MATERIALES – ESTRUCTURA ATÓMICA Y ESTRUCTURA CRISTALINA Introducción: Las props y el comportamiento de los materiales dependen de su composición y estructura.

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1 MATERIALES – ESTRUCTURA ATÓMICA Y ESTRUCTURA CRISTALINA Introducción: Las props y el comportamiento de los materiales dependen de su composición y estructura  Estudiaremos la geometría y las interacciones entre los distintos átomos (primarios, secundarios) Partículas Elementales: Partículas elementales  Átomos  Moléculas  Materiales. Clasificación: Según su masa: TiposEjemplo Leptones: más ligeros e -, e + y Mesón  Mesones: masa media Mesón  y Mesón k Bariones: masa  m p Nucleones, Hiperones Según su carga: TiposEjemplo Positivasp, e + Neutrasn Negativase-e-

2 MATERIALES – ESTRUCTURA ATÓMICA Y ESTRUCTURA CRISTALINA Según su estabilidad fuera del núcleo: TiposEjemplo Establep, e - inestablen, mesón Según su vida media (tiempo que tardan en desintegrarse): Estables o Inestables. Toda partícula está sometida a las leyes fundamentales: Interacción Gravitatoria: La escala 10 -10 m es prácticamente imperceptible  no tiene casi importancia. Interacción Eléctrica: las Fuerzas Coulombianas y de Corto Alcance  bastante importantes.

3 MATERIALES – ESTRUCTURA ATÓMICA Y ESTRUCTURA CRISTALINA El Átomo El Núcleo La Corteza Z protonesN neutrones A nucleones A = Z + N formado por e.d. formado por electrones Si no excitados nºe - =nºp + CargaMasa Protón1,6022·10 -19 C1,6725·10 -27 kg Neutrón0 C1,6748 ·10 -27 kg Electrón-1,6022·10 -19 C9,1096·10 -31 kg

4 MATERIALES – ESTRUCTURA ATÓMICA Y ESTRUCTURA CRISTALINA e - ´s cambian de nivel   E=h.  E>0  absorción de fotones, mayor inestabilidad  E<0  emisión de fotones, mayor estabilidad. Principio de Construcción: Modelo Hidrogenóide: Supone que la disposición de los niveles energéticos de cualquier átomo son como los niveles del átomo hidrógeno, pero rellenos con electrones, considerando el Principio de Exclusión de Pauli. La ordenación sistemática con arreglo a su configuración electrónica da origen al SISTEMA PERIÓDICO de los elementos. 1s2s2 2s2s2 p6p6 3s2s2 p6p6 d 10 4s2s2 p6p6 f 14 5s2s2 p6p6 d 10 f 14 6s2s2 p6p6 d 10 7s2s2 p6p6

5 MATERIALES – ESTRUCTURA ATÓMICA Y ESTRUCTURA CRISTALINA Fuerzas y Energía de Interacción entre Átomos: Sea cuál sea la naturaleza entre dos átomos se desarrolla dos tipos de fuerzas: AtractivasRepulsivas Debidas a Naturaleza del enlace Atracciones electrostáticas e cada núcleo atómico y la nube electrónica del otro La fuerza electrostática entre los núcleos atómicos Las nubes electrónicas entre sí. Teniendo en cuenta que la F mag y F grav  0  los átomos adoptan una posición de equilibrio, debido a  F, en función de p (presión) y T ( Temperatura)

6 MATERIALES – ESTRUCTURA ATÓMICA Y ESTRUCTURA CRISTALINA Estructura electrónica y Reactividad Química: Las props Q as de los elementos dependen ppalmente de e - ´s más externos. Los elementos más estables y menos reactivos son los gases nobles (s 2 p 6 ) He, Ne, Ar, Kr, Xe, Ra Electronegatividad: “La capacidad de un átomo para atraer electrones hacia sí”. Cuantificación: La escala va desde 0 hasta 4,1. Los menos son los alcalinos (1A) entre 0,9 y 1,0. Los más electronegativos son F,O y N con 4,1; 3,5 y 3,1 MetalesNo Metales e - ´s más externosGralmente, 3 o menos4 o más En reacciones Q as. Ceden e - ´sAceptan e - ´s ProducenIones Positivos = CationesIones Negativos = Aniones Nº OxidaciónPositivosNegativos En la Tabla1A, 2A6A, 7A ElectronegatividadBajasAltas

