Nombre:

Andrés Eduardo Márquez Chacón

CI: 20.395.977

Estructura atómica de los materiales

Estructura atómica de los materialesEl modelo atómicos actual establece que en el átomo se distinguen dos partes: el núcleo y la corteza

• El núcleo es la parte central del átomo y contiene partículas con carga positiva, los protones, y partículas que noposeen carga eléctrica, los neutrones. La masa de un protón es aproximadamente igual a la de un neutrón.

• La corteza es la parte exterior del átomo. En ella se encuentran los electrones, con carga negativa. Éstos, ordenadosen distintos niveles, giran alrededor del núcleo. La masa de un electrón es unas 2000 veces menor que la de unprotón.

En condiciones normales los átomos son eléctricamente neutros, debido a que tienen igual número de protones que deelectrones.

El modelo atómico actual es regido por la Mecánica Cuántica, cuyos padres fueron Heisenberg (1901-1976),Schrödinger (1887-1961) y Dirac (1902-1984).

En la mecánica cuántica se define el concepto de orbital como una zona del espacio donde la probabilidad de encontraral electrón es máxima

La masa y carga de cada partícula se resume en el cuadro:

También resulta conveniente indicar que existen

0.6023x𝟏𝟎𝟐𝟒 uma por gramo. Este valor tan elevado,

conocido como número deAvogadro, representa el

número de protones o de neutrones que se necesitan

paraproducir una masa de 1

gramo.

Estructura electrónica del átomo:

Los electrones de la corteza se localizan en capas o niveles de energía. Estos niveles de energía se numeran del 1 al 7 pororden creciente de la energía que tienen los electrones en dicho nivel, y por distancia al núcleo del átomo.

- El nivel 1 es el más interno y menos energético.- El nivel 7 es el más externo, y más energético.

Cada uno de estos niveles puede contener a su vez varios subniveles energéticos que se designan con las letras s, p, d y f.Cada nivel energético dispone sólo de algunos de estos subniveles, tal y como se muestra en la tabla:

La distribución de los electrones de un átomo en estos niveles y subniveles es loque se conoce como configuración electrónica, y sigue una serie de reglas básicas:

• Cada subnivel puede alojar un número máximo de electrones: el subnivel spuede tener un máximo de 2 electrones, en el subnivel p caben 6, en elsubnivel d caben 10, y en el subnivel f caben 14. Esto se debe a que en cadaorbital cabe un máximo de dos electrones y los subniveles s, p, d y f contienen1, 3, 5 y 7 orbitales respectivamente.

• Los electrones se van distribuyendo entre los distintos subniveles, tendiendo a ocupar preferentemente lossubniveles de menor energía (más estables), y después los subniveles con más energía (menos estables). Unsubnivel sólo puede empezar a ocuparse cuando el subnivel inmediatamente inferior ya está completo.

La configuración electrónica de los átomos es de suma importancia, ya que determina las propiedades químicas de unelemento. Especial relevancia tiene el número de electrones de valencia, que es el número de electrones que hay en elúltimo nivel ocupado (capa de valencia). Los electrones de valencia son los electrones más externos del átomo, y portanto los de mayor energía, y determinarán la capacidad de unión de unos átomos con otros para formar agrupacionesde átomos (moléculas y cristales).

Electrón de valencia

Atracciones interatómicas e intermolecularesEl enlace químico entre átomos ocurre debido a la disminución neta de la energía potencial de los átomos en estadoenlazado. Esto significa que los átomos en estado enlazado están en condiciones energéticas más estables que cuandoestán libres. En general, los enlaces químicos entre los átomos pueden dividirse en dos grupos: primarios (enlacesfuertes) y secundarios (enlaces débiles).

• Enlaces atómicos primarios:

Los enlaces atómicos primarios, en los cuales intervienen grandes fuerzas interatómicas, pueden subdividirse en las tresclases siguientes:1. Enlaces iónicos: En este tipo de enlace intervienen fuerzas interatómicas relativamente grandes debidas a latransferencia de un electrón de un átomo a otro produciéndose iones que se mantienen unidos por fuerzas culombianas(atracción de iones cargados positiva y negativamente). El enlace iónico es un enlace no direccional relativamente fuerte.

