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ESTRUCTURA ATOMICA Los átomos son la unidad estructural básica de todos los materiales de ingeniería. Átomo. Unidad básica de un elemento que puede intervenir en una combinación química. Investigaciones hasta el siglo XX, demostraron claramente que los átomos tienen una estructura interna, es decir, que están formadas por partículas más pequeñas, llamadas “partículas subatómicas”, que son electrones, protones y neutrones. Rutherford fue quien propuso el modelo nuclear del átomo. Según este modelo, el átomo tiene prácticamente toda su masa concentrada en un espacio muy pequeño cargado positivamente, el núcleo , mientras que a grandes distancias se encuentran los electrones describiendo órbitas circulares alrededor del núcleo. Así se puede considerar que el átomo está prácticamente vacío. Las partículas que se encuentran en el núcleo se denominan nucleones, siendo los protones y neutrones los más importantes de éstos. Electrón : partícula con carga negativa que rodean al núcleo. La carga es de -1,6022 x 10 -19 Coulomb y su masa equivale a 9,10939 x 10 -28 gr. Protón : partículas del núcleo que tienen carga positiva de +1,6022 x 10 -19 Coulomb y su masa equivale a 1,67493 x 10 -24 gr. La masa aproximadamente del protón es 1840 veces mayor que la del electrón. Neutrón : partículas eléctricamente neutras con una masa ligeramente mayor que la masa de los protones igual a 1,67262 x 10 -24 gr. Todos los átomos se pueden identificar por el número de protones y neutrones que contienen. La suma de protones (Z) y neutrones (N) del núcleo se denomina número másico , simbolizado con la letra A. A = N + Z El número de protones existentes en un átomo se conoce como número atómico , simbolizado por Z. Un átomo se puede representar, en forma general como A X Z En un átomo neutro el número de protones es igual al número de electrones de manera que el número atómico también indica el número de electrones presentes en el átomo. Los isótopos son átomos de un mismo elemento, que tienen el mismo número atómico (igual número de protones), pero distinto número másico (diferente número de neutrones). El promedio ponderado de todos los isótopos naturales, de acuerdo a su abundancia relativa originará el peso atómico promedio del elemento. 1

ESTRUCTURA ATOMICA

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ESTRUCTURA ATOMICA

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ESTRUCTURA ATOMICA

ESTRUCTURA ATOMICA

Los tomos son la unidad estructural bsica de todos los materiales de ingeniera. tomo. Unidad bsica de un elemento que puede intervenir en una combinacin qumica. Investigaciones hasta el siglo XX, demostraron claramente que los tomos tienen una estructura interna, es decir, que estn formadas por partculas ms pequeas, llamadas partculas subatmicas, que son electrones, protones y neutrones.Rutherford fue quien propuso el modelo nuclear del tomo. Segn este modelo, el tomo tiene prcticamente toda su masa concentrada en un espacio muy pequeo cargado positivamente, el ncleo, mientras que a grandes distancias se encuentran los electrones describiendo rbitas circulares alrededor del ncleo. As se puede considerar que el tomo est prcticamente vaco.

Las partculas que se encuentran en el ncleo se denominan nucleones, siendo los protones y neutrones los ms importantes de stos.

Electrn: partcula con carga negativa que rodean al ncleo. La carga es de -1,6022 x 10-19 Coulomb y su masa equivale a 9,10939 x 10-28 gr.Protn: partculas del ncleo que tienen carga positiva de +1,6022 x 10-19 Coulomb y su masa equivale a 1,67493 x 10-24 gr.La masa aproximadamente del protn es 1840 veces mayor que la del electrn. Neutrn: partculas elctricamente neutras con una masa ligeramente mayor que la masa de los protones igual a 1,67262 x 10-24 gr.

Todos los tomos se pueden identificar por el nmero de protones y neutrones que contienen.

La suma de protones (Z) y neutrones (N) del ncleo se denomina nmero msico, simbolizado con la letra A. A = N + Z

El nmero de protones existentes en un tomo se conoce como nmero atmico, simbolizado por Z.