7 MATERIALES – ESTRUCTURA ATÓMICA Y ESTRUCTURA CRISTALINA Atómicos Fuerzas grandes, comparten e - ´s deslocalizados. Enlace no direccional.  e,  T>>. Fácilmente deformables sin fracturas. F Coulombianas grandes debidas a transferencia de un e- de un átomo a otro. Enlace no direccional. Muy electropositivos y muy electronegativos Fuerzas grandes creadas al compartir e - ´s formando un enlace direccional. -Entre átomos con pequeños  electronegatividad porque comparten e - ´s de capas s,p, se convierten en elementos nobles. -E átomos enlazados < E inicial, debido a la interacción de los e - ´s. -Estructuras de Lewis para representación. Puntos para expresar e - ´s más externos y guiones para el resultado final. Iónico Metálico Covalente

8 MATERIALES – ESTRUCTURA ATÓMICA Y ESTRUCTURA CRISTALINA Dipolo permanente Dipolo inducido Moleculares Los átomos con una distribución asimétrica de densidades electrónicas en torno a sus núcleos son susceptibles de formar entre ellos un dipolo eléctrico muy débil. Este tipo de dipolo se llama inducido debido a que la densidad electrónica está continuamente cambiando con el tiempo. Relativamente débiles. Se forman entre moléculas con dipolos permanentes. Un dipolo en una molécula existe debido a la asimetría en la distribución de su densidad electrónica

9 MATERIALES – ESTRUCTURA ATÓMICA Y ESTRUCTURA CRISTALINA Fuerzas Moleculares Van der WaalsPuentes de Hidrógeno Los gases nobles se pueden licuar y solidificar al variar T,  entre sus átomos existen fuerzas que lo producen. Justificadas por dipolos variables que se producen en el movimiento de e - ´s, siendo su intensidad relativamente débil. Tiene lugar por la interacción de campos electromagnéticos creados por los núcleos y los electrones de valencia y podemos considerar dos efectos: 1.- Polarización: si cierto átomo tiene más afinidad que los otros, aunque la molécula sea neutra se comporta en cierto modo como polar (dipolo eléctrico) 2.- Efectos de dispersión: Tienen lugar en todas las moléculas simétricas y gases nobles como consecuencia del movimiento de los e - ´s que provoca movimiento de los centros de carga. Las atracciones interatómicas son débiles pero reales. Se producen en moléculas que son por sí dipolares. Se deben a la atracción que existe entre el núcleo de hidrógeno de una molécula y los electrones no compartidos del oxígeno, flúor o nitrógeno, exclusivamente.

10 MATERIALES – ESTRUCTURA ATÓMICA Y ESTRUCTURA CRISTALINA Estructura Cristalina: Cristal = Todo sólido compuesto de átomos, iones o moléculas ordenados de una determinada manera. Estructura Cristalina = Modelo regular tridimensional de átomos o iones en el espacio. Celda unitaria = Unidad repetida de retículo cristalino.

11 MATERIALES – ESTRUCTURA ATÓMICA Y ESTRUCTURA CRISTALINA Sistemas Cristalinos: En Cristalografía dependiendo del módulo o valor de los vectores reticulares (a, b, c), y de su dirección o ángulo interaxial ( , ,  ), nos podemos encontrar con 7 sistemas cristalinos diferentes y catorce retículos espaciales diferentes, denominados redes de Bravais.

12 MATERIALES – ESTRUCTURA ATÓMICA Y ESTRUCTURA CRISTALINA Casi todos los metales elementales cristalizan en 3 tipos de estructuras: BCC: Body Centered Cubic = Cúbica Centrada en el Cuerpo FCC: Faced Centered Cubic = Cúbica Centrada en las Caras HCP: Hexagonal Compact Phase = Fase Hexagonal Compacta

13 MATERIALES – ESTRUCTURA ATÓMICA Y ESTRUCTURA CRISTALINA BCC: Índice de coordinación = 8 para el modelo de esferas compactas. FPA = 68% ocupado

14 MATERIALES – ESTRUCTURA ATÓMICA Y ESTRUCTURA CRISTALINA FCC: Índice de coordinación = 12 para el modelo de esferas compactas. FPA = 74% ocupado

15 MATERIALES – ESTRUCTURA ATÓMICA Y ESTRUCTURA CRISTALINA HCP: Índice de coordinación = 12 para el modelo de esferas compactas. FPA = 68% ocupado

16 MATERIALES – ESTRUCTURA ATÓMICA Y ESTRUCTURA CRISTALINA Alotropía: Dependiendo de las condiciones de p y T, un mismo elemento o compuesto químico presenta diferentes estructuras cristalinas, a estos diferentes estados les llamaremos polimórficos o alotrópicos.