Sara López Puerta

IES Hermenegildo Lanz | Dpto. de

Tecnología

ESTRUCTURA ATÓMICA Y CRISTALINA DE LA MATERIA.

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TEMA 1: ESTRUCTURA ATOMICA CRISTALINA DE LA MATERIA.

1. Composición de la materia.

Las propiedades de un material y el comportamiento que éste tendrá al ser sometido a diferentes técnicas o procesos dependen básicamente de su constitución o estructura interna.

La composición o constitución de la materia comprende las partículas elementales, átomos y moléculas, así como la manera en que éstos se unen (enlaces).

El átomo es la unidad elemental básica de la materia que puede experimentar un cambio químico, y está constituido por las partículas elementales. El átomo constituye dos partes diferenciadas.

El núcleo de carga positiva, constituida por las partículas elementales, protones (+) y neutrones (neutros). Prácticamente, toda la masa del átomo se concentra en el núcleo.

La corteza constituida por las partículas elementales electrones que la dota de carga negativa. La corteza rodea al núcleo. Se considera exenta de masa.

La carga eléctrica negativa de la corteza neutraliza a aquella positiva del núcleo

y se dice que el átomo es eléctricamente neutro. Es precisamente el número de electrones de un átomo lo que define su número atómico (Z) y la estructura electrónica de la corteza define las propiedades químicas,

esencialmente los electrones del nivel más externo.

La suma del número de protones (Z) y el de neutrones que se encuentran en el núcleo define el llamado número másico (A).

Cómo antes se explicó, es la configuración o distribución de los electrones de la última capa los que determinan las propiedades químicas de los átomos. Los electrones de este nivel se llaman electrones de valencia y forman parte del enlace químico.

De esta forma, aquellos átomos que tienden a aceptar electrones en las reacciones químicas se llaman electronegativos y tienen carácter no metálico. En cambio aquellos que tienden a ceder electrones en las reacciones químicas se llaman electropositivos y tienen carácter metálico.

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DEFINICIÓN: La electronegatividad es la capacidad de un átomo para atraer electrones hacia sí.

Metales No metales

1. Tienen tres o menos electrones en los niveles más externos.

2. Forman cationes por perdida de electrones.

3. Tienen baja electronegatividad.

1. Tienen cuatro o más electrones en

los niveles externos. 2. Forman aniones por ganancia de

electrones 3. Tienen alta electronegatividad.

4. Tipos de enlaces atómicos

a) Enlace iónico: Las fuerzas de interacción entre dos átomos son altas debido a la transferencia de electrón de un átomo a otro. Este hecho produce iones que se mantienen unidos por fuerzas eléctricas. Para que exista tal enlace un átomo debe ser altamente electronegativo y el otro altamente electropositivo.

Un ejemplo de este tipo de enlace es la sal común o cloruro de sodio (NaCl).

El átomo de Sodio (Na) es muy electropositivo (tiende a ceder electrones) y convertirse en un ion positivo (Na+), mientras que el átomo de Cloro (Cl) es muy electronegativo (tiende a aceptar electrones) y convertirse en un ion negativo (Cl-). Es obvio pensar que el electrón que tiende a perder el sodio pase al cloro. Ambos se convierten en iones de distinta carga que, por lo tanto, se atraen, formando una estructura sólida.)

Video: Enlace iónico

Video (ampliación): Tabla periódica (recordatorio)

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b) Enlace covalente: Las fuerzas de interacción son relativamente altas. Este enlace se crea por la compartición de electrones. Las moléculas orgánicas (a base de carbono) emplean este enlace.

c) Enlace metálico: Se da solo entre elementos metálicos y estado sólido. Los átomos tienden a ceder sus electrones y transformarse en iones positivos gracias a su baja electronegatividad. Se mantienen muy cerca uno de los otros, esto provoca que se formen estructuras muy compactas. De ahí que la mayoría de los metales puedan ser deformados considerablemente sin fracturas.

Los electrones cedidos forman una nube electrónica alrededor de los iones y pueden desplazarse a lo largo de las estructuras cuando son obligados por alguna causa externa que suele ser un campo eléctrico generado por la tensión de un generador eléctrico (pila, …). Esto les proporciona una alta conductividad eléctrica.

Video: Enlace covalente

Video: Enlace metálico

Enlace simple: metano (CH4), 4 enlaces

covalentes simples, 8e-, en la capa mas externa del carbono, con ello se

consigue tener la máxima estabilidad

Enlace doble: se comparten dos

electrones cada átomo aporta uno.

Enlace triple: a la molécula de nitrógeno comparte tres pares de

electrones.

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5. La estructura cristalina

La estructura física de los sólidos es consecuencia de la disposición de los átomos, moléculas o iones en el espacio, así como de las fuerzas de interconexión de las partículas:

Estado amorfo (a): Las partículas componentes del sólido se agrupan al azar. Ejemplo: vidrio (SiO2)

Estado cristalino (b): Los átomos (moléculas o iones) que componen el sólido se disponen según un orden regular. Las partículas se sitúan ocupando los nudos o puntos singulares de una red espacial geométrica tridimensional. Ej: Cloruro de sodio (NaCl). Este es el que nos interesa y estudiaremos con más detalle.

Los metales, las aleaciones y determinados materiales cerámicos tienen estructuras cristalinas.

