Antologías de Química Básica

ESIME UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO

QUMICA BSICA

Jafeg agosto-diciembre 2013 Academia Ciencias de los Materiales Pgina 1 de 111

NDICE

Unidad 1

Estructura Atmica.

1.1 Antecedentes.

1.1.1. Modelo atmico de Bohr.

1.1.2. Modelo atmico cuntico.

1.2 Configuracin electrnica

1.2.1 Significado y valores de los nmeros cunticos.

1.2.2 Principio de exclusin de Pauli

1.2.3 Regla de Hunt y principio de Aufbau

1.2.4 Configuracin electrnica (ejercicios)

1.3 Tabla peridica.

3.1.1. Ordenamiento de los elementos en la tabla peridica de acuerdo a su

nmero atmico, periodos y grupos.

3.1.2. Caractersticas de los Metales, no metales y gases nobles

3.1.3. Propiedades peridicas: radio atmico, energa de ionizacin afinidad

electrnica y electronegatividad

1.4 Enlace qumico

1.4.1 Fundamentos Kosel y Lewis

1.4.2 Enlace inico.

1.4.3 Enlace covalente; simple mltiple coordinado polar

1.4.4 Enlace metlico.

1.4.5 Fuerzas intermoleculares por puente de hidrgeno y de Van Der Waals


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Unidad 2 2.1 Slidos cristalinos y amorfos.

2.1.1 Generalidades del estado slido.

2.1.2 Caractersticas de los slidos cristalinos y no cristalinos

2.2 Leyes cristalogrficas

2.2.1 ngulos interfaciales

2.2.2 Racionalidad de los ndices

2.2.3 Simetra

2.3 Sistemas cristalinos

2.3.1 Clasificacin de los sistemas cristalinos.

2.3.2 Redes de Bravais.

2.4 Aplicacin de los rayos X en cristalografa

2.4.1 Mtodo de Laue

2.4.2 Mtodo de Bragg

2.4.3 Aplicacin de la ecuacin de Bragg

2.5 Sistema cbico y hexagonal

2.5.1 ndices de Weiss y de Miller

2.5.2 Familias de direcciones y planos

2.5.3 Determinacin de distancia interplanar, tipo de celda, radio atmico,

densidad, entre otras.

2.6 Teora de bandas.

2.6.1 Conductores, semiconductores y aislantes, superconductores


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Unidad 3

3.1 Polmeros.

3.1.1 Concepto de polmero, monmero, homopolimero, copolimero.

3.1.2 Tipo de cadena. Lineal, ramificada, tridimensional y entrelazada.

3.1.3 Plsticos, elastmeros y fibras.

3.1.4 Aplicaciones en ingeniera

3.2 Cermicos.

3.2.1 Estructura qumica

3.2.2 Clasificacin

3.2.3 Propiedades fsicas y qumicas

3.2.4 Propiedades elctricas: constante dielctrica y rigidez dielctrica

3.2.5 Materiales aislantes

3.2.6 Materiales semiconductores

3.2.7 Propiedades trmicas.

3.2.8 Aplicaciones en ingeniera

Unidad 4

4.1 Concepto de oxido reduccin

4.1.1 Numero de oxidacin

4.1.2 Reglas para determinar el nmero de oxidacin

4.1.3 Agentes oxidantes y agentes reductores

4.2 Balanceo de ecuaciones

4.2.1 Mtodo de xido reduccin (ejercicios)

4.2.2 Clculos estequiomtricos


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Unidad 5

5.1 Electroqumica

5.1 Antecedentes

5.1.1 Teora cido-base

5.1.2 Electrolitos dbiles y fuertes

5.1.3 Concepto determinacin de pH y pOH

5.2 Leyes de Faraday

5.2.1 Procesos electrolticos

5.2.2 Celda electroltica: electro depositacin y proteccin catdica.

5.2.3 Procesos galvanices

5.2.4 Serie electromotriz

5.2.5 Celda galvnicas: pilas y acumuladores

5.2.6 Ecuacin de Nerst

5.2.7 Aplicaciones de leyes de Faraday

5.2.8 Aplicacin de la ecuacin de Nerst

Unidad 6

6.1 Radiactividad

6.1 Concepto de radiactividad

6.1.1 Radiactividad inducida y natural

6.1.2 Faja de estabilidad

6.2 Transmutacin y defecto de masa

6.2.1 Balanceo de ecuaciones nucleares

6.2.2 Concepto de vida media

6.2.3 Ecuaciones que rigen a los procesos radiactivos

6.2.4 Resolucin de problemas


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6.3 Fisin y fusin nuclear.

6.3.1 Aplicaciones industriales.


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ESTRUCTURA ATMICA Y ESTRUCTURA CUNTICA

QUE ES QUMICA

DEMOCRITO.-s.v.a.c. Fue el primero que us la palabra tomo, palabra

giega que quiere decir sin divisin.

Ms de 2, 000 aos despus:

DALTON, qumico ingls en 1808, establece que los tomos son

indivisibles y expresa su teora atmica como sigue:1 Los elementos se

componen de partculas diminutas e indivisibles que se llaman tomos.[2]

2 Los tomos del mismo elemento son iguales en masa y tamao.

(Actualmente sabemos que existen los istopos).[3]3 Los tomos de

elementos diferentes tienen masas y tamaos diferentes.

4 Los compuestos qumicos se forman por combinacin de 2 o ms

tomos de diferentes elementos. Los tomos de diferentes elementos

pueden combinarse en diferentes relaciones formando ms de un

compuesto.

William Crookes, en 1879 utilizando un tubo de vidrio inventado por l, que consta

de dos placas metlicas en los extremos con los dos polos de la corriente elctrica

conectados a una fuente de alto voltaje y una salida a una bomba de vaco,

descubri un resplandor que viajaba del ctodo al nodo al que llam rayo

catdico. (electrones)

Goldstein, fsico alemn en 1889 observa los protones, haciendo experimentos

con el tubo inventado por Crookes pero modificado, con un ctodo hecho de un

disco metlico lleno de perforaciones, consigui observar no slo la corriente de

electrones que emita el ctodo, sino adems rayos positivos llamados rayos de

canal, en la regin posterior del ctodo. Ahora se sabe que estas cargas positivas

se forman cuando los rayos catdicos hacen que se desprendan electrones de los

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tomos gaseosos neutros. El gas que uso Goldstein en su experimento fue gas

hidrgeno.

J.J. Thomson, Cientfico britnico en 1897 demostr que los rayos catdicos son

Haces de partculas con carga negativa es decir electrones y calcul la relacin

entre su carga y su masa.

Marie Curie y Pierre Curie (Marie polaca y Pierre francs), en 1898

descubrieron el polonio y el radio que aislaron en la pechblenda un mineral de

uranio y a su vez la radiactividad que consiste en la emisin de partculas alfa,

beta y gama por parte del tomo. Este fenmeno aport ideas sobre la divisibilidad

del tomo.

Max Planck, cientfico alemn en 1900 propuso una teora cuntica que explica

que un tomo excitado emite luz en unidades discretas llamadas cuantos o

fotones.

J.J Thomson, a principios del, s.xx propuso un modelo atmico llamado budn

con pasas en el que los electrones de carga negativa, estaban incrustados en una

esfera slida la cual contena igual nmero de cargas positivas afirmando as la

naturaleza elctrica de la materia y adems que los tomos son elctricamente

neutros.

Robert Millikan, (principios del siglo xx, estadounidense) estableci la carga del

electrn 1.60x10-19 coulombs.Lord Rutherford,(neozelands principios del siglo

xx) bombarde una laminilla de oro con partculas alfa de una fuente de radio, y

encontr que la masa del tomo, se encuentra casi toda en su diminuto ncleo

que tiene carga positiva, basndose en sta observacin ,Rutherford lleg a la

conclusin de que gran parte del tomo es espacio vaco. Tambin propone un

modelo atmico en el cual el ncleo se encuentra en el centro del tomo y en el se

concentra casi toda la masa y la carga positiva. Dijo que los electrones se


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encuentran colocados alrededor del ncleo como satlites describiendo diferentes

trayectorias pero sin definirlas.

Henry Moseley, cientfico ingls en 1913 descubri que cada elemento tiene un

espectro caracterstico que depende del nmero de electrones presentes en cada

tomo.

Niels Bohr, fsico dans en 1913 modific el modelo atmico de Rutherford y

propuso un modelo que consisti en imaginar al tomo como un sistema solar en

miniatura formado por un ncleo donde est concentrada la masa y la carga

positiva y girando a su alrededor a relativas grandes distancias los electrones,

describiendo rbitas circulares con gran velocidad. Las rbitas se llamaron capas

o niveles energticos simbolizados por las letras K, L, M, N, O, P, Q. Obtuvo el

premio Nobel de fsica en 1922. El modelo de Bohr tuvo limitaciones ya que slo

funcion con el tomo de hidrgeno.

James Chadwick, cientfico britnico en 1932 descubri los neutrones.

