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2. Estructura atómica y enlaces interatómicos 2.1 Introducción 2.2 Conceptos fundamentales 2.3 Los electrones en los átomos 2.4 La tabla periódica

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2. Estructura atómica y enlaces interatómicos 2.1 Introducción

2.2 Conceptos fundamentales 2.3 Los electrones en los átomos 2.4 La tabla periódica

Contenido

Contenido

2.4 La tabla periódica

2.5 Fuerzas y energías de enlace

2.6 Enlaces interatómicos primarios

2.7 Enlace secundario o enlace de van der Waals 2.8 Moléculas

(2)

CUESTIONES A TRATAR...

• ¿Por qué ocurren los enlaces?

Fundamentos de la ciencia

Fundamentos de la ciencia

e ingeniería de materiales

e ingeniería de materiales

http://www.phys.virginia.edu/classes/252/photoelectric_effect.html

• ¿Cuántos tipos de enlaces hay?

• ¿Qué propiedades se derivan de los distintos enlaces?

(3)

Sin

orden:

átomos

o

moléculas

están

ordenados al azar

Arreglo de corto alcance:

átomos y moléculas

Estructura de los materiales

Estructura de los materiales

Arreglo de corto alcance:

átomos y moléculas

están ordenados únicamente con sus vecinos

más cercanos

Arreglo de largo alcance:

átomos y moléculas

están ordenados en un patrón regular repetitivo

o red

(4)

Niveles de estructura Ejemplo de tecnología

Estructura atómica Diamante – punta de herramientas de corte

Arreglo atómico de Titanatos de plomo-zirconio largo alcance (LRO) [Pb(Zr Ti )]

Niveles de estructura

Niveles de estructura

largo alcance (LRO) [Pb(Zrx Ti1-x )]

Arreglo atómico de : Silica amorfa - fibras

(5)

Niveles de estructura Ejemplo de tecnología

Nanoestructura Nanopartículas de óxido de fierro - ferrofluidos

Microestructura Resistencia mecánica de

Niveles de estructura

Niveles de estructura

Microestructura Resistencia mecánica de aleaciones

Macroestructura Pinturas para automóviles

(6)

2. Estructura atómica y enlaces interatómicos

2.1 Introducción

2.2 Conceptos fundamentales

2.3 Los electrones en los átomos 2.4 La tabla periódica

Contenido

Contenido

2.4 La tabla periódica

2.5 Fuerzas y energías de enlace

2.6 Enlaces interatómicos primarios

2.7 Enlace secundario o enlace de van der Waals 2.8 Moléculas

(7)

Electrones en orbitales: n = número cuántico

principal n=3 2 1

El átomo de Bohr

Núcleo: Z = nº de protones

= 1 para hidrógeno a 94 para plutonio

N = nº de neutrones

(8)

Atomos = núcleo (protones y neutrones) + electrones Estructura atómica

Cargas:

Electrones (-): protones(+) 1.6 × 10-19 Coulombs

Neutrones son eléctricamente neutros Neutrones son eléctricamente neutros

Masas:

Protones y neutrones ~1.67 × 10-27 kg

Electrón 9.11 × 10-31 kg

Número atómico (Z) = # protons

chemical identification of element

(9)

Conceptos

El número atómico de un elemento es igual al

número de electrones o protones en cada átomo.

La masa atómica de un elemento es igual a la suma de las masas de protones y los neutrones del núcleo

El Número de Avogadro de un elemento es el número

de átomos o moléculas en una mol.

La unidad de masa atómica de un elemento es la

masa de un átomo expresado como 1/12 de la masa de un átomo de carbón.

