PERIODO Departamento de Tecnología. IES Nuestra Señora de la Almudena Mª Jesús Saiz TEMA 1: ESTRUCTURA INTERNA DE LOS MATERIALES El átomo: Toda la materia está compuesta por átomos y éstos por partículas más pequeñas. El núcleo del átomo está integrado por neutrones y protones, y alrededor del núcleo se encuentran los electrones girando. Los electrones tienen carga negativa, los protones carga positiva y los neutrones, como su nombre lo indica, son neutros (carecen de carga positiva o negativa). Elementos electropositivos: l os que ceden electrones en las reacciones químicas (catión). Ejemplo: los metales. Tienen 3 o menos electrones en niveles externos y forman cationes por pérdida de electrones. Elementos electronegativos: cuando captan electrones en las reacciones químicas (anión). Ejemplo: los no metales. Tienen 4 o más electrones en niveles externos y forman aniones por ganancia de electrones. Energía de ionización: es la mínima energía que hay que suministrarle a un átomo para arrancarle un electrón. Tabla periódica: Los elementos se agrupan en la tabla periódica según la estructura electrónica de sus átomos. GRUPO No metales Metales ligeros Metales de transición Gases nobles Metales de bajo punto de fusión Semimetales Halógenos 1
Todos los elementos que pertenecen a un grupo (columnas verticales) tienen la misma valencia atómica, el número de electrones en la última capa es el mismo, y por ello, tienen propiedades similares entre sí. Las filas horizontales de la tabla periódica se llaman períodos, y cada periodo corresponde con el nivel de energía en el que se colocan los electrones Tipos de enlaces Enlace iónico: se forma entre átomos muy electropositivos y muy electronegativos (metales y no metales), consiste en la transferencia de electrones desde los átomos electropositivos a los electronegativos. Se dan fuerzas de enlace de Coulomb. Ejemplo: NaCl (sal común) ; HF; KCl., LiF Propiedades: - Alta energía de enlace, y elevada temperatura de fusión. - Duros y frágiles. - Aislantes en estado sólido y conductores en disolución. Enlace covalente.: se forma entre átomos con pequeña diferencia de electronegatividad. Los átomos comparten sus electrones externos con otros átomos. Se pueden formar enlaces múltiples de pares de electrones. Ejemplo: F 2, O 2, N 2 F F O O N N F F O O N N. El enlace covalente puede darse entre átomos produciéndose fuertes uniones; o entre moléculas mediante fuerzas de Van der Waals y puentes de hidrógeno, y en estos casos las uniones intermoleculares son débiles. Ejenplo de enlace covalente entre moléculas: H 2 O (agua); NH 3 (amoniaco), polímeros o plásticos Propiedades enlace covalente entre átomos: - Alta energía de enlace, y elevada temperatura de fusión. - Duros y frágiles. - Aislantes en estado sólido y líquido - Solubilidad muy baja. Propiedades enlace covalente entre moléculas: - Baja energía de enlace, y baja temperatura de fusión. - Blandos y con propiedades de plasticidad. - Aislantes en estado sólido y líquido - Solubles en disolventes orgánicos.. Enlace metálico: se forma entre dos metales. Se produce una atracción de susu nucleos (iones +) y los electrones de la última capa (electrones de valencia) se colocan dispersos en forma de nube electrónica cubriendo un espacio y rodeando a los nucleos. Los electrones de valencia pueden moverse a lo largo de toda la red. Esto explica la alta conductividad eléctrica y térmica. También explica que la mayoría de los metales puedan deformarse considerablemente sin fracturas, ya que los enlaces se deslizan en lugar de romperse. 2
Propiedades: - Energía de enlace variable y punto de fusión variable.. - Dúctiles y maleables. - Buenos conductores - Insolubles en general - Brillo metálico. Estructuras cristalinas Solido amorfo y sólido cristalino: En un sólido amorfo las partículas carecen de una estructura ordenada (ejemplo: vidrio). En los sólidos cristalinos, sus átomos están dispuestos de manera regular y ordenada formando redes cristalinas. Sistemas cristalinos Un material tiene estructura cristalina cuando todos sus átomos están ordenados en el espacio repitiendo una distribución espacial. Celda unitaria: es la unidad que se repite dentro de la estructura cristalina Casi todos los metales cristalizan en tres tipos de estructuras fundamentales: - BCC Cúbica Centrada en el Cuerpo (CC): los átomos se sitúan en los vértices y en el centro del cubo. - FCC Cúbica Centrada en las Caras (CCC): los átomos se sitúan en los vértices y en los centros de cada cara. - HCP Hexagonal Compacta: los átomos s e sitúan en los vértices y centro de la cara del hexágono y se colocan otros tres átomos internos en triángulo. Alotropía: Indica el cambio que puede sufrir la estructura cristalina de un elemento o compuesto químico al variar la presión y la temperatura que le rodea. A estos diferentes estados los denominaremos polimórficos o alotrópicos. Ejemplo: El hierro a temperatura ambiente cristaliza en el sistema BCC, pero cuando está a temperaturas entre 912ºC y 1394ºC cristaliza n el FCC. El carbono puede cristalizar formando estructuras tetragonales (diamante) o colocarse en capas superpuestas formando hexágonos regulares (grafito) 3
