02 Estructura de La Materia 2 388521

8/19/2019 02 Estructura de La Materia 2 388521

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Renato Vargas S Ingeniero Civil

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ESTRUCTURA DE LA MATERIA

Materiales de Ingeniería

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La materia esta formada por Átomos. Los Átomos a su vez constan de un núcleo

y electrones circundantes.

El núcleo tiene carga positiva protones yneutrones!El número de unidades de carga positivaprotones! es el "# at$micoEl número de electrones es igual al deprotones e%uili&rio electroest'tico

Estructura de la (ateria

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)

Estructura de la (ateria El núcleo puede contener tam&i*n

neutrones. La suma del número de protones y

neutrones nucleones! es el peso at$mico. El núcleo tiene dimensiones del orden de

1+,1) a 1+,1- cm y los 'tomos tiene

dimensiones del orden ) a /0 (1 Å = 10-7 mm) 0 2ngstrom 131+.+++.+++.+++ m

= 1x 10-10 m = 0,000.000.000.1 m-


Casi todas las propiedades f4sicas y%u4micas de los 'tomos depende delnúmero y de la distri&uci$n de sus

electrones e5teriores. 6ay un modelo simple y f'cil de visualizarde la estructura del 'tomo7 el modelo deBohr. 8e acuerdo a *l los electrones giranalrededor del núcleo en or&itas definidasllamadas 9Estados estacionarios deenerg4a: en %ue no ;ay radiaci$n


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Estructura de la (ateria La emisi$n o a&sorci$n de radiaci$n se

produce al pasar un electr$n de un estadoestacionario a otro.

El número de núcleos de energ4a o estadosestacionarios est' determinado por lacondici$n cu'ntica de %ue el momentoangular del electr$n sea un múltiplo enterode ;3)π en %ue ; es la cte. de =lanc>; ??)? 5 1+,-< @ s!

La energ4a según =lan>A 8onde7 n 1 ) B y v frecuencia de emisi$n o a&sorci$n

de energ4a radiante Carga del e ,1?+ 5 1+,1D coulom&s (asa D1 5 1+,-1 >g

?

vhn E ⋅⋅=


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Estructura de la (ateria Cada una de esas or&itas est' caracterizada

por dos números cu'nticos el principal 9n:y el azimutal 9>:.

=ara un valor dado de n > puede tener nvalores consecutivos a partir de 1 y laraz$n n3> es la raz$n entre los ees mayory menor de la $r&ita e5centricidad!

VER7

;ttp733FFF.c;em.arizona.edu3c;emt3sim3&o;r3


Este modelo no concuerda con las ideasactuales %ue seGalan %ue no se puededeterminar simult'neamente con precisi$n

la posici$n y la velocidad del electr$n7 las$r&itas en lugar de ser c4rculos o elipses&ien definidos son regiones del espacioocupadas por nu&es de electrones dedensidad varia&le en %ue ;ay unadeterminada pro&a&ilidad de encontrar unelectr$n.

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Estructura de la (ateria Según los nuevos conceptos se re%uiere de

cuatro números cu'nticos para definir elestado energ*tico de cada electr$n conrespecto al núcleo.

Son ellos el número principal 9n: %ue tomavalores enteros consecutivosA el númeroazimutal 9l: %ue tiene para cada 9n:

valores desde + a 9n,1:Ael númeromagn*tico 9m: %ue para cada 9l: tomavalores desde 9l:A el número de giro o

9spin: %ue tiene valores ,13) y 13).D

Estructura de la (ateria En número 9n: define las or&itas o capas de

electrones cada una de las cuales puedecontener un número m'5imo de )n) electronesy completado ese número comienza a ocuparse

la capa siguiente. 8entro de cada una de estas capas ;ay

su&niveles de energ4a definido por los valores 9l: y dentro de estos estados determinadospor los sucesivos valores de 9m: en los cualestienen ca&ida ;asta dos electrones de distinto

9spin:

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?