(10)

Unidad de masa atómica (amu)

1 amu = 1/12 de masa de más común del isotopo de C 6 protones (Z=6) y 6 neutrones (N=6)

La masa atómica del átomo de 12C es 12 amu Peso atómico, A

Es la razón de las masas promedio de los átomos de un elemento Peso atómico del carbón es 12.011 amu

Conceptos

Peso atómico del carbón es 12.011 amu

Peso atómico se expresa comúnmente en masa por mol

Una mol

Cantidad de materia con masa en gramos igual a masa atómica en amu (Una mol de carbón tiene una masa de 12 gramos)

Una mol contiene, Avogadro’s number of atoms, Nav = 6.023 × 1023 átomos o moléculas

Ejemplo:

(11)

Densidad númerica, n: (número de átomos por cm3)

Densidad de masa, ρ (g/cm3)

Masa atómica, A (g/mol):

n = N × ρ / A

Algunos calculos simples

n = Nav × ρ / A

Grafito (carbón): ρ = 2.3 g/cm3, A = 12 g/mol

(12)

Algunos calculos simples

Diamante (carbón): ρ = 3.5 g/cm3, A = 12 g/mol

n = 6×1023 atoms/mol × 3.5 g/cm3/ 12 g/mol = 1.75 × 1023 atoms/cm3

Agua (H2O) ρ = 1 g/cm3,A = 18 g/mol

n = 6×1023 atoms/mol × 1 g/cm3/ 18 g/mol = 3.3 × 1022 atoms/cm3

Tamaño de un átomo o molécula

Si n = 6 × 1022 atoms/cm3

Separación media entre átomos, L = (1/n)1/3 = 0.30 nm

Escala de estructura atómica en solidos – una fracción de 1 nm o algunos Angstroms

(13)

Calcular el número de átomos en 100 g de plata. A = 107.868 g/mol

Calculo del número de átomos en la plata

Solución

El número de átomos de plata =

) 868 . 107 ( ) 10 023 . 6 )( 100 ( 23 mol g mol atoms g × = 5.58 ×××× 1023 átomos

(14)

2. Estructura atómica y enlaces interatómicos

2.1 Introducción

2.2 Conceptos fundamentales

2.3 Los electrones en los átomos

2.4 La tabla periódica

Contenido

Contenido

2.4 La tabla periódica

2.5 Fuerzas y energías de enlace

2.6 Enlaces interatómicos primarios

2.7 Enlace secundario o enlace de van der Waals 2.8 Moléculas

(15)

Estructura electrónica

• Los electrones son partículas que giran alrededor del núcleo del átomo similar a la tierra gira sobre su propio eje, como también gira en torno al sol.

– Esto significa que los electrones es localizados en

orbitales definidos por una probabilidad.

orbitales definidos por una probabilidad.

– Cada orbital en niveles discretos de energía está determinado por números cuánticos.

Número cuántico Designación

n = principal (energy level-shell) K, L, M, N, O (1, 2, 3, etc.)

l = subsidiary (orbitals) s, p, d, f (0, 1, 2, 3,…, n-1)

ml = magnetic 1, 3, 5, 7 (-l to +l)

(16)

Electrones en átomos

Los electrones forman una nube alrededor del núcleo

Radio ~ 0.05 – 1nm.

Es semejante a un mini sistema planetario.

Las “orbitas” de los electrones son “confusas”

Sólo se puede discutir la probabilidad de encontrarlo a cierta distancia del núcleo.

Unicamente ciertas “orbitas” o capas están disponibles. Las capas se identifican por un número cuántico principal, n,

n esta referido al tamaño del radio (y energía)

n = 1, mas pequeño; n = 2, 3 .. son más mayores.

El segundo número cuántico, l, define subcapas. planetario.

(17)
(18)

• se disponen en estados energéticos discretos.

• tienden a ocupar en primer lugar los estados o niveles libres de menor energía.

Los electrones...

Estados energéticos electrónicos

4p 4d N-capa n = 4 1s 2s 2p K-capa n = 1 L-capa n = 2 3s 3p M-capa n = 3 3d 4s Energía

(19)

• átomos con orbitales s y p completos.

• tienden a ser no reactivos, inertes, estables, (nobles).

Configuraciones electrónicas estables...

