ESTRUCTURA ATMICA Y ESTRUCTURA CUNTICA

ESIME UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO QUMICA BSICA NDICE

Unidad 1 Estructura Atmica.1.1 Antecedentes.1.1.1. Modelo atmico de Bohr.1.1.2. Modelo atmico cuntico. 1.2 Configuracin electrnica1.2.1 Significado y valores de los nmeros cunticos.1.2.2 Principio de exclusin de Pauli 1.2.3 Regla de Hunt y principio de Aufbau1.2.4 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 nobles3.1.3. Propiedades peridicas: radio atmico, energa de ionizacin afinidad electrnica y electronegatividad

1.4 Enlace qumico1.4.1 Fundamentos Kosel y Lewis1.4.2 Enlace inico.1.4.3 Enlace covalente; simple mltiple coordinado polar1.4.4 Enlace metlico.1.4.5 Fuerzas intermoleculares por puente de hidrgeno y de Van Der Waals

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

Leyes cristalogrficas

2.2.1 ngulos interfaciales2.2.2 Racionalidad de los ndices2.2.3 Simetra

2.3 Sistemas cristalinos2.3.1 Clasificacin de los sistemas cristalinos.2.3.2 Redes de Bravais.

2.4 Aplicacin de los rayos X en cristalografa2.4.1 Mtodo de Laue2.4.2 Mtodo de Bragg2.4.3 Aplicacin de la ecuacin de Bragg

2.5 Sistema cbico y hexagonal

2.5.1 ndices de Weiss y de Miller2.5.2 Familias de direcciones y planos2.5.3 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

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 qumica3.2.2 Clasificacin3.2.3 Propiedades fsicas y qumicas3.2.4 Propiedades elctricas: constante dielctrica y rigidez dielctrica3.2.5 Materiales aislantes3.2.6 Materiales semiconductores3.2.7 Propiedades trmicas.3.2.8 Aplicaciones en ingeniera

Unidad 44.1 Concepto de oxido reduccin

4.1.1 Numero de oxidacin4.1.2 Reglas para determinar el nmero de oxidacin4.1.3 Agentes oxidantes y agentes reductores

4.2 Balanceo de ecuaciones

4.2.1 Mtodo de xido reduccin (ejercicios)4.2.2 Clculos estequiomtricos

Unidad 5

5.1 Electroqumica

5.1 Antecedentes

5.1.1 Teora cido-base 5.1.2 Electrolitos dbiles y fuertes5.1.3 Concepto determinacin de pH y pOH

5.2 Leyes de Faraday

5.2.1 Procesos electrolticos5.2.2 Celda electroltica: electro depositacin y proteccin catdica.5.2.3 Procesos galvanices5.2.4 Serie electromotriz5.2.5 Celda galvnicas: pilas y acumuladores5.2.6 Ecuacin de Nerst5.2.7 Aplicaciones de leyes de Faraday5.2.8 Aplicacin de la ecuacin de Nerst

Unidad 66.1 Radiactividad6.1 Concepto de radiactividad 6.1.1 Radiactividad inducida y natural6.1.2 Faja de estabilidad

6.2 Transmutacin y defecto de masa

6.2.1 Balanceo de ecuaciones nucleares6.2.2 Concepto de vida media6.2.3 Ecuaciones que rigen a los procesos radiactivos6.2.4 Resolucin de problemas

6.3 Fisin y fusin nuclear.

6.3.1 Aplicaciones industriales.

ESTRUCTURA ATMICA Y ESTRUCTURA CUNTICAQUE ES QUMICA

DEMOCRITO.-s. V.a.C. Fue el primero que us la palabra tomo, palabra griega 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.5 Los tomos se combinan para formar compuestos en relaciones numricas sencillas como uno a uno, dos a uno, dos a tres, etc. 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 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 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.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.3. 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 ELECTRNICASignificado 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 completo 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.

