3. Estructura atómica y electrónica de los materiales

3.1 Discutir y describir en el grupo la diferencia que se tiene entre a) la Estructura atómica y electrónica de los materiales, b) la masa atómica y el número atómico, c) el número de avogrado y el número cuántico y plasme los resultados en la estrategia de aprendizaje denominada en cuadros comparativos. (Ver en la caja de herramientas para el aprendizaje la estrategia de aprendizaje mencionada).

a) Estructura Atómica Estructura Electrónica

Diferencia

El estudio de la estructura atómica de la materia sirve para explicar las propiedades de los materiales.

La materia está compuesta por átomos, que a efectos prácticos se considerarán partículas esféricas de 10-10 m de tamaño.

Así la estructura atómica se puede dividir en:

Corteza: compuesta por partículas cargadas negativamente que reciben el nombre de electrones. La cantidad de electrones que tiene un átomo y el modo en que se distribuyen en su corteza condiciona por completo las propiedades físicas y químicas que va a poseer el elemento.Núcleo: compuesto por los protones, que tienen carga positiva, y los

Las propiedades químicas de un elemento se determinan por el número de protones en su núcleo y el correspondiente número de electrones alrededor del mismo. Los electrones son los que forman enlaces y determinan la estructura de las moléculas resultantes. Como son pequeños y livianos, muestran propiedades tanto de partículas como de ondas; en muchos aspectos, los electrones en los átomos y las moléculas se comportan más como ondas que como partículas.

Los electrones que están unidos a los núcleos se encuentran en orbítales. El principio de incertidumbre de Heisenberga firma que nunca se puede determinar con exactitud dónde se encuentra el electrón; pero aun cuando no se conozca su lugar exacto, podemos hablar de la densidad electrónica, que es la probabilidad de encontrar al

neutrones, que son eléctricamente neutros. Ambos tienen la misma masa.

electrón en una parte determinada del orbital. Por tanto, un orbital es un estado permitido de energía de un electrón, con una función asociada de probabilidad que define la distribución de la densidad electrónica en el espacio

b) Masa atómica Número atómico

Diferencia

Número de protones que posee un átomo y este a su vez es igual al número de electrones y se representa con la letra Z.

Promedio de las masas atómicas de todos los isótopos de un átomo. Se representa en unidades relativas (uma) y para un solo átomo, corresponde a la suma de las masas de los neutrones y los protones y se representa con la letra A.

c) Numero de avogadro Numero cuántico

DiferenciaPuede definirse como la cantidad de entidades elementales (átomos, electrones, iones, moléculas) que existen en un mol de cualquier sustancia.

Se utiliza en química para establecer una relación entre la masa o volumen y la cantidad de materia (entidades). Se define originalmente como "la cantidad de átomos de12 C contenidos en 0,012kg (12 gramos) de este elemento"

Equivale a:NA = 6,022 · 10 23

Los números cuánticos son valores numéricos que nos indican las características de los electrones de los átomos, esto está basado desde luego en la teoría atómica de Neils Bohr que es el modelo atómico más aceptado y utilizado en los últimos tiempos.

Los números atómicos más importantes son cuatro:

Número Cuántico Principal.

Número Cuántico Secundario.

Número Cuántico Magnético.

Número Cuántico de Spin

3.2 Por intermedio de una discusión argumentativa del grupo, de soluciones con explicaciones del porqué de las siguientes situaciones (siempre utilizando la metodología gunawardena):

3.2.1 La hoja de aluminio utilizada para guardar alimentos pesa aproximadamente 0.3 gr por pulgada cuadrada. ¿Cuántos átomos de aluminio están contenido en esta muestra de hoja?

Solución:

Suponiendo que mide una pulgada cuadrada entonces tienes 0.3 gr de Al.

1 mol de Al tiene 6.022 x 10^23 átomos

Pero también un mol de Al equivale a 26.98gr

Entonces, 0.3gr de Al equivalen a:

0.3gr/26.98gr = 0.01111 moles de aluminio

Para conocer la cantidad total de átomos

0.01111 moles x 6.022 x 10^23 = 6.696 x 10^21 átomos de aluminio

3.2.2 El jefe de producción de una planta de galvanoplastia requiere costear a todo costo el proceso de recubrir una pieza de acero que tiene una superficie de 200pulgadas cuadradas con una capa de níquel de 0.002 pulgadas de espesor, para tal fin se necesita conocer:

a) ¿Cuántos átomos de níquel se requieren?

b) ¿Cuántos moles de níquel se requieren?

Solución:

Primero calcula el volumen de la capa de níquel requerida

V = superficie x espesor

V = 200 pulgadas cuadradas x 0.002 pulgadas = 0.4 pulgadas cúbicas

Necesitas el dato de volumen atómico del níquel

Volumen atómico del níquel = 6.59 cm^3/ mol (centímetros cúbicos sobre mol)

Para obtener los moles divides el volumen de la capa de níquel entre su volumen atómico, pero primero hay que transformar el volumen de pulgadas cúbicas a centímetros cúbicos.

0.4 pulg^3 x (2.54 cm/ pulg)^3 = 6.55 cm^3

Moles de níquel = 6,55 cm^3 / 6,59 cm^3/ mol = 0,994 moles (aproximadamente 1mol)

Con ese número de moles y el número de Avogadro se calcula el número de átomos.

0.994 moles x 6.022 x 10^23 = 5.985868 x 10^23 átomos de níquel.

3.2.3 Suponga que un elemento tiene una valencia de 2 y un número atómico de 27. Con base únicamente en los números cuánticos, ¿Cuántos electrones deben estar presentes en el nivel de energía 3d?

Solución:

En este caso con el número atómico se hace la distribución electrónica y si tiene valencia 2 significa que en el último nivel tienen 2 electrones entonces:

Número atómico 27 = 1s2 - 2s2 - 2p6 - 3s2 - 3p6 - 3d7 - 4s2.

Tiene 4 niveles y en el último 2 y corresponde al elemento Co cobalto

Al ser 3d, tienes que:

n : 3

l : 2 .... (Recordemos que 0=s; 1=p; d=2; f=3)

ml: 2l+1 = 5 = -2,-1,0,1,2

ms: ± ½ para cada subcapa de ml [↑↓]

Es decir, en subcapa orbital tienes 2 spin, ósea 2 electrones, como son 5subcapas, son 10 electrones.