SEPARATA N 02 ESTRUCTURA DE LOS MATERIALES E IMPORTANCIA TECNOLGICA DE APOYO CURSO DE METALURGIA FSICA I FECHAINDICE DE CONTENIDOSESTRUCTURA ATMICA2.1INTRODUCCIN2.2CONCEPTOS FUNDAMENTALES2.3LOS ELECTRONES EN LOS TOMOSDESARROLLOESTRUCTURA ATMICA2.1INTRODUCCINLas propiedades ms importantes de los materiales slidos dependen de la disposicin geomtrica de los tomos y la interaccin existente entre los tomos y las molculas constituyentes.En esta clase desarrollaremos conceptos fundamentales tales como estructura atmica, configuracin electrnica, tabla peridica y varios tipos de enlaces primarios y secundarios que mantienen unidos a los tomos que forman los materiales slidos.

2.2CONCEPTOS FUNDAMENTALESLos tomos constan de ncleos muy pequeos que, a su vez, estn compuestos de protones y neutrones. Este conjunto est rodeado de electrones en movimiento. Tanto los electrones como los protones estn elctricamente cargados. El valor de esta carga es del orden de 1,60 x 10-19 C, de signo negativo para el caso de los electrones y positivo para los protones. Los neutrones son elctricamente neutros. Las masas de estas partculas subatmicas son infinitamente pequeas; protones y neutrones tienen aproximadamente la misma masa, 1,67 x 10-27 kg, que es significativamente mayor que la de un electrn, 9,11 x 10-31 kg.Cada elemento qumico se caracteriza por el nmero de protones del ncleo o nmero atmico (Z).1 Para un tomo elctricamente neutro, el nmero atmico coincide con el nmero de electrones. Los valores del nmero atmico, para los elementos que se encuentran en la naturaleza, van desde 1 para el hidrgeno a 94 para el plutonio.La masa atmica (A) de un tomo especfico se puede expresar como la suma de las masas de los protones y los neutrones del ncleo. Aunque el nmero de protones es igual en todos los tomos de un mismo elemento, el nmero de neutrones puede variar. As, los tomos de un mismo elemento que tienen dos o ms masas atmicas se denominan istopos. El peso atmico corresponde al peso ponderado de las masas atmicas de los istopos, de acuerdo a la abundancia relativa de cada istopo en la naturaleza. Para calcular el peso atmico se utiliza el concepto de unidad de masa atmica (uma). Se ha establecido una escala, donde 1 uma se define como 1/12 de la masa atmica del istopo ms corriente y abundante del carbono, el carbono 12 ( 12C) ( A = 12,00000). De acuerdo con esta escala las masas del protn y del neutrn son algo mayores que la unidad, y A Z + NEl peso atmico de un elemento o el peso molecular de un compuesto se pueden expresar en uma por tomo (molcula) o en masa por mol de materia. En un mol de una substancia hay 6,023 x 1023 (nmero de Avogadro) tomos o molculas. Estas dos formas de expresar los pesos atmicos estn relacionadas segn la siguiente ecuacin:Ejemplo, el peso atmico del hierro es 55,85 uma/tomo, o 55,85 g/mol. A veces se utiliza uma por tomo o molcula; en otras ocasiones se prefiere g (o kg)/mol.

2.3LOS ELECTRONES EN LOS TOMOS2.3.1MODELO ATMICO DE BOHR: Para explicar el comportamiento de entidades atmicas y subatmicas, se aplican principios y leyes conocido como mecnica cuntica. La comprensin del comportamiento de los electrones en tomos y slidos cristalinos implica necesariamente la discusin de conceptos de la mecnica cuntica. La consecuencia de la mecnica cuntica fue el modelo atmico de Bohr. Aqu se supone que los e- giran alrededor del ncleo atmico en orbitales discretos, y la posicin de un electrn particular se define, con mayor o menor precisin, en trminos de su orbital. Este modelo atmico est representado en la Figura 2.1.Electrn orbital FIG.2.1 REPRESENTACIN ESQUEMTICA DEL TOMO DE B0HR (Diagrama del modelo atmico de Bohr)

El principio de la mecnica cuntica estipula que las energas de los electrones estn cuantizadas; quiere decir, que los e- slo pueden tener valores especficos de energa. Un electrn puede cambiar de energa, pero al hacerlo deber realizar un salto cuntico a valores de energa permitidos, bien superiores (con absorcin de energa), o bien inferiores (con emisin de energa). Estas energas permitidas al electrn estn asociadas con niveles o estados energticos. Estos estados no varan continuamente con la energa, sino que los estados contiguos estn separados por valores finitos de energa.