Las capas se designan con las letrasJ L ( " K.

Los su&niveles azimutales por lasletra s p d f g.

El cuadro siguiente es%uematiza loanterior.

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n capa l m spin N°de electrones

1 K 0 s 0 (1/2), (-1/2) 2 = 2 = 2 x 12

2 L 0 s 0 (1/2), (-1/2) 2

1 p 1, 0,-1 (1/2), (-1/2) 6 = 8 = 2 x 22

3 M 0 s 0 (1/2), (-1/2) 21 p 1, 0,-1 (1/2), (-1/2) 62 d 2,1,0,-1,-2 (1/2), (-1/2) 10 = 18 = 2 x 32

4 N 0 s 0 2

1 p 1,0,-1 6

2 d 2,1,0,-1,-2 103 f 3,2,1,0,-1,-2,-3 (1/2), (-1/2) 14 = 32 = 2 x 42

1)

;ttp733FFF.pta&le.com


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Estructura de la (ateria La configuraci$n electr$nica se deduce del

estudio del espectro $ptico para los electronese5teriores y de rayos 5 para los interiores yde principios te$ricos de mec'nica cu'ntica.

Estos principios son7 el de e5clusi$n de =aulie%ue dice %ue en cada 'tomo no puede ;a&erm's de un electr$n en cada estado de energ4a

y el principio de formaci$n %ue permite irdeduciendo las configuraciones at$micas apartir de las m's simples

1-


Iniciando la serie con el 'tomo de 6;idr$geno! formado por un prot$n y unelectr$n se forman los dem's agregando

cada vez un prot$n y un electr$nA cadanuevo electr$n ocupa el nivel energ*ticom's &ao disponi&le.

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Nuevos modelos atómios en el siglo !!

1/

2vanzado ya el siglo los cient4ficos continuarone5plorando las propiedades del núcleo at$mico ydescu&rieron %ue los protones y los neutronesesta&an compuestos por minúsculos %uar>s.

=ara ver los %uar>s no &astan los microscopiospor potentes %ue sean pues se necesitar4a unaprecisi$n de 1+,1 cm y se ;izo necesario idear

otras t*cnicas m's sofisticadas. Mue as4 como seinventaron los aceleradores de part4culas.

;ttp733astroem.com3teorias3%uar>s.;tml

NI=KS 8E SKLI8KS El modelo descrito de estructura at$mica permite sacar

algunas conclusiones cualitativas so&re las propiedadesde los elementosA por E.7 a medida %ue aumenta elnúmero at$mico ;ay m's protones en el núcleo loselectrones internos est'n sometidos a fuerzas deatracci$n mayores pero los de las capas e5ternas est'nm's sueltos por %ue se encuentran a niveles de energ4am's elevados.

Esto se refiere a 'tomos aislados entre 'tomospr$5imos se producen interacciones %ue dan origen aagru"aiones de ellos en alguna de las diversas#ormas de agregaión de la materia$ así%

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Nipos de S$lidos Los 'tomos de fierro se unen en un

material %ue tiene gran resistencia yrigidez.

Los de mercurio forman un l4%uido. Los de car&ono pueden dar lugar o al

diamante de gran dureza o el grafito.

Los de co&re dan lugar a un materialmalea&le y muy conductor del calor y de laelectricidad

Los de 6 " K etc. forman gases.1H

Nipos de S$lidos

Estas diferencias de estado f4sico y depropiedades mec'nicas el*ctricast*rmicas etc. son consecuencia de

diferentes tipos de interaiones ode #uer&as de enlae entre 'tomoslas cuales est'n determinadas por laconfiguraci$n electr$nica e5terna delos 'tomos de %ue se trata.

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Nipos de S$lidos Muera de e5istir fuerzas de atracci$n

de&en ;a&er tam&i*n fuerzas derepulsi$n pues se necesitan grandespresiones e5ternas para comprimir uns$lido o un li%uidoA por lo dem's si noe5istieran los sistemas de 'tomos no

ser4an esta&les.