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 del 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.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

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 1s1s1sa) 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.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 AufbauLa 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 11s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d 7pkernelLos 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 (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 2PzEjerciciosLos resultados se resumen en la siguiente tabla:ElectrnNmmsOrbital

1100+ 1s

2100- 1s

3200+ 2s

4200- 2s

521-1+ 2px

6210- 2py

7211+ 2pz

8211- 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.

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.

PRINCIPALES CARACTERSTICAS DE LOS METALES Y NO METALES.MetalesNo 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:

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:(M indica cualquiera de los metales alcalinos) 2 M(s) + 2 H2O 2MOH(ac) + H2 (g) + energa.

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.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 NOBLESA 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.

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.

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

energa + X(g) X3+ (g) + e- tercera ionizacinel 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 combinen. La tendencia de un tomo para atraer hacia s los electrones que comparte cuando est unido con otro tomo se llama electronegatividad.

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=111S2, 2S2, 2p6, 3S1, - 1e 1S2, 2S2, 2p6

Representacin pictrica

Cl Z=171S2, 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: H HH O HH ClH N Na Cl H N H ClAguaCloruro de H Cloruro de H Hidrgeno Amoniacosodio 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.

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 menos1e- Na+

Mg menos2e-Mg2+

Almenos3e-Al3+

N ms3e-N3-

Oms2e-O2-

Fms1e- 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+FNa+F 2Na+O2Na+O

Mg+2 F Mg+2 F

Na+ClNa+Cl

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:

Porcentajes de electrovalencia.

Diferenciaelectrnica0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.01.11.21.31.41.51.6

Porcentaje%0.51246912151922263034394347

Diferenciaelectrnica1.71.81.92.02.12.22.32.42.52.62.72.82.93.03.13.2

Porcentaje%51555963677074767982848688899192

Se considera que los compuestos son electrovalentes cuando su porcentaje de electrovalencia es del 50% o ms.

NaCl (67%)

KF (92%)

CaCl2 (63%)

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

CompuestoTemperatura de fusin CTemperatura de ebullicin C

NaCl8001,413

KCl7901,500

CaCl27721,600

CaO2,5702,850

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.CompuestoCalor de formacin en caloras

AlCl3166,200

BaO2150,200

Fe2O3196,500

PbO266,120

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.

Ha___estos electrones se aparean y forman H2 1S1Hb___ 1S1

Las estructuras o frmulas de Lewis, son una herramienta muy til para representar la unin por covalencia.

H HHidrgeno

Cl ClCloro

H O HAgua

HH N HAmoniaco

HH C H Metano H

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 HHidrgeno

Cl ClCloro

H O HAgua

H N HAmoniaco H HH 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%

Cl20%

O20%

SO222%

H2O39%

NH319%

CH44%

Como propiedades asociadas al enlace covalente podemos mencionar las siguientes:

En los compuestos covalentes las temperaturas de fusin y ebullicin son bajas

CompuestoTemperatura de fusin CTemperatura de ebullicin C

H2O0100

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.

CompuestoCalor de formacin en caloras

NH311,400

CS2-21,500

CCl4-33,400

CO294,052

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 HHH

H O HHOH

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 OO C O Dixido de carbono

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

Ejemplos:

N NN NNitrgeno

H C C HH C C HAcetileno

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)___ ___ ___ ___ ___

Con estos electrones se forman los dos enlaces.

O(b)___ ___ ___ ___ ___

Y el Nitrgeno (N2) con triple enlace:

N(a)___ ___ ___ ___ ___

Con estos electrones se formanLos 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..

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. CLCl 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.+ -HBrH BrH - Br

+H2SH SH S = H H ++H2OH OH 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.

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 HAqu 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 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 HOtros 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 HH O + H H OoH - O H H H

Ejemplifiquemos ahora los siguientes compuestos:

Hipoclorito de sodioNaClOClorito de sodioNaClO2Clorato de sodioNaClO3Perclorato de sodioNaClO4

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]-

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 Oo[Na]+ O ClO O- O - [Na]+ O Cl Oo[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.

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.

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.

Figura: fuerzas de Van der Waals

dipolo dipolodipo inducido

ENLACE PUENTE DE HIDRGENO.

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 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.

