TEMA 2: Estructura Atómica

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1 TEMA 2: Estructura Atómica 2.1 Estructura atómica. Enlaces atómicos y propiedades. 2.2 Enlaces primarios: iónico, covalente y metálicos. Enlaces secundarios. 2.3 Los enlaces en metales, cerámicas y polímeros. 2.4 Influencia sobre algunas propiedades de los materiales: temperatura de fusión, coeficiente de expansión térmica, conductividad térmica, conductividad eléctrica y módulo de rigidez (Módulo de Young).

2 Modelo del átomo de Born Universidad Simón Bolívar Electrones n = número quántico principal. Nivel de energía que ocupan los electrones n=3 2 1 Núcleo: Z = # protones = 1 para el hidrógeno, hasta 94 para el plutonio N = # neutrones Masa atómica A Z + N

3 Estados energéticos de los electrones Los electrones que dan vueltas sobre sus propios ejes conforme giran alrededor del núcleo, n están n arreglados en capas definidas. Tienen estados discretos de energía Tienden a ocupar un estado de energía más bajo Número Cuantico principal (n) (o también K,L,M,N,O..) Niveles de energía en cada capa cuantica esta determinada por número cuantico azimutal (l), (s,p,d,l) y numero cuantico magnetico m l Valencia cantidad de electrones en los niveles externos s y p

4 Estados energéticos de los electrones Universidad Simón Bolívar A su vez cada capa es subdividida en estados o niveles de energía Energía aumenta n=4 n=3 n=2 n=1 4s 4p 3p 3s 2p 2s 1s 4d 3d 4f

5 Configuración n estable de los electrones Universidad Simón Bolívar EL átomo tiene las subcapas s y p completas Tiende a ser no reactivo Z Elemento Configuración 2 He 1s 2 10 Ne 1s 2 2s 2 2p 6 18 Ar 1s 2 2s 2 2p 6 3 s 2 3 p 6 36 Kr 1s 2 2s 2 2p 6 3 s 2 3 p 6 3 d 10 4 s 2 4 p 6

6 TABLA PERIODICA LA PERIODICIDAD DE LOS ELEMENTOS ESTA BASADA EN ESTE SISTEMA DE NUMEROS ATOMICOS Y MASAS ATOMICAS ELEMENTALES, ORDENADOS EN GRUPOS QUIMICAMENTE SEMEJANTES (COLUMNAS VERTICALES). LOS ELEMENTOS ESTAN DISPUESTOS EN EL ORDEN CRECIENTE DE SU PESO ATOMICO, EL NUMERO DE PROTONES NUCLEARES AUMENTA EN EL MISMO ORDEN Y COMO EL ATOMO DEBE SER ELECTRICAMENTE NEUTRO, EL NUMERO ATOMICO ES TAMBIEN IGUAL AL NUMERO DE ELECTRONES.

TABLA PERIODICA Universidad Simón Bolívar LOS ELEMENTOS QUE PRESENTAN SEMEJANZAS EN SUS PROPIEDADES QUIMICAS FUERON ORDENADOS EN LA MISMA COLUMNA O GRUPO.

7 TABLA PERIODICA Universidad Simón Bolívar LOS ELEMENTOS QUE PRESENTAN SEMEJANZAS EN SUS PROPIEDADES QUIMICAS FUERON ORDENADOS EN LA MISMA COLUMNA O GRUPO. LOS ELEMENTOS EN CADA FILA AUMENTAN DE IZQUIERDA A DERECHA EN PESOS ATOMICOS CON POCAS EXCEPCIONES. ISOTOPOS: ATOMOS DE UN MISMO ELEMENTO CON UN NUMERO DIFERENTE DE NEUTRONES. ES DECIR QUE SON ATOMOS DE PESO ATOMICO VARIABLE. EJM: El átomo de carbono tiene una masa de uma debido a que no todos los átomos de carbono contienen (6) seis neutrones en su núcleo, n ya que algunos contienen (7) siete. La diferente cantidad de neutrones identifica a los diferentes isótopos topos.

8 Enlaces atómicos Adaptado de Ciencia e Ingeniería de los Materiales. D. R. ASKELAND Metálico Covalente Iónico Secundario (puentes de hidrógeno, Van Der Waals)

9 Enlace metálico Los átomos ceden sus electrones de valencia, creando una nube de electrones. Los cuerpos centrales atómicos cargados positivamente quedan enlazados mediante la atracción mutua con los electrones libres, de carga negativa.

10 Enlace covalente 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning Los electrones son compartidos entre átomos Cada uno de los átomos llena su orbital externo sp. En el caso del silicio, con valencia de cuatro. deben formarse cuatro enlaces covalentes. Los enlaces covalentes son direccionales. En el caso del silicio se forma una estructura tetraédrica, con ángulos de 109.5" entre cada enlace.

