estructura atómica y enlace interatómico

Ciencia de Materiales

Estructura Atómica y Enlace interatómico


Fundamentos • Carga del e- es 1.6 x 10-19 C• Masa del e- es de 9.11x10-31kg• Masa del protón es de 1.67 x10-27 kg.• Número atómico (Z) es el número de protones• Masa atómica (A) es la suma A = Z + N• uma (unidades de masa atómica) corresponden a la cantidad de

gramos por mol,

• pero peso atómico toma en cuenta la abundancia relativa de los isótopos en la naturaleza.

• 1 mol son 6.023 x 1023 partículas


Ejemplos

1. Para el carbono

A = (AC12*X12) + (AC

14*X14) + ... en donde

AC12 es el peso del isótopo C12,

X12 es la fracción del elemento carbono C12 en la naturaleza.

2. # átomos en 40 g de oro. Aau = 196.97 g/mol. (40g)(6.023x1023 at/mol)/(196.97 g/mol) = =1.223x1023 átomos.

¡40 gramos de oro tienen más de 1023 átomos!


Modelos atómicos• Mecánica cuántica permite explicar

los fenómenos que ocurren a nivel atómico.

• Modelo de Bohr: tipo sistema solar.• Las energías de los electrones

están cuantizadas

Callister


Mecánica Ondulatoria

• Los electrones tienen comportamiento dual (como partícula y como onda).

• Respecto a su posición en el átomo, se considera al orbital como la región donde la densidad de probabilidad es más alta.

Callister


1.4. Estructura Electrónica

• Algunos electrones son los que permiten que haya un enlace entre átomos de la misma especie (O2) o de diferente (H2O).

• Después de pasar por varios modelos atómicos la mecánica cuántica propone que cada uno de los electrones está caracterizado por cuatro parámetros llamados números cuánticos,


Números Cuánticos

Especifican el tamaño, la forma y la orientación espacial de los orbitales

• El número cuántico principal n (n=1,2,3,4,...) define la capa (K, L, M, N,...).

• El número cuántico acimutal l: es el que define la subcapa (s, p, d, f,...).

• El número cuántico magnético ml, define el número de estados de energía disponibles para cada subcapa (tabla 1).

• El número cuántico de spin ms, asigna los valores de +½ ó - ½, así habrán dos electrones por estado de energía.


Aproximación planetaria• Grosso modo: dichos números cuánticos pueden

visualizarse en términos de órbitas planetarias– n corresponde al radio de la órbita– l corresponde a la forma de la órbita

– ml corresponde a la inclinación de la órbita

– ms representa las dos direcciones en las que el planeta puede girar (“spin”).

ml

msn

l


Tabla1: Número de estados electrónicos disponibles para algunas capas y subcapas.

Número Cuántico Principal

n

Capa SubcapaNúmero de

Estados

Número de Electrones

Por capa Por subcapa

1 K s 1 2 2

2 Ls 1 2

8p 3 6

3 M

s 1 2

18p 3 6

d 5 10

4 N

s 1 2

32p 3 6

d 5 10

f 7 14


Callister

Figura 1: Niveles de energía de las capas y subcapas de los estados electrónicos.


Configuraciones electrónicas esperadas para algunos elementos


• Config. electrónica – clasificación en la tabla periódica.

• En en siete filas llamadas periodos. • Las columnas agrupan elementos con

comportamientos químicos similares. Según el tipo de orbital (s, p, d ó f ) en el cual un elemento tiene su último electrón.

• Los elementos del grupo O (extrema derecha) son los gases inertes con capas llenas.


Tabla Periódica

electronegatividad

elec

tro

neg

ativ

idad


+ características

• Los más electronegativos están en VIIA y VIA (uno o dos electrones faltantes para llenar su capa.

• A extrema izquierda: IA (metales alcalinos): capa llena + un electrón,

• El tipo de orbital (s, p, d ó f ) en el cual un elemento tiene su último electrón, determina el tipo de enlace interatómico que puede presentar.


Energía y Fuerza de enlace

FT = FA + FR

Equilibrio FA + FR = 0

La energía es mínima en el equilibrio.

drFE


Ejercicio:• Para K–Cl, las energías de atracción y de repulsión

EA y ER,se expresan en función de la distancia en eV/par y r en nm, EN es la suma de éstas.