CompuestoPunto de ebullicin CPunto de fusin C

H2O1000

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)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.

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.

SustanciaPunto de fusin (C)Punto de ebullicin (C)

Agua0100

Alcohol-11778

Hierro1,5392,750

Cobre1,0832,600

Aluminio6602,400

Plomo3281,750

Mercurio-39357

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.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.

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)

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 ORDENEn 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 ALCANCEUn 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.

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 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 ALCANCELos 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 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.

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.

Parmetro de redLos 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.

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

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

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) = 1celda 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) = 2celda 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) = 4celda unitaria

Radio atmico comparado con el parmetro de la redLas 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 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:

a =

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 =

Figura 8Relacin 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 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 empaquetamientoEl 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

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 =

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

DENSIDADLa 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 = 2ao=0.2866 nm = 2.866 x 10-8 cmMasa atmica = 55.847 g/molVolumen de la celda unitaria = ao = (2.866 x 10-8 cm) = 23.54 x 10-24 cm/celdaNmero de Abogador NA = 6.02 x 10 tomos/mol

= . (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 compactaUna 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)

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.

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

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

Puntos, direcciones y planos en la celda unitaria

Coordenadas de los puntos Es posible localizar ciertos puntos, como las posiciones de los tomos en la red o en la celda unitaria, construyendo el sistema de coordenadas dextrgiro de la figura 11. La distancia se mide en funcin del nmero de parmetros de red que habr que moverse en cada una de las coordenadas x, y, z para pasar desde el origen hasta el punto en cuestin. Las coordenadas se expresan como tres distancias, y separando cada numero con comas.

figura 11Coordenadas de puntos seleccionados en la celda unitaria los nmeros se refieren a la distancia desde el origen en funcin de los nmeros de parmetro de red.

Direccin en la celda unitaria

Ciertas direcciones en la celda unitaria son de particular importancia. Los metales se deforman, por ejemplo, en aquellas direcciones a lo largo de las cuales los tomos estn en contacto ms estrecho. Los ndices de Miller para las direcciones son la notacin abreviada de estas direcciones. El procedimiento que determina el ndice de Miller para las direcciones es el siguiente:

1. Utilizando un sistema de coordenadas dextrgiro, determine las coordenadas de dos puntos que estn en esa direccin.2. Reste las coordenadas del punto inicial de las coordenadas a la del punto final para obtener el nmero de parmetros de red recorridos en la direccin de cada eje del sistema de coordenadas.3. Reduzca las fracciones y/o los resultados obtenidos de la resta a los mnimos enteros.4. Encierre los nmeros en corchetes [ ]. Si se obtiene un signo negativo, represntelo con una barra sobre el nmero.

Ejemplo 6

Determine los ndices de Miller de las direcciones A, B y C de la figura 12

SOLUCIN

Direccin A

1. Los dos puntos son 1, 0, 0 y 0, 0, 02. 1, 0, 0 - 0, 0, 03. No hay fracciones ni enteros a reducir4. [100]

Direccin B

1. Los puntos son 1, 1, 1 y 0, 0, 02. 1, 1, 1 - 0, 0, 03. No hay ni fraccin por simplificar ni entero por reducir4. [111]