Hubo otros modelos atmicos como el de Sommerfeld, de Broglie, Schroedinger,

Heisenberg, Dirac Jordan, todos ellos contribuyeron al modelo actual del tomo

que todava se considera incompleto.El modelo actual se describe como sigue:

consta de ncleo en el cual se encuentran los protones y neutrones que dan

la carga positiva y la masa al tomo y los electrones que giran alrededor de

l en una atmsfera electrnica. Esta atmsfera se compone de niveles y

subniveles de energa. Los niveles y subniveles de energa tambin reciben

el nombre de reempe.

Modelo atmico de Borhn.

Niels Borhr propuso un modelo atmico basado en tres postulados:

1. En un tomo el electrn slo puede tener cierto estado de movimiento

definido y estacionario, en cada uno de ellos tiene una energa fija y

determinada.

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2. En cualquiera de esos estados, el electrn se mueve describiendo orbtales

circulares alrededor del ncleo. Solo son posibles, aquellas orbitas en las

que el momento angular del electrn es un mltiplo entero. Un electrn

puede saltar de una rbita a otra absorbiendo (si va hacia una rbita ms

exterior) o emitiendo (en caso contrario) un cuanto de radiacin

electromagntica de energa igual a la diferencia existente entre los estados

de partida y de llegada.

CONFIGURACIN ELECTRNICA

Significado y valores de los nmeros cunticos.

En la mecnica cuntica se requieren cuatro nmeros cunticos para describir la

distribucin de los electrones en el hidrgeno y otros tomos.

Se denominan:

1. Nmero cuntico principal.

2. Nmero cuntico del momento angular.

3. Nmero cuntico magntico.

4. Nmero cuntico de espn.

Los tres primeros se utilizarn para describir orbitales atmicos y para identificar

los electrones que se ubican en ellos.

El cuarto describe el comportamiento de un electrn especfico y completa la

descripcin de los electrones en los tomos.

El nmero cuntico principal (n) puede tener valores enteros 1, 2, 3, y as

sucesivamente. En el tomo de hidrgeno, el valor de (n) determina la energa de

un orbital.

El nmero cuntico principal (n) tambin se relaciona con la distancia promedio

del electrn al ncleo en un orbital particular. A mayor valor de (n), mayor es la

distancia promedio de un electrn en el orbital respecto del ncleo y en

consecuencia mayor (y menos estable) es el orbital.


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El nmero cuntico del momento angular ( ) indica la forma de los orbitales.

Los valores de ( ) dependen del valor del nmero cuntico principal (n).

Para un valor dado de (n), () tiene todos los valores enteros posibles de 0 a (n-

1).

Si n=1, hay un solo valor posible ( ): esto es ( ) = n-1, ( ) =1-1, ( ) =0.

Si n=2 hay dos valores de ( ) dados por 0 y 1.

Si n=3 hay tres valores de ( ) dados por 0, 1, 2.

El valor de ( ) en general est representado por las letras s, p, d, f,como sigue

( ) 0 1 2 3 4

Nombre del orbital s p d f g Al conjunto de orbitales con el mismo valor

de n a menudo se les da el nombre de nivel o capa.

Uno o ms orbitales con los mismos valores de n y ( ) se conoce como sub nivel

o sub capa.

Por ejemplo: La capa con n = 2 est formada por dos sub capas, 0 y

1 (los valores permitidos para n =2).

Estos subniveles son los subniveles 2s y 2p, donde 2 expresa el valor de (n), y s y

p expresan los valores de ( ).

El Nmero Cuntico Magntico (m )

Describe la orientacin del orbital en el espacio dentro de un sub nivel, el valor de

(m ) depende de el valor del nmero cuntico del momento angular, (). Para

cierto valor de hay (2 + 1) valores enteros de ml como sigue: - , (-, + 1), 0,

(+, 1) +

S = 0, entonces m = 0. Si = 1, entonces hay ( (2 x 1) + 1) = 3 valores de m,

es decir, (-1, 0, y 1).

Si = 2, entonces hay ( (2 X 2) + 1) = 5 valores de m, es decir,

-2, -1, 0, y 1, 2.


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El nmero de valores de m indica el nmero de orbitales en un sub nivel con un

valor especfico de .

Para resumir el anlisis de estos tres nmeros cunticos, considrese la situacin

en la cual n = 2 y = 1. Los valores de n y indican que se tiene una sub capa

2p y que en esta sub capa hay tres orbitales 2p (porque hay tres valores de m

dados por (1, 0 y 1).Nmero Cuntico de Espn Electrnico ( ms)

Los experimentos con los espectros de emisin de los tomos de sodio e

hidrgeno indican que las lneas del espectro de emisin pueden separarse por la

aplicacin de un campo magntico externo. La nica forma en que los fsicos

pudieron explicar estos resultados fue al considerar que los electrones actan

como pequeos imanes. Si se imagina a los electrones girando sobre su propio

eje, como lo hace la tierra, se puede explicar sus propiedades magnticas. De

acuerdo con la teora electromagntica, una carga que gira genera un campo

magntico y es este movimiento lo que hace que el electrn se comporte como un

imn.

Los dos posibles movimientos de giro de un electrn, uno en el sentido de las

manecillas del reloj y el otro en sentido inverso.

Para tomar en cuenta el espn del electrn, es necesario introducir un cuarto

nmero cuntico, conocido como nmero cuntico de espn electrnico (ms)

que tiene valores de + o


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PRINCIPIO DE EXCLUSIN DE PAULI.

Para determinar las configuraciones electrnicas de los tomos poli electrnicos

se utiliza el principio de exclusin de Pauli, este principio establece que:

dos electrones en un tomo no pueden tener los mismos cuatro nmeros

cunticos.

Si dos electrones en un tomo deben tener los mismos valores de n, l y ml (es

decir, estos dos electrones estn en el mismo orbital atmico), entonces deben

tener diferentes ms. En otras palabras, slo dos electrones pueden existir en el

mismo orbital atmico, y estos electrones deben tener espines opuestos.

Considrese el tomo de Helio, el cual tiene dos electrones.

Las tres posibles maneras de colocar los dos electrones en el orbital 1s son:

a) b) c)

He

1s 1s 1s

a) y b) estn prohibidos por el principio de exclusin de Pauli, por lo tanto, c)

es la forma correcta para el tomo de He.

REGLA DE HUND.

La regla de Hund establece que la distribucin ms estable de electrones en

los subniveles es aquella que tenga el mayor nmero de espines paralelos.

La configuracin electrnica del carbono (Z = 6) es 1s 2s 2p

a) b) c)

2px 2py 2pz 2px 2py 2pz 2px 2py 2pz

Ninguna de las tres distribuciones viola el principio de exclusin de Pauli, por lo

que slo queda determinar cul dar la mayor estabilidad. La respuesta es c)

puesto que satisface la regla de Hund.


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Desde el punto de vista cualitativo, se puede entender por qu se prefiere el

diagrama c) sobre a). En ste, los dos electrones estn en el mismo orbital 2px, y

su cercana produce una mayor repulsin mutua que cuando ocupan dos orbitales

separados.

La eleccin de la distribucin c) respecto a b) es ms sutil, pero se puede justificar

tericamente. El hecho de que los tomos de carbono sean paramagnticos,

cada uno con dos electrones no apareados, concuerda con la regla de Hund.

Se conoce como sustancias paramagnticas a las que son atradas por un

imn.

Sustancias diamagnticas las que son repelidas ligeramente por un imn.

PRINCIPIO DE Aufbau

La palabra alemana Aufbau significa construccin.

El principio Aufbau establece que cuando los protones se agregan al ncleo

de uno en uno para construir los elementos, los electrones se suman de la misma

forma a los orbitales atmicos.

Con este mtodo se obtiene un conocimiento detallado de la configuracin

electrnica en el estado fundamental de los elementos.

Este principio es de gran ayuda ya que con slo tener informacin de cul es el

valor de energa de cada orbital podemos saber cul se llenar primero.

Tabla 1


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1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d 7p

kernel

Los gases nobles tienen todos sus orbitales llenos de electrones. A esta

configuracin electrnica perfecta, se le llama kernel.

Para aplicarla se toma en cuenta el gas noble que le antecede en la tabla, se

escribe entre parntesis su smbolo que representa su configuracin electrnica y

luego se distribuyen los electrones restantes.

Por ejemplo: realizar la configuracin electrnica con kernel del hierro.

El nmero atmico de hierro es 26 su smbolo es Fe por lo que el valor de n = 4. El

gas noble que le antecede es el argn, a quien le corresponden 18 electrones los

8 restantes se distribuyen de acuerdo al principio de Aufbau, quedando as:

FeZ=26


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(Ar) 4s2, 3d6.

Ejercicios:

Los siguientes ejemplos muestran el procedimiento para calcular el nmero de

electrones en los orbitales e identificarlos con los cuatro nmeros cunticos.

El tomo de oxgeno tiene un total de ocho electrones. Escriba los cuatro

nmeros cunticos para cada uno de estos electrones en su estado

fundamental,

Se comienza con n=1, as que =0, un sub nivel que corresponde a un orbital 1s.

Este orbital puede acomodar un total de 2 electrones.