11 Enlace covalente Universidad Simón Bolívar Estructura tetraédrica del sílice (SiO 2 ), que contiene enlaces covalentes entre los átomos de silicio y de oxígeno. omson Learning

12 Enlace iónico Se crea entre dos átomos distintos con electronegatividades diferentes. Uno de ellos puede donar sus electrones de valencia a un átomo distinto, llenando la capa energética externa del segundo átomo. Ambos átomos tendrán su nivel de energía externo lleno (o vacío), y a la vez han adquirido una carga eléctrica y se comportan como iones. El átomo que cede los electrones queda con carga neta positiva y es un catión; el que acepta los electrones adquiere carga neta negativa y es un anión. n. Los iones de carga opuesta se atraen entonces el uno al otro y producen un enlace iónico. i 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning

13 Enlaces secundarios Universidad Simón Bolívar El enlace de Van Der Waals se forma por la polarización de moléculas o de grupos de átomos. Los átomos dentro de la molécula o grupo de átomos siguen unidos mediante fuertes enlaces covalentes o iónicos. El enlace de hidrógeno, ocurre cuando una de las regiones polarizadas está formada de átomos de hidrógeno.

15 Energía de Enlace y Distancia Interatómica Universidad Simón Bolívar Energía de Enlace: Es la energía requerida para separar dos átomos desde su posición de equilibrio hasta el infinito Distancia Interatómica mica: Es la distancia entre centros atómicos, estando los átomos en posición de equilibrio Módulo de Elasticidad: (E) es la pendiente de la curva esfuerzo- deformación, en la región elástica. Resistencia de cedencia: Es el nivel de esfuerzo por encima del cual un material experimenta deformación permanente. Coeficiente de Expansión n Térmica rmica: (CTE) Es el cambio de dimensiones que experimenta un material con un cambio de temperatura.

16 Energía Potencial y Fuerza de Atracción vs Distancia Interatómica

17 Energía de Enlace y Distancia Interatómica Universidad Simón Bolívar Tipo de Enlace Energía de Enlace (Kcal./mol) Iónico Covalente Metálico Van der Waals < Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning Askeland D.R.

18 Fuerza de enlace Iónico Universidad Simón Bolívar Fuerza de enlazamiento para el enlace iónico i Fc=-K/a2 Fc Fuerza de atracción electrostática tica K Cte K=ko(Z q)(z 1 2 q) Z es la valencia de cada uno de los iones q carga del electrón 0.16x C) K o Cte de proporcionalidad a 0 = r Na 9x10 9 V.m/C Na+ +r - Cl Askeland D.R.

19 Relación entre Enlace atómico y Módulo de Elasticidad (E) Askeland D.R.

20 Relación entre Energía Interatómica y el Coeficiente de Expansión n Térmica Lineal α= (1/L)(dL/dT) L dimensiones del material en una dirección Askeland D.R.

21 Enlace iónico Cerámicas y vidrios (Metales Grupo I;II;III y no metales Grupo V,VI,VII) Enlace covalente Polímeros. (No metales, C,N,O,P,S,F,Cl) Transferencia de electrones y es adireccional Distribución compartida de electrones y es altamente direccional Propiedades Baja conductividad eléctrica (Sólidos) Compuestos cristalinos. Altos puntos de fusión y ebullición, por el fuerte enlace entre los iones. No. Coordinación Bajo. Baja conductividad eléctrica Temperaturas de fusión bajas No son maleables ni dúctiles. Enlace metálico (metales alto No. átomico) Comparten electrones deslocalizados generando un enlazamiento adireccional. No. Coordinación Alto. Alta conductividad eléctrica y térmica Alta maleabilidad y ductilidad

Ejemplo de Selección de Materiales DISEÑO DEL BRAZO ROBÓTICO DE ESTACIÓN ESPACIAL Propiedades: Rigidez (Módulo de Elasticidad Alto), alta energía de enlace, alto punto de fusión.

22 Ejemplo de Selección de Materiales DISEÑO DEL BRAZO ROBÓTICO DE ESTACIÓN ESPACIAL Propiedades: Rigidez (Módulo de Elasticidad Alto), alta energía de enlace, alto punto de fusión. Material debe ser liviano. Materiales candidatos: Berilio, tungsteno, carbón Berilio tiene alto punto de fusión, baja densidad Es cancerígeno. Tungsteno es pesado Carbón es frágil. Selección: Material Compuesto: Fibra de Carbón en Resina Epóxica Brazo actual:45 ft. Largox15 in. Diámetro. 900 lb. Peso. Capacidad: 260 toneladas.

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