Los átomos que pertenecen a un sólido cristalino se pueden representar situándolos en una red tridimensional, que se denomina retículo espacial o cristalino (a). Este retículo espacial se puede definir como una repetición en el espacio de celdas unitarias (b).

La celda unitaria de la mayoría de las estructuras cristalinas son paralelepípedos o prismas con tres conjuntos de caras paralelas y que se definen en cristalografía con tres vectores concurrentes en un origen y los tres ángulos que forman estos entre ellos. Las estructuras cristalinas fundamentales son:

a) Redes cúbicas sencillas: Los átomos ocupan sólo los vértices de la celda unidad.

b) Redes cúbicas centradas en el cuerpo (BCC): Los átomos, además de ocupar los vértices, ocupan el centro de la celda. Los metales que cristalizan con esta estructura: hierro alfa, titanio, tungsteno, molibdeno, cromo, etc.

c) Redes cúbicas centradas en las caras (FCC): Los átomos, además de ocupar los vértices, ocupan el centro de cada cara de la celda. Los me tales

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que cristalizan con este tipo de red son: el oro, cobre, plata, plomo, platino, hierro gamma, niquel.

d) Redes hexagonales compactas (HCP): La celda unitaria es un prisma hexagonal con átomos en los vértices y cuyas bases tiene un átomo en el centro. En el centro de la celda hay tres átomos más. En este caso cristalizan metales como cinc, titanio y magnesio. Metales que cristalizan con esta estrutura: magnesio, cinc, cadmio, etc.

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e) Otras redes cristalinas:

SISTEMA CRISTALINO

REDES DE BRAVAIS

P C I F

Triclínico

Monoclínico

Ortorrómbico

Tetragonal

Romboédrico (trigonal)

Hexagonal

Cúbico

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6. Estados de la materia La materia se presenta en tres estados o formas de agregación: sólido, líquido

y gaseoso.

Dadas las condiciones existentes en la superficie terrestre, solo algunas

sustancias pueden hallarse de modo natural en los tres estados, tal es el caso

del agua.

La mayoría de sustancias se presentan en un estado concreto. Así, los metales

o las sustancias que constituyen los minerales se encuentran en estado sólido

y el oxígeno o el CO2 en estado gaseoso:

Los sólidos: Tienen forma y volumen constantes. Se caracterizan por la rigidez y regularidad de sus estructuras.

P: Celda primitiva o simple en la que los puntos reticulares son sólo los vértices del

paralelepípedo.

F: Celda centrada en las caras. Si sólo tienen puntos reticulares en las bases, se

designan con las letras A, B o C según sean las caras que tienen los dos puntos

reticulares.

I: Celda centrada en el cuerpo que tiene un punto reticular en el centro de la celda.

C: Primitiva con ejes iguales y ángulos iguales ó hexagonal doblemente centrada en el

cuerpo.

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Los líquidos: No tienen forma fija pero sí volumen. La variabilidad de forma y el presentar unas propiedades muy específicas son características de los líquidos.

Los gases: No tienen forma ni volumen fijos. En ellos es muy característica la gran variación de volumen que experimentan al cambiar las condiciones de temperatura y presión.

Plama: En física y química, se denomina plasma al cuarto estado de agregación de

la materia, un estado fluido similar al estado gaseoso pero en el que determinada proporción de sus partículas están cargadas eléctricamente y no poseen equilibrio

electromagnético, por lo que es un buen conductor eléctrico. El cambio de estado de gas a plasma se denomina ionización, y al contrario deionización.

a. Cambios de estado:

Son las transformaciones en las que la materia pasa de un estado

a otro.

Hacia la derecha las transformaciones implican un

incremento de energía cinética de las moléculas (las

moléculas se mueven más deprisa). Se denominan

cambios progresivos y para provocar estos cambios hay

que suministrar energía.

Hacia la izquierda las transformaciones implican un

descenso de la energía cinética de las moléculas (las

moléculas se mueven más despacio). Se denominan

cambios regresivos y al producirse estos cambios se

desprende calor.

La energía que se absorbe o se desprende, por unidad de masa,

en los cambios de estado se denomina calor latente.

SÓLIDO LÍQUIDO GAS

Ampliación:

http://concurso.cnice.mec.es/cnice2005/93_iniciacion_interactiva_materia/curso/material

es/estados/solido.htm

Video: La materia y sus estados

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Existen dos formas de vaporización:

Se llama ebullición cuando ocurre a una temperatura determinada y afecta a toda la masa del líquido.

Se denomina evaporación cuando sólo afecta a la superficie; ocurre a

cualquier temperatura.

b. Efecto de la presión sobre las temperaturas de cambio de estado:

· Si la presión se mantiene constante, la temperatura de cambio de estado de una sustancia determinada es constante.

· Estas temperaturas de cambio de estado se conocen como punto de fusión, punto de congelación, punto de ebullición o punto de condensación, según cuál sea el cambio de estado que se produce.

· Salvo contadas excepciones, entre las cuales está el caso del agua, un aumento de la presión implica una elevación de la temperatura de fusión/congelación y de ebullición/condensación.

El calor latente se suele expresar en J/kg y expresa la cantidad de energía (en julios) que hay que suministrar o que se desprende en el cambio de estado de un kilogramo de materia.

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· De igual manera, un descenso de la presión implica un descenso de la temperatura de cambio de estado.

Al aumentar la presión las partículas tienen mayor dificultad para adquirir mayor movilidad y para distanciarse unas de otras. Al disminuir la presión ocurre lo contrario.