ENLACE ATOMICOLa estructura de los materiales se clasifica en cinco niveles: - Macroestructura (> 1000 nm) - Microestructura (10 1000 nm) - Nanoestructura (1 100 nm) - Arreglos atmicos de corto y largo alcance - Estructura atmica

Estructura atmica y enlacesPropiedades. Disposicin geomtrica de los tomos : Cristalinos y amorfos

Interacciones entre tomo y molcula.

SiO2amorfo o vidrioSiO2cristalino o cuarzo

Estructura atmica: Propiedades fsicas: Conductividad elctrica, propiedades magnticas, caractersticas trmicas y elsticas.Interacciones entre tomos y molculas: Enlace qumico Un tomo es estable cuando su ltima capa est completa. Va intentar buscar una configuracin en la que disponga de ocho electrones en su ltima capa al igual que un gas noble n s 2 p 6 ( REGLA DEL OCTETO) Para lograrlo se van a unir con otros formando molculas. El sistema es estable cuando la energa es mnima.

La naturaleza del enlace est determinado siempre por las fuerzas electrostticas.

ENLACE ATOMICOTIPOS DE ENLACEPara lograr estabilidad:

Interacciones entre tomos y molculas: Fuerza entre los tomos que los mantiene unidos en las molculas.

Cuando dos o ms tomos se acercan lo suficiente, puede producirse una fuerza de atraccin entre los electrones de los tomos individuales y el ncleo de otro u otros tomos. de la atraccin simultnea de uno o ms electrones por ms de un ncleo.

Enlaces atmicosExisten cuatro mecanismos importantes mediante los cuales los tomos se enlazan o unen en is materiales:Enlaces Primarios: Enlace metlico. Enlace covalente. Enlace inico.

Enlace Secundario:

Enlace de Van der Waals.Laspropiedades de las sustancias dependen en gran medida de la naturaleza de los enlacesque unen sus tomosA.- Enlace Metlico: Liberar Electrones

Los electrones se mueven libremente sin estar ligados a un ncleo; propio de uniones entre metales.

Para formar el enlace metlico, los tomos pierden los electrones de su ltima capa, que forman la nube electrnica, donde se empaquetan los iones positivos resultantes.

Cada tomo de metal contribuye con sus electrones de valencia para formar una nube electrnica negativa. Estos electrones no estn asociados con un in particular, sino que se mueven libremente entre los iones metlicos positivos.

Enlace metlico: los tomos ceden sus electrones de valencia, los cuales forman un mar de electronesCuando se aplica voltaje a un metal, los electrones se mueven con facilidad y conducen la corriente.

La mayora de los metales pueden ser deformados considerablemente sin fracturas debido a que los tomos de metal se pueden deslizar unos sobre los otros sin distorsionar completamente la estructura de enlace metlico

Caractersticas de los materiales con enlace metlico A excepcin del mercurio, los metales puros son slidos a temperatura ambiente. No obstante, sus puntos de fusin y de ebullicin son muy variables, aunque generalmente altos. Buenos conductores (electricidad y calor). La conductividad elctrica disminuye con la temperatura. Brillo caracterstico. Dctiles y maleables (enlace metlico es no direccional) Presentan "efecto fotoelctrico (cuando son sometidos a una radiacin de determinada energa, emiten electrones). Se disolver unos en otros formando disoluciones que reciben el nombre dealeaciones.Tienen densidades altas.B.- Enlace Covalente u homopolar: Compartir electrones. Uniones entre no metales y propio de las molculas gaseosas; electronegatividades prximas.

Los materiales ligados de esta forma comparten entre dos o ms de sus tomos. Por ejemplo, un tomo de silicio, que tiene valencia 4, acepta ocho electrones en su capa externa cuando comparte sus electrones con otros cuatro tomos vecinos, ver figura. El fuerte enlace se debe a la atraccin que efectan los ncleos positivos sobre los electrones compartidos. El enlace covalente es tpico de la mayora de molculas de gas.El silicio, con valencia 4, se formaran cuatro uniones o enlaces covalentes.

Caractersticas de los compuestos unidos por enlaces covalentes: Poco solubles (en cualquier tipo de disolvente). Sustancias polares disuelven a sustancias a sustancias polares y sustancias no polares disuelven a sustancias no polares.