Un tomo se puede representar, en forma general como

A

X

Z

En un tomo neutro el nmero de protones es igual al nmero de electrones de manera que el nmero atmico tambin indica el nmero de electrones presentes en el tomo.

Los istopos son tomos de un mismo elemento, que tienen el mismo nmero atmico (igual nmero de protones), pero distinto nmero msico (diferente nmero de neutrones).

El promedio ponderado de todos los istopos naturales, de acuerdo a su abundancia relativa originar el peso atmico promedio del elemento.Como los toms son extremadamente pequeos, su masa atmica no es conveniente medirla en gramos. En lugar de esto, se usa una unidad de peso ms pequea, uma, unidad de masa atmica Hay ms de 100 diferentes tomos bsicos y cada uno de ellos es identificado como un elemento, por ejemplo, H, Mo, O, Fe, Al, etc.

Estos elementos al combinarse forman las molculas.

Cuando los tomos absorben energa, se incrementa su energa propia y se excitan, es decir, pasan a un estado de mayor energa. Cuando los tomos retornan a estados de menor energa, emiten energas caractersticas, las que constituyen un espectro atmico de emisin, el que est formado por lneas luminosas separadas entre s. Cada una de estas lneas corresponde a un salto del electrn de un nivel de energa superior a uno inferior. Cada tipo de tomo produce su espectro particular, que puede utilizarse para su identificacin.

El modelo de Bohr justific posteriormente los espectros obtenidos y ah radic su xito.

MODELO ONDULATORIO. NMEROS CUNTICOS.

La ecuacin de onda de Schrdfinger es la base de la mecnica cuntica u ondulatoria cuyo origen se sita en la hiptesis de De Broglie (comportamiento del electrn como una onda) y el Principio de Incertidumbre de Heisenberg (no existe la certeza de encontrar el electrn en una determinada posicin dentro del tomo, slo existe una mayor o menor probabilidad), junto con la hiptesis de Planck (cuantizacin de la energa).

La resolucin de esta ecuacin de ondas, slo exacta para el caso del hidrgeno, conduce a una cuantizacin de la energa que depende de ciertos nmeros enteros, nmeros cunticos, que ahora aparecen como una consecuencia matemtica de la resolucin de la ecuacin de ondas.

Cada conjunto permitido de 3 nmeros cunticos describe un orbital y seala la regin del espacio en que la probabilidad de encontrar el electrn es al menos de 90 %.

Nmeros CunticosLa resolucin de la ecuacin de onda Schrdinger produce 3 nmeros conocidos como nmeros cunticos que sumados a un cuarto nmero que tiene su origen en un movimiento del electrn, determinan las energas y posiciones probables de los electrones en los tomos.

Cada conjunto de nmeros cunticos corresponde a una cierta regin alrededor del ncleo, llamada orbital, donde un electrn puede moverse.

Nmero cuntico principal (n).

Este nmero cuntico especifica la distancia aproximada entre un electrn y el ncleo. Esta distancia esta relacionada con la energa del electrn (ms lejos el electrn mayor energa).

Cuanto ms grande es el valor de n, mayor es la distancia entre un electrn en el orbital respecto del ncleo y, en consecuencia, el orbital es ms grande ( y menos estable).

Este nmero cuntico puede tener cualquier valor positivo entre 1, 2, 3, etc.

Nmero cuntico principal (n)1234567

Designado por la letraKLMNOPQ

Nmero cuntico secundario (l).

Denominado tambin nmero cuntico orbital, o del momento angular o azimutal.

Especifica la forma de la regin espacial, en la cual probablemente se encuentre un determinado electrn. Los valores numricos son tambin nmeros enteros. Los valores de (l) dependen de (n).

nl

10

20,1

30,1,2

40,1,2,3

50,1,2,3,4

60,1,2,3,4,5

Para un valor determinado de n, puede tomar los valores enteros desde 0 hasta (n - 1). Cada uno de estos nmeros representa un subnivel energtico. A dicha regin espacial se le da el nombre de orbital y para evitar confusiones el valor 0,1,2,3, ,etc. De (l) se les designa por las letras

Nmero cuntico secundario (l)01234

Designado por la letraspdfg

Ejemplo:

Nmero cuntico principal n = 3

Nmero cuntico secundario (n 1) = (3 1) = 2

Despus de f se sigue en orden alfabtico. El nmero de valores de l para un valor de n dado, indica cuantos tipos diferentes de orbitales existen en un determinado nivel.

