Estructura atómica de los materiales

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    26-Jul-2015

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<p> 1. Estructura atmica de losMaterialesAlumna: Nathaly Ramrez C.I 18.796.168Tutor: Profesor Douglas Garca1 2. El estudio de la estructura atmica de la materia sirve para explicar laspropiedades delos materiales. La materia est compuesta por tomos, que aefectos prcticos se considerarn partculas esfricas de 10-10m de tamao.tomo(del latn atomus, y ste del griego , indivisible) es launidad ms pequea de un elemento qumico que mantiene suidentidad o sus propiedades y que no es posible dividir medianteprocesos qumicos.2 3. 3Los tomos estn formados por un ncleo, de tamao reducido y cargadopositivamente, rodeado por una nube de electrones, que se encuentran en lacorteza.ELECTRNEs una partcula elemental con carga elctrica negativa igual a 1,602 10-19Coulomb y masa igual a 9,1093 10-28 g, que se encuentra formando parte delos tomos de todos los elementos.NEUTRNEs una partcula elemental elctricamente neutra y masa ligeramentesuperior a la del protn (mneutrn=1.675 10-24 g), que se encuentra formandoparte de los tomos de todos los elementos.PROTNEs una partcula elemental con carga elctrica positiva igual a 1,602 10-19Coulomb y cuya masa es 1837 veces mayor que la del electrn (mprotn=1.673 10-24 g). La misma se encuentra formando parte de los tomos de todos loselementos.La nube de carga electrnica constituye de este modo casi todo el volumen del tomo,pero, slo representa una pequea parte de su masa. Los electrones, particularmente lamasa externa determinan la mayora de las propiedades mecnicas, elctrica, qumicas,etc., de los tomos, y as, un conocimiento bsico de estructura atmica es importante enel estudio bsico de los materiales de ingeniera. 4. 4El nmero atmico es la cantidad de protones queposee el ncleo de un tomo. Debe ser un nmero entero. Sedenomina "atom" a un tomo de un elemento determinado,debido a que en su ncleo existe esa cantidad determinada de"protones".Como cada protn y neutrn pesa una unidad, el peso de untomo ser la suma de ambos. En consecuencia, los pesosatmicos sern todos nmeros enteros, o sencillamente lacantidad de partculas (tanto neutrones como protones) delncleo.La masa atmica relativa de un elemento es la masa en gramosde 6.023 1023 tomos (nmero de Avogadro NA) de eseelemento.La masa atmica de un elemento es la que corresponde alpromedio de las masas de sus distintos istopos segn lasabundancias relativas naturales de estos en dicho elemento.Hay que tener en cuenta las masas de los distintos istopos ysus porcentajes en la naturaleza. 5. Modelo AtmicoModelo de BohrEl modelo de Bohr presentalimitaciones significativas, no sirvepara explicar varios de losfenmenos en los cuales estninvolucrados electrones.Las deficiencias del modelo de Bohr fueronsuplidas por el modelo atmico de lamecnica cuntica.En este modelo el electrn presentacaractersticas tanto de onda como departcula. El electrn ya no es consideradocomo una partcula que se mueve en unorbital discreto. Su posicin pasa a serconsiderada como la probabilidad deencontrar un electrn en un lugar prximodel ncleo.Distribucin electrnica:(a)Modelo atmico de Bohr(b)Mecnica cuntica5 6. 6La tabla peridica es un esquema que incluye a los elementos qumicos dispuestospor orden de nmero atmico creciente y en una forma que refleja la estructura de loselementos. Los elementos estn ordenados en siete hileras horizontales, llamadas periodos, yen 18 columnas verticales, llamadas grupos.El primer periodo (la primera hilera), que contiene dos elementos, el hidrgeno y el helio, ylos dos periodos siguientes, cada uno con ocho elementos, se llaman periodos cortos. Losperiodos restantes, llamados periodos largos, contienen 18 elementos en el caso de losperiodos 4 y 5, o 32 elementos en el del periodo 6.Las propiedades qumicas de los tomos de los elementos dependen principalmente de lareactividad de sus electrones ms externos. Los ms estables y menos reactivos de todos loselementos son los gases nobles. La configuracin electrnica de las, capas exteriores de losgases nobles, excepto el He, es con ocho electrones en su ltima rbita. Esta configuracin dela capa ms externa hace que posean una alta estabilidad qumica, como se pone de manifiestoal considerar la relativa inactividad de los gases nobles para reaccionar con otros tomos. 7. 