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Luis Alberto Laguado Villamizar Diseñador Industrial
Mg Ingeniería de Materiales
CONTENIDO Modelos Atómicos
Partículas Sub atómicas
Masa atómica
Estructura electrónica del átomo
La tabla periódica
Enlaces atómicos
Energía de enlace y distancia interatómica
Modelos atómicos
Teoría atómica de Dalton
Modelo atómico de Thomson
Modelo atómico de Rutherford
Teoría Cuántica
Modelo atómico de Bohr
Modelo atómico de Schrodinger
http://q1cetac2.blogspot.com/2010/10/los-
modelos-atomicos.html
Teoría atómica de Dalton
Primera teoría científica que considera que la materia está dividida en átomos
http://teoriasatomicas.blogspot.com/
Modelo atómico de Thomson
Dentro de los átomos hay unas partículas diminutas, con carga eléctrica negativa, a las que se llamó electrones
El átomo debía ser una esfera de materia cargada positivamente, en cuyo interior estaban incrustados los electrones.
http://biologiasusan.blogspot.com/2010/09/identificacio
n-de-una-fuente-de-mayor.html
http://sites.google.com/site/exerciciosfisicoquimica/
estrutura_atomica
Modelo atómico de Rutherford
El átomo está formado por dos partes: núcleo y corteza.
El núcleo es la parte central, de tamaño muy pequeño, donde se encuentra toda la carga positiva y, prácticamente, toda la masa del átomo.
La corteza es casi un espacio vacío, inmenso en relación con las dimensiones del núcleo.
Aquí se encuentran los electrones con masa muy pequeña y carga negativa.
Teoría Cuántica
La Teoría Cuántica es una teoría netamente probabilística: describe la probabilidad de que un suceso dado se presente en un momento determinado, sin especificar cuándo ocurrirá.
http://www.tendencias21.net/La-Teoria-Cuantica-una-
aproximacion-al-universo-probable_a992.html
Modelo atómico de Bohr
Los electrones solo pueden girar en ciertas órbitas de radios determinados, ya que solo pueden tener ciertos niveles de energía definidos.
Modelo de Shrodinger
Dentro de un mismo nivel energético existen subniveles.
Describe a los electrones por medio de una función la cual representa la probabilidad de presencia en una región delimitada del espacio. Esta zona de probabilidad se conoce como orbital.
Partículas Sub atómicas
http://quimica.laguia2000.com/
Protones: Carga Positiva
Electrones: Carga Negativa
Neutrones: sin carga
Carga eléctrica:
Número atómico (Z):
Cantidad de electrones o protones
Número de masa (A):
Cantidad de Protones + Neutrones
Isótopos: átomos del mismo elemento con diferente cantidad de Neutrones
Partícula Carga Cantidad Masa (gr)
Neutrones + 6 1.67 x 10^-24
Protones - 6 1.67 x 10^-24
Electrones 0 6 9.11 x 10 ^ -28
Isótopos del Carbono C
Z = 6 Carbono
A = 12
Partículas Carga Cantidad Masa (gr)
Neutrones + 8 1.67 x 10^-24
Protones - 6 1.67 x 10^-24
Electrones 0 6 9.11 x 10 ^ -28
C Z = 6
Carbono 14 A = 14
Partículas Carga Cantidad Masa (gr)
Neutrones + 10 1.67 x 10^-24
Protones - 6 1.67 x 10^-24
Electrones 0 6 9.11 x 10 ^ -28
C Z = 6
Carbono 16 A = 16
Partícula Carga Cantidad
Neutrones + 0
Protones - 1
Electrones 0 1
Isótopos del Hidrógeno H
Z = 1
Hidrógeno (Protio)
A = 1
Partículas Carga Cantidad
Neutrones + 1
Protones - 1
Electrones 0 1
H Z = 1
Deuterio A = 2
Partículas Carga Cantidad
Neutrones + 2
Protones - 1
Electrones 0 1
H Z = 1
Tritio A = 3
http://html.rincondelvago.com/atomos_2.html
Masa atómica M La masa atómica es igual a la cantidad promedio de
Protones y Neutrones en un átomo
La masa atómica también es la masa en gramos de
NA átomos.
NA = Número de Avogadro
Unidad de Masa Atómica (UMA) equivale a la masa medida en gramos/mol
Ejemplo 1
Cual es la cantidad de Protones y Neutrones que tiene un átomo de Carbono?