FIGURA 2.3 COMPARACIN DE LOS MODELOS ATMICOS SEGN BOHR (a) Y SEGN LA MECNICA ONDULATORIA (b) EN FUNCIN DE LA DISTRIBUCIN ELECTRNICA.2.3.2 MODELO ATMICO DE LA MECNICA ONDULATORIAEl modelo atmico de Bohr presentaba algunas limitaciones significativas porque no poda explicar varios fenmenos relacionados con los electrones. A estas deficiencias apareci con el desarrollo de la mecnica ondulatoria (una subdivisin de la mecnica cuntica) y un modelo ms adecuado del tomo. El modelo de la mecnica ondulatoria, considera que el electrn presenta la dualidad onda-corpsculo, y el movimiento de un electrn se describe mediante los principios matemticos que rigen el movimiento de las ondas.Una consecuencia importante de la mecnica ondulatoria es que los electrones no son tratados como partculas que se mueven en orbitales discretos, sino que la posicin de un electrn se considera como la probabilidad de encontrarlo en una zona alrededor del ncleo. Entonces, la posicin se describe como una distribucin de probabilidades o nube electrnica.La Fig. 2.3 compara el modelo de Bohr con el de la mecnica ondulatoria referida al tomo de hidrgeno. Ambos modelos se utilizan; la eleccin depende del modelo que simplifique ms la explicacin.

2.3.3 NMEROS CUNTICOSSon aquellos que asignan e- a los niveles de E. en un tomo y son 4.1. N. C. PRINCIPAL (n): Se le asigna valores enteros 1, 2, 3, 4, 5,. Indican la capa cuntica, nivel de energa a la que pertenece el e- 2. N. C. SECUNDARIO (l) azimutal. Este contiene subniveles.subnivelesl

Sharps0

Principalp1

Difusad2

Fundamentalf3

l = 0, 1, 2, 3. (n-1)Ejemplo:n = 5 l = 0, 1, 2, 3, 4n = 2l = 0, 1n = 6l = 0, 1, 2,.. 5Ejemplo:5f =n = 5l = 33. N. C. MAGNTICO (ml). Describe el nmero de niveles de energa u orbitales para cada nmero cuntico azimutal. La cantidad total de nmeros cunticos magnticos para cada l es 2l + 1 a los valores de ml se les asignan nmeros enteros entre -1 y +1 Ejemplo: Para l = 2 Hay 2(2) + 1 = 5 nmeros cunticos magnticos cuyos valores son -2, -1, 0, +1, +2.4. N. C. DE GIRO O ESPIN (ms). Tiene los valores asignados +1/2 y -1/2 y refleja distintos giros del e-.El principio de exclusin de Pauli indica que en un orbital no puede estar presentes ms de dos e- con giros electrnicos opuestos.La fig. 5 Muestra los nmeros cunticos y los niveles de energa de cada e- en un tomo de sodio.

fig. 5. Estructura atmica del sodio, N atmico 11. Muestra los electrones en las capas cunticas K, L y M.Conjunto completo de nmeros cunticos de cada uno de los 11 e- de Sodio.

La energa en los orbitales depende de los nmeros cunticos n, l y aumenta a medida que aumenta la suma de estos (n +1). Cuando a dos orbitales les corresponde el mismo valor de esta suma el orbital que tiene menor energa es que tiene un valor de n ms pequeo.Para recordar este orden con ms facilidad se puede seguir la regla representada en la siguiente tabla, en la que las flechas indican los orbitales en orden creciente de energas.