Enseguida, n=2, y puede ser 0 o bien 1.El sub nivel =0 tiene un orbital 2s, capaz

de acomodar 2 electrones; los cuatro electrones restantes se acomodan en el sub

nivel =1, que tiene tres orbitales 2p.El diagrama del orbital es:

Oxgeno O

1S 2S 2P2x 2Py 2Pz

Ejercicios

Los resultados se resumen en la siguiente tabla:

Electrn N m ms Orbital

1 1 0 0 + 1s

2 1 0 0 - 1s

3 2 0 0 + 2s

4 2 0 0 - 2s

5 2 1 -1 + 2px

6 2 1 0 - 2py

7 2 1 1 + 2pz

8 2 1 1 - 2px

Desde luego, la colocacin del octavo electrn en el orbital asignado como

ml=1 es arbitraria. Tambin es correcto asignarlo a ml=0 o ml=-1.


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TABLA PERIDICA.

Mendeliev (qumico ruso) estableci la ley peridica, la cual indica que: Las

propiedades de los elementos qumicos estn en funcin peridica de sus masas

atmicas.

La gran importancia de esta ley estriba en que muestra que la clasificacin de los

elementos es completamente natural.

De esta manera Mendeliev, al clasificar los elementos, predijo la existencia de

algunos cuyo descubrimiento fue posterior.

En el arreglo de los elementos de Mendeliev, que se llama tabla peridica, hay

elementos que no siguen el orden ascendente de su peso o masa atmica (Ar y

K). Esto fue modificado a principio de este siglo, cuando se conoci ms a fondo la

estructura del tomo y los elementos se ordenaron en forma creciente, atendiendo

no a su masa sino a su nmero atmico (Z); de tal forma que la ley peridica se

modific indicando que las propiedades de los elementos estn en funcin

peridica de sus nmeros atmicos.

La clasificacin actual recibe el nombre de tabla peridica moderna. En esta

tabla se distinguen columnas verticales llamadas grupos y renglones horizontales

llamados periodos.

A los grupos se le asignan nmeros romanos y el cero y las letras A y B.

A los periodos se les asignan nmeros del 1 al 7.

METALES NO METALES Y GASES NOBLES.

De acuerdo con ciertas caractersticas comunes, los elementos se clasifican en

metales, no metales, y gases nobles.

En la tabla peridica los gases nobles se localizan en el grupo VIII; los no metales en

el tringulo comprendido al trazar una lnea diagonal del Boro al stato y de ste al

Flor; el resto de los elementos son metales.


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PRINCIPALES CARACTERSTICAS DE LOS METALES Y NO METALES.

Metales No Metal

Son slidos a temperatura ambiente, excepto

el mercurio (Hg) que es lquido.

Algunos son slidos, otros son

gaseosos y el nico lquido es el bromo a temperatura

ambiente.

La mayor parte son ms densos que el

agua exceptuando el litio (Li), el sodio (Na) y

el Potasio (k).

En general son menos densos que el agua.

Presentan brillo o lustre metlico. No brillan.

Son maleables, es decir, se les puede

convertir en lminas, el Oro (Au) es el ms maleable.

No son maleables, los que son slidos

se pulverizan al golpearlos.

Son dctiles, es decir, se pueden hacer

con ellos hilos o alambres.

No son dctiles.

Son buenos conductores del calor. No son buenos conductores del calor.

Son buenos conductores de la electricidad (la plata (Ag) es el

mejor conductor) .

No son buenos conductores de la electricidad.

Su molcula es monoatmica. Sus molculas no son monoatmicas.

Sus tomos tiene uno, dos o tres electrones

en su ltimo nivel energtico.

Sus tomos tiene cinco, seis o

siete electrones en su ltimo

nivel energtico.

Sus tomos al combinarse pierden

electrones convirtindose en iones

positivos (cationes).

Sus tomos al combinarse

ganan electrones convirtindose en

iones negativos (aniones).

Se combinan con el Oxgeno para

formar xidos bsicos (por ejemplo el xido de fierro).

Se combina con el Oxgeno para formar xidos

cidos (por ejemplo el dixido de azufre)

Propiamente el hidrgeno (H) no es metal, no-metal, ni gas noble y se le coloca en el

grupo IA, aunque no forma parte de los metales alcalinos.

Hasta ahora se han mencionado caractersticas comunes de los metales y no

metales. Veamos enseguida algunas propiedades de las principales familias de

elementos:


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METALES ALCALINOS.

Estos elementos forman la primer familia (IA) y por el hecho de tener un electrn en

su nivel exterior (ns1), tiende a perderlo y su nmero de oxidacin es 1+.

Estos elementos son los ms electropositivos y qumicamente son los ms activos.

Con agua forman hidrxidos e hidrgeno:

2 M(s) + 2 H2O 2MOH(ac) + H2 (g) + energa.

(M indica cualquiera de los metales alcalinos)

Con los halgenos forman sales binarias:

2M(s) + X2 2MX

(X denota cualquier halgeno).

Con el azufre forma sulfuros:

2M + S M2S

Con el Hidrgeno, hidruros:

2M + H2 2MH

Con el oxgeno, xidos:

4M + O2 2M2O .

METALES ALCALINOTRREOS.

Forman la segunda familia de la tabla peridica y tiene dos electrones en su nivel de

valencia (ns2), los que pierden al reaccionar siendo su estado de oxidacin de 2+.

En general los metales alcalinotrreos, son menos electropositivos que los alcalinos.

Con el oxgeno forman xidos:

2M + O2 2MO.

Y estos xidos al reaccionar con el agua forman hidrxidos.


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MO + H2O M(OH)2

HALGENOS.

Se localizan en la sptima familia en el grupo VIIA de la tabla peridica.

En su nivel exterior tiene siete electrones (ns2np5) . Son los elementos ms

electronegativos, ya que tienden a ganar un electrn y no se encuentran libres en la

naturaleza. Su nmero de oxidacin 1- en los compuestos no oxigenados (H, F, Na,

Cl, Ca, Br2) ,y en los compuestos oxigenados es positivo y muy variable. La palabra

halgeno significa productor de sales, ya que con los metales forma sales binaria

llamadas haluros.

2M + X2 2MX

M + X2 MX2

Con el hidrgeno reaccionan formando hidrcidos.

H2 + X2 2HX.

GASES NOBLES

A estos elementos los localizamos en el grupo cero de la tabla peridica, formando

la octava familia.

Tiene su nivel exterior completo con ocho electrones (ns2, np6) , excepto el helio

(1s2) y debido a esto no reaccionan, por lo cual se les llama gases nobles o inertes.

METALES DE TRANSICIN.

Estos elementos constituyen las familias IIIB a la VIIIB de la clase o bloque d.

Los tomos de estos elementos tienen incompletos sus dos niveles cunticos ms

exteriores. Especficamente se caracterizan por tener el orbital (n 1)d incompleto.

Su estructura electrnica general es: ns2 (n 1)d 0-10.

Su nmero de oxidacin es de 2+ en general y en ocasiones, 1+, adems existe la

posibilidad de que estos elementos pierdan o compartan electrones de los orbitales

(n 1)d.


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METALES DE TRANSICIN INTERNA.

Estos elementos forman la clase f de la tabla peridica. Tienen una estructura ms

compleja que los de transicin, ya que tienen los tres niveles cunticos ms externos

incompletos debido a que el orbital (n 2)f est incompleto.

En general su configuracin electrnica se puede expresar por (n 2) f1-14, (n

1)s2p6 d1-10.

RADIO ATMICO.

Numerosas propiedades fsicas, incluidas la densidad, los puntos de fusin y

ebullicin, estn relacionadas con el tamao de los tomos, aunque es algo difcil

definir su dimensin. La densidad electrnica de un tomo se extiende ms all del

ncleo, pero por lo general se piensa en el tamao atmico como el volumen que

contiene alrededor de 90% de la densidad electrnica total alrededor del ncleo.

Cuando se tiene que ser ms especfico, se define el tamao de un tomo en

trminos de su radio atmico, que es la mitad de la distancia entre dos ncleos

de dos tomos metlicos adyacentes.


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ENERGA DE IONIZACIN.

La energa de ionizacin. Es la energa mnima (en kj/mol) necesaria para quitar

un electrn de un tomo en estado gaseoso, en su estado fundamental. En

otras palabras la energa de ionizacin es la cantidad de energa en kilo joules

necesaria para quitar un mol de electrones a un mol de tomos en estado gaseoso.

En dicha definicin se especifica el estado gaseoso de los tomos porque en un

tomo en estado gaseoso no hay influencia de los tomos vecinos y existen fuerzas

intermoleculares (es decir, fuerzas entre las molculas) que deban tomarse en

cuenta al realizar la medicin de la energa de ionizacin.

La magnitud de la energa de ionizacin es una medida de que tan fuertemente se

encuentra unido el electrn al tomo.

