Estructura atómica y enlaces

La estructura de los materiales se clasifica en cinco niveles: - Macroestructura (> 1000 nm) - Microestructura (10 – 1000 nm) - Nanoestructura (1 – 100 nm) - Arreglos atómicos de corto y largo alcance - Estructura atómica Obs: Un grano es una porción del material dentro del cual el arreglo de los átomos es casi idéntico.

Disposición geométrica de los átomos Cristalinos Amorfos Disposición geométrica de los átomos Interacciones entre átomos y moléculas Propiedades Estructura atómica Propiedades físicas - conductividad eléctrica - propiedades magnéticas - características térmicas y elásticas

Disposición geométrica de los átomos SiO2 cristalino o cuarzo  SiO2 amorfo o vidrio

Estructura atómica La estructura atómica y los enlaces atómicos producen distintos arreglos atómicos o iónicos de los materiales. La estructura atómica incluye todos los átomos y sus arreglos. A partir de estos emergen todos los nano, micro y macroniveles de estructura. La estructura atómica influye en la manera en que están ligados los átomos de los materiales, lo que permite clasificarlos como metales, cerámicos y polímeros y además se pueden establecer algunas propiedades mecánicas y físicas. El arreglo atómico distingue materiales que son amorfos (carecen de un orden de largo alcance de los átomos) y los cristalinos ( tienen arreglos geométricos periódicos de átomos de corto y largo alcance).

Importancia tecnológica La estructura atómica Importancia tecnológica La tecnología de la información, la biotecnología, la tecnología de la energía, del ambiente y muchas más, donde se requieren dispositivos cada vez más pequeños, más ligeros, más rápidos, portátiles, más eficientes, fiables, duraderos y baratos. Se requieren baterías que sean más pequeñas, más ligeras y durables. Se necesitan automóviles que sean relativamente asequibles, ligeros, seguros, con alto rendimiento de combustible y equipados con muchas funciones avanzadas, desde sistemas de posicionamiento global hasta complicados sensores para activar la bolsa de aire. La nanotecnología se usa para describir un conjunto de tecnologías que se basan en fenómenos físicos, químicos y biológicos que suceden en la nanoescala (1 a 100 nm).

Estructura atómica Estructura del átomo.- El átomo esta compuesto por un núcleo rodeado de electrones. El núcleo contiene neutrones y protones, estos últimos están cargados positivamente, por lo tanto, el núcleo tiene una carga positiva, los electrones tienen una carga negativa y están sujetos al núcleo mediante atracción electroestática, la magnitud de la carga eléctrica “q” de cada electrón o protón es 1,60x10 -19 coulomb (C). El átomo es eléctricamente neutro por cuanto el número de electrones es igual al número de protones.

Estructura atómica Número atómico.- Es el numero de electrones o protones en cada átomo, por ejemplo, el hierro tiene un numero atómico de 26 por cuanto tiene 26 electrones y 26 protones. Masa atómica.- Casi toda la masa del átomo se encuentra en el núcleo. NA= Numero de Avogadro NA= 6,02x1023 átomo /gr mol (número de moléculas o átomos en un gramo mol) Isótopos.- Los átomos del mismo elemento que tienen diferente número de neutrones en el núcleo.

Estructura atómica Estructura electrónica del átomo.- Los electrones giran alrededor del núcleo en regiones del espacio denominadas órbitas, los átomos grandes albergan a varias órbitas o capas de electrones, el orbital más externo se llama la capa de valencia, porque determina cuantos enlaces puede formar un átomo. Debido a su repulsión mutua, solo un determinado número de electrones puede ocupar el espacio cercano al núcleo, la capa más cercana solo puede tener dos electrones, la segunda capa puede tener hasta 8 electrones en varios orbitales, la tercera capa puede tener hasta 18 electrones en sus niveles. Una capa tiene diferentes niveles de energía y cada nivel puede albergar un máximo numero de electrones.

Estructura atómica

Estructura atómica Notación abreviada: 1s2 2s22p6 3s23p63d10 4s24p2 (Germanio) No siempre es ordenada la construcción de la estructura electrónica, en especial en los niveles “d” y “f”, por ejemplo en el hierro: 1s2 2s22p6 3s23p63d8 (Estructura teórica) 1s2 2s22p6 3s23p63d63p2 (Estructura real)

Estructura atómica Los niveles de energía se indican en la siguiente tabla.