• (a) Superponga en una gráfica: EN, ER, y EA en función de r hasta 1.0 nm.

• (b) Usando la gráfica determine: (i) la distancia de separación de equilibrio r0 entre los iones y (ii) la magnitud de la energía de enlace E0.

• (c) Determine matemáticamente los valores de r0 y E0


Energía de RepulsiónEnergía de Repulsión

Energía de AtracciónEnergía de Atracción

Energía totalEnergía total

-3.4

GraficandoGraficando

0.375 nm


Tipos de Enlaces

• FuertesFuertes:– Iónico– Covalente– Metálico

• DébilesDébiles:– Van der Waals– Puente de Hidrógeno


Iónico

• Se da entre elementos metálicos y no metálicos, que se encuentran en ambos extremos de la tabla periódica.

• Son enlaces no direccionales..


Metálico

• Uno o dos electrones de valencia quedan libres en un "mar de electrones" que rodea a los iones positivos.

• Este tipo de enlace no es direccional.


Covalente

• los enlaces covalentes son muy direccionales, ya que se dan principalmente entre orbitales tipo p, y/o en orbitales híbridos como los que se dan en el carbono, que son desde luego muy direccionales.


Van der Waals

• Oscuro en naturaleza, y se da en los gases inertes que en principio tienen estructuras electrónica estable.

• También se da entre moléculas unidas internamente en forma covalente (caso de los polímeros).

• La fuerza de unión de este tipo se dá entre dipolos atómicos o moleculares.

+ – + –


Puente de hidrógeno

• Una molécula dipolar en que se induce el dipolo. El enlace por puente de Hidrógeno es un caso particular en el que las moléculas contienen átomos de hidrógeno (con polaridad fija) como son H-F y H2O, que puede apreciarse en la figura 8.

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Combinaciones y mezclas

CCoovvaalleennttee ppuurroo

VVaann ddeerr WWaaaallss PPuurroo

MMeettáálliiccoo ppuurroo IIóónniiccoo ppuurroo

ddiiaammaannttee

ccoobbrree sal

Argón sólido

agua *

* barros

* hierro

* madera

* grafito


Tipo deEnlace

Sustancia

Energía de EnlaceTemperatura de Temperatura de

Fusión Fusión TTM M (( °C)°C)kJ/mol eV/at.

IónicoNaCl 640 3.3 801

MgO 1000 5.2 2800

CovalenteSi 450 4.7 1410

C (diamante) 713 7.4 > 3550

Metálico

Hg 68 0.7 -39

Al 324 3.4 660

Fe 406 4.2 1538

W 849 8.8 3410

Van derWaals

Ar 7.7 0.08 -189

Cl2 31 0.32 -101

HidrógenoNH3 35 0.36 -78

H2O 51 0.52 0


Expansión Térmica


Resumen

• La estructura atómica está determinada por la mecánica cuántica.– Los 4 números cuánticos determinan los estados de energía.– Los estados pueden o no estar ocupados por electrones.

• La estructura atómica determina las propiedades químicas y físicas de los elementos.– Tabla periódica.

• La estructura también determina como se enlazan los átomos.– Primarios (fuertes) – iónico, covalente, metálico.– Secondarios – Van der Waals, Hidrógeno.


Origen Físico del Módulo Elástico


Considerando al sólido como la unión de átomos a través de resortes

00

2

2

0

rr dr

Ed

dr

dFS

0

0

0

0

0

02

0

0000

)()(

r

S

r

rr

r

S

r

rrSrrNS

E

0

0

r

SE

)( 00 rrSF

r0

r

Pero

Entonces


Cálculo de E en función de S0 derivado de las curvas teóricas de la energía

Tipo de enlace S0 (N/m) E calc (MPa)

Covalente C-C 180 1000

Iónico Puro NaCl

9-21 30-70

Metálico Puro Cu-Cu

15-40 30-150

Hidrógeno H2O 2 8

Van der Waals 1 2


• Amorphous material A material that does not have a long-range order of atoms (e.g., silica glass).