Para los tomos poli electrnicos, la cantidad de energa requerida para quitar el

primer electrn del tomo en su estado fundamental, se denomina primera energa

de ionizacin (I1)

energa + X(g) X+ (g) + e-

la segunda energa de ionizacin (I2) y la tercera energa de ionizacin se muestra

en las siguientes ecuaciones:

energa + X+(g) X2+ (g) + e- segunda ionizacin

http://www.google.com.mx/url?sa=i&source=images&cd=&docid=kUH-Tm4PtNO00M&tbnid=HVWIFrlGn9iy3M:&ved=0CAgQjRwwAA&url=http://www.100ciaquimica.net/temas/tema3/punto10b.htm&ei=zbEfUr_aA-Te2AXO9YHACg&psig=AFQjCNESUdYec27no_Pt_Zld0TCugyOB1g&ust=1377895245150113


QUMICA BSICA


energa + X(g) X3+ (g) + e- tercera ionizacin

el patrn contina para quitar los electrones subsecuentes.

AFINIDAD ELECTRNICA.

Otra propiedad de los tomos que influye en su comportamiento qumico es su

capacidad para aceptar uno o ms electrones. Dicha propiedad se denomina

afinidad electrnica, la cual es el cambio de energa que ocurre cuando un

tomo, en estado gaseoso, acepta un electrn para formar un anin.

X(g) + e- X-(g)

ELECTRONEGATIVIDAD.

La afinidad electrnica y la energa de ionizacin se refieren a tomos aislados. No

hacen referencia a otras partculas. Los qumicos requieren de una escala

comparativa que relacione la capacidad de los elementos cuando sus tomos se

http://www.google.com.mx/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&docid=d91Thp_jMK6KFM&tbnid=X2Dfujx91DRpkM:&ved=0CAUQjRw&url=http://www.100ciaquimica.net/tabla/afinielec.htm&ei=ZLIfUsaBLuWw2wXzhICwAQ&psig=AFQjCNFB1AdqsjuEFn7Z4NCtquUxXcEUGA&ust=1377895373691818


QUMICA BSICA


combinen. La tendencia de un tomo para atraer hacia s los electrones que

comparte cuando est unido con otro tomo se llama electronegatividad.

http://www.google.com.mx/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&docid=CCyz43_mcDq1EM&tbnid=EJmMgUelFlfM6M:&ved=0CAUQjRw&url=http://www.ehu.es/biomoleculas/moleculas/fuerzas.htm&ei=z7gfUsyeD6WQ2AWYlYG4AQ&psig=AFQjCNFBNeCdCuoTAIJvSdUOo9TNZyo24Q&ust=1377896552831002


QUMICA BSICA


ENLACES QUMICOS.

Hasta ahora se han considerado a los tomos como corpsculos aislados, pero

realmente en su gran mayora se encuentran unidos a otros tomos de la misma

especie, formando las molculas de sustancias llamadas elementos o con otros de

distinta especie formando molculas de compuestos.

Las fuerzas que mantienen unidos a los tomos para formar molculas, reciben el

nombre de enlaces qumicos.

Estas fuerzas son de carcter elctrico y en ellas intervienen, para los elementos

representativos los electrones perifricos que forman los orbitales s. Para los de

transicin los electrones de los orbitales p y d y para los de transicin interna

los electrones del orbital f. A estos electrones se les llama electrones de

valencia.

Fundamentos Kosel y Lewis.

La regla del octeto, enunciada en 1916 por Walter Kosel & Gilbert N. Lewis,

establece que al formarse un enlace qumico los tomos ganan, pierden o

comparten electrones para lograr una estructura electrnica estable similar a la de

un gas noble. Esta regla se basa en el hecho de que todos los gases nobles,

excepto el helio, tiene ocho electrones en su nivel energtico exterior.

Ejemplificaremos esta regla con el Na y el Cl.

Na Z=11

1S2, 2S2, 2p6, 3S1, - 1e 1S2, 2S2, 2p6

Representacin pictrica


QUMICA BSICA


Cl Z=17 1S2, 2S2, 2p6, 3S2, 3P5 + 1e 1S2, 2S2, 2p6, 3S2, 3P6

Representacin pictrica.

En general podemos aceptar esta ley para los tomos que estn a distancias de

cuatro o menos nmeros atmicos de un gas inerte, ya que pueden alcanzar ms

fcilmente la configuracin con ocho electrones.

Muchos otros tomos no siguen la regla del octeto y contienen seis, diez, doce, y

hasta catorce electrones en la capa de enlace:

En la estructura de Lewis los electrones de los orbitales externos se representan o

por medio de puntos o cruces al rededor del kernel o corazn del tomo. Estas

estructuras sirven para ilustrar enlaces qumicos.

Ejemplos:

http://www.google.com.mx/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&docid=DqxI28v8PbSxPM&tbnid=--9BzG2gWIKOAM:&ved=0CAUQjRw&url=http://sites.google.com/site/enlacequimicopielagos/home/enlace-ionico&ei=17UfUvTECKK72AWv2YAw&psig=AFQjCNFSqsQ4d_wopW4vsRsDjkqYNx82aw&ust=1377896066762677


QUMICA BSICA


H H

H O H H Cl H N Na Cl H N H Cl

Agua Cloruro de H Cloruro de H

Hidrgeno Amoniaco sodio Cloruro de amonio

Los puntos o cruces empleados, solo tienen fines ilustrativos y no indican

diferencia entre electrones de distintos tomos, ya que todos son equivalentes.

TIPOS DE ENLACES QUMICOS.

ENLACE INICO.

El enlace inico ocurre cuando hay transferencia completa de electrones de un

tomo a otro.

http://www.google.com.mx/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&docid=xeIQrwIElqtA4M&tbnid=ZCPWTt0IMZFf9M:&ved=0CAUQjRw&url=http://elcuadernodecalpurniatate.blogspot.com/2012_05_01_archive.html&ei=J64fUsecEOiy2wXXjoCIAg&psig=AFQjCNF-81MOqAkKyMouy9zK2DgvynrHgg&ust=1377894243118198


QUMICA BSICA


El tomo que pierde electrones se transforma en un ion positivo o catin, y el que

acepta se convierte en ion negativo o anin. El nmero de electrones perdidos o

ganados determina la valencia del elemento.

Na menos 1e- Na+

Mg menos 2e- Mg2+

Al menos 3e- Al3+

N ms 3e- N3-

O ms 2e- O2-

F ms 1e- F1-

La fuerza de atraccin de iones de distintas cargas es de carcter electrosttico y

por eso el enlace se llama tambin electrovalente.

Ejemplos de formacin de compuestos electrovalentes:

Na + F Na + F

2Na + O 2Na + O

Mg + 2 F Mg + 2 F

Na + Cl Na + Cl


QUMICA BSICA


Con respecto a los anteriores compuestos no podemos hablar de molculas

sencillas, por ejemplo: el cloruro de sodio Na+Cl-, en realidad es una combinacin

de muchos iones sodio con muchos iones cloruro. En estado slido se encuentran

acomodados de tal forma que cada ion sodio est rodeado por seis iones cloruro y

a su vez cada ion cloruro est rodeado por seis sodios.

En los enlaces electrovalentes los electrones se transfieren de un tomo a otro en

proporciones variables, dependiendo de la energa de ionizacin, la afinidad

electrnica, el radio atmico y fundamentalmente de la electronegatividad.

La unin electrovalente pura sera aquella en donde el o los electrones pasaran

completamente (en un 100%) del metal al no- metal.

El porcentaje de electrovalencia, en la unin de dos elementos, se puede calcular

en forma aproximada con el uso de la tabla siguiente:


QUMICA BSICA


Porcentajes de electrovalencia.

Diferencia

electrnica

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6

Porcentaje

%

0.5 1 2 4 6 9 12 15 19 22 26 30 34 39 43 47

Diferencia

electrnica

1.7 1.8 1.9 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3.0 3.1 3.2

Porcentaje

%

51 55 59 63 67 70 74 76 79 82 84 86 88 89 91 92

Se considera que los compuestos son electrovalentes cuando su porcentaje de

electrovalencia es del 50% o ms.

NaCl (67%)

KF (92%)

CaCl2 (63%)

http://www.google.com.mx/url?sa=i&source=images&cd=&cad=rja&docid=P-iJ2Ehl9vQJoM&tbnid=LgsGtZXITxvzbM:&ved=0CAUQjRw&url=http://www.100ciaquimica.net/tabla/electroneg.htm&ei=b2weUouxC8nN2wWk4IDABg&psig=AFQjCNGtys_anDxRKmAg9R80cWezLhhfyQ&ust=1377811914723290


QUMICA BSICA


Como propiedades asociadas al enlace electrovalente o inico, podemos

mencionar las siguientes:

En los compuestos electrovalentes las temperaturas de fusin y de

ebullicin son elevadas

Compuesto Temperatura de fusin C Temperatura de ebullicin

C

NaCl 800 1,413

KCl 790 1,500

CaCl2 772 1,600

CaO 2,570 2,850

Los compuestos electrovalentes conducen la corriente elctrica fundidos o

en solucin acuosa.

Cuando se efecta la sntesis de un compuesto electrovalente a partir de

sus elementos, hay gran desprendimiento de calor.

Compuesto Calor de formacin en caloras

AlCl3 166,200

BaO2 150,200

Fe2O3 196,500

PbO2 66,120


QUMICA BSICA


ENLACE COVALENTE.