7FUERZAS Y ENERGAS DE INTERACCION ENTRETOMOSCualquiera que sea la naturaleza del enlace, entre los tomos contiguos sedesarrollan dos tipos de fuerzas:a) Atractivas, debidas: A la naturaleza del enlace. A las atracciones electrostticas entre cada ncleo atmico y la nube electrnica delotro.b) Repulsivas, debidas: A la accin electrosttica entre los ncleos atmicos. A las nubes electrnicas entre s.En ambos casos, el efecto de las fuerzas de origen magntico es muy dbil y el de lasgravitatorias prcticamente despreciable, Como consecuencia de estas fuerzas, lostomos adoptan una posicin de equilibrio en funcin de su temperatura y su presin 8. 8ENLACES ATMICOSEl enlace qumico entre tomos tiene lugar debido a la disminucin neta de laenerga potencial de los mismos en estado enlazado. Esto significa que los tomosen estado enlazado se encuentran en unas condiciones energticas ms estables quecuando estn libres. En general, los enlaces qumicos entre tomos pueden dividirseen enlaces inicos, covalentes y metlicos.1 . Enlaces inicos: En este tipo de enlaces se ponen en juego fuerzas interatmicasrelativamente grandes debidas a la transferencia de un electrn de un tomo a otro(para conseguir tener ocho electrones en su ltima capa), con lo que se produceniones que se mantienen unidos por fuerzas coulombianas (atraccin de ionescargados positiva y negativamente). El enlace inico es un enlace no direccional yrelativamente fuerte.2. Enlaces covalentes: Corresponden a fuerzas interatmicas relativamente grandescreadas por la comparticin de electrones para formar un enlace con una direccinlocalizada.3. Enlaces metlicos: Involucran fuerzas interatmicas relativamente grandes,creadas mediante la comparticin de electrones deslocalizados para formar unenlace fuerte no direccional entre los tomos.la densidad electrnica est continuamente cambiando con el tiempo. 9. 9El enlace covalente se forma entre tomos conpequeas diferencias de electronegatividad.Los tomos generalmente comparten suselectrones externos con otros tomos, de modoque cada tomo alcanza la configuracin de gasnoble.El enlace covalente puede ser sencillo (los dostomos comparten dos electrones, uno de cadatomo), doble (comparten cuatro, dosprocedente de cada tomo) o triple.Enlace covalente para el carbonoEn el estudio de los materiales, el carbono (Z=6) es muy importante, ya que es el elementobsico en la mayora de materiales polmeros. El tomo de carbono en el nivel ms bajo tieneuna configuracin electrnica 1s2 2s2 2p2 . Esta ordenacin electrnica indica que el carbonodebera formar dos enlaces covalentes con los orbitales 2p semillenos.Sin embargo, en muchos casos el carbono forma cuatro enlaces covalentes de igual fuerza. Laexplicacin es proporcionada por el concepto de hibridacin sobre el enlace, mediante la cual,uno de los orbitales 2s es promovido a un orbital 2p y, como consecuencia, se producen cuatroorbitales hbridos equivalentes sp3 10. 10Enlace metlicoEn metales en estado slido los tomos se encuentran empaquetados en unaestructura cristalina. Los tomos estn tan juntos que sus electrones externos devalencia son atrados por los ncleos de sus tomos vecinos. Como consecuenciapodemos deducir fcilmente que los electrones de valencia no estn asociados a unncleo nico y, as, es posible que se extiendan entre los ncleos metlicos en formade una nube electrnica de carga de baja densidad.Los electrones de valencia estn dbilmente enlazados a los ncleos de iones positivosy pueden moverse con facilidad dentro del metal cristalino.Las altas conductividades trmica y elctrica que presentan los metales se basan en lateora anteriormente expuesta.La mayora de los metales pueden ser deformados, sin fracturas debido a que lostomos se pueden deslizar unos sobre otros sin distorsionar la estructura cristalina deenlace metlico. 11. 11 12. 12Tetraedro que representa la contribucin relativa de losdiferentes tipos de enlace para las cuatro categorasfundamentales de materiales de ingeniera(metales, cermicas, polmeros y semi-conductores) 13. 13Enlaces molecularesLos enlaces moleculares pueden ser de dos tipos:1. Enlaces de dipolo permanente:corresponden a enlaces intermoleculares relativamente dbiles, que se forman entremolculas que poseen dipolos permanentes. Un dipolo en una molcula existedebido a la asimetra en la distribucin, de su densidad electrnica. Los origina lapolarizacin.2. Enlaces de dipolo inducido:Los tomos con una distribucin asimtrica de densidades electrnicas en torno a susncleos son susceptibles de formar entre ellos un dipolo elctrico muy dbil. Estetipo de dipolo se llama inducido debido a que la densidad electrnica estcontinuamente cambiando con el tiempo. Los originan los efectos de dispersin. 14. 14Representacin esquemtica de (a) un tomo elctricamente simtrico y(b) un dipolo atmico fluctuante.Dipolo permanente 15. 