Z Elemento Configuración

Configuraciones electrónicas estables

Z Elemento Configuración

2 He 1s2

10 Ne 1s22s 22p 6

18 Ar 1s22s22p 63s23p6

(20)

• La mayoría de los elementos: configuraciones no estables.

Elementos químicos

Elemento Hidrógeno Helio Litio Berilio Boro Carbono Nº atómico 1 2 3 4 5 6 Configuración electrónica 1s1 1s2 (estable) 1s22s1 1s22s2 1s22s22p1 1s22s22p2

• ¿Por qué? Capa de valencia (externa) no suele estar completa.

Carbono ... Neón Sodio Magnesio Aluminio ... Argón ... Kriptón 6 10 11 12 13 18 ... 36 1s22s22p2 ... 1s22s22p6 (estable) 1s22s22p63s1 1s22s22p63s2 1s22s22p63s23p1 ... 1s22s22p63s23p6 (estable) ... 1s22s22p63s23p63d104s246 (estable)

(21)

Configuraciones electrónicas

• Electrones de valencia

– aquellos localizados en

capas no completas

• Capas completas son más estables

• Electrones de valencia son los más disponibles

para enlazarse a otros y por consiguiente a

para enlazarse a otros y por consiguiente a

controlar las propiedades químicas

– ejemplo: C (número atómico = 6) 1s2 2s2 2p2

(22)

Estructura atómica

• Los electrones de valencia determinan

las siguientes propiedades:

1) Químicas

2) Electricas

2) Electricas

3) Térmicas

4) Opticas

(23)

2. Estructura atómica y enlaces interatómicos

2.1 Introducción

2.2 Conceptos fundamentales 2.3 Los electrones en los átomos

2.4 La tabla periódica

Contenido

Contenido

2.4 La tabla periódica

2.5 Fuerzas y energías de enlace

2.6 Enlaces interatómicos primarios

2.7 Enlace secundario o enlace de van der Waals 2.8 Moléculas

(24)

• Columnas: La misma capa de valencia. He Ne g a se s n o b le s C e d e 1 e -F Li Be Metal No metal Intermetálico H O Mg

La tabla periódica

C e d e 2 e -C e d e 3 e -A ce p ta 1 e -A ce p ta 2 e

-Elementos electropositivos: Tienden donar electrones y se transforman en cationes.

Elementos electronegativos: Tienen a aceptar electrones y se transforman en aniones.

Ar Kr Xe Rn Na Cl Br I At S Mg Ca Sr Ba Ra K Rb Cs Fr Sc Y Se Te Po C e d e 3 e

*La T. P. de los elementos agrupa a éstos en filas y columnas según sus propiedades químicas. Los elementos aparecen ordenados por su número atómico (Z) : nº de protones en el núcleo.

grupo

(25)

• Tiene valores en el rango de 0,7 a 4,0. He -Ne -Ar -F 4,0 Cl 3,0 Li 1,0 Na 0,9 H 2,1 Be 1,5 Mg 1,2

• A mayor valor: mayor tendencia a aceptar electrones.

Electronegatividad

Menor electronegatividad Mayor electronegatividad

-Kr -Xe -Rn -3,0 Br 2,8 I 2,5 At 2,2 0,9 K 0,8 Rb 0,8 Cs 0,7 Fr 0,7 1,2 Ca 1,0 Sr 1,0 Ba 0,9 Ra 0,9 Ti 1,5 Cr 1,6 Fe 1,8 Ni 1,8 Zn 1,8 As 2,0

(26)

2. Estructura atómica y enlaces interatómicos

2.1 Introducción

2.2 Conceptos fundamentales 2.3 Los electrones en los átomos 2.4 La tabla periódica

Contenido

Contenido

2.4 La tabla periódica

2.5 Fuerzas y energías de enlace

2.6 Enlaces interatómicos primarios

2.7 Enlace secundario o enlace de van der Waals 2.8 Moléculas

(27)

