Estructura Atómica y Enlaces Interatómicos Capitulo 2 Estructura Atómica y Enlaces Interatómicos Materiales industriales

Preguntas a contestar en clases ¿Cual es el origen de la investigación de la estructura atómica? ¿Cuál es el enlace entre la tabla periódica y la estructura atómica? ¿Cuál son las diferencias entre los enlaces?

Experimento JJ Thomson

Experimento Rutherford

Modelo Niels Bohr

Átomos y Enlaces Estructura atómica :fundamentos, electrones, protones, neutrones, estados de electrones. La consecuencia: tabla periódica Enlaces atómico de los sólidos: mecanismos de enlaces, fuerzas, y energías Moléculas Electrones de las capas externas (valencia de electrones) son las responsables de los enlaces atómicos. El enlace de los átomos determinan las propiedades físicas, química, magnéticas, ópticas, etc… Fuerzas en la naturaleza son 4: gravitacionales, electromagnéticas, nuclear fuerte (mantiene unidos neutrones y protones en el núcleo, nuclear débil (evidenciado en la radioactividad). Ciencia de Materiales

Revisión de la estructura atómica Átomos: electrones, protones, y neutrones. Cargas: positiva y negativa – de la misma magnitud - 1.6 x 10-19 Coulombs. Los Neutrones son eléctricamente neutros. Masa: Protones y neutrones tienen la misma masa = 1.67 x 10-27 Kg. Electrón es 9.11 x 10-31 Kg. Número de masa = masa de protones + masa de neutrones. # de protones da la identificación química del elemento y es igual al numero atómico (Z) # de neutrones define el numero del isótopo. Orbita de los electrones Núcleo (p+n) Masa de electrón/protón es igual 1836. Representación esquemática del átomo de Bohr Ciencia de Materiales

Revisión de la estructura atómica Unidad de masa atómica (uma) : denominada comúnmente como peso atómico. 1 uma es definida como ½ uma del isótopo mas común del átomo de carbono 6 ( 6 protones y 6 electrones). Masa del protón = masa del neutron = 1.66x10-24 gr. = 1 uma… Así, la masa atómica del carbono 12 es 12 umas. El peso atómico de un elemento es el peso atómico medio de las masas atómicas de los átomos que tienen isótopos. El carbono pesa 12.011 uma La masa atómica es expresada como masa/mol Un mol es la cantidad de materia que tiene una masa en gramos igual a la masa atómica en uma de los átomos. Ejemplo: 1 mol de carbón tiene una masa de 12 gramos. Numero de Avogadro es el numero de átomos que tiene una mol, N.Av= 6.023 x 1023 = 1 gram/1uma Ejemplo: peso atómico del acero = 55.85 uma/átomo = 55.85 gr./mol

Teoría de los átomos Teoría de Bohr , similar al sistema planetario, la teoría cuántica dice que esta teoría es incorrecta. Intenta visualizar el movimiento de los electrones, pero los electrones no se mueven en orbitas circulares, además la masa no esta concentrada en un solo punto o electrón. Es complicado determinar el movimiento de los electrones, lo que se puede determinar es la probabilidad de los electrones alrededor del núcleo, esto es determinado por la mecánica quántica Núcleo Orbita de electrones Ciencia de Materiales

Teoría cuántica Niveles de energía del átomo de hidrogeno, 1 eV= 1.6 x 10-9 J La energía es la energía perdida o ganada por un electrón a través de un diferencial de potencial de 1V Un electrón para moverse de nivel requiere de un “salto cuantico” Cada nivel esta compuesto de subniveles de energía Debido a la estroestática e interacción entre electrones cada sub-nivel de energía esta relativamente cerca Los sub-niveles son denominados s,p,d, f que son los números cuánticos principales Energía (J) Energía (eV) Bohr Cuántica Ciencia de Materiales

Números Cuánticos Existes solo algunas orbitas o capas que se dan, esta capas denomina a los numero cuánticos n, los cuales nos indican el tamaño del nivel o capa , n=1,2,3..a esto corresponde K,L,M,N,….. El numero cuántico l, define la subcapa de cada capa o nivel, s,p,d,f….. El tercer numero, ml define el numero de estados disponibles de energía del subnivel, 1 para s, 3 para p, 5 para d, 7 para f El ultimo numero es el ms o rotación (spin) = +/- 1/2 Numero Principal , n Sub-nivel Numero de estados Numero de electrones por nivel Número de electrones por sub-nivel 1 K s 2 L 8 p 3 6 M 18 d 5 10 4 N 32 f 7 14