15Fuerzas molecularesLos enlaces moleculares, o unin de unas molculas con otras, se dan entre molculascon enlaces covalentes atmicos. La interaccin puede efectuarse de dos formas:1) Fuerzas de Van der WaalsEste grupo de fuerzas tienen su origen en atracciones y repulsiones de los camposelctricos y magnticos creados por ncleos y electrones corticales.Podemos considerar dos orgenes fundamentalmente:1.a) Polarizacin: Se origina cuando uno de los tomos que forma la molcula tienems afinidad por los electrones, con lo cual la molcula resultante, aunque neutra, esen cierto modo polar. La molcula se comporta en estos casos como un dipoloelctrico cuya polaridad depende tanto de la distancia entre las cargas como del valorde stas. Los enlaces resultantes son enlaces de dipolo permanente.1.b) Efectos de dispersin: Tienen lugar en todas las molculas simtricas y gasesnobles como consecuencia de un movimiento de electrones, que provoca movimientosde los centros de las cargas. Las atracciones interatmicas son dbiles pero reales. Losenlaces resultantes son enlaces de dipolo inducido 16. 16Representacin esquemtica del enlace de Van der Waals entre dos dipolos.Los enlaces dipolares pueden ser entre: dipolos inducidos fluctuantes dipolos permanentes e inducidos dipolos permanentes.ENLACES SECUNDARIOS O De Van der Waals Ocurren atracciones entre dipolos generados por la asimetra de cargas. El mecanismo de esos enlaces es similar al de los enlaces inicos, pero noexisten electrones transferidos. 17. 172) Puentes de hidrgenoSe producen en molculas que son de por s dipolares. Se debe a la atraccin queexiste entre el ncleo del hidrgeno de una molcula y los electrones nocompartidos del oxgeno, flor o nitrgeno, exclusivamente. Es un caso especial de enlace entre molculas polares. Es el tipo de enlace secundario ms fuerte. Ocurre entre molculas en que el H est unido covalentemente al F (HF),(H2O) o N (NH3). 18. 18ESTRUCTURA CRISTALINAEstructura cristalina: La estructura fsica de los slidos es consecuencia de ladisposicin de los tomos, molculas e iones en el espacio, as como de las fuerzasde interconexin entre los mismos. Si esta distribucin espacial se repite, diremosdel slido que tiene estructura cristalina. Los metales, aleaciones y determinadosmateriales cermicos tienen estructura cristalina.Retculo espacial: La ordenacin atmica en los slidos cristalinos puederepresentarse situando los tomos en el origen de una red tridimensional, que sedenomina retculo espacial. En este tipo de redes cristalinas cada punto que puedeser identificado por un tomo o ion, tiene un entorno idntico.Celdas unitarias: La red espacial que representa una estructura cristalina se puededefinir como una repeticin en el espacio de celdas unitarias.El volumen y orientacin espacial de cada celda unitaria viene caracterizado por lassiguientes constantes:- Tres vectores, a, b, c, que convergen en un punto comn o vrtice- Tres ngulos, , y interaxiales 19. 19ESTRUCTURAS CRISTALINASEn cristalografa, dependiendo del mdulo o valor de los vectores reticulares (a, b, c), y de sudireccin o ngulos interaxiales (, y ), nos podemos encontrar con siete sistemas cristalinosdiferentes y catorce retculos espaciales diferentes, denominados redes de Bravais.Casi todos los metales elementales cristalizan en tres tipos de estructuras fundamentales: BCC: Cbica centrada en el cuerpo (ferrita, Cr, V, K) FCC.: Cbica centrada en las caras (austenita, Au, Ag, Cu, Al)HCP: Hexagonal compacta (Zn , Cd, Mg)RELACIN ENTRE CONSTANTES EN LAS ESTRUCTURAS CRISTALINAS METLICAS BSICAS1.ndice de coordinacin: Nmero de tomos que en una red cristalina rodean a uno dado2.Factor de empaquetamiento atmico FPA: Relacin existente entre el volumen que ocupan lostomos en una celda unitaria y el volumen de la celda unitaria.3.Arista a: Es la arista de la celda unitaria.4.Radio R: Es el radio de los tomos presentes en la celda.5. Planos y direcciones compactas. Son aquellos en las que los tomos que estn sobre ellos estnen contacto unos con otros6. Planos de mxima densidad: Son aquellos en los que la superficie de las secciones atmicas esmayor. 20. 20Modelo de esfera dura Los tomos (o iones) se consideran como esferas slidas con dimetros bien definidos Las esferas ms cercanas se tocan entre s. En los metales cada esfera representa el ncleo atmico.Acomodamiento Atmico 21. REFERENCIA WEB21Paginas Web: Consultada realizada el 28/11/2014http://www.monografias.com/trabajos99/la-tabla-periodica/la-tabla-periodica.shtml Consultada realizada el 28/11/2014http://www.eis.uva.es/~qgintro/atom/tutorial-05.html Consultada realizado el 30/11/2014http://www.iim.unam.mx/mbizarro/4-Empaquetamiento%202013-1.pdf </p>