Duros. Malos conductores de la electricidad y del calor Los materiales formados por enlaces covalentes son frgiles y se comportan como aislantes elctricos.

Muchos materiales cermicos y polmeros estn completamente o parcialmente unidos por enlaces covalentes.C.- Enlace Inico: Transferir electrones. Propio de uniones entre metales y no metales; uniones de tomos con electronegatividad y energa de ionizacin muy diferente.

Ejemplo: un elemento el sodio, con un electrn en exceso, lo perder fcilmente de un modo que tenga llena la capa externa. Entonces tendr ms protones que electrones y se convertir en un in positivo (catin) con una carga +. Por otra parte, un tomo de cloro que tiene siete electrones en su capa exterior, aceptara un electrn. Cuando lo haga, tendr un electrn ms que protones y se convertir en un in negativo ( anin). Los iones cargados opuestos se atraen entres si produciendo la unin inica.

Enlace inico entre dos tomos con diferentes electronegatividades.

Caractersticas de los compuestos unidos por enlaces ionicos: A temperatura ambiente son slidos en forma de cristales

Tienen puntos de fusin y de ebullicin altos (solido cristalino) Y bajos puntos cuando no son slidos. Son duros (solidos) y frgiles. Frgiles. Esto es debido a que un golpe puede originar un desplazamiento de los planos de los iones y, al dejar enfrentados iones de igual signo, dara lugar a una fractura en el cristal por fuerzas repulsivas electrostticas. Son solubles en agua (disolventes polares ) , insolubles cuando es slido como el diamante, grafito, slice. Se disuelven en disolventes polares, porque los dipolos de estos disolventes rodean a los iones de la red cristalina y los van "arrancando" de la red.

En estado slido no conducen la corriente elctrica, pero si son conductores en estado liquido.Si lo hacen en disolucin o fundidos

Los materiales unidos inicamente se comportan como frgiles, su conductividad elctrica es baja ya que la carga elctrica puede ser transferida por el movimiento de iones enteros, los que no se desplazan tan fcilmente como los electrones.

Enlace fuerte (puntos de fusinaltos).

Los cristales inicos son duros, y se resisten bastante a ser rayados.

D.- Enlace Van der Waals: Compartir electrones. Fuerzas de Van der Waals: Son de dos tipos:Dipolo Dipolo: Se presentan entre molculas polares producto de la atraccin entre cargas de signo opuesto.Induccin: Pueden a aparecer de forma coyuntural entre molculas no polares al formarse dipolos instantneos producto del movimiento continuo de los electrones .

Las uniones o enlaces de Van del Waals logan molculas o grupos de tomos mediante atracciones electrostticas dbiles. Muchos plsticos, cermicos, el agua y otras molculas estn instantneamente o permanentemente polarizadas; esto es, algunas porciones de la molcula tienden a estar con carga positiva, mientras otras porciones estn cargadas negativamente. La atraccin electrosttica entre las regiones positivas de una molcula y las regiones negativas de una segunda molcula unen dbilmente s las dos.

Enlace de Van der Waals se forma debido a la polarizacin de molculas o grupos de tomos.

En el PVC (cloruro de polivinilo) las cadenas estn unidas por enlaces de van der Waals, los tomos de cloro unidos a la cadena polimerice tienen carga negativa, y los tomos de hidrogeno estn cargados positivamente. Dentro de cada cadena la unin es covalente.

El enlace atmico, es en esencia, un proceso electrnico. Se pueden formar enlaces fuertes (primarios) cuando los orbitales externos se trasfieren (enlace inico) o comparten electrones entre tomos (enlace covalente). Los enlaces secundarios, ms dbiles son el resultado de una atraccin menos fuerte entre las cargas positivas y negativas, sin transferencia o distribucin compartida de electrones.

