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CARACTERISTICAS Y COMPOSICION DE LA MATERIA
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INGENIERIA DE MATERIALES
ENLACE ATOMICO
Ing. Jaime González Vivas
Estructura de la materia
1. Antecedentes
2. Introducción
3. Estructura atómica
1. La corteza electrónica
2. El núcleo
3. Nomenclatura nuclear
4. Excitación e ionización..
El átomo.
Grecia Antigua
Demócrito y Leucipo: Estos filósofos crearon la palabra átomo
del término griego a: sin y tomo: división; ya que para ellos,
átomo era la estructura más pequeña que forma la materia.
Thales de Mileto: Este filósofo descubrió el fenómeno de
electrización gracias a una sustancia llamada ámbar.
Ambos filósofos descubren que todo lo que se encuentra en el
universo está formado por átomos y que la materia tiene
naturaleza eléctrica.
Antecedentes históricos
Tales de Mileto
En el siglo VI a.c. Talesde Mileto observó queciertas sustancias,como el ámbar poseíandespués de haber sidofrotadas, la propiedadde atraer a otrosobjetos si éstos eranligeros .Es decir,descubrió la naturalezaeléctrica de la materia.
Demócrito y Leucipo
Demócrito
Teoría atómica de Dalton
John Dalton fue un científico inglésque creó la teoría atómica que llevasu nombres Esta consta de lossiguientes postulados:
La materia está formada porátomos, los cuales sonindivisibles e invisibles.
Los elementos están formadospor átomos de igual clase ymasa.
En cualquier compuesto, larelación del número de átomosentre dos de los elementospresentes, siempre es unnúmero entero y sencillo.
Una reacción química se puedeentender como unacombinación, separación oreordenamiento de los átomospresentes
Modelos atómicos
Modelo atómico de Thomson
Características:
Es neutro
Está formado por
protones y electrones
Se le conoce como
Budín de pasas
Modelo atómico de Rutherford
Características
Considera al átomo neutro
Tiene protones, neutrones y
electrones
Tiene núcleo y corteza
El electrón gira en torno al
núcleo
Modelo atómico de Bohr
Características.
Es neutro
Tiene protones, neutrones y electrones.
Posee núcleo y corteza
Señala que cada orbita tiene energía asociada
Nube electrónica
Características:
Se basa en el principio
de incertidumbre
En cualquier lugar de la
nube electrónica
podemos encontrar un
electrón en cualquier
momento
Introducción
El átomo es la cantidad más
pequeña de un elemento que
conserva sus propiedades químicas.
EL ÁTOMO XA
Z
•Toda la materia está constituida
por átomos
Los átomos de cada elemento son
iguales entre sí, pero distintos de los
de otros elementos
Los compuestos químicos se forman por la combinación de los átomos de
los distintos elementos
Estructura atómica
ÁtomoCorteza
electrónica
NúcleoTamaño núcleo-átomo
¡¡Guisante en un
campo de fútbol!!
El núcleo.
Protón
Neutrón.
El núcleo está formado por Z protones y A-Z neutrones (N). A
estas partículas se las conoce como nucleones.
XA
Z
Corteza electrónica.
K
L
MLa energía de ligadura de los
electrones varía con el radio de la
órbita en que se encuentren.
Representación del átomo en su
estado fundamental (Mínima
energía)
Si los electrones tienen energía
suficiente pasan a órbitas más
alejadas
Nomenclatura nuclear.
XA
Z
A= número másico = número de neutrones + número de protones.
Z= número atómico = número de protones = número de electrones.
X= Elemento químico
• Las propiedades del elemento químico están fijadas por Z
• Átomos con el mismo Z y distinto A siguen siendo el mismo elemento.
Se les conoce como isótopos.
• Átomos con el mismo N (=A-Z) y distinto Z son átomos diferentes. Se
les conoce como isótonos.
• Átomos con el mismo A pero distinto N y distinto Z son distintos
elementos. Se les conoce como isóbaros.
Isótopos del Hidrógeno.
2.3 Nomenclatura nuclear.
DISTRIBUCIÓN DE LOS ELECTRONES EN LA
CORTEZA.
Según modelo
fijado, los electrones
se distribuyen en
diferentes niveles,
que llamaremos
capas. Con un
número máximo de
electrones en cada
nivel o capa.
Nivel Numero
máximo de
electrones
1 2
2 8
3 18
4 32
5 32
DISTRIBUCIÓN DE LOS ELECTRONES EN LA
CORTEZA.