2. Enlaces covalentes: Corresponden a fuerzas interatómicas relativamente grandes creadas cuando se compartenelectrones para formar un enlace con una dirección localizada.

3. Enlaces metálicos: Implican fuerzas interatómicas relativamente grandes creadas cuando se comparten electrones enforma deslocalizada para formar un enlace fuerte no direccional entre los átomos.

• Enlaces atómicos secundarios y moleculares:

1. Enlaces de dipolo permanente. Corresponden a enlaces intermoleculares relativamente débiles que se forman entre moléculas que tienen dipolos permanentes. El dipolo en una molécula existe debido a la asimetría en la distribución de su densidad electrónica.

2. Enlaces dipolares variables. Entre los átomos puede formarse un enlace dipolar muy débil debido a la distribución asimétrica de las densidades electrónicas alrededor de sus núcleos. A este tipo de enlaces se les llama variables debido a que la densidad electrónica continuamente cambia con el tiempo.

• Enlace Iónico:Los enlaces iónicos pueden formarse entre elementos muy electropositivos (metálicos) y elementos muyelectronegativos (no metálicos). En el proceso de ionización, los electrones se transfieren desde los átomos de loselementos electropositivos a los átomos de los elementos electronegativos, produciendo cationes cargadospositivamente y aniones cargados negativamente. Las fuerzas iónicas de enlace son debidas a la fuerza de atracciónelectrostática o culombiana entre iones con carga opuesta. Los enlaces iónicos se forman entre iones con cargasopuestas porque se produce una disminución neta de la energía potencial para los iones enlazados.

Las sustancias iónicas no se presentan de forma molecular,sino que, a fin de estabilizarse energéticamente, aparecenformando entramados cristalinos que se denominan redes, lascuales están constituidas por iones de signo opuesto,ocasionando un orden en el espacio

Enlaces atómicos primarios

• Enlace covalente:

Mientras el enlace iónico incluye átomos muy electropositivos y electronegativos, el enlace covalente se forma entreátomos con pequeñas diferencias de electronegatividad y ubicados muy próximos en la tabla periódica. En el enlacecovalente, los átomos generalmente comparten sus electrones externos s y p con otros átomos, de modo que cadaátomo alcanza la configuración electrónica de gas noble. En un enlace covalente sencillo, cada uno de los dos átomoscontribuye con un electrón a la formación del par de electrones del enlace y las energías de los dos átomos asociadascon el enlace covalente decrecen (son más estables) como consecuencia de la interacción de los electrones. En elenlace covalente pueden formarse enlaces múltiples de pares de electrones por un átomo consigo mismoo con otros átomos.

El caso más sencillo de enlace covalente se da en la molécula de hidrógeno, en la cual dos átomos de hidrógeno aportan sus electrones 1s1 para formar un par de electrones unidos por enlace covalente:

• Enlace metálico:

Se presenta en los metales sólidos. En los metales en estado sólido, los átomos están ordenados relativamentemuy juntos en una ordenación sistemática o estructura cristalina. En esta estructura los átomos están tanjuntos que sus electrones externos de valencia son atraídos por los núcleos de sus numerosos vecinos.

Los átomos en un enlace metálico sólido se mantienen juntos mediante este enlace para lograr un estado de másbaja energía (o más estable). Para el enlace metálico no hay restricciones sobre pares electrónicos como en elenlace covalente, ni restricciones sobre la neutralidad de carga como en el enlace iónico. En el enlace metálico loselectrones de valencia más externos de los átomos son compartidos por muchos átomos circundantes y de estemodo, en general, el enlace metálico es no direccional.

Cuando los átomos metálicos se unen y comparten los electrones de valencia para formar un sólido cristalino, la energía total de los átomos por separado se ve reducida por el propio proceso de enlace.

Enlaces atómicos secundarios o moleculares

Los enlaces secundarios son relativamente débiles en relación con los primarios y tienen energías de sólo entre 4 y 42kJ/mol (1 a 10 kcal/mol). La fuerza motriz para la formación del enlace secundario es la atracción de los dipoloseléctricos contenidos en los átomos o en las moléculas. Los dipolos eléctricos se crean en los átomos o en lasmoléculas cuando existen centros con cargas positiva y negativa.