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

6s 6p 6d

7s

La notacin abreviada que frecuentemente se usa para indicar la estructura electrnica de un tomo combina el valor numrico del nmero cuntico principal, la notacin en minsculas para el nmero cuntico azimutal y un superndice que indica el la cantidad de e- en cada orbital. Ejemplo: Para el Ge, N at.= 32 El llenado es de menor a mayor E.1s22s22p63s23p63d104s24p2Ejemplo: N cuntico para los e- de la ltima capa del elemento Z20 N at. 20 20 e-1s22s22p63s23p64s2La ltima capa es 4s2 n = 4l = 0ml = 0 porque l < ml < +lms = +1/2 y -1/2Entonces combinacin de la ltima capa nlmlms

400-1/2

400+1/2

Cul es el ltimo orbital? 38Sr38e-1s22s22p63s23p64s23d104p65s2 entonces el ltimo orbital es 5s2

TABLA: PAUTA PARA ASIGNAR ELECTRONES A NIVELES DE ENERGA

l = 0(s)l = 1(p)l = 2(d)l = 3(f)l = 2(g)l = 5(h)

n = 1 (K)2

n = 2 (L)26

n = 3 (M)2610

n = 4 (N)261014

n = 5 (O)26101418

n = 6 (P)2610141822

Nota: 2,6,10,14,.., indica la cantidad de electrones en el nivel de energa.

DESVIACIONES DE LAS ESTRUCTURAS ELECTRNICAS ESPERADAS. No siempre se sigue la construccin ordenada de la estructura electrnica, en especial cuando el nmero atmico es grande y se comienzan a llenar los niveles d y f. Por ejemplo cabra esperar que la estructura electrnica del hierro, de nmero atmico 26, fuera: 1s22s22p63s23p6..3d8 pero la estructura es 1s22s22p63s23p6 (3d64s2) el nivel 3d que queda sin llenar es el que causa el comportamiento magntico del hierro.

2.3.4CONFIGURACIONES ELECTRNICASEn la discusin precedente hemos hablado bsicamente de los estados electrnicos: los valores de energa permitidos para los electrones. Para determinar cmo se llenan estos estados con electrones se utiliza el principio de exclusin de Pauli, otro concepto mecnico-cuntico. Este principio establece que cada estado electrnico slo puede estar ocupado por dos electrones que deben tener espines opuestos. As, los subniveles s, p, d y f pueden acomodar un total de 2, 6, 10 y 14 electrones, respectivamente. La Tabla 2.1 indica el nmero mximo de electrones que puede ocupar cada uno de los cuatro primeros niveles.

ILUSTRACIN PARA LOS NIVELES Y SUBNIVELES DE ENERGA ELECTRNICA EN EL TOMO

Figura 2.4Representacin esquemtica de las energas relativas de los electrones para varios niveles y subniveles.No obstante, no todos los estados posibles de un tomo estn llenos de electrones. En la mayora de los tomos los electrones llenan los estados de menor energa de los niveles y subniveles electrnicos: dos electrones con espines opuestos por estado. La estructura energtica del tomo de sodio est esquematizada en la Figura 2.5. Cuando todos los electrones ocupan las energas ms bajas de todas las posibles y de acuerdo con las anteriores restricciones, se dice que el tomo se encuentra en su estado fundamental. Pero son posibles las transiciones del electrn a estados energticos superiores. La configuracin electrnica o estructura de un tomo representa el modo como se van ocupando estos estados. En la notacin convencional, el nmero de electrones de cada subnivel se indica mediante un superndice despus del nivel o sub-nivel designado. Por ejemplo, las configuraciones electrnicas de los tomos hidrgeno, helio y sodio son 1s1, 1s2 y 1s2 2s2 2p2 3s1, respectivamente.En la Tabla 2.2 se dan las configuraciones electrnicas de algunos de los elementos ms corrientes. Conviene hacer algunas consideraciones sobre las configuraciones electrnicas. Primero, los electrones de valencia ocupan los niveles ms externos. Estos electrones son extraordinariamente importantes, puesto que participan en el enlace entre tomos de los agregados atmicos y moleculares. Adems, muchas de las propiedades fsicas y qumicas de los slidos tienen su explicacin en los electrones de valencia.Algunos tomos que tienen la denominada "configuracin electrnica estable" presentan los estados de los niveles ms externos o de los electrones de valencia completamente llenos. Normalmente, esto corresponde a la ocupacin de los estados s y p de los niveles ms externos por ocho electrones, como en el nen, argn y criptn; el helio es una excepcin ya que slo contiene dos electrones ( ls). Estos elementos (Ne, Ar, Kr y He) son gases inertes o nobles, potencialmente no reactivos. Algunos tomos de los elementos que tienen niveles de valencia no llenos adquieren la configuracin electrnica estable ionizndose, ganando o perdiendo electrones o compartiendo electrones con otros tomos. Este es el fundamento de algunas reacciones qumicas y del enlace atmico de los slidos.