Diagrama para losorbitales 1s, 2s, 3s

Diagrama para los 3 orbitales

2px, 2py, 2pz

Diagrama para los 5 orbitales 3d

Nmero cuntico magntico (m).

Este nmero cuntico describe el nmero de formas en las cuales un orbital puede estar situado en el espacio con respecto a un sistema de coordenadas rectangulares o cartesianas.

En otras palabras condiciona la orientacin espacial del orbital.

Sus valores dependen de (l) y estn comprendidos entre (+l) y (-l) incluyendo el cero.

Para cierto valor l existen (2l + 1) nmero de orbitales presentes en un subnivel con un cierto valor de l.Cada valor de m es un orbital. En cada orbital caben como mximo 2 electrones.El nmero cuntico de espn (s).

Indica el sentido o giro del electrn con respecto a su eje imaginario. Los valores que tiene el espin puede ser de (+1/2) y (-1/2). Estos valores indican un sentido o contrario a las manecillas de un reloj.

ms = +1/2

ms = -1/2

cuando todos los espines en un tomo son antiparalelos ( ) los efectos magnticos se cancelan, la sustancia es diamagntica y es repelida dbilmente por un imn.

Si la sustancia tiene tomos con electrones desapareados es paramagntica y es atrada dbilmente por un imn.

En los materiales ferromagnticos, los tomos con electrones desapareados, alinean sus espines paralelamente transformando al metal en un imn permanente.

Valencia de (l)Nmero de orbitalNmero de electrones que completan el orbital

0 = s12

1 = p36

2 = d510

3 = f714

Espines de un electrn. La flecha hacia arriba y hacia abajo indica la direccin del espn

La cantidad mxima de electrones por nivel se indican en la siguiente tabla

Nivell = 0

(s)l = 1

(p)l = 2

(d)l = 3

(f)l = 4

(g)l = 5

(h)n mximo de

electrones

n = 1 (k)22

n = 1 (L)268

n = 1 (M)261018

n = 1 (N)26101432

n = 1 (O)2610141850

n = 1 (P)261014182272

El mximo nmero de electrones de un tomo viene dado por la frmula (2n2), siendo n el nmero cuntico principal.

PRINCIPIO DE MXIMA MULTIPLICIDAD DE HUND.

Al llenar orbitales de energa los espn de los electrones permanecen desapareados hasta alcanzar el semillenado luego de ello recin comienza el apareamiento con espines opuestos.

CONFIGURACION ELECTRONICA.

La distribucin de los electrones en los diferentes niveles y subniveles de un tomo se conoce como configuracin electrnica, la cual se desarrolla respetando los siguientes principios:

Principio aufbau (o de construccin). Cada electrn se sita en el orbital cuya energa sea mnima. Para saber cul es l orbital de menor energa existen dos reglas:

1. Debe ser el mnimo valor de (n + 1).

2. Si hay dos orbitales con igual valor de (n + 1), el de menor energa es el de menor valor de n

1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7d, 5f, 6d, 7p, 8s

Esta secuencia es fcil de recordar con el nemotcnico de la siguiente figura que nos permite, teniendo en cuenta las consideraciones anteriores, escribir la configuracin electrnica de un tomo o in.

Reactividad qumica

Elementos electropositivos y electronegativos.

Los elementos electropositivos son metlicos por naturaleza y ceden electrones en las reacciones qumicas para dar iones positivos o cationes. El nmero de electrones cedido por un tomo de un elemento electropositivo se conoce como nmero de oxidacin positivo. Los elementos electronegativos son no metlicos por naturaleza y aceptan electrones en las reacciones qumicas para producir iones negativos o aniones. El nmero de electrones aceptados por un tomo de un elemento electronegativo se conoce como nmero de oxidacin negativo. Los elementos ms electronegativos estn en los grupos 6A y 7A de la tabla peridica.ElectronegatividadLa electronegatividad muestra la capacidad de un tomo de atraer hacia s a los electrones de enlace. La tendencia comparativa de un tomo a mostrar un comportamiento electropositivo o electronegativo se puede cuantificar asignando a cada elemento un nmero de electronegatividad. La electronegatividad se mide en una escala de 0 a 4.1, y cada elemento tiene asignado un valor sobre esta escala, informacin que se encuentra en la tabla peridica.El concepto de electronegatividad ayuda a comprender el comportamiento enlazante de los elementos.