A estos enlaces dipolares (secundarios) se les llama enlaces de «Puente de Hidrogeno» y «Van der Waals»

• Puente de Hidrògeno:es un caso especial de una interacción dipolodipolo permanente entre moléculas polares. El enlace del hidrógeno sepresenta cuando un enlace polar conteniendo el átomo de hidrogeno, O—H o N—H, interaciona con los átomoseletronegativos O, N, F o Cl. Por ejemplo, la molécula de agua, H2O tiene un momento dipolar permanente de 1.84debyes debido a su estructura asimétrica con sus dos átomos de hidrógeno y un ángulo de 105° con respecto a suátomo de oxígeno.

• Fuerzas de Van der Waals:Son fuerzas tipo electrostáticas que unen con enlaces polares a aquellas moléculas que no están unidas por puentesde hidrogeno. Son mas débiles que estos.

Acomodamiento inter molecular de los materiales y acomodamiento atómico

La estructura física de los materiales sólidos de importancia en ingeniería depende principalmente delordenamiento de los átomos, iones o moléculas que constituyen el sólido, y de las fuerzas de enlace entre ellos.Si los átomos o iones de un sólido están ordenados de acuerdo con un patrón que se repite en el espacio, formanun sólido que tiene un orden de largo alcance (OLA) al cual se le llama sólido cristalino o material cristalino.Ejemplos de materiales cristalinos son los metales, las aleaciones y algunos materiales cerámicos. Contrastandocon los materiales cristalinos, existen algunos materiales cuyos átomos o iones no están ordenados en forma delargo alcance, periódica y repetible, y poseen únicamente un orden de corto alcance (OCA). Esto significa que elorden existe únicamente en la vecindad inmediata de un átomo o molécula. Como ejemplo tenemos al agualíquida que tiene en sus moléculas un orden de corto alcance y en la que un átomo de oxígeno se encuentraunido de forma covalente a dos átomos de hidrógeno. Sin embargo, este orden desaparece en la medida en quecada molécula se une a otras moléculas en forma aleatoria a través de enlaces secundarios débiles. Losmateriales que presentan solamente un orden de corto alcance se clasifican como amorfos (sin forma) o nocristalinos.

El ordenamiento atómico en los sólidos cristalinos se puede describir representando a los átomos en los puntos de intersección de una red tridimensional. Esta red se llama red espacial :

• Estructuras metálicas:

La mayoría de los metales puros (aproximadamente 90%) cristalizan al solidificar en tres estructuras cristalinas compactas:

Cubica centrada en el cuerpo Cubica centrada en las caras Hexagonal compacta

La mayoría de los metales cristalizan tienden empacarse densamente porque la energía disminuye a medida quelos átomos se acercan y se enlazan entre sí. De este modo, las estructuras más compactas corresponden aordenamientos de niveles energéticos menores y más estables.

• Estructura cerámica:

La gran variedad de composiciones químicas de los cerámicos se refleja en sus estructuras cristalinas. No es posible daruna lista exhaustiva de las estructuras cerámicas, pero en su lugar puede proporcionarse una lista sistemática dealgunas de las más importantes y representativas.

1. Los cerámicos con la fórmula química más sencilla, MX, donde M es un elemento metálico y X es un elemento no metálico. El primer ejemplo es la estructura del cloruro de cesio (CsCl)

2. la estructura del cloruro sódico (NaCl), representada en la Figura 3.9, es compartida por muchos materialescerámicos de importancia.

3. La fórmula química MX2 incluye un gran número de cerámicos estructurales. Como por ejemplo la estructura de la fluorita (CaF2).

• Estructuras poliméricas:

En comparación con el apilamiento de átomos e iones individuales en los metales y cerámicos, la disposición de estaslargas moléculas según un patrón regular y repetitivo es difícil. En consecuencia, la mayoría de los polímeros comercialesno presentan un alto grado de cristalinidad. En aquellas zonas de la microestructura que sí son cristalinas, la estructuratiende a ser bastante complicada.

El polietileno, -{-C2H4-)-n, es químicamente bastante sencillo. La larga cadena se dobla sobre sí misma hacia atrás yhacia adelante. Es una celda unidad ortorrómbica, un sistema cristalino común en los cristales poliméricos.