Así , en un elemento como el potasio en estado neutro:
19 K 19 protones; 19 electrones; 20 neutrones
1ªcapa : 2e-
2ªcapa : 8e-
3ªcapa : 9e-
DISTRIBUCIÓN ELECTRONICA(CONT.)
Hemos visto como los
átomos se distribuyen
en niveles o capas de
energía.
Dentro de cada nivel
,existen además
subniveles con
probabilidad de
encontrarnos
electrones.
NivelMax
de e-
subni
vel
Max
de e-
1 2 s 2
2 8s 2
p 6
3 18
s 2
p 6
d 10
Nivel Max de e- subnivel Max de e-
4 32
s 2
p 6
d 10
f 14
5 32
s 2
p 6
d 10
f 14
6 18
s 2
p 6
d 10
Ejemplo : Sodio
Para el sodio (11 electrones), es:
1 s2 2 s2 2 p6 3 s1
1º nivel: 2 electrones;
2º nivel: 8 electrones;
3º nivel: 1 electrón;
En la tabla periódica podemos leer: 2 - 8 - 1
Ejemplo: Cloro
Cloro: 17 electrones
1 s2 2 s2 2 p6 3 s2 3 p5
1º nivel: 2 electrones
2º nivel: 8 electrones
3º nivel: 7 electrones
En la tabla periódica podemos leer: 2 - 8 - 7
Ejemplo: Manganeso
Manganeso: 25 electrones
1 s2 2 s2 2 p6 3 s2 3 p6 4 s2 3 d5
1º nivel: 2 electrones
2º nivel: 8 electrones
3º nivel: 13 electrones
4º nivel: 2 electrones
En la tabla periódica podemos leer: 2 - 8 - 13 - 2
CONFIGURACIÓN ELECTRÓNICA
CONFIGURACIÓN ELECTRÓNICA
• Corresponde a la distribución de los distintos
electrones alrededor del núcleo en los
diferente niveles de energía y orbitales. Para
saber cómo se ordenan debemos tener en
cuenta los siguientes principios.
A) PRINCIPIO DE MÍNIMA ENERGÍA
• “Los electrones se ubican primero en los
orbitales de más baja energía, por lo
tanto, los de mayor energía se ocuparán
sólo cuando los primeros hayan agotado
su capacidad”.
NIVELES DE ENERGÍA DE LOS ORBITALES
B) PRINCIPIO DE EXCLUSIÓN DE PAULI
• “Dos electrones de un mismo átomo no
pueden tener los cuatro números
cuánticos iguales”.
• Pueden compartir como máximo el valor
de tres números cuánticos, pero no los
cuatro.
ESQUEMA DE LLENADO DE ORBITALES
CONFIGURACIÓN ELECTRÓNICA
Expresa el número de
electrones en el orbital
Expresa el tipo de
orbital
Expresa el número
cuántico principal
(nivel de energía)
EJEMPLO
H z=1
C z=6
Na z=11
Cl z=17
O 2-z=8
Mg 2+z=12
K + z=19
ELECTRONES DE VALENCIA
• Corresponden a los electrones que se
encuentran en el último nivel de energía.
H z=1
C z=6
Na z=11
Cl z=17
EJEMPLO:
SÍMBOLO DE LEWIS
• Símbolo de Lewis de un elemento
consiste en la representación de los
electrones de valencia mediante la
localización de puntos alrededor del
símbolo químico.
SÍMBOLO DE LEWIS
• Las estructuras, diagramas o fórmulas de
Lewis de una molécula son
representaciones planas de los átomos en
la molécula y de la posición de los
electrones enlazantes y no enlazantes.
FORMULACIÓN ESTRUCTURA DE LEWIS
EJEMPLO ESTRUCTURA DE LEWIS
• Escribe la estructura de Lewis del trifluoruro de nitrógeno
(NF3). Datos: N Z= 7 y F Z= 9.
N Z= 7: 1s22s22p3
F Z= 9: 1s22s22p5
5 e x 1 = 5
7 e x 3 = 21
Total = 26 e
EJEMPLO ESTRUCTURA DE LEWIS
EL ENLACE QUÍMICO
Por qué se unen los átomos
Los átomos, moléculas y iones se unen entre síporque al hacerlo se llega a una situación de mínimaenergía, lo que equivale a decir de máximaestabilidad.