Según la tabla periódica, la masa atómica del Carbono, es de 12.01g/mol, N=6. 6 Protones y 6 Neutrones.
Cuántos Neutrones tiene un átomo de Titanio?
N=22, masa atómica = 47.88gr/mol, 22 Protones y 25 Neutrones
Cuántas partículas subatómicas se encuentran en el núcleo de un átomo de Francio, N=87?
Masa atómica = 223gr/mol,
87 Protones y 136 Neutrones
Ejemplo 2 Calcule la cantidad de átomos en 100gr de Plata (Ag)
La cantidad de átomos se puede calcular a partir de la masa atómica y el NA
En la tabla periódica se puede ver que la masa atómica de la plata es 107.868gr/mol
Estructura electrónica Números cuánticos: determinan el nivel de energía al
cual pertenece cada electrón. Son cuatro números cuánticos:
Número cuántico principal n
Número cuántico azimutal l
Número cuántico magnético ml
Número cuántico Espín o de giro ms
Número cuántico principal n Se le asignan valores enteros: 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6, 7
o una letra a partir de la K: K , L , M , N , O , P , Q
Indican la capa cuántica
a la cual pertenece el electrón
Una capa cuántica es un
conjunto de niveles de energía fijos.
A cada electrón de la capa
se le designa con cuatro
números cuánticos.
http://quimicainorganicaunesur.blogspot
Número cuántico azimutal l Determina la cantidad de niveles de energía en cada
capa cuántica, así como el número cuántico magnético
Se le asignan números: 0 , 1 , 2 , 3 , 4, 5
Y también se representan con letras minúsculas:
0 = s , 1 = p , 2 = d , 3 = f , 4 = g , 5 = h
Cada nivel de energía recibe un determinado numero de
electrones:
S→2, p → 6, d → 10, f → 14, g → 18, h → 22
Número cuántico magnético ml Expresa la cantidad de niveles de energía u orbitales
para cada número cuántico azimutal
La cantidad total de ml,
para cada l, es igual a 2 l +1
Se les asignan números enteros
entre –l y l
Por ejemplo:
para l=2, ml=(2)(2)+1=5
-2 , -1 , 0 , +1 , +2
http://distribuyendoconocimiento.blogspot
Orbitales
s p
d f
http://vvaa-87.blogspot.com/2008_12_01_archive.html
Número cuántico Espín ms El principio de exclusión de Pauli indica que en un
orbital no pueden estar presentes más de dos electrones, con giros electrónicos opuestos
1 / 2 , -1 / 2
http://distribuyendoconocimiento.blogspot
Números cuánticos del Na
3s1 Electrón 11 n = 3 l = 0 ml = 0 ms = +1/2 o
-1/2
2p6 Electrón 10 n = 2 l = 1 ml = +1 ms = -1/2
Electrón 9 n = 2 l = 1 ml = +1 ms = +1/2
Electrón 8 n = 2 l = 1 ml = 0 ms = -1/2
Electrón 7 n = 2 l = 1 ml = 0 ms = +1/2
Electrón 6 n = 2 l = 1 ml = -1 ms = -1/2
Electrón 5 n = 2 l = 1 ml = -1 ms = +1/2
2s2
Electrón 4 n = 2 l = 0 ml = 0 ms = -1/2
Electrón 3 n = 2 l = 0 ml = 0 ms = +1/2
1s2 Electrón 2 n = 1 l = 0 ml = 0 ms = -1/2
Electrón 1 n = 1 l = 0 ml = 0 ms = +1/2
Configuración electrónica Notación abreviada:
Nivel Capa Subnivel Electrones
1 K s 2
2 L s p 8
3 M s p d 18
4 N s p d f 32
5 O s p d f 32
6 P s p d f 32
7 Q s p d f 32
Subnivel Número de
obitales
Número de
electrones
s 1 2
p 3 6
d 5 10
f 7 14
Valencia de un átomo Es la cantidad de electrones de un átomo que
participan en el enlace o reacciones químicas
Es la cantidad de electrones en la capa externa, en los niveles de energía s p
La valencia de un átomo se relaciona con su habilidad para participar en una combinación química con otros elementos
Ejemplos:
Electronegatividad
Describe la tendencia de un átomo para ganar o aceptar un electrón.
