LA ESTRUCTURA ATOMICA Y CRISTALINA DE LOS MATERIALES

ESTRUCTURA ATOMICA Resulta útil entender la estructura básica del átomo antes de emprender el estudio de las propiedades de los materiales y su comportamiento bajo las distintas condiciones. La molécula se define como la partícula mas pequeña de cualquier substancia que puede existir aislada y tener todas las propiedades químicas de esta substancia. Una molécula puede estar formada por uno o mas átomos de la misma clase. Un compuesto contiene dos o mas elementos combinados químicamente. Una mezcla consiste en dos o mas elementos o compuestos combinados físicamente . Los átomos y de hecho todos los materiales, están constituidos por los mismos componentes básicos: protones, neutrones y electrones.

ESTRUCTURA ATOMICA El núcleo del átomo esta formado por protones de carga positiva y por neutrones. Alrededor del núcleo y en movimiento orbital en las que se conocen como orbitas o capas, se encuentran los electrones que tienen una carga negativa igual y opuesta a la carga del protón en un átomo neutro. Es esta carga eléctrica la que mantiene unido al átomo y es la causa de gran parte del comportamiento químico y eléctrico de los elementos

N representa la orbita siendo N=1 la mas cercana al núcleo De estos modelos podemos inferir que hay un numero máximo de electrones que cada orbita puede contener. El máximo de electrones se define por: 2 Máximo numero de electrones = 2 N N representa la orbita siendo N=1 la mas cercana al núcleo

ESTRUCTURA ATOMICA ENLACE ATOMICO La valencia es la capacidad de un átomo para combinarse con otros átomos y formar una molécula. Hay valencias positivas y negativas. Cuando un átomo tiene mas o menos electrones en la orbita exterior de los que tiene en su estado no combinado o libre, recibe el nombre de ion y posee una carga eléctrica. La carga es negativa cuando hay electrones adicionales y positiva cuando hay electrones faltantes. Los átomos de los metales pueden dejar fácilmente sus electrones de valencia para formar así iones positivos. Cuando la capa de valencia u orbita exterior, esta completa, se dice que tiene valencia cero. Los gases inertes tienen valencia cero y no se combinan fácilmente con otros elementos para formar compuestos. Existen cuatro tipos básicos de enlaces que mantienen a los átomos unidos: Iónico, covalente, metálico y Van der Waals.

ENLACE IONICO Este enlace une átomos diferentes por la atracción de iones negativos y positivos. Estos enlaces tienden a ser un tanto débiles debido a que existen discontinuidades en el arreglo de la red cristalina y hay diferentes cantidades de átomos que entran en combinación, por lo que no siempre se conserva la neutralidad. Estos enlaces tienen características de fragilidad, resistencia moderada y alta dureza y son buenos aislantes eléctricos cuando están puros en estado solido debido a que hay poca oportunidad para el movimiento de iones o de electrones.

ENLACE COVALENTE Se comparten electrones de valencia, es un enlace atómico muy fuerte cuya resistencia depende del numero de electrones compartidos. En las substancias de red covalente como el diamante y el carburo de silicio (carborundo) los electrones compartidos forman una unidad grande fuertemente unida, en cambio en las substancias moleculares covalentes como los azucares o las parafinas, los electrones se comparten dentro de la misma molécula y tienen muy poca atracción hacia otras moléculas que las rodeen. Por lo tanto las de red covalente tienen elevada temperatura de fusión y alta dureza y las moleculares covalentes tienen baja temperatura de fusión y baja dureza.

ENLACE METALICO El enlace metálico se forma entre átomos metálicos cuando algunos electrones de la capa de valencia se separan de su trayectoria orbital y existen en estado libre en forma de nube o gas, que rodean a los átomos en un estado de alta movilidad, mientras que se combinan para formar enlaces. Debido a esto la fuerza de enlace puede variar, haciendo posible que ocurra deformación sin ruptura y que haya buena conductividad térmica y eléctrica por el fácil movimiento de los electrones de un átomo al siguiente. Este tipo de enlace hace posible que existan algunas de las características útiles de los metales como como la maleabilidad y la ductilidad

ENLACE ATOMICO ENLACE DE VAN DER WAALS El enlace de Van Der Waals se encuentra entre átomos neutros de elementos como los gases inertes y entre moléculas neutras de compuestos moleculares covalentes. Esta es una fuerza de atracción muy débil y es importante en el estudio de los metales únicamente a temperaturas muy bajas

covalente secundario metálico iónico polímeros semiconductores metálico secundario Cerámicos y vidrios metales iónico Tetraedro que representa la contribución relativa de diferentes tipos de enlaces Para las cuatro categorías fundamentales de materiales para ingeniería