Números Cuánticos Ciencia de Materiales Notación : n [s,p,d,f]# , donde # es el numero de estados que contiene electrones Ejemplo: H =1s1, He = 1s2, Be=1s2 2s2, Al = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p1 Energía Numero cuántico, n Ciencia de Materiales

Proto-tabla periódica de Mendeleev Muchos datos aleatorios de elementos, propiedades y comportamiento. Se organiza los datos a fin de que tenga sentido Una buena hipótesis conociendo los hechos que trate de predecir comportamientos Mendeleev (1869) los arregló en función de su peso atómico y los agrupo acorde su reactividad química. Se percato que habían “huecos” . El Al se comportaba como el B mientras que el Si como el C. Predijo que habría un elemento debajo del Al que lo llamo eka-aluminio con peso atómico de 68 y que reaccionaría con el cloro. El Galio (1875) También el elemento debajo del Si, que lo llamó eka-silicón tendría peso atómico de 72 y que formaría óxidos. Germanio (1886).

Tabla Periódica y Configuración Electrónica s p d (n-1) Metales No metales Intermedios N. Atómico Símbolo P. Atómico El Sodio (Na) tiene una configuración 1s2, 2s2, 2p6, 3s1 El Hierro (Fe) tiene una configuración 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 3d6, 4s2 Átomos con un electrón en el ultimo nivel como el Na o átomos con uno faltante son pocos como el Cl son altamente reactivos Los electrones de las ultimas capas o niveles determina las propiedades químicas de los átomos : valencia de electrones Átomos con todos sus electrones completos son inertes como los gases Ne, Ar

Tabla Periódica

Regiones de la tabla periódica que corresponde a diferentes bloques de orbitales

Electronegatividad Ciencia de Materiales Incremento de Electronegatividad Electronegatividad es la habilidad que tiene un átomo para aceptar un electrones. Ciencia de Materiales

Gráfico radio atómico Vs número atómico: Máxima ocurre para elementos del grupo 1 A mientras que la minina a 8A

Energía de la primera ionización Vs número atómico La energía de ionización disminuye con un creciente número atómico. Ej: Se requiere menos energía para remover un electrón de un átomo de potasio que para removerlo de uno de litio.

Afinidad electrónica Vs número atómico El cambio de energía que ocurre cuando un electrón se adiciona a un átomo gaseoso o a un ión.

Puntos de fusión de algunos metales en función de su ubicación en la tabla periódica Obsérvese que los puntos de fusión tienen carácter periódico debido a que varían a través de los periodos cuarto, quinto y sexto de la tabla

Tabla Periódica Grupo 0, gas inertes o nobles, químicamente inactivo (Ar) Grupo IA y IIA incluyen los álcalis y metales alcalinos, tienen un electrón en la ultima capa, tienden a ceder electrones, son químicamente activos Grupo VIIA, tienen a ganar un electrón en la ultima capa, químicamente activos Grupo IV son materiales en transición, como el Si importante en la fabricion de chips (semiconductores) Grupo IIIB y IIB son metales de transición, los cuales tiene el subnivel d parcialmente ocupado, aquí encontramos los materiales magnético Ciencia de Materiales

Enlaces Enlace atómico determina las propiedades de los materiales. Si dos átomos son aislados y luego unidos, existirá una interacción entre ambos átomos. FR está relacionada con el principio de Pauli: cuando las nubes de electrones que rodean los átomos se empiezan a sobreponer la energía aumenta inmediatamente. FA depende del tipo de enlace. E0 (a distancia r0 y FN=0) representa la energía requerida para separar los átomos a una distancia infinita. FN=FR+FA F=dE/dr r0= dist.equilibrio Si dE/dr=0 FR=FA E0:Energ. equilibrio EN=EA+ER

Tipos de enlace Enlaces primarios: electrones son transferidos o compartidos. Fuerte energía de interacción en 100 y 1000 KJ/mol. Tipos: iónicos (NaCl) metálicos, covalentes (C-C) Enlaces secundarios: no se transfieren o comparten electrones en estos enlaces. Existen una interacción atómica o por dipolo molecular. Energía de interacción es débil menor a 100 KJ/mol . Tipos: dipolos inducidos (H2,Cl2), dipolos permanentes (H20, HCl..), moléculas polares induce dipolos Ciencia de Materiales

Enlace Iónico Se produce una “ionizacion” entre dos átomos ocurriendo una transferencia de electrones. Ion es un atomo con carga. Anion: atomo cargado positivamente. Cation: atomo cargado negativamente Los iones son atraído por fuerzas de Coulomb. Poseen cargas opuestas y se atraen sin dirección Ejemplo: NaCl. Na tiene 11 electrones y 11 protones Na 1s2 2s2 2p6 3s1 Na+ 1s2 2s2 2p6 dona 1e y le quedan 10 e Cl tiene 17 protones y 17 electrones Cl 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5 Cl- 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 acepta 1e , entones tiene 18e Ciencia de Materiales