TIPO DE SLIDOMETLICONaINICONaClMOLECULARH2OCOVALENTE MACROMOLECULARSiO2

PARTCULAS ENNODOS DE LA REDRESTOS ATMICOS(NCLEOS+CORTEZAELECTRNICA INTERNA) RODEADOSDE UNA NUBE ELECTRNICAANIONES Y CATIONESMOLCULAS OTOMOS INDIVIDUALES (GASESNOBLES)TOMOS

FUERZAS DE UNINENTRE PARTCULASENLACE METLICO(ORBITALES MOLECULARES DESLOCALIZADOS)ELECTROSTTICASFUERZAS DE VAN DER WAALS Y/O PUENTES DE HIDRGENOENLACE COVALENTE

PROPIEDADESSLIDOS DE BLANDOS A DUROSCONDUCTORES DE LA ELECTRICIDAD Y EL CALORPUNTO DE FUSIN VARIABLE, AUNQUE ALTO EN GENERALSLIDOS DUROSQUEBRADIZOSMALOS CONDUCTORES EN SLIDO, CONDUCTORES DE LA ELECTRICIDAD FUNDIDOS O EN DISOLUCINPUNTOS DE FUSIN ALTOSSLIDOS BLANDOSMALOS CONDUCTORESPUNTOS DE FUSIN BAJOS EN GENERAL: UNA GRAN PARTE SON LQUIDOS O GASES EN CONDICIONES NORMALESSLIDOS MUY DUROSMALOS CONDUCTORES, EN GENERALPUNTOS DE FUSIN ALTOS

Propiedades fsicas y estructurales de los materiales asociados con el tipo de enlace atmico.PropiedadesEnlace inicoEnlace covalenteEnlace metlicoEnlace de Van der Waals

EstructuralesNo direccional, determina estructuras de alta coordinacinEspecialmente dirigido y numricamente limitado, determina estructuras de baja coordinacin y baja densidadNo direccional, determina estructuras de alta coordinacin y alta densidadAnlogo al metlico

MecnicasResistente, cristales de gran durezaResistentes y de gran dureza, poca ductilidadResistencia variable, presentan por lo general plasticidadBaja resistencia, cristales blandos

TrmicasMedianamente alto punto de fusin, bajo coeficiente de expansin, iones al estado lquidoAlto punto de fusin, baja expansin trmica, molculas al estado lquidoPunto de fusin variable, gran intervalo de temperaturas al estado lquidoBajo punto de fusin, alto coeficiente de expansin

ElctricasAisladores moderados, conduccin por transporte inico en el estado lquido. Aisladores en el estado slido y lquidoConductores por transporte electrnicoAisladores

pticas y magnticasAbsorcin y otras propiedades son caractersticas de los iones individuales Alto ndice de refraccin, absorcin totalmente diferente en soluciones y/o gases Buenos reflectores de la radiacin visiblePropiedades caractersticas de las molculas individuales

LOS METALES Y SU ESTRUCTURA CRISTALINAArreglo Atmico.-

El arreglo tomo y de los iones desempean un papel importante en la determinacin de la microestructura y de las propiedades de un material.

En los distintos estados de la materia se pueden encontrar tres clases de arreglos atmicos: Sin orden Orden de corto alcance Orden de largo alcance

El arreglo atmico difiere de un material a otro en forma y dimensin, dependiendo del tamao de los tomos y del tipo de enlace entre ellos.

En el caso de los metales, cuando estos estn en estado slido, sus tomos se alinean de manera regular en forma de mallas tridimensionales. Estas mallas pueden ser identificadas fcilmente por sus propiedades qumicas, fsicas o por medio de los rayos X.MicroestructuraSlidosOrden de largo alcance (cristal): al solidificar el material, los tomos se sitan segn un patrn tridimensional repetitivo, en el cual cada tomo est enlazado con su vecino ms prximo ( > 100 nm).Sin orden (amorfo): carecen de un ordenamiento atmico sistemtico y regular a distancias atmicas relativamente grandes. A.- Caractersticas de los metales cristalinos.Estructura Cristalina:En un material cristalino los tomos se sitan en una disposicin repetitiva o peridica a lo largo de muchas distancias atmicas; es decir, existe un orden de largo alcance talque, al solidificar el material, los tomos se sitan segn un patrn tridimensional repetitivo. Los tomos oscilan alrededor de puntos fijos y estn en equilibrio dinmico ms que fijo estticamente. La red alrededor de lneas imaginarias que conecta los tomos se llama Red espacial, en tanto que la unidad ms pequea que tiene la simetra total de cristal se llama celda unitaria, como muestra la figura.