Son los electrones más externos, los tambiénllamados electrones de valencia los responsables deesta unión, al igual que de la estequiometría ygeometría de las sustancias químicas
Diagrama de energía en función de
distancia interatómica
Enlace
Iónico
Cristales
Ej NaCl
CovalenteMetálico
Ej Cu
Red covalente
Ej. diamante, cuarzoMolécula covalente
Pequeñas moléculas
Moléculas simples
Ej. CO2, N2, H2O
Grandes moléculas
Macromoléculas
Ej. Polímeros, ADN
Las propiedades de las sustancias dependen en gran
medida de la naturaleza de los enlaces que unen sus
átomos
Unidad fórmula de NaCl
Unidad fórmula de MgF2
Moléculas de H2 y O2
Enlace iónico
El compuesto iónico se forma al reaccionar un metal conun no metal.
Los átomos del metal pierden electrones (se forma uncatión) y los acepta el no metal (se forma un anión).
Los iones de distinta carga se atraen eléctricamente, seordenan y forman una red iónica. Los compuestosiónicos no están formados por moléculas.
Enlace iónico entre Cl y Na: formación del
ión Cl- y Na+
Estructura cristalina
Los iones en los compuestos iónicos se ordenan
regularmente en el espacio de la manera más compacta
posible.
Cada ión se rodea de iones de signo contrario dando
lugar a celdas o unidades que se repiten en las tres
direcciones del espacio.
Redes iónicas
NaCl CsCl
Propiedades compuestos iónicos
Forman estructuras cristalinas bien definidas
Elevados puntos de fusión y ebullición
Solubles en agua y líquidos polares
No conducen la electricidad en estado sólido, pero sí en estado disuelto o fundido
Al intentar deformarlos se
rompe el cristal (fragilidad)
Enlace metálico
Las sustancias metálicas están formadas por átomos de un mismo elemento metálico (baja electronegatividad).
Los átomos del elemento metálico pierden algunos electrones, formándose un catión.
Se forma al mismo tiempo una nube o mar de electrones:conjunto de electrones libres, deslocalizados, que no pertenecen a ningún átomo en particular.
Los cationes se repelen entre sí, pero son atraídos por el mar de electrones que hay entre ellos. Se forma así una red metálica: las sustancias metálicas tampoco están formadas por moléculas.
El modelo del mar de electrones representa al metal
como un conjunto de cationes ocupando las
posiciones fijas de la red, y los electrones libres
moviéndose con facilidad, sin estar confinados a
ningún catión específico
Fe
Enlace Metálico
Características:
-Alta conductividad térmica y eléctrica
-Alta ductilidad
-Opacos a la luz visible
Cuando se aplica voltaje a un metal, los electrones se
mueven con facilidad y conducen la corriente
En los metales en estado sólido, los átomos se encuentran
empaquetados relativamente muy juntos, en una ordenación
sistemática o estructura cristalina.
a) Disposición atómica en un cristal de cobre metálico b) Diagrama esquemático
bidimensional de átomos entrelazados metálicamente
La mayoría de los metales pueden ser deformados
considerablemente sin fracturas debido a que los átomos de metal
se pueden deslizar unos sobre los otros sin distorsionar
completamente la estructura de enlace metálico
1.Conductividad eléctrica elevada. La presencia de un gran número de
electrones móviles explica por qué los metales tienen conductividades
eléctricas varios cientos de veces mayores que los no metales. La plata es
el mejor conductor eléctrico pero es demasiado caro para uso normal. El
cobre, con una conductividad cercana a la de la plata, es el metal utilizado
habitualmente para cables eléctricos.
2.Buenos conductores del calor. El calor se transporta a través de los
metales por las colisiones entre electrones, que se producen con mucha
frecuencia.
3.Ductilidad y maleabilidad La mayoría de los metales son dúctiles (por
ejemplo capaces de ser estirados en una trefiladora para obtener cables o
hilos) y maleables (por ejemplo aptos para ser trabajados con martillos en
láminas delgadas). En un metal, los electrones actúan como un "adhesivo"
flexible que mantiene los núcleos atómicos juntos, sin impedir que puedan
desplazarse unos sobre otros. Como consecuencia de ello, los cristales
metálicos se pueden deformar sin romperse.
Propiedades metálicas
Conceptos sobre materiales cristalinos:
* Estructura cristalina. Es la forma geométrica como átomos,
moléculas o iones se encuentran espacialmente ordenados.
* Átomos o iones son representados como esferas de diámetro fijo.
* Reticulado: Arreglo tridimensional de puntos en el que cada
punto tiene los mismos vecinos.
* Celda unitaria: Es el menor grupo de átomos representativo de
una determinada estructura cristalina.