• Anion A negatively charged ion produced when an atom, usually of a nonmetal, accepts one or more electrons.

• Atomic mass The mass of the Avogadro number of atoms, g/mol. Normally, this is the average number of protons and neutrons in the atom. Also called the atomic weight.

• Atomic mass unit The mass of an atom expressed as 1/12 the mass of a carbon atom.

• Atomic number The number of protons or electrons in an atom.

• Atomic structureAtomic structure All atoms and their arrangements that constitute the building blocks of matter.

• Avogadro number The number of atoms or molecules in a mole. The Avogadro number is 6.02 x 1023 per mole.

• Azimuthal quantum number A quantum number that designates di¤erent energy levels in principal shells.

• Binding energyBinding energy The energy required to separate two atoms from their equilibrium spacing to an infinite distance apart. Alternately, the binding energy is the strength of the bond between two atoms.


• Cation A positively charged ion produced when an atom, usually of a metal, gives up its valence electrons.

• Coefficient of thermal expansion (CTE) The amount by which a material changes its dimensions when the temperature changes. A material with a low coe‰cient of thermal expansion tends to retain its dimensions when the temperature changes.

• Covalent bond The bond formed between two atoms when the atoms share their valence electrons.

• Crystalline materials Materials in which atoms are arranged in a periodic fashion exhibiting a long-range order.

• Composition The chemical make-up of a material.• Debye interactions Van der Waals forces that occur between two molecules, with

only one of them with a permanent dipole moment.• Directional relationship The bonds between atoms in covalently bonded materials

form specific angles, depending on the material.• Dopant An element deliberately added into a semiconductor (e.g., P in Si).• Ductility The ability of materials to be stretched or bent without breaking.• Electronegativity The relative tendency of an atom to accept an electron and

become an anion.• Strongly electronegative atoms readily accept electrons.• Glass temperatureGlass temperature A temperature above which many polymers and inorganic

glasses no longer behave as brittle materials. They gain a considerable amount of ductility above the glass temperature.

• Hydrogen bondHydrogen bond A Keesom interaction (a type of van der Waals bond) between molecules in which a hydrogen atom is involved (e.g., bonds between water molecules).

• Interatomic spacingInteratomic spacing The equilibrium spacing between the centers of two atoms. In solid elements, the interatomic spacing equals the apparent diameter of the atom.


• Intermetallic compound A compound such as Al3V formed by two or more metallic atoms; bonding is typically a combination of metallic and ionic bonds.

• Ionic bond The bond formed between two di¤erent atom species when one atom (the cation) donates its valence electrons to the second atom (the anion). An electrostatic attraction binds the ions together.

• Keesom interactions Van der Waals forces that occur between molecules that have a permanent dipole moment.

• Length-scale A relative distance or range of distances used to describe materials-related structure, properties or phenomena.

• London forces Van der Waals forces that occur between molecules that do not have a permanent

• dipole moment.• Long-range atomic arrangements Repetitive three-dimensional patterns with which

atoms or ions are arranged in crystalline materials.• Magnetic quantum number A quantum number that describes energy levels for

each azimuthal quantum number.


¿Quieres saber más?

• El Uranio 235235UU es el isótopo que es material que sirve de combustible nuclear, sin embargo el isótopo más abundante del uranio es el 238238UU.

Parte de la tecnología nuclear consiste en separar el 235235UU del 238238UU. El mineral de Uranio contiene ambos isótopos y otros más del uranio.

• Trate de imaginar cómo puede separarse un isótopo de otro si todos ellos son químicamente idénticos.


• El Hexafluoruro de uranio es el gas más pesado conocido. Su fórmula es UF6.

• Gracias a lo pesado de sus moléculas es posible utilizar el centrifugado para separar los isótopos 235U y 238U, obteniendo de esta manera uranio enriquecido.


En 1985, ocurrió un accidente en la planta de Sequoyah Nuclear Fuels en Oklahoma, en el cual murió una persona y varias resultaron heridas debido a la exposición a UF6 gaseoso.


Origen Físico del Módulo Elástico

20

2

4 r

qF

r

qdrFE

r0

2

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AE

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estructura atómica y enlace interatómico

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