenerg4a co;esiva es altoA
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Enlaces i$nicos En los monovalentes como "aCl "aM "aI
"aPr es del orden de 1.+++ #C. En los &ivalentes como (gK CaK SrK
PrK es del orden de ).+++ #C. En los trivalentes es m's elevado lo %ue
;ace %ue se usen como refractarios yadem's como son muy duros se usanpara descansos o soportes de instrumentosde precisi$n. CREE=!
)H
Enlaces i$nicos
6ay casos m's complicados en %ue est'nimplicadas mol*culas ionizadas comosilicatos car&onatos nitratos sulfatos %ue
dan origen a estructuras en forma decapas y las capas se ligan entre si porfuerzas de van der Faals.
Entre otras sustancias la mia . el talotienen esta configuraci$n y a ello se de&e%ue la mica sea fole'cea y el talco sealu&ricante.
)D
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-+
MICA
-1
TALC/
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Enlaces Covalentes Los enlaces covalentes se producen entre
'tomos de igual o diferente naturaleza yconsiste en %ue dos electrones por enlacesson compartidos entre dos 'tomos vecinos.
El mecanismo del enlace covalente dependefuertemente de la naturaleza ondulatoria delos electrones.
-)
Enlaces Covalentes 2l transferirse dos electrones entre 'tomos se
superponen las nu&es electr$nicas y se originauna nu&e de transici$n %ue en el caso deelectrones con giro opuesto es m's densa y da
lugar a fuerzas de atracci$n en el caso deelectrones con igual giro sucede lo contrario
Estas caracter4sticas se traducen en %ue lasuniones covalentes son direccionales es decirse eercen en direcciones &ien determinadas yno en todas las direcciones como es el caso delas fuerzas i$nicas.
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Enlaces Covalentes Resulta entonces %ue mientras en los
s$lidos i$nicos los iones constituyentespueden asumir cual%uier posici$n relativa yen general se agrupan en la forma m'scompacta posi&le en los s$lidos covalentesla posici$n de los 'tomos est' fiada por ladirecci$n de los enlaces y en general se
producen agrupaciones a&iertas e5ceptoen los casos de distri&uci$n tetra*drica delos enlaces como es el del diamante.
-<
Cuar&o% El uar&o es una estrutura "artiular de ristali&ar eldió0ido de siliio+ Cada 'tomo de Si se enuentra enla&ado on 1 de/ . a su ve& ada / est' unido a dos Si mediante enlaes ovalentes"olares2 #ormando una red de gran n3mero de 'tomos2 4Si/5(+
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Car)ono diamante% En el ar)ono diamante2 los 'tomos dear)ono se unen "ara #ormar un retíulo ristalino dedimensiones in#initas2 en la 6ue ada uno de ellos se une aotros uatro mediante enlaes ovalentes "uros #ormandoestruturas tetra7drias+ Esto e0"lia su elevada dure&a2 su)a8a reatividad2 su nula ondutividad el7tria . su asiin#usi)ilidad+
-?
Car)ono gra#ito% Es otra estrutura ristalina del ar)ono+ Mientras6ue el ar)ono diamante es una red tridimensional2 el gra#ito es unsólido on redes en #orma de a"a+ Contiene agru"aiones de'tomos de ar)ono unidos "or enlaes ovalentes "uros2 dedimensiones in#initas2 "ero en dos direiones+ De los uatroeletrones 6ue tiene ada uno de los 'tomos de ar)ono2 tres seutili&an "ara unirlo on un enlae ovalente "uro a otros tres en unmismo "lano #ormando estruturas he0agonales de seis 'tomos2 .el uarto eletrón est' desloali&ado entre los "lanos tratando deunirlos+ En virtud de esta estrutura2 el ar)ono gra#ito esondutor de la eletriidad . del alor2 aree de la dure&a deldiamante . se e0#olia #'ilmente2 es deir2 se "uede laminar+
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Enlaces Covalentes
Los enlaces covalentes son tam&i*nde gran magnitud del orden de H eVpor enlacesA los electrones est'nfuertemente atra4dos por los núcleos.Resultan s$lidos de gran resistencia alcizalle se rompen por liva8e
tienen gran resistencia a lacompresi$n son aisladores el casom's caracter4stico es el diamante.
-H
-D
Rotura "orliva8e
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Enlaces (et'licos En los enlaces met'licos los electrones
e5teriores se li&eran y dean de pertenecera un par de 'tomos determinadosdesplaz'ndose m's &ien li&remente entremuc;os 'tomos.
