Estructura, arreglo y movimiento de los atomos

Unidad I Estructura, Arreglo y Movimientos de los Atomos UNIDAD I ESTRUCTURA, ARREGLO Y MOVIMIENTO DE LOS ATOMOS 1. 1 Estructura y arreglo cristalino y no cristalino 1. 1. 1 Principios fundamentales de la estructura cristalina El atomo esta constituido por tres particulas elementales a) Electrones: particulas pequenisimas de electricidad negativa b) Protones: particulas de electricidad positiva c) Neutrones: particulas electricamente neutras

El atomo consta de un diminuto nucleo de carga positiva, en donde se considera que esta concentrada casi toda la masa del atomo, ya que contiene los protones y los neutrones, rodeado por un numero suficiente de electrones que mantienen al atomo como un todo electricamente neutro. Como el electron y el proton tienen cargas iguales pero electricamente opuestas, el atomo neutro debe tener el mismo numero de electrones y protones. Los electrones giran en orbitas circulares y elipticas alrededor del nucleo, simulando un sistema solar en miniatura.

Asi, podemos definir el numero atomico, como el numero de protones, o como el atomo es electricamente neutro, tambien es igual al numero de electrones. 1. 1. 2 Enlaces en solidos Si examinamos el area completa de materiales de ingenieria, encontramos tres grupos principales: ? Metales: acero, cobre, aluminio, etc. ? Ceramicos: vidrio, ladrillo,

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cemento. etc. ? Plasticos o polimeros: polietileno, teflon, caucho, etc. La diferencia en las caracteristicas de cada grupo tienen su origen en diferencias basicas que hay n el enlace entre atomos y grupos de atomos, por ejemplo, en los metales el enlace metalico conduce a buena conductividad termica y electrica y a una buena ductilidad; en los ceramicos, los enlaces ionicos y covalentes conllevan generalmente a una gran dureza, fragilidad y alta resistencia electrica; en los plasticos las fuerzas covalentes e intermoleculares de Van der Waals, conducen a la variedad de propiedades que se encuentran en las resinas termoplasticas y termoestables.

Examinemos ahora en forma simplificada estos diferentes tipos de enlaces y observemos como conducen a la diferencia en sus propiedades. Unidad I Estructura, Arreglo y Movimientos de los Atomos 1. 1. 2. 1 Enlace Metalico Una caracteristica comun a los elementos metalicos es que tienen solamente, dos o tres electrones en la capa externa. Esta es la clave para la formacion del enlace metalico.

Cuando un elemento tiene unicamente uno, dos o tres electrones en la ultima orbita, estan enlazados en forma relativamente debil al nucleo, porque generalmente existe una o mas capas completas entre ellos y el nucleo. Ver Figura 1. 1a. Asi, cuando colocamos juntos un numero de atomos de magnesio. Los electrones exteriores abandonan los atomos individuales y pasan a formar un gas o nube de electrones comun a todos los atomos participantes en la union. Fig. 1. 1 a) Configuracion atomica del magnesio. b) Esquema del enlace metalico. Por lo tanto, los atomos se convierten en iones Mg2+.

Estos se repelen entre si, pero permanecen en el bloque gracias a la atraccion entre los electrones negativos en la nube y los iones positivos. Este modelo nos ayuda a entender algunas propiedades metalicas: primero; podemos explicar la alta conductividad termica y electrica de los metales. Si aplicamos un voltaje a traves del cristal, los electrones en la nube de electrones, que estan enlazados debilmente, se moveran con facilidad, produciendo una corriente. Asi, tambien podemos entender la ductilidad o capacidad de deformarse sin fractura.

Vemos que los atomos estan empacados compactamente en planos. Figura 1. 1b). Si aplicamos un esfuerzo cizallante, un plano se deslizara sobre otro y no se presentara fractura porque las mismas fuerzas intraatomicas operan despues de que se desplaza un diametro atomico, esto es que el sistema se mantiene electricamente balanceado. 1. 1. 2. 2 Enlace Ionico Este enlace ocurre entre elementos metalicos y no metalicos. Por la quimica, sabemos que un elemento no metalico, contiene en su capa exterior un mayor numero de electrones que la de un metal.

Por ejemplo, la capa externa de un atomo de cloro contiene siete electrones y existe una mayor fuerza motriz para atraer electrones y formar asi un grupo estable de ocho. Cuando reaccionan el sodio que tiene un electron de valencia y el cloro con siete, el sodio entrega su electron para formar una capa exterior estable en el cloro. Esto se denomina enlace ionico porque al unirse estos dos elementos se forman iones de Na+ y Cl- , los cuales se atraen naturalmente debido a sus cargas opuestas.