* Número de Coordinación: el número de átomos que tocan a
otro en particular, es decir el número de vecinos más cercanos,
indica que tan estrechamente están empaquetados los átomos.
* Parámetro de Red: Longitudes de los lados de las celdas
unitarias y los ángulos entre estos lados.
RETICULADO CRISTALINO
En el reticulado cristalino dos puntos cualquiera tienen los mismos vecinos.
El concepto de celda unitaria es usado para representar la simetríade una determinada estructura cristalina.
Cualquier punto de la celda unitaria que sea transladado de un
múltiplo entero de parámetros de red ocupará una posición
equivalente en otra celda unitaria
SISTEMA CRISTALINO (RED DE BRAVAIS)Aunque existen 14 posibles celdas cristalinas, Existen siete combinaciones
diferentes en las cuales están agrupadas en dependencia de los
parámetros de red. Cada una de esas combinaciones constituye un sistema
cristalino.
IRD-DR-
GR-PW1
Enlace covalente
Los enlaces covalentes son las fuerzas que mantienen
unidos entre sí los átomos no metálicos (los elementos
situados a la derecha en la tabla periódica: C, O, F, Cl, etc.).
Estos átomos tienen muchos electrones en su nivel más
externo (electrones de valencia) y tienen tendencia a ganar
electrones más que a cederlos, para adquirir la estabilidad
de la estructura electrónica de gas noble. Por tanto, los
átomos no metálicos no pueden cederse electrones entre sí
para formar iones de signo opuesto. En el enlace covalente
los átomos generalmente comparten sus electrones
externos s y p con otros átomos.
Diferentes tipos de enlace covalente
Enlace covalente
Simple
Múltiple: doble o triple
Polaridad del enlace:
Apolar
Polar
ESTRUCTURAS DE LEWIS REGLA DEL
OCTETO
Se basa en las siguientes hipótesis:
Los átomos para conseguir 8 e– en su última capa comparten tantos electrones como le falten para completar su capa (regla del octeto).
Cada pareja de e– compartidos forma un enlace.
Se pueden formar enlaces sencillos, dobles y triples con el mismo átomo.
Esqueleto estructural:
• Disposicion de los átomos en el orden que se enlazan
unos con los otros.
• Atomo central: unido a dos o más átomos.
• Atomo terminal: unido solo a otro átomo.
Algunas características:
• los átomos de H son siempre terminales
• los átomos centrales suelen ser de menor
electronegatividad
• los átomos de C son casi siempre átomos centrales
Enlace covalente normal
Si se comparten un par de e-: enlace covalente
simple
Si se comparten dos pares de e- : enlace covalente
doble
Si se comparten tres pares de e-: enlace covalente
triple
Enlace Covalente
Características (sólidos):
-Alto punto de fusión
-No conductor
-Alta dureza
-Frágiles
Representación esquemática de
enlace covalente de una molécula
de metano (CH4).
Representación esquemática
de una molécula de sílice
Algunos átomos forman
nuevas moléculas por medio
de enlaces covalentes,
compartiendo los electrones
de sus orbitales más
externos
Propiedades físicas y estructurales de los materiales
asociados con el tipo de enlace atómico.
Propiedades Enlace iónico Enlace covalente Enlace metálico Enlace de Van der Waals
Estructurales No direccional, determina
estructuras de alta
coordinación
Especialmente dirigido y
numéricamente limitado,
determina estructuras de
baja coordinación y baja
densidad
No direccional, determina
estructuras de alta
coordinación y alta
densidad
Análogo al metálico
Mecánicas Resistente, cristales de
gran dureza
Resistentes y de gran
dureza, poca ductilidad
Resistencia variable,
presentan por lo general
plasticidad
Baja resistencia, cristales
blandos
Térmicas Medianamente alto punto
de fusión, bajo coeficiente
de expansión, iones al
estado líquido
Alto punto de fusión, baja
expansión térmica,
moléculas al estado
líquido
Punto de fusión variable,
gran intervalo de
temperaturas al estado
líquido
Bajo punto de fusión, alto
coeficiente de expansión
Eléctricas Aisladores moderados,
conducción por transporte
iónico en el estado
líquido.
Aisladores en el estado
sólido y líquido
Conductores por
transporte electrónico
Aisladores
Ópticas y
magnéticas
Absorción y otras
propiedades son
características de los
iones individuales
Alto índice de refracción,
absorción totalmente
diferente en soluciones
y/o gases
Buenos reflectores de la
radiación visible
Propiedades
características de las
moléculas individuales
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