Direccin C

1. Los puntos son 0, 0, 1 y , 1, 02. 0, 0, 1 - , 1, 0 = - , -1, 13. 2(-1/2, -1, 1) = -1, -2, 2 _ _ 4. [1 2 2 ]

figura 12Direcciones y coordenadas cristalogrficas requeridas para el ejemplo 6

SITIOS INTERSTICIALES

En cualquiera de las estructuras cristalinas que han sido descritas, existen pequeos huecos entre los tomos de la red en los cuales se puede colocar tomos ms pequeos. Estos espacios se conocen como sitios intersticiales.Un tomo, al ser colocado en un sitio intersticial toca dos o ms tomos de la red. Este tomo intersticial tiene un nmero de coordinacin igual al nmero de tomos que toca. La figura 14 muestra sitios intersticiales en las estructuras CS; CC, y CCC. El sitio cbico, con un nmero de coordinacin de ocho ocurre en la estructura CS. Los sitios octadricos dan un nmero de coordinacin de seis, en tanto que los tetradricos dan un numero de coordinacin de cuatro. Como un ejemplo, los sitios octadricos de las celdas unitarias CC quedan localizados en las caras del cubo un pequeo tomo colocado en un sitio octadrico toca los cuatro tomos de las esquinas de la cara, al que esta al centro de la celda unitaria, adems de otro en la parte central de la celda unitaria adyacente, y nos da un nmero de coordinacin de seis. En las celdas unitarias CCC, existen los sitios octadricos en los centros de cada orilla del cubo, as como en el centro de la celda unitaria.

figura 14 Localizacin de los sitios intersticiales en celdas unitarias cbicas. Solo se muestran sitios representativos.

DIFRACCIN DE RAYOS X

Se puede obtener informacin sobre la estructura cristalina de un material utilizando difraccin de rayos X. Cuando un haz monocromtico (de una sola longitud de onda) del mismo orden de magnitud que el espaciamiento atmico del material lo golpea, los rayos X se dispersan en todas direcciones. La mayor parte de la radiacin dispersa por un tomo anula la dispersada por otro tomo. Sin embargo, los rayos X que golpean ciertos planos cristalogrficos en ngulos especficos se ven reforzados en ves de eliminados. Este fenmeno se conoce como difraccin.Los rayos X han sido difractados o le haz ha sido reforzado, cuando las condiciones satisfacen la ley de Bragg.

Sin = / 2dhkl

Donde el ngulo es la mitad del ngulo entre el haz difractado y la direccin original del haz, es la longitud de onda de los rayos X y dhkl es la distancia interplanar entre los planos que causan el refuerzo constructivo del haz figura 15

figura 15 Interacciones destructivas (a) y de refuerzo (b) entre rayos X y la estructura cristalina de un material. El refuerzo ocurre en ngulos que satisfacen la ley de Bragg.

Cuando el material se prepara en forma de polvo fino, siempre habr algunas partculas de polvo cuyos planos (hkl) queden orientados en el ngulo adecuado para satisfacer la ley de Bragg. Por tanto, se producir un haz difractado a un ngulo de 2 en relacin con el haz incidente. En un difractmetro, un detector mvil de rayos X registra los ngulos 2 en los cuales se difracta el haz, dando un patrn caracterstico de difraccin figura 16. Si se conoce la longitud de onda de los rayos X se pueden determinar los espaciamientos interplanares y, finalmente, la identidad de los planos que causan dicha difraccin.Para identificar la estructura cristalina de un material cbico, se anota el patrn de las lneas de difraccin, tpicamente, mediante la creacin de una tabla de valores de Sin .

Sin = ( / 4ao)(h + k + l )

Figura 16 (a) Diagrama de un difractmetro, mostrando el haz incidente y el haz difractado, la muestra en forma de polvo y el detector de rayos X. (b) Patrn de difraccin a partir de una muestra de polvo de oro.

POLMEROS

Los polmeros se clasifican de varias formas: primero, segn la manera en que las molculas son sintetizadas; segundo, en funcin de su estructura molecular y tercero, por su familia qumica. Sin embargo, el mtodo ms usado para describir los polmeros es en funcin de su comportamiento mecnico y trmico. En este captulo estudiaremos algunas de sus propiedades y los mtodos de preparacin de polmeros orgnicos sintticos.

Los Polmeros son molculas muy grandes que contienen cientos o miles de tomos, se han utilizado desde la prehistoria y los qumicos los han sintetizado durante el siglo pasado. Los polmeros naturales son fundamentales en todos los procesos de la vida y nuestra sociedad tecnolgica es por completo dependiente de los polmeros sintticos.

Un polmero es un compuesto molecular que se distingue por tener una masa molecular grande, que abarca desde miles a millones de gramos/mol, y por estar formado por muchas unidades repetidas.

Las propiedades fsicas de los polmeros, tambin conocidas como macromolculas, son muy distintas a las de las molculas pequeas comunes, y para estudiarlas se necesitan tcnicas especiales.