El enlace covalente se forma cuando los tomos que se combinan comparten

electrones.

En este tipo de enlace si podemos hablar de molculas sencillas pero es ms

difcil de visualizar que el electrovalente, puesto que se dificulta representar el par

de electrones que forman el enlace, pues stos son atrados por los ncleos de los

tomos que se unen y estos ncleos deben repelerse entre si, lo mismo que los

electrones que forman el par. Para explicar la gran estabilidad de este enlace,

acudimos al concepto de espin o sentido de giro del electrn.

Por ser el electrn una carga elctrica en movimiento crea un campo magntico,

en torno a el; ahora bien, el campo magntico de un electrn girando en un

sentido posee polos magnticos norte y sur orientados en direccin opuesta a los

de otro electrn que se encuentra girando en sentido contrario y, as, Solo los

electrones con espines opuestos se pueden aparear.

http://www.google.com.mx/url?sa=i&source=images&cd=&cad=rja&docid=eQwLXfXxN1Ox8M&tbnid=MLT1ZDyhtXxNDM:&ved=0CAgQjRwwAA&url=http://www.fullquimica.com/2011/04/enlace-covalente.html&ei=pLkfUt79GK2xsATbooH4Aw&psig=AFQjCNEW7vQKdVIhrnKNZ95GoNn7d8Y2BQ&ust=1377897252505705


QUMICA BSICA


Ha ___ estos electrones se aparean y forman H2

1S1

Hb ___

1S1

Las estructuras o formulas de Lewis, son una herramienta muy til para

representar la unin por covalencia.

H H Hidrgeno

Cl Cl Cloro

H O H Agua

H

H N H Amoniaco

H

H C H Metano

H


QUMICA BSICA


En los anteriores ejemplos hemos encerrado con un circulo el par de electrones

que constituyen al enlace covalente; este par, en forma clsica, se sustituye por

una pequea raya o guin.

H H Hidrgeno

Cl Cl Cloro

H O H Agua

H N H Amoniaco

H

H

H C H Metano

H

El enlace covalente es ms comn entre tomos de la misma especie o entre

especies semejantes, esto es, los tomos con electronegatividades iguales

(mismo elemento) o ligeramente diferentes, pueden formar molculas

compartiendo uno o ms pares de electrones.

Los compuestos son covalentes cuando su porcentaje de electrovalencia es

menor del 50%

H2 0%

Cl2 0%


QUMICA BSICA


O2 0%

SO2 22%

H2O 39%

NH3 19%

CH4 4%

Como propiedades asociadas al enlace covalente podemos mencionar las

siguientes:

En los compuestos covalentes las temperaturas de fusin y ebullicin son

bajas

Compuesto Temperatura de fusin C Temperatura de ebullicin


QUMICA BSICA


C

H2O 0 100

CH4 -182.6 - 161.4

NH3 - 77.7 - 33.4

Los compuestos covalentes no conducen la corriente elctrica.

El calor de formacin de los compuestos covalentes es ms bajo que el de

los compuestos electrovalentes.

Compuesto Calor de formacin en caloras

NH3 11,400

CS2 -21,500

CCl4 -33,400

CO2 94,052

Los ejemplos de enlaces covalentes que hasta ahora hemos dado son simples, es

decir, por cada dos tomos que se combinan hay un par de electrones

compartidos (un enlace)

Ejemplos:

H H HH

H O H HOH


QUMICA BSICA


Sin embargo, algunos tomos slo pueden alcanzar su configuracin electrnica

estable (octeto) cuando comparten ms de un par de electrones entre ellos.

Si los tomos comparten dos pares de electrones, estn unidos por un

doble enlace.

Ejemplo:

O O O O Oxgeno

O C O O C O Dixido de carbono

Ahora bien, si los tomos comparten tres pares de electrones, estn unidos por un

tripe enlace.

Ejemplos:

N N N N Nitrgeno

H C C H H C C H Acetileno

En el oxgeno (O2), que es una molcula con doble enlace, el apareamiento de los

dos electrones de un tomo con dos del otro tomo, se explica as:

O(a) ___ ___ ___ ___ ___


QUMICA BSICA


Con estos electrones se

forman los dos enlaces.

O(b) ___ ___ ___ ___ ___

Y el Nitrgeno (N2) con triple enlace:

N(a) ___ ___ ___ ___ ___

Con estos electrones se

forman

Los tres enlaces.

N(b) ___ ___ ___ ___ ___

POLARIDAD DE ENLACE.

Podramos llamar enlace covalente puro a aquel que se forma entre tomos de

la misma especie, en donde las cargas elctricas negativas se encuentran

simtricamente distribuidas. Como por ejemplo H2, Cl2, O2, N2..


QUMICA BSICA


Existen tambin molculas poli-atmicas en donde las cargas elctricas estn

simtricamente distribuidas al considerar todo el conjunto, como por ejemplo en el

tetracloruro de carbono, CCL4.

CL

Cl C Cl

Cl

Los anteriores ejemplos son de molculas no-polares y en general podemos

clasificar a los compuestos covalentes no-polares y polares.

A estos ltimos se les llama as porque los tomos que forman sus molculas

estn unidos mediante enlaces covalentes; estos tomos son de distinta especie y

tienen electronegatividades diferentes, lo que hace que en el espacio del tomo

ms electronegativo haya una mayor densidad de cargas elctricas negativas,

formndose un polo negativo en contraste con el polo opuesto, que es positivo.

Por ejemplo, al formarse el cloruro de hidrgeno (HCl), la diferencia de

electronegatividad (0.9) es lo suficientemente grande para que el lado del cloro se

forme un polo parcialmente negativo (-) y en el lado del hidrgeno otro polo

parcialmente positivo (+), ya que el cloro atrae con ms fuerza a los electrones de

enlace. (El smbolo indica una separacin parcial de cargas.)

H Cl

H Cl

+ -

Ejemplos de molculas que presentan enlace covalente polar.


QUMICA BSICA


+ -

HBr H Br H - Br

+

H2S H S H S =

H H

+

+

H2O H O H O =

H H

+

El enlace covalente polar constituye un fenmeno muy importante en la

explicacin del comportamiento fsico y qumico de los compuestos. Como

veremos en el siguiente tema, el agua debe sus notables propiedades a su gran

momento dipolar, es decir la molcula del agua es muy polar.


QUMICA BSICA


Aunque el lmite es arbitrario, podemos considerar que un compuesto es

predominantemente covalente polar cuando su porcentaje de electrovalencia es

de 25% a 49%.

ENLACE POR COORDINACIN.

Hemos visto que para formar un enlace covalente entre dos tomos, cada uno de

ellos aporta un electrn para construir el par necesario para la unin.

Existe otro tipo de enlace llamado covalente coordinado, en el cual los tomos

que se combinan comparten electrones, pero el par necesario para formar el

enlace, es proporcionado por uno de ellos solamente.

En general el tomo que proporciona los electrones tiene un par no compartido en

su nivel de valencia.

Amoniaco. (NH3)

H N H Aqu el nitrgeno tiene un par de electrones no compartido

H

El tomo receptor es deficiente en electrones y carece de suficientes

electrones de valencia para alcanzar una configuracin electrnica estable

(octeto).

Una vez formado el enlace, no se distingue de cualquier otro enlace covalente; por

ejemplo: un ion hidrgeno (H+) puede formar un enlace covalente coordinado con


QUMICA BSICA


una molcula de amoniaco mediante el traslape de su orbital vaco con un orbital

del tomo central nitrgeno que contiene el par de electrones no compartidos.

H +

H N H + H+ H N H

H H

Una forma til para indicar el enlace covalente coordinado consiste en emplear

una pequea flecha que va del tomo donador al receptor.

H +

H - N - H + H+ H - N - H

H H

Otros ejemplos:

Al disolver el gas cloruro de hidrgeno (HCl) en agua, el cloro se queda con los

electrones del enlace covalente sencillo:

H Cl H+ + Cl-

Y el ncleo del hidrgeno (protn), se une con el oxgeno del agua en uno de los

pares de electrones no compartidos, mediante un enlace covalente coordinado,

formndose el ion hidronio [H3O]

H H

H O + H H O o H - O

H H H


QUMICA BSICA


Ejemplifiquemos ahora los siguientes compuestos:

Hipoclorito de sodio NaClO

Clorito de sodio NaClO2

Clorato de sodio NaClO3

Perclorato de sodio NaClO4

Los elementos que se enlazan son:

Na O Cl

En el hipoclorito de sodio (NaClO), al redistribuirse los electrones hay un enlace

electrovalente y un covalente.

Na+ [O Cl ] -

Na+ [ O Cl ] -

Este compuesto (NaClO), es estable pero el tomo de cloro no ha saturado su

capacidad de combinarse, ya que tiene tres pares de electrones no compartidos y

en condiciones especiales puede unirse con otro tomo de oxgeno mediante un

enlace covalente coordinado, formndose el clorito de sodio (NaClO2) que

tambin es estable.