Estructura cristalina cbica de cara centrada: (a) representacin de la celda unidad mediante esferas rgida(b) celda unidad representada mediante esferas reducidas

Representacin de la red y de la celda unitaria del sistema cbico centrado en el cuerpo

Todos los metales, muchos materiales cermicos y ciertos polmeros, poseen estructura cristalina.

La estructura de un material se refiere al tamao, forma y ordenamiento atmico dentro de la red espacial.

El vidrio comn de ventana es amorfo (solido no cristalino), debido a que carece por completo de un orden atmico.

El anlisis de una red espacial se realiza estudiando su celda unitaria, y no toda la red.

B.-Parmetros Reticulares.-Lo parmetros reticulares describen el tamao y la forma de la celda unitaria, y son las orillas o bordes de la celda unitaria a, b, c y los ngulos (entre b y c), (entre a y c), ( entre a y b), ver figura.

Celda unitaria mostrando los parmetros reticulares.C.-Sistemas Cristalinos.En funcin de los parmetros de la celda unitaria: longitudes de sus lados y ngulos que forman, se distinguen 7 sistemas cristalinos que definen la forma geomtrica de la red:

Hay catorce tipos posibles de redes espaciales (celdas unitarias), y pueden clasificarse en siete sistemas ver tabla.

En un sistema cristalino cubico solo la longitud de un lado del cubo es necesaria para describir completamente la celda ( los ngulos son de 90). Esta longitud medida a temperatura ambiente es el parmetro de red ao.

Las unidades de la longitud se expresan en nanmetros (nm) o en angstrom (A) donde:

1 nanmetro (nm) = 10-9 m = 10-7 cm = 10 A1 angstrom (A) =0.1 nm = 10-10m = 10-8 cm

Catorce tipos de redes espaciales

Estructura cristalinaElemento

Hexagonal compactaBe, Cd, Co, Mg, Ti, Zn

Cbica compactaAg, Al, Au, Ca, Cu, Ni, Pb, Pt

Cbica centrada en el cuerpoBa, Cr, Fe, W, alcalinos

Cbica-primitivaPo

Estructuras cristalinas de elementos metlicos a 25C y 1atm

La mayora de los metales importantes cristalizan en los sistemas cbicos o en los hexagonales, y solo tres tipos de redes se encuentran comnmente: CCCu o BCC ( cbica centrada en el cuerpo), CCCa o FCC ( Cubica centrada en las caras) como aprecia en la figura y CS Cubico simple.

a) Cbico simple ( CS) b) Cbico centrado en el c) Cbico centrado el

cuerpo ( CCCu) o BCC las caras (CCCa) o FCC

D.-Polimorfismo y Alotropa.-Algunos materiales pueden tener ms de una estructura cristalina en el estado slido, este es un fenmeno conocido como polimorfismo. Si este fenmeno es reversible se denomina alotropa. El principal ejemplo de un metal alotrpico es el hierro, quien a temperatura del ambiente es CCCu ( Fe ), y cuando el fierro se calienta a 910 C su estructura cristalina cambia a CCCa y se denomina Fe- , a 1410 C vuelve a ser CCCu ( Fe-). El titanio es otro metal alotrpico y, puede existir en dos tipos d estructura cristalina (en el estado slido), a baja temperatura es (Ti-) y presenta una red HC ( hexagonal con empaquetamiento compacto) ( ao=2,9 A y Co = 4,67 A a 20 C) y a alta temperatura es , (Ti-), de red cbica centrada en el cuerpo / ao = 3,31 A a 900 C). la temperatura de transicin es igual a 882 C,ver figura.Cambio alotrpico que presenta el titanio.