)+

Nipos de S$lidos

Las #uer&as de enlae entre 'tomos sehan dividido en uatro di#erentes lases%

a( Los enlaes iónios

)( Los enlaes ovalentes( Los enlaes met'liosd( Los enlaes moleulares o van der *aals

e! Semiconductores. A ada uno orres"onde un ti"o de sólido

on "ro"iedades araterístias+

)1


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Enlaces i$nicos

Los enlaces iónicos se

producen entre átomosde distinta naturaleza,

uno de ellos fuertemente

electronegativo y el otro

muy electropositivo.

Hay una captura de los

electrones externos del

segundo por parte del

primero (- captura a +)

transformándose este en

un ion negativo y auel

en ion positivo! entre

am"os se producenfuerzas electrostáticas

de atracción.

))

Enlaces i$nicos

Nal vez el E.7 m's conocido es el "aClA en%ue "a de estructura 1s) )s) )p? -s1

entrega su electr$n de la tercera capa

%uedando transformado en "a

y el Cl deestructura 1s) )s) )p? -s) -p/ incorporaese electr$n a su tercera capatransform'ndose en Cl,

Los electrones de am&os iones est'nfirmemente atra4dos por sus respectivosnúcleos.

)-


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1)

;ttp733FFF.educaplus.org3play,,Enlace,i$nico.;tml

)<

-ER%

Enlaces i$nicos La energ4a de atracci$n o de enlace i$nica se

eerce por igual en todas direcciones y por ello sedice %ue es de distri&uci$n esf*rico,sim*trica. Suorden de magnitud est' dado por una e5presi$n

de la forma E 2 O e) 3r en %ue72 7 factor %ue depende de la geometr4a delcristal.O 7 es la valencia de los ionese 7 es la carga electrost'tica del electr$nr 7 es la distancia entre iones

)/


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Enlaces i$nicos Reemplazando los valores se encuentra %ue

la energ4a es del orden de H eV para ionesmonovalentes y mayor para los polivalentes.

Esta energ4a es de magnitud relativamentefuerte dentro de la escala de co;esi$n entres$lidos.

)?

Enlaces i$nicos

Las caracter4sticas seGaladas e5plican laspropiedades de los s$lidos i$nicos. Sons$lidos duros de gran resistencia al cizalle

y a la compresi$n te$ricamente de&ieranser resistente a la tracci$n Son malos conductores del calor y la

electricidad pero a alta temperaturatienen conductividad i$nica.

Su punto de fusi$n %ue es 4ndice de laenerg4a co;esiva es altoA

)


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1<

Enlaces i$nicos En los monovalentes como "aCl "aM "aI

"aPr es del orden de 1.+++ #C. En los &ivalentes como (gK CaK SrK

PrK es del orden de ).+++ #C. En los trivalentes es m's elevado lo %ue

;ace %ue se usen como refractarios yadem's como son muy duros se usanpara descansos o soportes de instrumentosde precisi$n. CREE=!

)H

Enlaces i$nicos

6ay casos m's complicados en %ue est'nimplicadas mol*culas ionizadas comosilicatos car&onatos nitratos sulfatos %ue

dan origen a estructuras en forma decapas y las capas se ligan entre si porfuerzas de van der Faals.

Entre otras sustancias la mia . el talotienen esta configuraci$n y a ello se de&e%ue la mica sea fole'cea y el talco sealu&ricante.

)D


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1/

-+

MICA

-1

TALC/


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Enlaces Covalentes Los enlaces covalentes se producen entre

'tomos de igual o diferente naturaleza yconsiste en %ue dos electrones por enlacesson compartidos entre dos 'tomos vecinos.

El mecanismo del enlace covalente dependefuertemente de la naturaleza ondulatoria delos electrones.