a a Departamento de Tecnología. IES Nuestra Señora de la Almudena Mª Jesús Saiz Constantes en las estructuras cristalinas: los datos más importantes de cada una de las estructuras cristalinas son: - Número de átomos por celda unidad: es el número de átomos completos que le pertenecen, contando en cada átomo sólo la parte o fracción que le corresponde. - Constante reticular: es la arista a de la celda unitaria. Se expresa en función del radio atómico - Índice de coordinación (I.C): es el número de átomos tangentes a otro átomo. El I.C. de la red es el correspondiente al átomo que mayor I.C. tiene. - Masa de una celda unitaria (en gramos) (m): se obtiene como el número de átomos de la celda multiplicado por la masa atómica de cada átomo y dividido por el número de Avogadro (N A = 6,023. 10 23 ). Nº m. m atómica(g/mol) N ( at / mol) átomos A BCC: cúbica centrada en el cuerpo n: nº de átomos celda unidad. 1 n 1 8 2 8 Índice de coordinación: i =8 El I.C. de la celda c.c. es de 8, coincidiendo con el del átomo central. Constante reticular 4 R a 3 Ejemplo: Temperatura ambiente: Fe. FCC: cúbica centrada en las caras. n : nº de átomos celda unidad. 1 1 n 6 8 4 2 8 Índice de coordinación: i =12. Tiene un índice de coordinación de 12, correspondiente a los átomos de los centros de las caras Constante reticular 4 R a 2 4
Ejemplo: Temperatura ambiente: Cu, Ni y Al Estado alotrópico del hierro: 912ºC<T<1394ºC. a HCP: Hexagonal compacta n = nº de átomos celda unidad. 1 1 n 2 2.6 3 6 2 6 Índice de coordinación: i =12. Tiene 12 de I.C. (átomos de los centros de las bases). Constante reticular a 2R Ejemplo: Temperatura ambiente: Co y Ti. Otras fórmulas: Volumen de un átomo (esfera) = Se puede considerar el volumen de una esfera como 2/3 del volumen del cilindro circunscrito a la esfera. Factor de empaquetamiento atómico (FEA), es la fracción de volumen en una celda unidad que está ocupada por átomos. Este factor es adimensional y siempre menor que la unidad. Cuasicristales Un cuasicristal es una forma estructural que es ordenada pero no periódica, es decir, no se puede construir mediante la repetición de una celda unidad. El método tradicional para su crecimiento se basa en el enfriamiento rápido de metales fundidos, de manera que los átomos no tienen tiempo de acceder a las posiciones de equilibrio correspondiente a los sólidos cristalinos Los cuasicristales son estructuras relativamente comunes en aleaciones con metales como el aluminio, cobalto, hierro y níquel. A diferencia de sus elementos constituyentes, son malos conductores de la electricidad, debido, fundamentalmente, a que poseen pocos electrones libres. No presentan acusadas propiedades magnéticas y son más elásticos que los metales ordinarios a altas temperaturas. Son extremadamente duros y resisten bien la deformación, por lo que se pueden utilizar como recubrimientos protectores antiadherentes. 5
Ejercicios: PAU Septiembre 2011/2012 El aluminio cristaliza en el sistema cúbico centrado en las caras, tiene un radio atómico de 1,43 10-10 m y una masa atómica de 27. a) Determine el número de átomos que contiene su celda unitaria. b) Calcule el volumen de dicha celda unitaria. c) Calcule la densidad del aluminio (Nº Avogadro: 6,023 10 23 ). PAU Junio 2013/2014 Los átomos de un determinado metal cristalizan en el sistema cúbico centrado en el cuerpo y tienen un radio de 0,112 nm, determine: a) El índice de coordinación y el número de átomos de cada celdilla. b) El volumen que ocupan los átomos de la celdilla unitaria. c) La constante de la red cristalina. d) El volumen de la celdilla unitaria y el factor de empaquetamiento. PAU Junio 2011/2012 a) Razone cómo es la conductividad de los materiales formados por enlaces covalentes. b) Razone cómo es la fragilidad de los materiales formados por enlaces iónicos. c) Razone cómo es la resistencia mecánica de los materiales formados por enlaces metálicos. d) Justifique qué tipo de enlace presentan los materiales ClNa, NH3. PAU Septiembre 2010/2011 Para los sistemas de cristalización Cúbico Centrado en las Caras y Cúbico Centrado en el Cuerpo, indique en los dos casos: a) Número de átomos que rodean cada átomo (índice de coordinación). b) Número de átomos presente en cada celda unitaria. c) Lado de la arista de la celda para un elemento de radio atómico 0,13 nm. PAU Septiembre 2009/2010 El Fe a temperatura ambiente tiene estructura Cúbica Centrada en el Cuerpo: a) Cuántos átomos rodean a cada átomo (índice de coordinación)? b) Cuántos átomos hay en cada celda unitaria? c) Cuál es el lado de la arista de la celda si el radio atómico del Fe es 0,124 nm? d) Qué significa que el Fe presenta estados alotrópicos a altas temperaturas? PAU Septiembre 2005/2006 Defina brevemente los siguientes conceptos. a) Isomorfismo b) Alotropía c) Enlace iónico y enlace metálico d) Determine el tipo de enlace que tienen los siguientes compuestos H 2 O, NaCl y Cu 6