Un material polimrfico es el carbono, que puede cristalizar en forma de diamante (cbico de diamante) y de grafito (hexagonal). E.- Numero de tomos por celda unitaria.-Es el nmero de tomos que se encuentran localizados en el interior de la celda unitaria. En la celda Cs, se tiene 8 tomos (uno en cada esquina) de los cuales 1/8 estn localizados en el interior de la celda unitaria (cada uno de los tomos es compartido por ocho celdas unitarias adyacentes):

(Nmero de tomos / celda) = (1/8) X 8 = 1En la CCCu, hay 1/8 de tomo en las esquinas del cubo y uno en el centro de la celda fig.(Nmero de tomos / celda) = ((1/8) X 8 ) + 1 = 2

En la CCCa, hay 1/8 en las esquinas y en cada una de las caras (en total 6 caras):

(Nmero de tomos / celda) = ((1/8) X 8 ) + ( (1/2)X 6) = 4

Celda Unitaria FCC- Red Espacial CCCa (FCC)Celda Unitaria BCC Red Espacial CCCu (BCC)

F.- Radio atmico (ra) en funcin del parmetro de red (ao).-Para determinar el ra se debe localizar en la celda unitaria a lo largo de la cual los tomos hacen contacto continuo (ver figura). Estas son las direcciones ms compactas. Determinando geomtricamente la longitud de la direccin relativa a los parmetros de la red (ao), y sumando los nmeros de los radios atmicos a lo largo de esta direccin, podemos encontrar la relacin deseada.

En la figura a, se aprecia que existe la siguiente relacin en la red CCCa: 2 ao =ra

Y en la red CCCu la relacin es : 3 ao = 4ra

Cbico Simple ( CS)Cbico Centrado en elCuerpo

CCCu - BCCCubico Centrado en las caras

CCCa - FCC

Radio atmico en funcin de la Red.G.- Numero de coordinacin (NC)Es el nmero de tomos que se encuentran en contacto con un tomo en particular, o el nmero de tomos vecinos ms cercanos y es una medida de la eficiencia del empaquetamiento. En la red CCCu, si se toma tomo central se visualiza que est en contacto con 4 tomos en la parte superior y otros 4 en la parte inferior, por lo tanto, es tocado por 8 tomos en total, por ello su NC es de 8. Cualquier tomo en la celda CCCu ser tocado por 8 tomos. El NC en la red CS es 6 y en CCCa es de 12.Tabla: Caractersticas de las celda CS, CCCu, CCCa

Estructuratomos/celdaao=f(ra)Nmero decoordinacinFactor deempaqueta-mientoEjemplos

Cbica simple (CS)1ao = 2ra60,52Po

Cbica centrada en el cuerpo (CCCu - BCC)2ao = 4ra/380,68Fe, Ti, W, Mo, Nb, Ta, K, Na, V, Cr, Zr

Cbica centrada en las caras (CCCa -FCC)4ao = 4ra/2120,74Fe, Cu, Al, Au, Ag, Pb, Ni, Pt

Hexagonal compacta (HC)2ao = 2ra c/a = 1,633 a120,74Ti, Mg, Zn, Be, Co, Zr, Cd

H.-Factor de empaquetamiento (FE).El factor de empaquetamiento o de acomodamiento es la fraccin de espacio dentro de la celda unitaria ocupada por los tomos, suponiendo que sean slidas. El FE se calcula mediante la siguiente formula:

La FE en la red CCCu se determina de la siguiente manera :(Nmero de tomos / celda)=2; volumen del tomo= (4/3) (ra)^3 Volumen de celda = (ao) ^3= ((4ra/3) ^3

Reemplazado se calcular su factor de empaquetamiento: FE = ( (3)/8 )=0.68Los metales, el FE de 0.74 para la estructura CCCa corresponde al acomodamiento ms eficiente posible (mayor densidad). Las celdas CCCu tienen FE de 0.68 y las celdas CS, un FE de 0.52.I.-Densidad Terica ( ).Se puede calcular la densidad terica de un metal aplicando las propiedades de la estructura cristalina, de acuerdo a la siguiente frmula:

Conceptos importantes:

Anin: Ion con carga negativa producido cuando un tomo, por lo general no metlico, acepta uno o ms electrones.

Catin: Ion con carga positiva producido cuando un tomo, normalmente un metal, cede sus electrones de valencia.

Electrones de valencia: Los electrones en las capas no llenas se conocen como electrones de valencia y causan, en gran medida el comportamiento qumico de los elementos.