TIPOS DE ENLACES ATMICOS

El orbital ms externo se llama la capa de valencia, porque determina cuntos enlaces puede formar un tomo. Para que se forme un enlace se requiere:

a)Que las capas de valencia se toquen; por esto debe ser el orbital ms externo.

b)Que haya transferencia de electrones en las capas de valencia de ambos tomos.El enlace qumico entre tomos acontece siempre que hay una disminucin neta en la energa potencial en el tomo enlazado. Es decir, los tomos en estado enlazado se encuentran en condiciones energticas ms estables. En general, el enlace qumico entre tomos se puede dividir en dos grupos: enlaces primarios o fuertes y enlaces secundarios o dbiles.

Enlaces atmicos primarios.

Los enlaces atmicos primarios son aquellos que desarrollan grandes fuerzas interatmicas, pueden dividirse en las tres clases siguientes:

1. Enlaces inicos. En este tipo de enlace actan fuerzas intermoleculares relativamente grandes, por transferencia electrnica se producen iones positivos y negativos que se mantienen unidos por fuerzas de Coulomb (atraccin entre iones cargados positivamente y iones cargados negativamente). El enlace inico es un enlace no direccional y relativamente fuerte.2. Enlaces covalentes. Actan fuerzas interatmicas relativamente grandes creadas por la comparticin de electrones entre tomos dando lugar a la formacin de un enlace direccional.3. Enlaces metlicos. Actan fuerzas interatmicas relativamente grandes creadas por la comparticin de electrones deslocalizados que conducen a la formacin de un fuerte enlace no direccional entre tomos.

Enlaces atmicos secundarios y moleculares

Son los siguientes:

1. Enlaces de dipolo permanente. Son enlaces intermoleculares relativamente dbiles formados entre molculas que poseen dipolos permanentes. Un dipolo existe en una molcula debido a una asimetra en la distribucin de la densidad electrnica. El enlace de hidrgeno es un caso especial de interaccin.2. Enlaces de dipolo oscilante. Enlaces muy dbiles de dipolo elctrico se producen entre tomos debido a la distribucin asimtrica de las densidades electrnicas en un tomo en tomo a su propio ncleo. Este tipo de enlace se denomina oscilante puesto que la densidad electrnica est cambiando continuamente con el tiempo.

ENLACE INICO

En este enlace uno de los tomos toma un electrn de la capa de valencia del otro, quedando el primero con carga negativa por el electrn adicional y el segundo con carga positiva al perderlo; el enlace se debe a una ley de la fsica ampliamente conocida: los polos opuestos se atraen. Cuando un tomo o molcula tiene carga elctrica se le conoce como in, de aqu el nombre.

Este enlace se forma cuando la diferencia de electronegatividad entre los dos tomos es muy grande, es decir, se encuentran en extremos opuestos de la tabla peridica. El elemento ms electronegativo se lleva al electrn y el menos electronegativo lo pierde. Comnmente uno de ellos suele ser el oxgeno o algn halgeno y el otro es uno de los metales alcalinos (Na, K, Li). A las sustancias con este tipo de enlace se les llama sales.

Caractersticas del enlace inico:

a) Se rompe con facilidad obtenindose los iones que lo forman, generalmente basta disolver la sustancia.

b) Las sustancias con enlaces inicos son solubles en solventes polares.

ENLACE COVALENTE

En este enlace cada uno de los tomos aporta un electrn. Los orbitales de las capas de valencia de ambos tomos se combinan para formar uno solo que contiene a los dos electrones.