Entre los polmeros orgnicos figuran las protenas, los cidos nucleicos, la celulosa (polisacridos) y el caucho (poliisopreno).

La mayor parte de los polmeros sintticos son compuestos orgnicos. Los ejemplos ms comunes el nylon, polihexametiladipamida; El dacrn, polietileneterefatlato; y lucita o plexiglas, polimetilmetacrilato.

Polmeros orgnicos y sintticos.Debido a su tamao, se podra esperar que las molculas que contiene miles de tomos de carbono e hidrgeno formaran un gran nmero de ismeros estructurales geomtricos (si es que estn presentes enlaces C=C). Sin embargo, estas molculas estn formadas por monmeros, o unidades simples repetidas, y este tipo de composicin limita el nmero de posibles ismeros.

Los polmeros sintticos se obtienen al unir monmeros, uno cada vez, por medio de reacciones de adicin y de condensacin.

REACCIONES DE ADICIN.

En las reacciones de adicin participan compuestos insaturados que contienen dobles o triples enlaces, particularmente C=C y CC. La hidrogenacin y las reacciones de halogenuros de hidrgeno y de halgenos con alquenos y alquinos son ejemplos de reacciones de adicin.

La estructura de las cadenas polimricas por adicin se basa en la naturaleza del enlace covalente del carbono. ste, como el silicio, tiene valencia cuatro. El tomo de carbono comparte sus electrones de valencia con cuatro tomos circundantes, produciendo una estructura tetradrica ver figura 02(a)

La estructura tetradrica del carbono puede combinarse en una gran diversidad de formas para producir cristales slidos, molculas de gas no polimerizables y polmeros: (a) tetraedro del carbono; (b) metano con enlaces saturados; (c) etano, con enlaces saturados; (d) etileno con un enlace no saturado; y (e) polietileno.

El polietileno es un polmero muy estable que se emplea en las envolturas para empaque. Se obtiene por la unin de monmeros de etileno mediante un mecanismo de reaccin de adicin. Primero se calienta una molcula iniciadora (R2) para producir dos Radicales:

R2 2R

El radical activo ataca una molcula de etileno y se genera un nuevo radical:

2R + CH2=CH2 RCH2CH2

el que ms tarde reacciona con otra molcula de etileno, y as sucesivamente:

RCH2CH2 + CH2=CH2 RCH2CH2CH2

Muy pronto se forma una cadena larga de grupos CH2, despus de cierto tiempo, este proceso finaliza al combinarse dos radicales de cadena larga para producir el polmero conocido como polietileno:

R(CH2CH2)nCH2CH2 + R(CH2CH2)nCH2CH2

R(CH2CH2)nCH2CH2CH2CH2n(CH2-CH2)nR

Donde (CH2-CH2)n es una abreviatura convencional adecuada para representar la unidad repetida en el polmero. Se sobre entiende que el valor de n es muy grande, del orden de varios cientos.Las cadenas individuales de polietileno estn compactadas, lo que explica las propiedades cristalinas de las sustancias (figura 01). El polietileno se utiliza sobre todo en las pelculas de empaques de comida congelada y otras envolturas.

Fig.01:Estructura del polietileno. Cada tomo de carbono presenta hibridacin sp3

Los polmeros hechos de un solo tipo de monmeros se denominan homopolmeros como el polietileno, el tefln (politetrafluoroetileno) y el PVC (policlorurodevinilo)

La qumica de los polmeros se vuelve ms compleja si las unidades de partida son asimtricas:

Un copolimero es un polmero que contiene dos o ms monmeros distintos, como el estireno y el butadieno, que por una reaccin de adicin se obtiene el caucho sinttico.

REACCIONES DE CONDENSACIN

Los polmeros lineales tambin se forman por reacciones de condensacin o polimerizacin de crecimiento por pasos, produciendo estructuras y propiedades similares a los polmeros lineales por adicin. Sin embargo, el mecanismo de la polimerizacin por pasos requiere que por lo menos dos monmeros distintos participen en la reaccin. La polimerizacin del dimetiltereftalato y del etilen glicol para la produccin del polister es un ejemplo importante.