Valencia: Numero de los electrones en un tomo que participan en un enlace o en las reacciones qumicas. Normalmente, la valencia es el nmero de electrones en el nivel de energa externo.

La estructura electrnica de los tomos es relativamente estable cuando las capas externas contienen ocho electrones o dos en el caso de la primera capa.

Electronegatividad: tendencia relativa de un tomo de aceptar un electrn y convertirse en un anin.

Molcula polarizada: Molcula cuya estructura origina que porciones de ella tengan una carga negativa, mientras que otras presentan carga positiva, lo que origina la atraccin electrosttica intermolecular.Amstrong : 1,0000 10-10 m.Se llama Angstrom, y es una unidad de medida equivalente a la diez mil millonsima parte del metro, 0.000,000,000,1 metros, cuyo smbolo es Nmero de Avogadro: Un tomo-gramo de cualquier elemento o una molcula-gramo de cualquier sustancia contiene igual nmero de tomos o molculas, respectivamente, siendo precisamente ese nmero el factor N. El valor de N, determinado experimentalmente, es de N = 6,023 x 10 23 tomos / g * mol y es lo que se conoce como nmero de Avogadro:

Nota: Los materiales metlicos se caracterizan por tener enlaces metlicos, los cermicos tienen enlaces inicos o covalentes o ambos, los polmeros presentan como enlace primario enlaces covalentes y como enlace secundario los enlaces de Van der Waals.

POSICION, DIRECCIONES Y PLANOS CRISTALOGRAFICOSA.- POSICION CRISTALOGRAFICALa posicin de un tomo se describe haciendo referencia a los ejes de la celda unitaria y a las dimensiones de la celda. En la Fig. se muestran las coordenadas de algunos tomos en la celda enunciando las tres distancias, separadas por comas.

Posiciones cristalogrficas

B.- DIRECCION CRISTALOGRAFICACiertas direcciones en la celda unitaria, son de particular importancia y son aquellas que pasan por el centro de los tomos (direcciones cristalogrficas). Los metales se deforman, por ejemplo, en las direcciones a lo largo de las cuales los tomos estn en contacto ms estrecho. Para denotar una direccin cristalogrfica se emplean los ndices de Miller.

Direcciones cristalogrficas

El procedimiento para obtener los ndices de Miller para las direcciones es como sigue:

a) Se determinan las coordenadas de dos posiciones que estn en esa direccin.

b) Se restan las coordenadas del punto delantero de las del punto trasero para obtener el nmero de parmetros de red medidos en la direccin de cada eje del sistema de coordenadas.

c) Se eliminan las fracciones y/o se reducen los resultados obtenidos de las restas, a los enteros mnimos.

d) Se enuncian los nmeros entre corchetes | |. Si se obtiene un nmero negativo, se representa con una barra sobre el nmero. La direccin encontrada representara direcciones paralelas, como se precia en la fig.Otra forma de especificar una direccin cristalogrfica dentro de una celda unitaria, es trasladando una direccin paralela y cuya base empiece en el origen.Ciertos grupos de direcciones son equivalentes, sus ndices dependen de la forma en que se establecieron los ejes de coordenadas. Por ejemplo, una direccin |100| es una direccin | 010 | si redefinimos el sistema coordenado. L Para determinar los ndices de Miller del plano A mostrado en le fig.

a) Seleccionamos el plano B, que es paralelo al plano A.

b) Las intersecciones con los ejes son: X=1 ; y= ; z= c) Los inversos: X=1 ; y= 1/ ; z= 1/ = 0d) El plano A (y B) es el: (100)Los grupos de direcciones equivalentes se denominan familia de direcciones, emplendose parntesis angulares para indicar este conjunto de direcciones. Por ejemplo todas las direcciones que pertenecen a la familia 110 son todas las diagonales de las caras del cubo, y son las direcciones:

| 110 | _ _

| 110 | _

| 110 | _ |1 1 1 |

|101 | _ _

| 10 1 | _ | 10 1 | _|1 0 1 |

| 011| _ _|01 1 | _ |01 1 | _|01 1 |

Esta familia de direcciones, tambin se pudo haber notado como: 101, 011, _ _