[Na]+ [ O Cl O ]- Na+ [O Cl O]-


QUMICA BSICA


Ahora bien, si se observa la estructura de Lewis anterior se aprecia que el cloro le

quedan dos pares de electrones no compartidos, en donde se pueden unir,

mediante enlaces covalentes coordinados, uno o dos tomos de oxgeno,

formndose respectivamente el clorato de sodio (NaCl03) y el perclorato de sodio

(NaClO4)

- O -

O

[Na]+ O Cl O o [Na]+ O ClO

O -

O -

[Na]+ O Cl O o [Na]+ O ClO

O

O

La posibilidad de que un tomo de un compuesto que tenga pares de electrones

libres reaccione con otros tomos, no se limita a los no-metales; tambin algunos

elementos metlicos efectan este tipo de reacciones.

Se denominan iones complejos a los que contienen un tomo de metal y

otro u otros tomos.

Los iones complejos estn formados por tomos que se unen entre s

mediante enlaces covalentes coordinados.

Los iones complejos que no tiene un tomo de un metal, reciben el general

el nombre de radicales.


QUMICA BSICA


ENLACE METLICO.

El enlace metlico es un enlace que ocurre entre los tomos de metales y

tiene caractersticas muy especficas. Consiste en un conjunto de cargas

positivas que son los kernels de los tomos metlicos y los electrones

perifricos pertenecen a todos los cationes, es decir, los tomos se

encuentran unidos entre s por una nube de electrones de valencia que

rodean a los kernels.

Podemos representar a un metal como un enrejado de iones positivos

colocados en los nudos de una red cristalina y sumergidos en un mar de

electrones mviles. En el enlace metlico los electrones pueden moverse

en todos sentidos, y esto diferencia al enlace metlico del enlace covalente,

ya que en este ltimo los electrones estn situados en una posicin rgida

Representacin grfica de una red cristalina de un metal.


QUMICA BSICA


Debido a la gran movilidad de los electrones de valencia, los metales son

buenos conductores de la electricidad y el calor. Tambin y debido a esta

movilidad, los metales presentan brillo. La ductilidad y maleabilidad de los

metales, son explicables por esta movilidad electrnica.

Representacin bidimensional de un cristal metlico. El movimiento de

iones en un slido metlico no produce cambios en la naturaleza de las

fuerzas enlazantes. Este modelo explica la maleabilidad y ductilidad de los

metales.

TIPOS DE ENLACES MOLECULARES.

Atracciones de Van der Waals.

Las fuerzas de Van der Waals son dbiles atracciones de carcter

electrosttico entre las molculas.

Es el enlace ms dbil de todos y se debe a la deformacin de la

configuracin electrnica de cada tomo, provocada por la influencia del

campo elctrico de los tomos vecinos.

Se le llama tambin enlace residual o enlace de polarizacin.

Con estos enlaces se pueden explicar las fuerzas de cohesin en los

lquidos y en los gases.


QUMICA BSICA


Figura: fuerzas de Van der Waals

dipolo dipolo dipo inducido

ENLACE PUENTE DE HIDRGENO.


QUMICA BSICA


Ciertos compuestos contienen en sus molculas tomos de hidrgeno,

como el agua y el amoniaco. En estos casos el hidrgeno es atrado por

dos tomos de elementos electronegativos; con uno de ellos est unido

mediante un enlace covalente normal y con el otro, por una unin especial

llamada enlace de hidrgeno o puente de hidrgeno.

El enlace de hidrgeno es de naturaleza electrosttica, y su fuerza es

mucho menor que la del covalente, pero mayor que las fuerzas de Van der

Waals.

Los dos tomos unidos mediante un puente de hidrgeno deben ser muy

electronegativos y de volumen pequeo, como el oxgeno, el nitrgeno y el

flor.

Tipos de enlaces de hidrgeno.

Cuando existen enlaces o puentes de hidrgeno entre las molculas se una

sustancia, hacen que sta sea ms fcilmente condensable de lo que

podra esperarse por el tamao y masa se sus molculas.

Un ejemplo interesante es el agua, compuesto lquido a temperatura

ambiente cuando por su frmula sencilla, H2O, debera ser un gas


QUMICA BSICA


difcilmente licuable si se compara con los hidruros de azufre (H2S), selenio

(H2Se) y telurio (H2Te), elementos del mismo grupo (VI A) del oxgeno.

Observa la siguiente tabla.

Compuesto Punto de ebullicin C Punto de fusin C

H2O 100 0

H2S - 61.8 - 82.9

H2Se - 42 - 64

H2Te - 4 - 51

Otro comportamiento anormal del agua es el volumen que ocupa en estado

lquido y en estado slido (hielo) Este volumen es mayor en estado slido

que en estado lquido, cuando debera ser lo contrario.

Este comportamiento se explica, como se ha indicado, porque las

molculas de agua estn unidas mediante puentes de hidrgeno.

En estado lquido las molculas se entrecruzan libremente y en estado

slido se elimina el movimiento molecular libre. En el hielo hay mucho

espacio entre las molculas, debido a la rigidez de los puentes de

hidrgeno.

Tambin esto explica que la mxima densidad del agua sea a 4 C , ya que

cuando el hielo se funde, alguno de los puentes de hidrgeno se rompen y

las molculas del agua se acercan, adquiriendo sta mayor densidad.

De 0C a 4C el volumen contina disminuyendo a medida que se rompen

ms puentes de hidrgeno.

Comportamiento de las molculas del agua en sus cambios de estado

(liquido slido)


QUMICA BSICA


ESTADO SLIDO

Slidos cristalinos y amorfos.

El estudio del estado slido es realmente, el estudio de los cristales.

Toda sustancia verdaderamente slida es cristalina. Las aparentes excepciones

se pueden explicar en una de dos formas:

En algunos casos, las sustancias que consideramos como slidas, no son

realmente slidas.

En otros casos los cristales son tan pequeos que el slido no aparenta ser

cristalino, a simple vista.

En el estudio de los cristales es importante para los qumicos la relacin entre las

propiedades y la estructura, como tambin lo es en otras reas del estudio de la

qumica.

Todos los cristales de una misma sustancia deben estar formados por las mismas

unidades pequeas. Estas unidades se repiten una y otra vez, a medida que el

cristal crece.

Por lo tanto un cristal se define como un cuerpo rgido en el cual sus

partculas estn ordenadas en un patrn que se repite. El arreglo de estas

unidades se determina por los enlaces entre las partculas.

Por lo tanto, los enlaces en el cristal determinan, parcialmente, las propiedades del

cristal.


QUMICA BSICA


Existen muchas sustancias que parecen ser slidos, pero no son cristalinas. Al

examinar su estructura, encontramos un arreglo desordenado de las partculas. Se

dice entonces, que estos materiales son amorfos o sin forma cristalina.

GENERALIDADES DEL ESTADO SLIDO.

DENSIDAD. En general todas las sustancias en estado slido son ms

densas que en su estado lquido y gaseoso.

Esto se hace evidente cuando comparamos las distancias aproximadas

entre las partculas de estos tres estados.

PUNTO DE FUSIN.

El punto de fusin de un slido cristalino se define como la temperatura a la

cual se transforma en lquido a la presin de una atmsfera.

PUNTO DE EBULLICIN.

El punto de ebullicin es la temperatura a la que la presin de vapor de un

lquido se iguala a la presin atmosfrica existente sobre dicho lquido.

Sustancia Punto de fusin (C) Punto de ebullicin (C)

Agua 0 100

Alcohol -117 78

Hierro 1,539 2,750


QUMICA BSICA


Cobre 1,083 2,600

Aluminio 660 2,400

Plomo 328 1,750

Mercurio -39 357

CONDUCTIVIDAD ELCTRICA.

Es la capacidad de conducir la corriente elctrica cuando se aplica una

diferencia de potencial, es una de las propiedades fsicas ms importantes.

Ciertos metales, como el cobre, la plata y el aluminio son excelentes

conductores.

ELASTICIDAD.

Es la capacidad de un cuerpo a deformarse al aplicar sobre el una fuerza y

al dejar de aplicarla regresa a su estado original.

COHESIN.

Capacidad que tiene un material de tener unidos los tomos o molculas

que constituyen su estructura.

RESISTENCIA.

Causa que se opone a la accin de una fuerza.

TENACIDAD.

Propiedad de los cuerpos que resisten a los esfuerzos de traccin

deformndose y estirndose antes de romperse.

FRAGILIDAD.


QUMICA BSICA


Es la propiedad de los metales que se rompen por efecto de un choque sin

experimentar ninguna deformacin previa.

Nada tiene que ver con su resistencia, dado que esta concierne su aptitud a

romperse por efecto de un esfuerzo y no de un choque.

Por lo general los tratamientos mecnicos (laminado) disminuyen la

fragilidad del metal, mientras que los tratamientos trmicos si bien lo

endurecen tambin lo vuelven ms quebradizo.

DUREZA.

Calidad de los cuerpos duros, de los materiales que no se rayan o dejan

penetrar con facilidad.

DUCTILIDAD.

Capacidad de un material a deformarse en hilos.

MALEABILIDAD.

Capacidad de un material a formar laminas.