Durante la polimerizacin un tomo de hidrgeno en el extremo de un monmero de etilenglicol se combina con un grupo OCH3 del dimetilterftalato. Se genera un subproducto el alcohol metlico, y los dos monmeros se combinan para producir una molcula ms grande.

La siguiente tabla muestra solo algunas de las aplicaciones de los polmeros en ingeniera.

Por otra parte, los polmeros pueden ser lineales, formados por una nica cadena de monmeros, o bien sta cadena puede presentar ramificaciones de mayor o menor tamao. Tambin se pueden formar entrecruzamientos provocados por el enlace entre tomos de distintas cadenas.

La naturaleza qumica de los monmeros, su peso molecular y otras propiedades fsicas, as como la estructura que presentan determinan diferentes caractersticas para cada polmero. Por ejemplo, si un polmero presenta un grado de entrecruzamiento, el material ser mucho ms difcil de fundir que si no presentara ninguno.

ClasificacinExisten varias formas posibles de clasificar los polmeros, sin que sean excluyentes entre s.Segn su origen.P olmeros naturales. Existen en la naturaleza muchos polmeros y las biomolculas que forman los seres vivos son macromolculas de polmeros. Por ejemplo, las protenas, la celulosa, el hule o caucho natural, la quitina, lignina, etc. Polmeros semisintticos. Se obtienen por transformacin de polmeros naturales. Por ejemplo, la nitrocelulosa, el caucho vulcanizado, etc. Polmeros sintticos. Muchos polmeros se obtienen industrialmente a partir de los monmeros. Por ejemplo, el nylon, el poliestireno, el policloruro de vinilo (PVC), el polietileno, etc.

Segn su mecanismo de polimerizacinEn 1929 Carothers propuso una distincin de los polmeros segn su mecanismo de reaccin:Polmeros de condensacin. La reaccin de polimerizacin implica a cada paso la formacin de una molcula de bajo peso molecular, por ejemplo agua. Polmeros de adicin. La polimerizacin no implica liberacin de ningn compuesto de bajo peso molecular. Unos aos ms tarde, Flory refin la clasificacin, dando ms nfasis a la cintica de reaccin que al hecho de liberar o no molculas pequeas:Polmeros formados por etapas. La cadena de polmero va creciendo gradualmente mientras haya monmeros disponibles, aadiendo un monmero cada vez. Esta categora incluye todos los polmeros de condensacin de Carothers y adems algunos otros que no liberan molculas pequeas pero s se forman gradualmente, como por ejemplo los poliuretanos. Polmeros formados por reaccin en cadena. Cada cadena individual de polmero se forma a gran velocidad y luego queda inactiva, a pesar de estar rodeada de monmero. Segn sus aplicacionesAtendiendo a sus propiedades y usos finales, los polmeros pueden clasificarse en:Elastmeros. Son materiales con muy bajo mdulo de elasticidad y alta extensibilidad; es decir, se deforman mucho al someterlos a un esfuerzo pero recuperan su forma inicial al eliminar el esfuerzo. En cada ciclo de extensin y contraccin los elastmeros absorben energa, una propiedad denominada resiliencia. Plsticos. Son aquellos polmeros que, ante un esfuerzo suficientemente intenso, se deforman irreversiblemente, no pudiendo volver a su forma original. Hay que resaltar que el trmino plstico se aplica a veces incorrectamente para referirse a la totalidad de los polmeros. Fibras. Presentan alto mdulo de elasticidad y baja extensibilidad, lo que permite confeccionar tejidos cuyas dimensiones permanecen estables. Recubrimientos. Son sustancias, normalmente lquidas, que se adhieren a la superficie de otros materiales para otorgarles alguna propiedad, por ejemplo resistencia a la abrasin. Adhesivos. Son sustancias que combinan una alta adhesin y una alta cohesin, lo que les permite unir dos o ms cuerpos por contacto superficial. Segn su comportamiento a alta temperatura. Para clasificar polmeros, una de las formas empricas ms sencillas consiste en calentarlos por encima de cierta temperatura. Segn si el material funde y fluye o por el contrario se descompone se diferencian dos tipos de polmeros: Termoplsticos, que fluyen al calentarlos y se vuelven a endurecer al enfriarlos. Su estructura molecular presenta pocos (o ninguno) entrecruzamientos. Termoestables, que se descomponen qumicamente al calentarlos, en vez de fluir. Este comportamiento se debe a una estructura con muchos entrecruzamientos, que impiden los desplazamientos relativos de las molculas. La clasificacin termoplsticos / termoestables es independiente de la clasificacin elastmeros / plsticos / fibras. Existen plsticos que presentan un comportamiento termoplstico y otros que se comportan como termoestables. Esto constituye de hecho la principal subdivisin del grupo de los plsticos y hace que a menudo cuando se habla de "los termoestables" en realidad se haga referencia slo a "los plsticos termoestables". Pero ello no debe hacer olvidar que los elastmeros tambin se dividen en termoestables (la gran mayora) y termoplsticos (una minora pero con aplicaciones muy interesantes).