Fuerzas y energías de enlace

Fuerzas y energías de enlace

(28)

• Distancia de enlace, r • Curva de Energía de enlace, Eo F F r • Temperatura de Fusión, TF r Energía (r) ro

PROPIEDADES de los ENLACES: T

F

Eo= “energía de enlace” Energía potencial f(r) ro r Distancia de equilibrio r Mayor TF Menor TF TF es mayor si Eo es mayor. a tr a c c n re p u ls n

(29)

• Módulo elástico, E • E ~ curvatura a energía r sección transversal área Ao ∆L longitud, Lo F No deformado deformado ∆L F Ao= E Lo Módulo elástico

PROPIEDADES de los ENLACES: E

• E ~ curvatura a energía ro

r

Módulo elástico mayor

Módulo elástico menor

rodistancia de equilibrio E es mayor si E

(30)

• Coeficiente de expansión térmica, α α ∆L longitud, Lo No caliente, T1 calentado, T2

=

α

(

T

2

-

T

1

)

∆L Lo

coef. expansión térmica

PROPIEDADES de los ENLACES:

α

• α ~ asimetría en ro α es mayor si Eo es menor. r Menor α Mayor α Energía ro

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2. Estructura atómica y enlaces interatómicos

2.1 Introducción

2.2 Conceptos fundamentales 2.3 Los electrones en los átomos 2.4 La tabla periódica

Contenido

Contenido

2.4 La tabla periódica

2.5 Fuerzas y energías de enlace

2.6 Enlaces interatómicos primarios

2.7 Enlace secundario o enlace de van der Waals 2.8 Moléculas

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• Enlace iónico

• Enlace covalente

TIPOS DE ENLACES

• Enlace metálico

(33)

Na (metal) Cl (no metal) • Ocurre entre iones + (cationes) e iones - (aniones). • Requiere transferencias de electrones.

• Requiere una gran diferencia de electronegatividad. • Ejemplo: NaCl

ENLACE IÓNICO

/3s1 /3s23p5 e -Na (metal) inestable Cl (no metal) inestable electrón

+

-Atracción coulómbica Na+ (catión) estable

(config. del Ne: /…2p6)

Cl- (anión)

estable

/3s1 /3s23p5

*Ocurre entre elementos con su configuración electrónica casi completa.

(34)

• Enlace predominante en cerámicas. He -Ne -Ar -F 4,0 Cl 3,0 Li 1,0 Na 0,9 H 2,1 Be 1,5 Mg 1,2 CsCl MgO CaF2 NaCl O 3,5

EJEMPLOS de ENLACE IÓNICO

Donantes de electrones Aceptores de electrones

-Kr -Xe -Rn -3,0 Br 2,8 I 2,5 At 2,2 0,9 K 0,8 Rb 0,8 Cs 0,7 Fr 0,7 1,2 Ca 1,0 Sr 1,0 Ba 0,9 Ra 0,9 Ti 1,5 Cr 1,6 Fe 1,8 Ni 1,8 Zn 1,8 As 2,0

(35)

• Requiere que átomos vecinos compartan electrones.

• Ejemplo: CH4

C: tiene 4 e- de valencia,

y necesita 4 más

Electrones compartidos por el átomo de carbono

H

CH4

ENLACE COVALENTE

H: tiene 1 e- de valencia,

y necesita 1 más

Sus valores de electronegatividad son parecidos.

Electrones compartidos por átomos de hidrógeno H

H

H

C

(36)

Silicio (Si) es el semiconductor más importante

Electrones libres en Silicio

• Tiene 14 Protones en el núcleo, y 14 electrones orbitando. • Tiene 4 electrones de Valencia.