QUMICA BSICA


ORGANIZACIN ATMICA.

Introduccin.

El arreglo atmico juega un papel importante en la determinacin de la

microestructura y en el comportamiento de un material slido. Por ejemplo, el

arreglo atmico en el aluminio proporciona buena ductilidad, en tanto que en el

hierro es la causa de una buena resistencia. Debido a distintos arreglos atmicos,

se puede deformar fcilmente el polietileno, se puede estirar elsticamente el hule,

y la epxica resulta fuerte y quebradiza.

En este captulo se describirn arreglos atmicos tpicos en materiales slidos

perfectos y se desarrollar la nomenclatura utilizada para describirlos. El objetivo

es estar preparados para comprender cmo las imperfecciones en el arreglo

atmico permite entender tanto la deformacin como el endurecimiento de muchos

materiales slidos.

ORDEN DE CORTO ALCANCE COMPARADO CON ORDEN DE LARGO

ALCANCE

Si se consideran las imperfecciones que aparecen en los materiales, entonces

aparecen existen tres niveles de arreglo atmico (Fig.1)


QUMICA BSICA


Figura 1 Los niveles del arreglo atmico en los materiales: (a) los gases inertes no

tienen un orden regular en sus tomos. (b,c) Algunos materiales, incluyendo el

vapor de agua y el vidrio, tienen orden a una distancia muy corta. (d) Los metales

y muchos otros slidos tienen un orden regular de los tomos que se extiende por

todo el material.

SIN ORDEN En gases como el argn, los tomos no tienen orden y llenan de

manera aleatoria el espacio en el que cual est confinado el gas.

ORDEN DE CORTO ALCANCE Un material muestra orden de corto alcance si

el arreglo espacial de los tomos se extiende slo a los vecinos ms cercanos de

dicho tomo. Cada molcula de agua en fase vapor tiene un orden de corto

alcance debido a los enlaces covalentes entre los tomos de hidrgeno y el

oxgeno; esto es, cada tomo de oxgeno est unido a dos tomos de hidrgeno,

formando un ngulo de 104.5 entre los enlaces. Sin embargo, las molculas no

tienen una organizacin espacial entre s.


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Una situacin similar ocurre en los vidrios cermicos. En la figura 2, se

describe la estructura tetradrica en el slice, que satisface el requisito de que

cuatro tomos de oxgeno quedan enlazados de manera covalente a cada tomo

de silicio. Dado que los tomos de oxigeno deben formar ngulos de 109.5 para

satisfacer los requerimientos de direccionalidad de los enlaces covalentes, se

tiene como resultado un orden de corto alcance. Las unidades tetradricas, sin

embargo, pueden estar unidas entre si de una manera aleatoria.

Figura 2 Estructura tetradrica del slice (SiO2), que contiene enlaces covalentes

entre los tomos de slice y oxgeno.

Los polmeros tambin despliegan arreglos atmicos de corto alcance que se

parecen mucho a la estructura del vidrio de slice. El polietileno est compuesto

por cadenas de tomos de carbono, con dos tomos de hidrgeno unidos a cada

carbono. Dado que ste tiene una valencia de cuatro y que los tomos de carbono

e hidrgeno tienen enlaces covalentes, de nuevo se produce una estructura


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tetradrica Fig.3. Las unidades tetradricas pueden unirse de manera aleatoria

para producir cadenas polimricas.

Fig. 3 Estructura tetradrica en el polietileno

Las cermicas y los polmeros que tiene slo este orden de corto alcance son

materiales amorfos. Los vidrios, que se forman en sistemas tanto cermicos

como polmeros, son materiales amorfos y a menudo tienen propiedades fsicas

nicas. Unos cuantos materiales y semiconductores especialmente preparados

tambin poseen slo orden de corto alcance.

ORDEN DE LARGO ALCANCE Los metales, semiconductores, muchos

materiales cermicos e incluso algunos polmeros tienen una estructura cristalina

en la cual los tomos muestran tanto un orden de corto alcance como un orden

de largo alcance; el arreglo atmico espacial se extiende por todo el material. Los

tomos forman un patrn repetitivo, regular en forma de rejilla o red. La red es un

conjunto de puntos, conocido como puntos de red, que estn organizados

siguiendo un patrn peridico de forma que cada punto en la red es idntico.

Uno o ms tomos quedan asociados a cada punto de la red.

La red difiere de un material a otro tanto en tamao como en forma, dependiendo

del tamao de los tomos y del tipo de enlace entre ellos. La estructura cristalina


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de un material se refiere al tamao, la forma y la organizacin atmica dentro de

la red.

CELDAS UNITARIAS.

La celda unitaria es la subdivisin de la red cristalina que sigue conservando las

caractersticas generales de toda la red. En este texto, se ver la celda unitaria y

la estructura cristalina de manera indistinta. En la figura 4 se muestra una celda

unitaria en una red. Al apilar celdas unitarias idnticas, se puede construir toda la

red.

Figura 4 Una red es un arreglo peridico de puntos que definen un espacio. La

celda unitaria (contorno grueso) es una subdivisin de la red que sigue

conservado las caractersticas de la red.

Se identifican 14 tipos de celdas unitarias o redes de Bravais agrupadas en siete

sistemas cristalinos (figura 5 y tabla 1). Los puntos de la red estn localizados en

las esquinas de las celdas unitarias y, en algunos casos, en cualquiera de las

caras o en el centro de la celda unitaria. A continuacin se vern algunas

caractersticas de una red o de una celda unitaria.


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Figura 5 Los catorce tipos de celdas unitarias, o redes de Bravais, agrupados en

siete sistemas cristalinos se resumen en la tabla 1

Tabla 1 Caractersticas de los siete sistemas cristalinos.


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Parmetro de red Los parmetros de la red, que describen el tamao y la forma

de la celda unitaria, incluyen las dimensiones de los costados de la celda unitaria

y los ngulos entre sus costados (figura 6). En un sistema cristalino cbico,

solamente es necesario la longitud de uno de los costados del cubo para describir

por completo la celda (se suponen ngulos de 90, a menos que se especifique lo

contrario). Esta longitud, medida a la temperatura ambiente, es el parmetro de

red ao. A menudo la longitud se da en nanmetros (nm), o en ngstrom (A)

donde:

1 nanmetro (nm) = 10-9 m

1 ngstrom (A) = 10-10 m

Se requieren varios parmetros de red para definir el tamao y la forma de celdas

unitarias complejas. Para una celda unitaria ortorrmbica, se deben especificar las

dimensiones de los tres lados de la celda: ao, bo , y co. Las celdas unitarias

hexagonales requieren de dos dimensiones ao, bo, y el ngulo de 120 entre los

ejes ao. La celda ms complicada, la celda triclnica se describe mediante tres

longitudes y tres ngulos.


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Figura 6 Definicin de parmetros de red y de su uso en tres sistemas cristalinos

Nmero de tomos por celda unitaria. Cada una de las celdas unitarias

est definida por un nmero especfico de puntos de red. Por ejemplo, las

esquinas de las celdas se identifican fcilmente, igual que las posiciones de

centrado en el cuerpo (centro de la celda) y centrado en la cara (centrado en las

seis caras de la celda) (figura 5). Al contar el nmero de puntos de red que

corresponden a cada celda unitaria, se deben identificar los puntos de la red que

van a ser compartidos con ms de una celda unitaria. Un punto de red en la

esquina de una celda unitaria estar compartido por siete celdas unitarias

adyacentes; slo una octava parte de cada esquina corresponde a una celda en

particular. Por tanto, el nmero de puntos de red proveniente de todas las

posiciones de esquina en una celda unitaria es:

1 punto de red 8 esquina = 1 punto de red

8 esquina celda celda unitaria


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Las esquinas contribuyen con 1/8 de un punto, las caras con 1/2 y las posiciones

en el centro del cuerpo contribuyen con todo un punto.

El nmero de tomos por celda unitaria es el producto del nmero de tomos por

punto de red multiplicado por el nmero de puntos de red existentes por celda

unitaria. En la mayor parte de los metales, se localiza un tomo en cada punto de

red, por lo que el nmero de tomos es igual al nmero de puntos de red. En la

figura 7 se muestran las estructuras de las celdas unitarias cbica simple (CS),

cbica centrada en el cuerpo (CC) y cbica centrada en las caras (CCC), con un

tomo en cada punto de red. En estructuras ms complicadas, particularmente

polmeros y cermicos, pueden estar asociados varios, e incluso cientos, de

tomos con cada punto de red, formando celdas unitarias muy complejas.

Figura 7 Los modelos de celdas unitarias cbica simple (CS), cbica centrada en

el cuerpo (CC) y Cbica centrada en las caras (CCC), suponiendo un solo tomo

por punto de red.

Ejemplo 1


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Determine el nmero de puntos de red por celda en los sistemas cristalinos

cbicos.