-)

Enlaces Covalentes 2l transferirse dos electrones entre 'tomos se

superponen las nu&es electr$nicas y se originauna nu&e de transici$n %ue en el caso deelectrones con giro opuesto es m's densa y da

lugar a fuerzas de atracci$n en el caso deelectrones con igual giro sucede lo contrario

Estas caracter4sticas se traducen en %ue lasuniones covalentes son direccionales es decirse eercen en direcciones &ien determinadas yno en todas las direcciones como es el caso delas fuerzas i$nicas.

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Enlaces Covalentes Resulta entonces %ue mientras en los

s$lidos i$nicos los iones constituyentespueden asumir cual%uier posici$n relativa yen general se agrupan en la forma m'scompacta posi&le en los s$lidos covalentesla posici$n de los 'tomos est' fiada por ladirecci$n de los enlaces y en general se

producen agrupaciones a&iertas e5ceptoen los casos de distri&uci$n tetra*drica delos enlaces como es el del diamante.

-<

Cuar&o% El uar&o es una estrutura "artiular de ristali&ar eldió0ido de siliio+ Cada 'tomo de Si se enuentra enla&ado on 1 de/ . a su ve& ada / est' unido a dos Si mediante enlaes ovalentes"olares2 #ormando una red de gran n3mero de 'tomos2 4Si/5(+

-/


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Car)ono diamante% En el ar)ono diamante2 los 'tomos dear)ono se unen "ara #ormar un retíulo ristalino dedimensiones in#initas2 en la 6ue ada uno de ellos se une aotros uatro mediante enlaes ovalentes "uros #ormandoestruturas tetra7drias+ Esto e0"lia su elevada dure&a2 su)a8a reatividad2 su nula ondutividad el7tria . su asiin#usi)ilidad+

-?

Car)ono gra#ito% Es otra estrutura ristalina del ar)ono+ Mientras6ue el ar)ono diamante es una red tridimensional2 el gra#ito es unsólido on redes en #orma de a"a+ Contiene agru"aiones de'tomos de ar)ono unidos "or enlaes ovalentes "uros2 dedimensiones in#initas2 "ero en dos direiones+ De los uatroeletrones 6ue tiene ada uno de los 'tomos de ar)ono2 tres seutili&an "ara unirlo on un enlae ovalente "uro a otros tres en unmismo "lano #ormando estruturas he0agonales de seis 'tomos2 .el uarto eletrón est' desloali&ado entre los "lanos tratando deunirlos+ En virtud de esta estrutura2 el ar)ono gra#ito esondutor de la eletriidad . del alor2 aree de la dure&a deldiamante . se e0#olia #'ilmente2 es deir2 se "uede laminar+

-


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Enlaces Covalentes

Los enlaces covalentes son tam&i*nde gran magnitud del orden de H eVpor enlacesA los electrones est'nfuertemente atra4dos por los núcleos.Resultan s$lidos de gran resistencia alcizalle se rompen por liva8e

tienen gran resistencia a lacompresi$n son aisladores el casom's caracter4stico es el diamante.

-H

-D

Rotura "orliva8e


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)+

Enlaces (et'licos En los enlaces met'licos los electrones

e5teriores se li&eran y dean de pertenecera un par de 'tomos determinadosdesplaz'ndose m's &ien li&remente entremuc;os 'tomos.

Esto se de&e a %ue esos electrones est'n&astante m's aleados del núcleo en losmetales %ue en los elementos no met'licosy al recorrer esas amplias $r&itas caen&ao la interacci$n de otros núcleosli&er'ndose del de origen.


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Enlaces (et'licos En consecuencia estos electrones no est'n

asociados permanentemente con ningún'tomo en particular si no %ue se desplazanal azar como si se tratara de un 9gas deelectrones li&res:.

Se puede pensar %ue las fuerzas de ligaz$nse derivan de la acci$n de este gaselectronegativo so&re los restos de los'tomos electropositivos.