Si se disuelve cloruro de sodio en agua los iones existen independientemente en solucion. Sin embargo, en un cristal de cloruro de sodio los iones se organizan en una estructura balanceada electricamente, como se ilustra en la Figura 1. 2. 2 Unidad I Estructura, Arreglo y Movimientos de los Atomos [pic] Figura 1. 2. a) Configuracion simple del atomo de sodio y cloro, b) ilustracion del enlace ionico Comparemos las propiedades de esta estructura con la de la estructura metalica.

La conductividad electrica del solido es menor en varios ordenes de magnitud que la de los metales, debido a que los electrones no estan libres en un gas sino firmemente sostenidos en su lugar. El cristal se fractura de manera fragil debido a que cuando tratamos de deslizar un plano de iones sobre otro, los campos electricos de iones diferentes se oponen. 1. 1. 2. 3 Enlace Covalente En muchos materiales ceramicos se encuentra tambien el enlace covalente. La caracteristica de este enlace consiste en que los electrones estan firmemente sostenidos y son compartidos equitativamente por los atomos participantes.

Por ejemplo: el nitrogeno que tiene un numero atomico de 7, posee cinco electrones en su ultima orbita y necesita tres mas para completar esa capa. El hidrogeno, tiene un electron en su capa exterior. Para alcanzar una estructura estable el nitrogeno y el hidrogeno se comportan en forma distinta a como lo hacen el sodio y el cloro en el enlace ionico. Un atomo de nitrogeno comparte los electrones de tres atomos de hidrogeno y a su vez comparte tres de sus electrones con los tres atomos de hidrogeno para formar el compuesto llamado amoniaco (NH3).

Ver Figura 1. 3. En este caso, los iones no se forman sino que el fuerte enlace se debe a la atraccion que efectuan los nucleos positivos sobre los electrones compartidos. Los tres atomos de hidrogeno estan unidos al atomo de nitrogeno por tres pares de electrones proporcionando cada atomo un electron de cada par. Ejemplo: Cristal de diamante, SiO2 cuarzo. Da como resultado alta dureza y baja conductividad electrica y termica [pic] Figura 1. 3. Enlace covalente en la formacion del amoniaco. 3

Unidad I Estructura, Arreglo y Movimientos de los Atomos 1. 1. 2. 4 Enlace de Van Der Waals Este tipo de enlace ocurre, hasta cierto punto en todos los materiales pero es especialmente importante en los plasticos o polimeros mayores. Este enlace se puede definir como un enlace secundario entre moleculas debido primordialmente a la atraccion entre las cargas. Esta atraccion se debe a la distribucion asimetrica de las cargas mas que a enlaces primarios. Notese que se atraen las moleculas no los iones, como en el caso del enlace ionico.

Las moleculas participantes estan unidas por enlaces covalentes o ionicos y es por eso que se le conoce al de Van Der Waals como un enlace secundario. Por ejemplo, en una molecula de agua los atomos de hidrogeno estan conectados con el oxigeno por medio de enlaces que forman un angulo de 109o. Esto produce una polaridad positiva en el extremo rico en hidrogeno y una polaridad negativa en el otro extremo. Esto produce que las moleculas se atraigan entre si y formen cadenas unidas por las fuerzas de Van Der Waals.

Ver Figura 1. 4. Figura 1. 4. La molecula de agua formada a traves del enlace de Van Der Waals A medida que el numero de moleculas en la cadena va creciendo, aumenta el total de las fuerzas de Van Der Waals entre las moleculas. Por ejemplo, en las moleculas de polietileno tenemos la misma relacion de atomos de hidrogeno con atomos de carbono como en el gas etileno simple, pero a medida que aumenta el numero de atomos en la molecula pasamos de un gas a un liquido y finalmente a un plastico solido. . 1. 3 Estructura Cristalina Debido a que los atomos tienden a adoptar posiciones relativamente fijas, se produce la formacion de cristales en estado solido. Los atomos oscilan alrededor de puntos fijos y estan en equilibrio dinamico mas que fijo estaticamente. La red tridimensional de lineas imaginarias que conecta los atomos se llama red espacial, en tanto que la unidad mas pequena que tiene la simetria total de cristal se llama celda unitaria. 1. 1. 3. 1 Celda Unitaria

El conocimiento de la celda unitaria nos permite describir los movimientos que sufren los atomos durante la deformacion plastica y el movimiento de los atomos dentro de la celda en los casos de difusion por calor o radiacion. Asi, es necesario tener un sistema para poder especificar: 4 Unidad I Estructura, Arreglo y Movimientos de los Atomos ? Las posiciones de los atomos o coordenadas. ? Las direcciones dentro de la celda. ? Los planos de las celdas. ———————– [pic] [pic]