SOLUCIN

En la celda unitaria CS, los puntos de la red estn localizados slo en las esquinas

del cubo:

punto de red = ( 8 esquinas) (1/8) = 1

celda unitaria

E las celdas unitarias CC, los puntos de red estn localizados en las esquinas y en

el centro del cubo:

punto de red = ( 8 esquinas) (1/8) + (1 centro) (1) = 2

celda unitaria

En las celdas unitarias CCC, los puntos de red estn localizados en las esquinas y

en las caras del cubo:

punto de red = ( 8 esquinas) (1/8) + (6 caras) (1/2) = 4

celda unitaria


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Radio atmico comparado con el parmetro de la red Las direcciones en la

celda unitaria a lo largo de las cuales los tomos estn en contacto continuo son

las direcciones compactas.

En estructuras simples, particularmente en aquellas con solo un tomo por punto

de red, se utilizan esas direcciones para calcular la relacin entre el tamao

aparente del tomo y el tamao de la celda unitaria. Al determinar

geomtricamente la longitud de la direccin, relativa a los parmetros de la red y a

continuacin sumando los radios atmicos en esa direccin, es posible

determinar la direccin deseada.

Ejemplo 2

Determine la relacin entre el radio atmico y el parmetro de red en

estructuras CS, CC y CCC cuando existe un tomo en cada punto de red.

SOLUCIN

Al hacer referencia a la figura 8 , se ver que los tomos se tocan a lo largo de la

arista del cubo en las estructuras CS. Los tomos de las esquinas estn centrados

en los vrtices del cubo por lo tanto:

a = 2r

En las estructuras CC, los tomos se tocan a lo largo de la diagonal del cuerpo,

que tiene una longitud igual a 3 ao. Hay dos radios atmicos correspondientes al

tomo central y un radio atmico proveniente de cada uno de los tomos en las

esquinas de la diagonal del cuerpo, por lo que:


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a = 4

3

En las estructuras CCC, los tomos entran en contacto a lo largo de la diagonal de

la cara del cubo, que tiene una longitud de 2ao. Hay cuatro radios atmicos en

esta longitud: dos radios provenientes del tomo centrado en la cara y un radio por

cada esquina, por lo que:

a = 4

2

Figura 8 Relacin entre el radio atmico y el parmetro de red en sistemas

cbicos.

Nmero de coordinacin El nmero de tomos que tocan a otro en

particular, es decir, el nmero de vecinos ms cercanos, es el nmero de

coordinacin y es una indicacin de qu tan estrecha y eficazmente estn


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empaquetados los tomos. En estructuras cbicas que contengan solamente un

tomo por punto de la red, los tomos tienen un nmero de coordinacin

relacionado con la estructura de la red. Al revisar las celdas unitarias de la figura 9

se aprecia que cada tomo de la estructura CS tiene un nmero de coordinacin

de 6, en tanto que cada tomo de la estructura CC tiene ocho vecinos cercanos.

Figura 9 Ilustracin de coordinacin entre las celdas unitarias CS (a) y CC (b).

En CS seis tomos tocan a cada tomo, en tanto que en CC los ocho tomos de

esquina tocan al tomo centrado en el cuerpo.

Factor de empaquetamiento El factor de empaquetamiento es la fraccin de

espacio ocupada por tomos, suponiendo que los tomos son esferas slidas. La

expresin general para el factor de empaquetamiento es:

Factor de empaquetamiento = (nmero de tomos / celda)(volumen de cada

tomo)

Volumen de la celda unitaria


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Ejemplo 3

Calcule el factor de empaquetamiento para la celda CCC.

SOLUCIN

Existen cuatro puntos de red por celda; si hay un tomo por punto de red, tambin

habr cuatro tomos por celda. El volumen de un tomo es 4iir/3 el volumen de la

celda unitaria es ao

Factor de empaquetamiento = (4 tomos / celda)( 4r/3)

ao

Dado que para las celdas unitarias CCC, a0 = 4

2

Factor de empaquetamiento = (4)( 4r/3) = 0.74

(a = 4

2 )

r=1.241

En los metales, el factor de empaquetamiento de 0.74 de la celda unitaria CCC es

el empaquetamiento ms eficiente posible. Las celdas CC tiene un factor de 0.68 y


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las celdas CS un factor de 0.52. Los metales que slo poseen un enlace de tipo

metlico se empaquetan con la mxima eficiencia que les es posible. Los de

enlaces mixtos, como el hierro, pueden tener celdas unitarias con un factor de

empaquetamiento menor al mximo. Ningn metal ingenieril comn tiene la

estructura CS, aunque esta estructura se encuentra en materiales cermicos.

DENSIDAD La densidad terica de un metal se puede calcular utilizando las

propiedades de la estructura cristalina. La frmula general es:

Densidad = (tomos /celda)(masa atmica de cada tomo)

(volumen de la celda unitaria)(nmero de Avogadro)

Ejemplo 4

Determine la densidad del hierro CC, que tiene un parmetro de red de

0.2866 nm.

SOLUCIN.

tomos / celda = 2

ao=0.2866 nm = 2.866 x 10-8 cm

Masa atmica = 55.847 g/mol

Volumen de la celda unitaria = ao = (2.866 x 10-8 cm) = 23.54 x 10-24 cm/celda

Nmero de Abogador NA = 6.02 x 10 tomos/mol


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= . (2) (55.847) . = 7.882 g/cm

(23.54x10-24)(6.02 x 10)

La densidad media es 7.870 g/cm . La ligera discrepancia entre las densidades

terica y medida es una consecuencia de los defectos de la red.

La estructura hexagonal compacta Una forma especial de la red hexagonal, la

estructura hexagonal compacta (HC), se muestra en la figura 10. La celda unitaria

es el prisma sesgado, que se muestra por separado. La estructura HC tiene un

punto de red por celda uno proveniente de cada una de las ocho esquinas del

prisma pero con cada punto de la red estn asociados dos tomos. Un tomo

est ubicado en una esquina, en tanto que el otro est localizado dentro de la

celda unitaria.

figura 10 La red hexagonal compacta (HC) (izquierda) y su celda unitaria

(derecha)


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En metales HC ideales, los ejes ao y co estn relacionados entre s mediante la

relacin c /a = 1.633. Sin embargo la mayor parte de los metales HC

tienen relaciones c /a que difieren ligeramente del valor ideal, en razn de los

enlaces mixtos. Dado que la estructura HC, al igual que la estructura CCC, tiene

un factor de empaquetamiento muy eficiente de 0.74 y un nmero de coordinacin

de 12, una buena cantidad de metales poseen esta estructura. La tabla 2 resume

las caractersticas de las estructuras cristalinas ms importantes en los metales.

tabla 2 Caractersticas de cristales metlicos comunes.

Transformaciones alotrpicas o polimrficas.


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Los materiales que pueden tener ms de una estructura cristalina se llaman

alotrpicos o polimrficos . El termino alotropa por lo general se reserva para

este comportamiento en elementos puros, en tanto que el polimorfismo es un

trmino ms general. Quizs hayas notado en la tabla 2 cmo el hierro y el titanio

tienen ms de una estructura cristalina.

A bajas temperaturas el hierro tiene una estructura CC, pero a temperaturas ms

altas se convierte en una estructura CCC. Estas trasformaciones dan los

fundamentos para el tratamiento trmico del acero y el titanio.

Muchos materiales cermicos, como el slice (SiO2), tambin son

polimrficos. La transformacin puede venir acompaada de un cambio en

volumen durante el calentamiento o el enfriamiento. De no estar controlado

correctamente, este cambio en el volumen har que el material se agriete y falle.

Ejemplo 5

Diseo de un sensor para medir un cambio de volumen.

Para estudiar la forma en que el hierro se comporta a temperaturas elevadas, se

deber disear un instrumento que pueda detectar con una precisin del 1% - el

cambio de volumen de un cubo de hierro de 1 cm cuando se calentado a travs

de su temperatura de transformacin polimrfica. A 911C el hierro es CC, con

parmetro de red de 0,2863 nm. A 913 C es CCC, con un parmetro de red de

0.3595 nm. Determine la precisin requerida del instrumento de medicin.

SOLUCIN


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El cambio volumtrico durante la transformacin se puede calcular a partir de

datos cristalogrficos. El volumen de la celda unitaria del hierro CC antes de la

transformacin es:

VBCC = a = (0.2863 nm) = .023467 nm

Este es el volumen ocupado por dos tomos de hierro, ya que existen dos tomos

por celda unitaria en la estructura cristalina CC.

El volumen de la celda unitaria en el hierro CCC es:

VCCC = ao = (0.3591 nm) = .046307 nm

Pero este es el volumen ocupado por cuatro tomos de hierro, ya que existen

cuatro tomos por cada celda unitaria CCC. Por lo tanto se deben comparar dos

celdas CC (con un volumen 2(0.023467)=0.046934 nm) con cada celda CCC. El

cambio porcentual en volumen durante la transformacin es:

Cambio de volumen = (0.046307 0.046934) x 100 = - 1.34%

Esto indica que el hierro se contrae al calentarse.

El cubo de 1cm de hierro se contrae a 1 0.0134 = 0.9866 cm despus de

transformarse; por lo tanto, para conseguir una precisin del 1%, el instrumento

debe detectar un cambio de:

V = (0.01)(0.0134) = 0.000134 cm