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))


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)-


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)<


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)/

/+

Enlaces de Van der Qaals

Nales 'tomos o mol*culas tienen un campoel*ctrico generado por sus cargas %ue esnulo en termino medio y en consecuencia

no interaccionan con el de otros 'tomos. =ero este campo instant'neamente tienevariaciones fluctuantes con el movimientode los electrones en el 'tomo. Cuando seapro5iman dos 'tomos sincronizan estasfluctuaciones en forma %ue se producenfuerzas de atracci$n.de repulsi$n en otroscasos!

/)


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)?

Enlaces de Van der Qaals Los s$lidos moleculares son &landos y

deforma&les son malos conductores del calor yelectricidad tienen punto de fusi$n y e&ullici$n&aos.

En el mismo grupo esta el efecto de los dipolosproducido por la de simetr4a de las cargasel*ctricas del 'tomo o mol*cula cuyaconsecuencia es %ue estas tengan un e5tremo

positivo y otro negativo a los cuales sead;ieren los e5tremos de carga opuesta de'tomos o mol*culas semeantes.

/-

Resumen

Los cuatro tipos de s$lidos mencionadosson los fundamentales. 6ay otros s$lidoscuya fuerza de co;esi$n son de varios de

estos tipos a la vez. Los metales tienen dos divisiones7(etales monoat$micos y aleaciones.

Los cristales covalentes se correspondencon los metales y los i$nicos con lasaleacionesA los metales po&rementeconductores como el &ismuto.

/


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)

Configuraci$n Si consideramos los 'tomos como esferas

del mismo tamaGo una capa de 'tomosasume la m's densa configuraci$n si a unafila determinada de 'tomos en contactoentre s4 siguen una a cada lado en %uecada 'tomo es tangente a dos de laanterior y as4 sucesivamente.

//

Configuraci$n Siempre en &usca de la configuraci$n m's

densa a esta primera capa se le superponeotra igual situada de manera %ue cada 'tomode esta sea tangente a - de la primera.

En la tercera capa ;ay dos posi&ilidades %ueconducen a configuraciones m's densaA una%ue se repite la posici$n de la primera y as4 segenera la estructura ;e5agonal completaA otraen %ue la -era. est* desplazada con respecto ala 1era a la única otra posici$n de contactotripleA esto da origen a la estructura cú&ica decaras centradas.

/?


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)H

Configuraci$n Los enlaes iónios dan lugar a

estructuras diversas. Estos enlaces sonsim*tricos al igual %ue los met'licos y talcondici$n favorece la formaci$n deestructuras compactas.

Sin em&argo como se trata de elementosde distinta naturale&a y en consecuenciade tamaGos diferentes las configuraciones%ue se producen est'n determinadas por larelaci$n entre los tamaGos.

/

N9MER/ DE C//RDINACI:N

Se llama número de coordinaci$n el número de'tomos %ue rodea a un 'tomo determinado enel caso de la mayor4a de los metales el númerode coordinaci$n es 1) %ue corresponde a

'tomos de igual tamaGo. Los iones se sitúan en las posiciones m's

pr$5imas posi&les es decir ;asta entrar encontacto la posici$n l4mite para undeterminado "# de coordinaci$n es a%uella en%ue todos los cationes %ue rodean a un ani$nson tangentes a este.

/H


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)D

"úmero de coordinaci$n En estos t*rminos el pro&lema es de ar'ter

geom7trio y consiste en determinar el radior de la esfera %ue es internamente tangente aun número dada de esfera de radio R.

=ara - esferas se encuentra r +1//R Es decir %ue a partir de una raz$n +1// entre

radios pueden producirse ordenaciones en %ue

cada i$n positivo est' rodeado de tres ionesnegativosA para razones menores lacoordinaci$n es ).

/D

"úmero de coordinaci$n

Si la raz$n aumenta se llega a un valor en%ue es posi&le %ue el i$n positivo seatangente simult'neamente a cuatro iones

negativos dispuestos según los v*rtices deun tetraedro regular la raz$n en este casoes +))/ para una raz$n +


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"úmero de coordinaci$n N; oordinaión r

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