Materiales I

Átomo de Bohr Átomo de helio (He) núcleo electrón electrón

Modelo cuántico Modelo de Bohr

Modelo de Bohr Modelo cuántico

Forma de los orbitales Orbital s (ℓ=0) 1 estado permitido con hasta 2 e- Número de estados permitidos: 2 ℓ + 1 Máxima cantidad de electrones: 2 * n° de estados

Corte transversal

Orbital p (ℓ=1): 3 estados con 2 e- cada uno (6 e- en total) Orbital p completo

Orbital d (ℓ=2): 5 estados con 2 e- cada uno (10 e- en total) Orbital d completo

Orbital f (ℓ=3): 7 estados con 2 e- cada uno (14 e- en total)

Carbono ( Z = 6 ) vacío

Los radios atómicos en la tabla periódica aumenta la energía de los electrones de valencia aumenta el número de protones en el núcleo

Electronegatividad de Pauling Electronegatividad creciente

Radios Iónicos Los cationes son siempre más pequeños que el átomo neutro ya que pierden los electrones de su última capa. Los aniones son siempre más grandes que el átomo neutro ya que ganan electrones para completar su última capa.

Enlaces Atómicos

Capa externa (puede tener hasta 8 electrones) 1° capa (puede tener hasta 2 electrones) Los átomos tienden a ganar, perder o compartir electrones en su capa externa para quedar en configuración de gas noble H tiende a C tiende a N tiende a O tiende a ganar 1 electrón y pasa a configuración de He ganar 4 electrones ganar 3 electrones y pasa a configuración de Ne ganar 2 electrones

Enlace iónico

Enlace Iónico: Cloruro de Sodio NaCl Entre átomos con electronegatividades muy diferentes

Enlace Iónico: Cloruro de Sodio NaCl Entre átomos con electronegatividades muy diferentes

Reglas de Pauling para formar un compuesto iónico Primera regla: En la estructura, alrededor de cada catión, se forma un poliedro de aniones. Cada configuración es estable para una cierta relación entre los radios de los iones. número de coordinación (radio catión/radio anión) número de coordinación (radio catión/radio anión) Lineal Octaedro Triángular Cubo Tetraedro

Segunda regla: Para que la estructura sea estable, tiene que ser electricamente neutra. Definimos la fuerza de ligadura de un compuesto iónico como la carga del catión dividida el número de coordinación. La suma de todas las fuerzas de los enlaces que llegan a un anión desde los cationes que lo rodean debe ser igual a la carga del anión.

TiO2 El Ti (rojo) está con coordinación 6 y valencia 4. Cada enlace tiene una fuerza de 2/3. Entonces, cada oxigeno tiene que estar ligado a 3 Ti.

Tercera regla: Se refiere a como se conectan los poliedros en la estructura. La separación entre los cationes disminuye sucesivamente si los poliedros se conectan por una esquina, por un lado o por una cara. Al disminuir la distancia, se acortan los lados y aumenta la energía de repulsión.

Algunas estructuras sencillas: Comparten vértices Comparten lados Comparten caras en las columnas

Perovskita CaTiO3 Cuarta regla: En una estructura cristalina con diferentes cationes, aquellos de mayor valencia y bajo número de coordinación tienden a no compartir caras entre sí (la repulsión entre un par de cationes aumenta como el cuadrado de su carga y la separación entre cationes disminuye a medida que el número de coordinación decrece). Perovskita CaTiO3 Poliédros de CaO12 comparten caras Octaédros de TiO6 comparten solo vértices

Quinta regla: El número de elementos de diferente constitución que componen una estructura cristalina tiende a ser pequeño (es difícil lograr un empaquetamiento eficiente de poliédros de diferentes tamaños). Pero esta regla es la que menos se cumple…

Celda unidad del Bi-2212

Estructura cristalina Constante de Madelung NaCl 1.748 CsCl 1.763 Zinc blend 1.638 Wurtzite 1.641 Fluorite 2.519 Rutile 2.408 35

Enlace covalente

Enlace entre átomos idénticos: Enlace entre dos no metales: Metano CH4 Molécula de hidrógeno (H2) Enlace entre dos no metales: Metano CH4 Diamante (C-C) Polímeros: polietileno Entre átomos con electronegatividades similares

se transfiere un electrón átomos átomos se transfiere un electrón comparten electrones ión positivo (catión) ión negativo (anión) molécula enlace covalente direccional enlace iónico no direccional

Enlaces mixtos covalentes e iónicos

Todos los elementos del grupo IA y IIA y todos los metales

Polarización: enlace Van der Waals Aunque los átomos sean electricamente NEUTROS, como los electrones están en constante movimiento pueden formar MOMENTANEAMENTE pequeños DIPOLOS eléctrico. La dirección y magnitud de este dipolo fluctúa CONSTANTEMENTE, pero puede INDUCIR dipolos fluctuantes similares en otros átomos. + - DIPOLE FORMS +e -e Un dipolo eléctrico se puede formar en forma espontánea en un átomo neutro debido al movimiento de los electrones alrededor del núcleo Un dipolo consiste en dos cargas iguales y opuestas separadas cierta distancia

Polarización: enlace Van der Waals Esta interacción DÉBIL entre dipolos es el origen de los enlaces del tipo Van der Waals. Se caracterizan por una ENERGÍA de cohesión BAJA y bajas temperatura de fusión. La formación de un dipolo espontáneo en un átomo induce un dipolo igual y opuesto en otro átomo vecino causando que se atraigan. Esto es el enlace Van der Waals

La ligadura entre capas es más débil (Van der Waals) En los planos, los 3 átomos de carbono están ligado con un enlace covalente. La ligadura entre capas es más débil (Van der Waals)

Puente de hidrógeno: Otro tipo de enlace se observa en moléculas POLARES, que tienen un momento dipolar PERMANENTE. El H del HCL es ligeramente positivo y el Cl ligeramente negativo y por eso se atraen entre moléculas.

Enlace de puente de hidrogeno Cuando un átomo de H en enlace covalente se junta con otro átomo muy electronegativo. Mas débil que el enlace iónico o covalente pero más fuerte que el Van der Waals Enlace entre moléculas de agua

Dureza y expansión térmica Propiedades Propiedad Explicación Temperatura de fusión Para que el sólido pase al estado líquido se tienen que romper los enlaces por la energía térmica. Alta energía de cohesión implica alta temperatura de fusión. Conductividad eléctrica Los electrones se tienen que poder mover libremente por el material, o sea no estar fuertemente ligados al enlace. Dureza y expansión térmica Hay que ver cuanta fuerza/energía se necesita para desplazar los átomos de su posición de equilibrio en el cristal.

Propiedades Enlaces Iónico covalente metálico Van der Waals Mecánicas Estructurales Alta coordinación No-direccional Baja coordinación Direccional Mecánicas Fuerte cristales duros y frágiles cristales muy duros Fuerza variable Maleabilidad Débil cristales blandos y frágiles Eléctricas Aislantes (conducción iónica a alta temperatura) Superconductores de alta Tc Aislantes en estado sólido y líquido ó semiconductores Conductores Térmicas Alta Temperatura de Fusión Bajo coeficiente expansión Muy Alta Temperatura de Fusión Temperatura de Fusión variable Alta conducción térmica Baja Temperatura de Fusión Alto coeficiente de expansión térmica