Los átomos con los niveles de energía externos casi totalmente llenos, son altamente electronegativos, reciben electrones con facilidad, como el Cloro (Cl)
Los átomos con niveles externos casi vacíos, ceden electrones fácilmente, tienen baja electronegatividad, como el Sodio (Na)
Los átomos grandes tienen baja electronegatividad porque los electrones externos están alejados del núcleo y no son atraídos fuertemente.
Ejemplo 2
http://www.kalipedia.com/ecologia/tema/electronegatividad
Estabilidad atómica
La Tabla Periódica
http://herramientas.educa.madrid.org/tabla/
1A
2A
3B 4B 5B 6B 7 8B 1B 2B
3A 4A 5A 6A 7A
8
Contiene información valiosa acerca de elementos específicos.
Puede ayudar a identificar tendencias en tamaño de los átomos, puntos de fusión, reactividad química, masa atómica, número atómico y otras propiedades.
Los números de las filas corresponden a las capas cuánticas o números cuánticos principales.
Las columnas indican la cantidad de electrones en los niveles externos de energía s p
Características
Materiales en la tabla Polímeros: a base principalmente de Carbono, grupo 4B
Cerámicos: normalmente basados en combinaciones de elementos de los grupos 1 a 5B, Oxígeno, Carbono, Nitrógeno,
Materiales metálicos: basados comúnmente en elementos de los grupos 1, 2 y en los elementos metálicos de transición.
Metales de transición: Ti, V, Fe, Ni, Co, materiales magnéticos y ópticos, por sus múltiples valencias.
Semiconductores: grupo 4B, Silicio, Germanio, Diamante (Carbono) o combinaciones de elementos de los grupos 2B y 6B
Enlaces atómicos
Los enlaces determinan el comportamiento de los materiales, formando estructuras básicas que pueden ser de corto alcance como en los materiales amorfos, o de largo alcance como en los materiales cristalinos.
web.educastur.princast.es
Enlaces primarios
Los enlaces fuertes o primarios se establecen cuando los átomos transfieren o comparten electrones, llenando completamente sus niveles externos, estos enlaces son: Metálico, Iónico y Covalente.
www.doslourdes.net
Enlaces secundarios
Los enlaces secundarios son enlaces débiles que se forman como resultado de la atracción de cargas, pero sin transferir o compartir electrones. Como los enlaces de Van der Walls y los puentes de Hidrógeno.
depa.pquim.unam.mx
Enlace metálico
Los elementos metálicos transfieren sus electrones de valencia para formar una nube de electrones que rodea a los átomos.
Materiales con módulo de elasticidad relativamente alto, porque los enlaces son fuertes.
www.ciencia.cl
Los metales tienen buena ductilidad porque los enlaces metálicos NO son direccionales.
La eficiencia del enlace se determina a través de los números de coordinación, los cuales determinan el número de átomos en contacto directo que tiene cada uno en su estructura cristalina.
Bandaprohibida.blogspot.com
Enlace Covalente
Se forman compartiendo los electrones de valencia entre dos o más átomos.
Estos enlaces tienen una relación direccional específica entre sí, según el ángulo formado entre ellos al configurar estructuras cristalinas de un material.
abquimica.files.wordpress.com
Estos enlaces son muy fuertes, en consecuencia se forman materiales muy resistentes y de alta dureza.
www.ilustrados.com
Materiales con puntos de fusión muy altos, útiles en aplicaciones de alta temperatura.
Materiales con baja ductilidad debido a la direccionalidad de los enlaces.
Baja conductividad eléctrica, debido a que los electrones de valencia se encuentran fijos en el enlace.
Enlace Iónico
Se da entre dos clases diferentes de átomos, unos pueden donar sus electrones de valencia a otros distintos, para llenar su capa externa.
www.vi.cl
Los dos átomos han adquirido una carga eléctrica adicional y se comportan como iones. El átomo que aporta electrones queda con una carga positiva y se llama Catión. El átomo receptor se llama Anión.
Los iones con carga opuesta son atraídos entre sí y producen el enlace iónico.
Este enlace es resultado de la atracción de cargas, fuerza de atracción electrostática: Ley de Coulomb.
uy.kalipedia.com
Enlace de Van der Waalls Las fuerzas de Van der Walls
entre átomos y moléculas son de naturaleza cuántica.