Estructura atómica Valencia.- La capacidad del átomo para entrar en combinación química con otros elementos suele determinarla el numero de electrones en el nivel combinado más exterior sp, ejemplos: Al: 1s2 2s2 2p6 3s23p1 Valencia 3 Mg: 1s2 2s2 2p6 3s2 Valencia 2 Ge: 1s2 2s2 2p6 3s23p63d10 4s24p2 Valencia 4

Estructura atómica Estabilidad atómica.- Si un átomo tiene valencia cero, ningún electrón entra en las reacciones químicas, y el elemento es inerte, por ejemplo el argón (1s2 2s2 2p6 3s23p6). Un átomo de aluminio cede fácilmente sus tres electrones exteriores dejando vacío el nivel 3sp. La característica de la unión atómica y el comportamiento químico depende del mecanismo por el cual estos 3 electrones interactúan con los demás átomos. Un átomo de cloro tiene una estructura atómica de 1s2 2s2 2p6 3s23p5, al tener tiene en el nivel externo 7 electrones, puede receptar un electrón para llenar su nivel externo.

La tabla periódica

TABLA PERIODICA

La tabla periódica En ingeniería lo que interesa más es lo siguiente: Polímeros (plásticos) a base principalmente de carbono, grupo IVA Cerámicos, normalmente basados en combinaciones de muchos elementos de los grupos I a VA Metálicos, basados en los elementos I y II y en los elementos metálicos de transición. Semiconductores están en el grupo IVA y combinaciones de grupos como el seleinuro de cadmio (IIA y VIA) o arseniuro de galio (IIIA y VA), etc. Electronegatividad.- Describe la tendencia de un átomo a ganar un electrón. Los átomos con niveles casi completamente llenos aceptan electrones fácilmente, por ejemplo el cloro. Electropositivos.- Los átomos con niveles externos casi vacíos ceden electrones fácilmente, por ejemplo el sodio.

Enlace químico Fuerza entre los átomos que los mantiene unidos en las moléculas. Cuando dos o más átomos se acercan lo suficiente, puede producirse una fuerza de atracción entre los electrones de los átomos individuales y el núcleo de otro u otros átomos. Si esta fuerza es lo suficientemente grande para mantener unidos los átomos, se dice que se ha formado un enlace químico. Todos los enlaces químicos resultan de la atracción simultánea de uno o más electrones por más de un núcleo.

Metálicos --------- Covalente ----------- iónico REGLA DEL OCTETO Enunciada en 1916 por Gilbert Newton Lewis, dice que la tendencia de los átomos de los elementos del sistema periódico, es completar sus últimos niveles de energía con una cantidad de 8 electrones tal que adquiere una configuración semejante a la de un gas noble. 1875-1946 Metálicos --------- Covalente ----------- iónico

La electronegatividad (Pauling) de un elemento es la capacidad que tiene un átomo de dicho elemento para atraer hacia sí los electrones, cuando forma parte de un compuesto. Iónico (diferencia superior o igual a 1.8) Covalente (diferencia entre 1.8 y 0.4) 1901-1994 Fr F

Enlaces atómicos Existen cuatro mecanismos importantes mediante los cuales los átomos se enlazan o unen en los materiales: Enlace metálico Enlace covalente Enlace iónico Enlace de Van der Waals Enlaces primarios Enlace secundario

Las propiedades de las sustancias dependen en gran medida de la naturaleza de los enlaces que unen sus átomos

Enlace Metálico Características: Alta conductividad térmica y eléctrica Alta ductilidad Opacos a la luz visible

Cuando se aplica voltaje a un metal, los electrones se mueven con facilidad y conducen la corriente

En los metales en estado sólido, los átomos se encuentran empaquetados relativamente muy juntos, en una ordenación sistemática o estructura cristalina. a) Disposición atómica en un cristal de cobre metálico b) Diagrama esquemático bidimensional de átomos entrelazados metálicamente

La mayoría de los metales pueden ser deformados considerablemente sin fracturas debido a que los átomos de metal se pueden deslizar unos sobre los otros sin distorsionar completamente la estructura de enlace metálico

Enlace Covalente Características (sólidos): Alto punto de fusión -No conductor Alta dureza Frágiles

Algunos átomos forman nuevas moléculas por medio de enlaces covalentes, compartiendo los electrones de sus orbitales más externos Representación esquemática de enlace covalente de una molécula de metano (CH4). Representación esquemática de una molécula de sílice

Los átomos de carbono en el grafito están dispuestos en capas paralelas. En la capa cada átomo está enlazado a otros tres con ángulos de 120º formando hexágonos. Estructura cubica del diamante

Enlace iónico Características: Temperatura de fusión y ebullición altas Alta dureza No conductores de la electricidad Generalmente solubles en agua

Cuando se aplica un voltaje a un material iónico, se deben mover los iones completos para que la corriente pueda pasar.