Carácter del enlace en los cuatro tipos fundamentales de materiales de ingeniería Tipo de material Carácter del enlace Ejemplo Hierro (Fe) y las aleaciones ferrosas Metal Metálico Cerámica y vidrio Iónico-Covalente Sílice (SiO2):cristalino y no cristalino Polímeros Covalente y secundario Polietileno ( C2H4)n Semiconductores Covalente o covalente-iónico Silicio(Si) o sulfuro de cadmio (CdS)

CLASIFICACION DE LOS ATOMOS Los átomos del elemento hidrogeno tienen en su estado normal un solo electrón en movimiento alrededor de un núcleo que tiene una carga positiva igual a la carga negativa del electrón. El átomo del elemento helio tiene dos electrones en movimiento alrededor de su núcleo, el litio tiene tres electrones, y así sucesivamente hasta 92 para el uranio. A la tabla de los elementos se le llama periódica porque aparecen elementos con propiedades similares a intervalos regulares en el orden de los elementos. A los renglones se les conoce como periodos y a las columnas como grupos En las columnas es donde existen las similitudes mas importantes

CLASIFICACION DE LOS ATOMOS El cobre, la plata y el oro tienen estructuras cristalinas similares y se combinan fácilmente para formar aleaciones. El grupo del cromo, molibdeno y tungsteno tienen características semejantes como elementos de aleación en el acero para favorecer la resistencia mecánica y la templabilidad. El azufre, selenio y el telurio se han utilizado para mejorar la maquinabilidad de los aceros. El hierro, cobalto y níquel son ferro magnéticos. Los seis metales del grupo platino constituyen dos ternas horizontales rutenio, rodio y paladio en la primera y osmio iridio y platino en la segunda. El primer grupo tienen pesos atómicos y densidades relativas que son aproximadamente iguales a la mitad de los del segundo grupo. Por otra parte cada metal del primer grupo tiene un miembro en el segundo grupo que parece estar mas estrechamente relacionado con el, ´por ejemplo, el Ru y Os, el Rh e ir así como el Pd y Pt se pueden considerar como parejas. Todos estos metales son químicamente resistentes y tienen elevadas temperaturas de fusión Estos seis metales (Ru,Os,Rh,Ir,Pd y pt) junto con el oro y la plata, se conocen como el grupo delos metales preciosos también llamados metales nobles, debido a su resistencia a las condiciones atmosféricas y a la mayoría de los ácidos.

TABLA PERIODICA DE LOS ELEMENTOS

Las orbitas representan niveles electrónicos de energía a los que se ha asignado un numero de cuantos y en los cuales los electrones ocupan ciertas capas. Cada electrón orbital contiene cantidades discretas de energía. A estos paquetes de energía se les llama fotones (es decir, un fotón es un cuanto de energía radiante) Si un grupo de electrones llega a estar excitado, este saltara a una orbita de energía superior. Si un electrón regresa a su orbita o capa original de energía, liberara un fotón de energía (tal como el calor) que es característica de ese salto. La primera capa básica no puede contener mas de 2 electrones, la segunda contiene 8, la tercera 18 y la cuarta contiene 32. A los electrones de la capa exterior de los metales se les llama electrones de valencia y pueden ser desprendidos fácilmente para formar compuestos mediante enlaces. Estos electrones son la causa del comportamiento eléctrico y químico de los elementos.

METALES Y NO METALES Algunas de las propiedades que debe tener un elemento para que sea considerado como metal, son: 1.-Capacidad de donar electrones para formar un ion positivo. 2.-Estructura cristalina. 3.-Alta conductividad térmica y eléctrica 4.-Capacidad de ser maleables para dejarse deformar. 5.-Brillo metálico o reflectividad. Aproximadamente las tres cuartas partes de todos los elementos se consideran como metales. Los elementos químicos pueden clasificarse de manera preliminar en tres grupos: metales, no metales y gases inertes. Algunos no metales, como el carbono, germanio, silicio, se asemejan a los metales en una u otra forma, por lo que a veces se les llama metaloides, estos pueden tener brillo metálico y micro estructura cristalina y pueden ser semiconductores de la electricidad, sin embargo no pueden ser deformados sin fracturarse por ser frágiles, como son todos los no metales. Los metales son los elementos mas importantes desde el punto de vista metalúrgico, pero los plásticos, los cauchos, o hules y demás productos sintéticos se producen en su mayor parte a partir de no metales. Los componentes electrónicos de estado solido se producen a partir de metaloides como el germanio y el silicio.