Esto se de&e a %ue esos electrones est'n&astante m's aleados del núcleo en losmetales %ue en los elementos no met'licosy al recorrer esas amplias $r&itas caen&ao la interacci$n de otros núcleosli&er'ndose del de origen.
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Enlaces (et'licos En consecuencia estos electrones no est'n
asociados permanentemente con ningún'tomo en particular si no %ue se desplazanal azar como si se tratara de un 9gas deelectrones li&res:.
Se puede pensar %ue las fuerzas de ligaz$nse derivan de la acci$n de este gaselectronegativo so&re los restos de los'tomos electropositivos.
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Enlaces de Van der Qaals
Nales 'tomos o mol*culas tienen un campoel*ctrico generado por sus cargas %ue esnulo en termino medio y en consecuencia
no interaccionan con el de otros 'tomos. =ero este campo instant'neamente tienevariaciones fluctuantes con el movimientode los electrones en el 'tomo. Cuando seapro5iman dos 'tomos sincronizan estasfluctuaciones en forma %ue se producenfuerzas de atracci$n.de repulsi$n en otroscasos!
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)?
Enlaces de Van der Qaals Los s$lidos moleculares son &landos y
deforma&les son malos conductores del calor yelectricidad tienen punto de fusi$n y e&ullici$n&aos.
En el mismo grupo esta el efecto de los dipolosproducido por la de simetr4a de las cargasel*ctricas del 'tomo o mol*cula cuyaconsecuencia es %ue estas tengan un e5tremo
positivo y otro negativo a los cuales sead;ieren los e5tremos de carga opuesta de'tomos o mol*culas semeantes.
/-
Resumen
Los cuatro tipos de s$lidos mencionadosson los fundamentales. 6ay otros s$lidoscuya fuerza de co;esi$n son de varios de
estos tipos a la vez. Los metales tienen dos divisiones7(etales monoat$micos y aleaciones.
Los cristales covalentes se correspondencon los metales y los i$nicos con lasaleacionesA los metales po&rementeconductores como el &ismuto.
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)
Configuraci$n Si consideramos los 'tomos como esferas
del mismo tamaGo una capa de 'tomosasume la m's densa configuraci$n si a unafila determinada de 'tomos en contactoentre s4 siguen una a cada lado en %uecada 'tomo es tangente a dos de laanterior y as4 sucesivamente.
//
Configuraci$n Siempre en &usca de la configuraci$n m's
densa a esta primera capa se le superponeotra igual situada de manera %ue cada 'tomode esta sea tangente a - de la primera.
En la tercera capa ;ay dos posi&ilidades %ueconducen a configuraciones m's densaA una%ue se repite la posici$n de la primera y as4 segenera la estructura ;e5agonal completaA otraen %ue la -era. est* desplazada con respecto ala 1era a la única otra posici$n de contactotripleA esto da origen a la estructura cú&ica decaras centradas.
/?
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Configuraci$n Los enlaes iónios dan lugar a
estructuras diversas. Estos enlaces sonsim*tricos al igual %ue los met'licos y talcondici$n favorece la formaci$n deestructuras compactas.
Sin em&argo como se trata de elementosde distinta naturale&a y en consecuenciade tamaGos diferentes las configuraciones%ue se producen est'n determinadas por larelaci$n entre los tamaGos.
/
N9MER/ DE C//RDINACI:N
Se llama número de coordinaci$n el número de'tomos %ue rodea a un 'tomo determinado enel caso de la mayor4a de los metales el númerode coordinaci$n es 1) %ue corresponde a
'tomos de igual tamaGo. Los iones se sitúan en las posiciones m's
pr$5imas posi&les es decir ;asta entrar encontacto la posici$n l4mite para undeterminado "# de coordinaci$n es a%uella en%ue todos los cationes %ue rodean a un ani$nson tangentes a este.
/H
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)D
"úmero de coordinaci$n En estos t*rminos el pro&lema es de ar'ter
geom7trio y consiste en determinar el radior de la esfera %ue es internamente tangente aun número dada de esfera de radio R.
=ara - esferas se encuentra r +1//R Es decir %ue a partir de una raz$n +1// entre
radios pueden producirse ordenaciones en %ue
cada i$n positivo est' rodeado de tres ionesnegativosA para razones menores lacoordinaci$n es ).
/D
"úmero de coordinaci$n
Si la raz$n aumenta se llega a un valor en%ue es posi&le %ue el i$n positivo seatangente simult'neamente a cuatro iones
negativos dispuestos según los v*rtices deun tetraedro regular la raz$n en este casoes +))/ para una raz$n +
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"úmero de coordinaci$n N; oordinaión r