Comparación entre el comportamiento de un sólido metálico y otro iónico cuando se someten a una fuerza externa

Enlaces de Van der Waals: atracción electrostática débil que ocurre entre átomos o moléculas que están polarizadas, es decir, en los casos en que los centros de las cargas positivas y negativas no coinciden, originándose así un dipolo . La molécula de agua es eléctricamente polar, debido a su estructura no alineada.

C O d+ d- + - d+ d- - - H O d- + d+ - ENLACES DE VAN DER WAALS Entre dipolos permanentes (moléculas polares) d+ d- + - Entre dipolos instantáneos (ej.: Gases nobles) d+ d- - - + - O H d+ d- Entre dipolos inducidos (ej.: moléculas apolares en agua)

En el PVC (cloruro de polivinilo) las cadenas están unidas por enlaces de van der Waals

COVALENTE MACROMOLECULAR   TIPO DE SÓLIDO METÁLICO Na IÓNICO NaCl MOLECULAR H2O COVALENTE MACROMOLECULAR SiO2 PARTÍCULAS EN NODOS DE LA RED RESTOS ATÓMICOS (NÚCLEOS+CORTEZA ELECTRÓNICA INTERNA) RODEADOS DE UNA NUBE ELECTRÓNICA ANIONES Y CATIONES MOLÉCULAS O ÁTOMOS INDIVIDUALES (GASES NOBLES) ÁTOMOS FUERZAS DE UNIÓN ENTRE PARTÍCULAS ENLACE METÁLICO (ORBITALES MOLECULARES DESLOCALIZADOS) ELECTROSTÁTICAS FUERZAS DE VAN DER WAALS Y/O PUENTES DE HIDRÓGENO ENLACE COVALENTE PROPIEDADES SÓLIDOS DE BLANDOS A DUROS CONDUCTORES DE LA ELECTRICIDAD Y EL CALOR PUNTO DE FUSIÓN VARIABLE, AUNQUE ALTO EN GENERAL SÓLIDOS DUROS QUEBRADIZOS MALOS CONDUCTORES EN SÓLIDO, CONDUCTORES DE LA ELECTRICIDAD FUNDIDOS O EN DISOLUCIÓN PUNTOS DE FUSIÓN ALTOS SÓLIDOS BLANDOS MALOS CONDUCTORES PUNTOS DE FUSIÓN BAJOS EN GENERAL: UNA GRAN PARTE SON LÍQUIDOS O GASES EN CONDICIONES NORMALES SÓLIDOS MUY DUROS MALOS CONDUCTORES, EN GENERAL  

Propiedades físicas y estructurales de los materiales asociados con el tipo de enlace atómico. Enlace iónico Enlace covalente Enlace metálico Enlace de Van der Waals Estructurales No direccional, determina estructuras de alta coordinación Especialmente dirigido y numéricamente limitado, determina estructuras de baja coordinación y baja densidad No direccional, determina estructuras de alta coordinación y alta densidad Análogo al metálico Mecánicas Resistente, cristales de gran dureza Resistentes y de gran dureza, poca ductilidad Resistencia variable, presentan por lo general plasticidad Baja resistencia, cristales blandos Térmicas Medianamente alto punto de fusión, bajo coeficiente de expansión, iones al estado líquido Alto punto de fusión, baja expansión térmica, moléculas al estado líquido Punto de fusión variable, gran intervalo de temperaturas al estado líquido Bajo punto de fusión, alto coeficiente de expansión Eléctricas Aisladores moderados, conducción por transporte iónico en el estado líquido. Aisladores en el estado sólido y líquido Conductores por transporte electrónico Aisladores Ópticas y magnéticas Absorción y otras propiedades son características de los iones individuales Alto índice de refracción, absorción totalmente diferente en soluciones y/o gases Buenos reflectores de la radiación visible Propiedades características de las moléculas individuales