(37)

He -Ne -Ar -Kr -F 4,0 Cl 3,0 Br 2,8 Li 1,0 Na 0,9 K 0,8 H 2,1 Be 1,5 Mg 1,2 Ca 1,0 Ti 1,5 Cr 1,6 Fe 1,8 Ni 1,8 Zn 1,8 As 2,0 SiC C (diamante) H2O C 2,5 H2 Cl2 F2 Si 1,8 Ga 1,6 Ge 1,8 O 2,0 co lu m n a I V A

EJEMPLOS de ENLACE COVALENTE

• Moléculas con átomos no metálicos (ej., F2, Cl2)

• Moléculas con metales y no metales (ej., H20, CH4)

• Sólidos elementales (IVA tabla periód., ej., diamante, Ge, Si)

• Compuestos sólidos (cercanos a la columna IVA, ej., GaAs)

-Xe -Rn -2,8 I 2,5 At 2,2 0,8 Rb 0,8 Cs 0,7 Fr 0,7 1,0 Sr 1,0 Ba 0,9 Ra 0,9 1,5 1,6 1,8 1,8 1,8 1,6 2,0 GaAs 1,8 Sn 1,8 Pb 1,8

(38)
(39)

• Se entiende como una nube de electrones de valencia compartidos por todos los átomos (1, 2, ó 3 de cada átomo).

+

+

+

+

+

+

ENLACE METÁLICO

Nube electrónica e- libres de circular Cationes núcleo y e -s de no valencia

• Enlace fundamental en los metales y sus aleaciones.

+

+

+

+

+

+

*Caso totalmente opuesto al covalente: la nube electrónica se forma porque los átomos “quieren” soltar los electrones que le sobran, pero “nadie” los adopta.

e

-s libres de circular por todo el metal

(40)

EJEMPLOS de ENLACE METÁLICO

Acero, latón, bronce, superal. Ni

Aleaciones ligeras

Metales refractarios Metales nobles

• Elementos sólidos puros (ej., Al, Mg, Ti, Fe, Ni, Cu, Ag, Au, Pb)

(41)

2. Estructura atómica y enlaces interatómicos

2.1 Introducción

2.2 Conceptos fundamentales 2.3 Los electrones en los átomos 2.4 La tabla periódica

Contenido

Contenido

2.4 La tabla periódica

2.5 Fuerzas y energías de enlace

2.6 Enlaces interatómicos primarios

2.7 Enlace secundario o enlace de van der Waals

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Surge de la interacción “física” entre dipolos.

• Dipolos inducidos fluctuantes – átomos polares:

H

H H H

H2 H2

enlace por puentes de H: 2ario

ej: nobles, Cl2, H2 líquido:

Nubes electrónicas asimétricas

+

-

enlace

+

-secundario

ENLACE DÉBIL o SECUNDARIO

(FUERZAS de Van der Waals)

• Dipolos permanetes o inducidos por moléculas polares.

+ - +

-H Cl H Cl

enlace por puentes de H: 2ario

secundario -caso general: -ej: HCl líquido -ej: polímero enlace 2ario enlace 2ario

-ej: HF, H2O, NH3 (dip. permanentes)

(43)

TIPO

Iónico Covalente

ENERGÍA

Grande Variable alta-Diamante pequeña-Bismuto

CARACTERÍSTICAS

No direccional (cerámicos) Direccional semiconductores, cerámicos Cadenas de polímeros

RESUMEN: ENLACE

Metálico Secundario pequeña-Bismuto Variable alta-Volframio pequeña-Mercurio La menor Cadenas de polímeros No direccional (metales) Direccional

Dentro de cadena (polímeros)

(44)

Bonding energies between 600 and 1500 kJ/mol (or 3 to 8 eV/atom) are considered to be relatively large and will have correspondingly high (large) melting points.

(45)

Cerámicas

(Enlaces iónicos y covalentes):

Metales

(Enlace metálico):

Energía de enlace alta

TF alta

E alto

α bajo

Energía de enlace variable

TF moderada /media

E moderado

RESUMEN: ENLACES en MATERIALES

Polímeros

(Covalentes y secundarios):

E moderado

α moderada

Propiedades direccionales

donde domina el enlace secundario

TF pequeña

E pequeño

α alto

Referencias

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