Materiales Cermicos

Los materiales cermicos son compuestos qumicos o soluciones complejas, que contienen elementos metlicos y no metlicos. Por ejemplo la almina (Al2O3) es un cermico que tiene tomos metlicos (aluminio) y no metlicos (oxgeno).Los materiales cermicos tienen una amplia gama de propiedades mecnicas y fsicas. Las aplicaciones varan desde productos de alfarera, fabricacin de ladrillos y azulejos, utensilios de cocina, tubos de albaal, hasta vidrio, materiales refractarios, imanes, dispositivos elctricos, fibras y abrasivos. Las losetas que protegen al transbordador espacial estn hechas de slice, un material cermico. En la mayora de estas aplicaciones el producto tiene una propiedad esencial o una combinacin particular de propiedades que no pueden ser obtenida con ningn otro material; siendo esto la base de su seleccin.Debido a sus enlaces inicos o covalentes, los materiales cermicos por lo general son duros, frgiles, con un alto punto de fusin, tienen baja conductividad elctrica y trmica, buena estabilidad qumica y trmica y elevada resistencia a la compresin. Sin embargo a veces constituyen un dilema, pues de hecho son frgiles, algunos compuestos con matriz cermica (como el Si3N4-SiC) tienen valores de tenacidad a la fractura superior a la de algunos metales e incluso algunos son superplsticos. Aunque la mayora de los productos cermicos son buenos aislantes elctricos y trmicos, el SiC y el AlN tienen conductividades trmicas parecidas a las de los metales. Los productos cermicos como el FeO y el ZnO, son semiconductores y, adems, han sido descubiertos materiales cermicos superconductores como el YBa2Cu3O7-X.(Tenacidad: La capacidad de un material para resistir cargas de impacto)