Enlace atómico Existen cuatro mecanismos por medio de las cuales se enlazan o unen los átomos. En tres de ellos se logran cuando los átomos llenan sus niveles externos s y p. Unión metálica.- En metales en estado sólido , los átomos se encuentran empaquetados, relativamente muy juntos, en una ordenación sistemática o estructura cristalina. En el enlace metálico los electrones de valencia más externos de los átomos son compartidos por muchos átomos circundantes y de este modo, en general, el enlace metálico no resulta direccional. Estos átomos se encuentran unidos por atracción mutua hacia el electrón produciendo de está manera la fuerte unión metálica. Cuando se dobla un metal los átomos intentaran cambiar su relación entre ellos pero el enlace simplemente se desliza en lugar de romperse. Esto permite que los metales sean conformados y además sean buenos conductores eléctricos.

Enlace atómico Unión metálica:

Enlace atómico Unión covalente.- Los átomos comparten sus electrones de la ultima capa entre ellos. El silicio tiene cuatro electrones en su ultima capa pudiendo aceptar más electrones. Estas uniones son muy fuertes y al intentar conformar una placa de silicio los enlaces deben romperse por lo tanto no son materiales dúctiles y escasa conductividad eléctrica. Muchos materiales cerámicos y polímeros tienen este tipo de unión, por ejemplo el vidrio, el ladrillo.

Enlace atómico Unión covalente:

Enlace atómico Unión iónica.- En este enlace uno de los átomos toma un electrón de la capa de valencia del otro, quedando el primero con carga negativa por el electrón adicional y el segundo con carga positiva al perderlo; el enlace se debe a una ley de la física ampliamente conocida: los polos opuestos se atraen. Cuando un átomo o molécula tiene carga eléctrica se le conoce como ión, de aquí el nombre. Por ejemplo un átomo de Cloro al aceptar un electrón del Sodio queda cargado negativamente, forma el ión Cloruro Cl-, (anión) mientras que el Sodio queda con un electrón menos y forma el catión Na+ (cargado positivamente). Los iones cargados de manera opuesta se atraen entre ellos a través de fuerzas electroestáticas que son la base del enlace iónico, en el ejemplo anterior la sustancia resultante es el Cloruro de Sodio ClNa (sal común).

Enlace atómico En la siguiente figura, se indica la reacción del sodio con el cloro: sodio (en la izquierda) pierde su única valencia de electrones al cloro (a la derecha), resultando en un ión de sodio cargado positivamente (izquierda) y un ión de cloro cargado negativamente (derecha). Cunado se aplica una fuerza a un cristal de cloruro de sodio, se rompe el equilibrio eléctrico entre los inoes. En parte por esta causa los materiales unidos iónicamente se comportan como frágiles. Su conductividad eléctrica es baja.

Enlace atómico Enlace de Van der Waals.- Las uniones o enlaces de Van der Waals ligan moléculas o grupos de átomos mediante atracciones electrostáticas débiles. Muchos plásticos, cerámicas, el agua y otras moléculas están polarizadas; esto es, algunas porciones de la molécula tienden a estar con carga positiva, mientras otras porciones están cargadas negativamente. El enlace de Van der Waals es un enlace débil entre átomos o moléculas. Es una unión secundaria , pero los átomos dentro de la molécula están unidos por fuertes enlaces covalentes o iónicos.

Enlace atómico Enlace de Van der Waals:

Enlace atómico Los polímeros en los cuales están presentes las fuerzas de vander Waals tienden a ser relativamente más rígidos y tienen temperatura de transición vítrea (es aquella bajo de la cual los polímeros tienden a comportarse de manera frágil; por ejemplo el PVC a temperatura ambiente es frágil, por lo que, en el proceso de fabricación se agregan moléculas más pequeñas que interactúen con las moléculas largas dándole mayor flexibilidad. En la metalurgia de polvos (técnica de procesamiento de metales que comprende la unión en el estado sólido de un polvo fino granulado, para obtener un producto totalmente denso) debe sobrepasarse las fuerzas de van der Waals, esto se consigue introduciendo cargas eléctricas iguales en las partículas o absorbiendo moléculas de un agente tenso activo. Los compuestos intermetálicos se pueden unir con una mezcla de enlas metálicos e iónicos en especial cuando hay una gran diferencia de electronegatividad de los elementos.