El enlace covalente se representa con una lnea recta que une a los dos tomos.Caractersticas del enlace covalente:

a) Es muy fuerte y se rompe con dificultad.

b) Si la diferencia de electronegatividades entre los dos tomos es marcada, tenemos un enlace polar y se favorecer la solubilidad de la sustancia en solventes polares. Ejemplo: un enlace OH

c) Si la diferencia de electronegatividades es poca, tenemos un enlace no polar y se favorecer la solubilidad de la sustancia en solventes no polares.

Enlace covalente coordinado

En este enlace tambin se combinan los orbitales de las capas de valencia de ambos tomos para formar uno solo que contiene a los dos electrones; la diferencia con el anterior es que slo uno de los tomos aporta los dos electrones y queda con carga positiva.

El enlace covalente coordinado se representa con una flecha que sale del tomo que cedi el par de electrones:

Caractersticas del enlace covalente coordinado:a) Una vez formado es idntico a los dems enlaces covalentes.

ENLACE METLICO

Un tercer tipo de enlace atmico primario es el enlace metlico, que se presenta en los metales slidos. En los metales los tomos estn empaquetados relativamente juntos en una ordenacin sistemtica o estructura cristalina.

Por ejemplo, la disposicin de los tomos de cobre en el cobre cristalino los tomos estn tan juntos que sus electrones externos de valencia son atrados por los ncleos de sus numerosos vecinos. En el caso del cobre slido, cada tomo est rodeado por 12 vecinos ms prximos. Los electrones de valencia no estn, por tanto, asociados exclusivamente a ncleo particular alguno y, as, se extienden entre todos los tomos en forma de una nube de carga electrnica de baja densidad, o gas electrnico.Los slidos metlicos se representan como formados por ncleos de iones positivos (tomos sin sus electrones de valencia) y por electrones de valencia dispersos en forma de una nube electrnica que cubre una gran extensin de espacio. Los electrones de valencia estn dbilmente unidos a los ncleos de los iones positivos y pueden separarse fcilmente del metal cristalino, por lo que se denominan frecuentemente electrones libres. Las altas conductividades trmica y elctrica de los metales se basan en la teora de que algunos electrones son libres para moverse a travs de la celda cristalina del metal.

Los tomos en un metal slido se enlazan consigo mismos por enlaces metlicos para alcanzar un estado de ms baja energa (ms estable). Para el enlace metlico no hay restricciones sobre pares de electrones como en el enlace covalente ni sobre la neutralidad de carga como en el enlace inico. En el enlace metlico los electrones de valencia ms externos de los tomos son compartidos por muchos tomos circundantes, y as, en general, el enlace metlico es no direccional. Cuando los tomos metlicos se enlazan juntos compartiendo los electrones de valencia para formar un slido cristalino, la energa total de los tomos individuales disminuye en el proceso de enlace.

Los niveles de energa de los cristales metlicos multiatmicos son distintos de los de los tomos individuales. Cuando los tomos de metal se unen entre s para formar un cristal metlico, sus energas descienden pero a niveles slo ligeramente diferentes. Los electrones de valencia en un cristal metlico forman por tanto una "banda" de energa. Las energas de enlace y los puntos de fusin de los diferentes metales varan mucho. En general, a menor nmero de electrones de valencia por tomo implicados en el enlace metlico, mayor es el carcter metlico del enlace. Es decir, los electrones de valencia son ms libres para moverse.

El enlace de mayor carcter metlico se presenta en los metales alcalinos, ya que con perder un solo electrn de enlace alcanzan la configuracin electrnica de gas noble. As, las energas de enlace y los puntos de fusin de los metales alcalinos son relativamente bajos.

Sin embargo, a medida que el nmero de electrones de enlace aumenta, las energas de enlace y los puntos de fusin de los metales tambin aumentan, para los metales del cuarto periodo. El calcio, con dos electrones de valencia por tomo, tiene sus electrones de enlace ms estrechamente unidos que el potasio, siendo su energa de enlace 177 KJ/mol (42.2 Kcal/mol) y su punto de fusin, 851C, considerablemente ms altos que los del potasio. Con la ocupacin del nivel 3d en los metales de transicin del cuarto periodo, desde el escandio al nquel, las energas de enlace y los puntos de fusin de estos elementos se elevan mucho ms.

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