Entre dos cargas opuestas que se encuentran cercanas existe un momento dipolar igual a la carga multiplicada por la distancia.
Estas fuerzas existen en todos los materiales, pueden ser permanentes o inducidas.
Hay tres clases de interacciones de Van der Walls: fuerzas de London, de Keesom y de Debye.
Fuerzas de London: entre dos dipolos inducidos.
Interacciones de Debye: un dipolo inducido con uno permanente.
Interacciones de Keesom: entre dipolos permanentes (Puentes de H)
Al calentar el agua hasta su punto de ebullición, se
rompen los enlaces de Van der Walls y el agua se transforma en vapor.
Los polímeros con fuerzas de Van der Walls, tienden a ser relativamente más rígidos y tienen temperaturas de transición vítrea Tg, relativamente mayores.
Es la Temperatura bajo la cual los polímeros tienden a comportarse como materiales frágiles, poca ductilidad.
Para procesar estos polímeros se deben «plastificar» agregando moléculas polares más pequeñas que interactúen con las partes polares de la cadena para bajar la Tg y aumentar la flexibilidad.
Tipo de enlace Kcal / mol
Van der Waals en CH4
2,4
Dipolos permanentes 3 a 5
Enlaces hidrógeno 5 a 12
Iónicos mayores a 100
Energía requerida para romper cada enlace.
Energía de enlaces
Enlaces Mixtos En algunos materiales, el enlace entre sus átomos es
una mezcla de dos o más tipos de enlaces.
El Hierro está constituido por una combinación de enlaces metálicos y covalentes.
Los compuestos formados por dos o más metales, llamados compuestos intermetálicos, se pueden unir con enlaces metálicos y iónicos, aprovechando la diferencia de electronegatividades entre los elementos.
Por ejemplo, LiAl, el Litio tiene electronegatividad de 1.0 y el Aluminio 1.5.
El Al3V está unido solo por enlaces metálicos porque las electronegatividades son iguales.
Energía de enlace y distancia interatómica
La distancia de equilibrio entre dos átomos se debe a un balance entre fuerzas de repulsión y de atracción.
Energ
ía d
e e
nla
ce
Distancia
Esta distancia es aproximadamente igual al diámetro atómico en enlaces del mismo elemento, o a la suma de los dos radios en enlaces de diferentes elementos.
Energía de enlace: es la energía necesaria para formar o romper el enlace.
Los materiales con energía de enlace alta, tienen alta resistencia, así como alto punto de fusión.
Fuerz
a d
e a
tracció
n
Distancia
TIPO DE ENLACE Energía de enlace
[kCal/Mol]
Iónico 150 – 370
Covalente 125 – 300
Metálico 25 – 200
Van der Waals <100
Los materiales con enlace Iónico tienen alta energía de enlace debido a la diferencia de Electronegatividades
Los metales tienen menor energía de enlace porque las electronegatividades son muy cercanas.
Módulo de elasticidad El Módulo de Elasticidad E, se relaciona con la
pendiente de la curva Fuerza – Distancia.
Una pendiente alta se relaciona con:
alta energía de enlace,
alto punto de fusión,
mayor fuerza necesaria
para romper el enlace,
alto módulo de Elasticidad,
material más rígido.
Fu
erz
a d
e a
tracció
n
Distancia
dF/da
dF/da
Enlace Fuerte
Enlace Débil
Coeficiente de dilatación térmica El coeficiente de dilatación o de expansión térmica,
se define como:
donde la longitud L del material aumenta al aumentar
la temperatura.
• El coeficiente de dilatación térmica disminuye al aumentar la energía de enlace, los átomos disminuyen sus posibilidades de separación.
• Los materiales con bajo coeficiente de dilatación térmica mantienen sus dimensiones cuando cambia la temperatura.
Bibliografía ASHBY Michael, SHERCLIFF Hugh, CEBON David.
MATERIALS: engineering, science, processing and design. University of Cambridge, UK Butterworth-Heinemann, first edition 2007.
ASKELAND Donald, PHULÉ Pradeep. Ciencia e Ingeniería de los Materiales. Cuarta edición, Thomson, México, 2004.
OZOLS Andres, Enlaces Atómicos, Laboratorio de sólidos amorfos, Grupo de Biomateriales para Prótesis, Instituto de Ingeniería Biomédica, Universidad de Buenos Aires, Argentina, 2006.