Cermica tcnica

La palabra cermica deriva del vocablo griego keramos, cuya raz snscrita significa quemar. En su sentido estricto se refiere a la arcilla en todas sus formas. Sin embargo, el uso moderno de este trmino incluye a todos los materiales inorgnicos no metlicos.Desde la dcada de los 50's en adelante, los materiales ms importantes fueron las arcillas tradicionales, utilizadas en alfarera, ladrillos, azulejos y similares, junto con el cemento y el vidrio. El arte tradicional de la cermica se describe en alfarera. Tambin puede buscarse la historia del rak, singular tcnica milenaria oriental.Histricamente, los productos cermicos han sido duros, porosos y frgiles. El estudio de la cermica consiste en una gran extensin de mtodos para mitigar estos problemas y acentuar las potencialidades del material, as como ofrecer usos no tradicionales.Ejemplos de materiales cermicos Nitruro de silicio (Si3N4), utilizado como polvo abrasivo. Carburo de boro (B4C), usado en algunos helicpteros y cubiertas de tanques. Carburo de silicio (SiC), empleado en hornos microondas, en abrasivos y como material refractario. Diboruro de magnesio (MgB2), es un superconductor no convencional. xido de zinc (ZnO), un semiconductor. Ferrita (Fe3O4) es utilizado en ncleos de transformadores magnticos y en ncleos de memorias magnticas. Esteatita, utilizada como un aislante elctrico. Ladrillos, utilizados en construccin xido de uranio (UO2), empleado como combustible en reactores nucleares xido de itrio, bario y cobre (YBa2Cu3O7-x), superconductor de alta temperatura. Propiedades mecnicas de la cermicaLos materiales cermicos son generalmente frgiles o vidriosos. Casi siempre se fracturan ante esfuerzos de tensin y presentan poca elasticidad, dado que tienden a ser materiales porosos. Los poros y otras imperfecciones microscpicas actan como entallas o concentradores de esfuerzo, reduciendo la resistencia a los esfuerzos mencionados.Estos materiales muestran deformaciones plsticas. Sin embargo, debido a la rigidez de la estructura de los componentes cristalinos hay pocos sistemas de deslizamientos para dislocaciones de movimiento y la deformacin ocurre de forma muy lenta. Con los materiales no cristalinos (vidriosos), la fluidez viscosa es la principal causa de la deformacin plstica, y tambin es muy lenta. An as, es omitido en muchas aplicaciones de materiales cermicos.Tienen elevada resistencia a la compresin y son capaces de operar en temperaturas altas. Su gran dureza los hace un material ampliamente utilizado como abrasivo y como puntas cortantes de herramientas.Comportamiento refractario

Proteccin trmica del transbordador espacialAlgunos materiales cermicos pueden soportar temperaturas extremadamente altas sin perder su solidez. Son los denominados materiales refractarios. Generalmente tienen baja conductividad trmica por lo que son empleados como aislantes. Por ejemplo, partes de los cohetes espaciales son construidos de azulejos cermicos que protegen la nave de las altas temperaturas causadas durante la entrada a la atmsfera.Los requisitos principales para considerar a un material refractario como bueno son que no se ablande o derrita y que se mantenga sin reacciones bajo las temperaturas de uso. El ltimo requisito se relaciona con los mencionados anteriormente: la auto descomposicin y reaccin a otros componentes que podran presentarse, incluso aquellos que podran ser perjudiciales.La porosidad toma una importancia adicional en la cermica refractaria. Mientras la porosidad se reduce la resistencia, la capacidad de carga y la resistencia ambiental se incrementa a medida que la densidad del material aumenta. Sin embargo, mientras la densidad incrementa la resistencia al shock trmico (quebraduras como resultado del rpido cambio de temperatura), las caractersticas de aislamiento se reducen. Muchos materiales son usados en estados muy porosos y es frecuente encontrar materiales combinados: una capa porosa con buenas propiedades de aislamiento combinada con una delgada chaqueta de material ms denso que provee resistencia.Tal vez sea sorprendente que estos materiales puedan ser usados a temperaturas en donde se lican parcialmente. Por ejemplo, los ladrillos refractarios de dixido de silicio (SiO2), usados para recubrir hornos de fundicin de acero, trabajan a temperaturas superiores a 1650 C (3000 F), cuando algunos de los ladrillos comienzan a licuarse. Diseados para esa funcin, una situacin sin sobresaltos requiere un control responsable sobre todos los aspectos de la construccin y uso.Comportamiento elctricoUna de las reas de mayores progresos con la cermica es su aplicacin a situaciones elctricas, donde pueden desplegar un sorprendente conjunto de propiedades.Aislamiento elctrico y comportamiento dielctricoLa mayora de los materiales cermicos no son conductores de cargas mviles, por lo que no son conductores de electricidad. Cuando son combinados con fuerza, permite usarlos en la generacin de energa y transmisin.Las lneas de alta tensin son generalmente sostenidas por torres de transmisin que contienen discos de porcelana, los cuales son lo suficientemente aislantes como para resistir rayos y tienen la resistencia mecnica apropiada como para sostener los cables.Una sub-categora del comportamiento aislante es el dielctrico. Un material dielctrico mantiene el campo elctrico a travs de l, sin in