UNIDAD 2 ESTRUCTURA ATOMICA Y ENLACES

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

Estructura atómica y enlaces 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

Interacciones entre átomos y moléculas: 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. de la atracción simultánea de uno o más electrones por más de un núcleo.

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 no direccional entre los átomos Enlace metálico: Atracción electrostática entre los electrones de valencia y las partes centrales de átomos cargadas positivamente. Para formar el enlace metálico, los átomos pierden los electrones de su última capa, que forman la nube electrónica, donde se empaquetan los iones positivos resultantes Enlace no direccional entre los átomos

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

Características de los materiales con enlace metálico A excepción del mercurio, los metales puros son sólidos a temperatura ambiente. No obstante, sus puntos de fusión son muy variables, aunque generalmente altos. Buenos conductores (electricidad y calor). Brillo característico. Dúctiles y maleables (enlace metálico es no direccional) Presentan "efecto fotoeléctrico“ (cuando son sometidos a una radiación de determinada energía, emiten electrones). Se disolver unos en otros formando disoluciones que reciben el nombre de aleaciones. 

Enlace covalente: Unión entre dos o más átomos cuando éstos comparten sus electrones de valencia. Los átomos deben acomodarse de manera que los enlaces tengan una relación direccional fija entre ellos silicio

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

Características de los compuestos unidos por enlaces covalentes: Presentan elevados puntos de fusión y de ebullición Poco solubles (en cualquier tipo de disolvente). Duros. Malos conductores de la electricidad y del calor

Enlace iónico: Los átomos intercambian electrones para completar ocho en sus orbitales más externos. Un átomo (catión) cede sus electrones de valencia a otro átomo (anión). Na Na+ + e- Cl + e- Cl-

Cloruro de sodio

Enlace iónico del fluoruro de litio

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

Características de los compuestos formados por enlace iónico : Enlace fuerte (puntos de fusión altos).  Los cristales iónicos son duros, y se resisten bastante a ser rayados. Frágiles. Esto es debido a que un golpe puede originar un desplazamiento de los planos de los iones y, al dejar enfrentados iones de igual signo, daría lugar a una fractura en el cristal por fuerzas repulsivas electrostáticas. Mayos conductores (en estado sólido porque los iones están inmovilizados en la red; pero si son conductores en estado líquido. Se disuelven en disolventes polares, porque los dipolos de estos disolventes rodean a los iones de la red cristalina y los van "arrancando" de la red. 

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.

Estructura cristalina hexagonal del hielo común La interacción se produce por las atracciones electrostáticas que se producen entre la zona cargada negativamente de una molécula y la  positiva de otra, lo que provoca que las moléculas se vayan orientando unas con respecto a otras. Estructura cristalina hexagonal del hielo común

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