Enlace Iónico Se produce un “encojimiento” del Na y un “ensanchamiento” del Cl por la transferencia de electrones. Debe haber igualdad de carga El Esfuerzo del enlace disminuye con el enlace iónico. La trasferencia de electrones reduce la energía del sistema de los átomos. A mayor diferencia en electronegatividad mas fuerte es el enlace iónico. Los iónicos sólidos son frágiles y tienen elevada temperatura de fusión como los cerámicos. Estructura cristalina del ClNa Ciencia de Materiales

Enlace Iónico Cerámicos NaCl MgO CaF 2 Ciencia de Materiales Donan electrones Aceptan electrones He - N e Ar K r Xe Rn F 4.0 Cl 3.0 B 2.8 I 2.5 At 2.2 Li 1.0 Na 0.9 0.8 Rb Cs 0.7 Fr H 2.1 Be 1.5 Mg 1.2 Ca Sr Ba Ra Ti Cr 1.6 Fe 1.8 Ni Zn As 2.0 MgO CaF 2 NaCl O 3.5 Cerámicos Ciencia de Materiales

Enlace Covalente Polímeros: lo polímeros están formado principalmente por cadenas de carbonos, los cuales parten de un monómero Diamante: arreglo atómico de carbonos Ciencia de Materiales

Enlace Covalente Si C C(diamante) 2 O GaAs Ciencia de Materiales He - N e Ar K r Xe Rn F 4.0 Cl 3.0 B 2.8 I 2.5 At 2.2 Li 1.0 Na 0.9 0.8 Rb Cs 0.7 Fr H 2.1 Be 1.5 Mg 1.2 Ca Sr Ba Ra Ti Cr 1.6 Fe 1.8 Ni Zn As 2.0 Si C C(diamante) 2 O Ga GaAs Ge columna IVA Sn Pb Ciencia de Materiales

Enlace Metálico La valencia de electrones son esparcido formando un “mar de electrones” que se pegan unos a otros. Los electrones son “donados” por todos los átomos. Resultado: estructura en la cual los átomos están ionizados en este mar de electrones, los iones se fijan debidos a que las fuerzas de atracción y repulsión son iguales. Los electrones se pueden mover libremente y por esta razón los metales son buenos conductores de la electricidad, también el calor puede trasmitirse fácilmente a través de los electrones. Iones Mar de electrones Ciencia de Materiales

Enlace secundarios o de Vander Valls Interacciones de dipolo. 0.1 – 10 KJ/mol. Importantes en molecular de sólidos: ceras, polímeros. Enlace disminuye la temperatura de fusión de los materiales. Son aislantes. Dipolo Permanente Dipolo inducido Ciencia de Materiales

Enlaces secundarios Dipolo-dipolo: Fuerzas electrostáticas entre moléculas Las cargas de un dipolo induce cargas electrostáticas entre moléculas La energía del dipolo disminuye a mayor distancia Dipolo inducido : cambio en la “nube” de electrones Iones pueden interactuar Soluciones acuosas Ciencia de Materiales

Puente de hidrogeno Son fuerzas electroestática entre el hidrogeno y O, N, F, S Controla las propiedades del agua y del hielo. Se da en los polímeros entre grupos que conforman las cadenas poliméricas. Son relativamente fuertes aproximadamente 10 J/mol (corto tiempo) , las dipolo-dipolo o dipolo – dipolo inducido son aprox. 0.1 a 1 kJ/mol (varia en la distancia). Ciencia de Materiales

Resumen Tipo Energía del enlace Características Iónico Elevada (enlace fuertes) No direcciones, estables, punto de fusión elevado, conductividad baja, coeficiente de expansión bajo. Ej.: cerámicos Covalente Variable, elevada como el diamante, bajo como los polímeros Punto de fusión elevado y variable, aislante, frágil o flexible. Ej: algunos cerámicos, semiconductores, y cadenas poliméricas Metálicos Variable, elevada como el Tungsteno y pequeña como el mercurio Punto de fusión variable, buenos conductores del calor y electricidad, opacos a la luz. Ej ; metales Secundarios Pequeños Direcciones , inter moléculas como los polímeros o intramolecular

Resumen de clase ¿Cuantos protones, neutrones y electrones hay en un átomo de 197Au? Dé el simbolo químico completo para el núclido que contiene 18 protones, 18 electrones y 22 neutrones.