Estructura Atómica 2015-2. universidad nacional de ingenieria quimica general facultad de...

7/17/2019 Estructura Atómica 2015-2. universidad nacional de ingenieria quimica general facultad de ingenieria mecanica

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Copyright © 2009 Cengage Learning, Engineering 2- 1

HAPTER 2:

HAPTER 2:

ATOMI STRU TURE

TOMI STRU TURE



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Objetivo

• Describir los conceptos físicos básicos

relacionados con la estructura de la

materia.

• Aprender que la estructura de los átomos

afecta los tipos de enlaces que existen en

los distintos tipos de materiales

2- 2




Introducción

• Las propiedades de los materiales son

controlables pueden ajustarse a las

necesidades de una aplicación dada

controlando su estructura composición.

2- 3




Introducción

• !e puede examinar describir la

estructura de los materiales en cinco

niveles distintos

". #acroestructura $% "&& &&& nm'

(. #icroestructura $"&)"&&& nm'

*. +anoestructura $")"&& nm'

,. Arre-los atómicos de corto lar-o alcance $%

"&& nm asta unos cuantos cm'

/. 0structura atómica

2- 4




0structura de materiales1 relevancia tecnoló-ica

• 0n el mundo actual. !e desean bateríasque sean más peque2as3 li-eras3 de

maor duración.

• Automóviles que sean asequibles3 li-eros3se-uros3 con alto rendimiento de

combustible3 4car-ados5 de varias

características3 que van desde sistemas

de posicionamiento -lobal $67!' a

sensores sofisticados para la apertura de

las bolsas de aire.2- 5




0structura de materiales1 relevancia tecnoló-ica

0stas necesidades an -enerado inter8s en lananotecnolo-ía en sistemas micro

electromecánicos $!#0#'

0l sensor se utili9a para medir la aceleración

en automóviles

2- 6




+iveles de estructura1 0structura atómica

• 0l diamante está basado en enlaces

covalentes :;:. Los materiales con este

tipo de enlace se esperan que sean

relativamente duros. !e utili9an películas

del-adas de diamantes para proveer un

filo resistente en erramientas de corte.

• Lon-itud aproximada asta &." nm

2- 7




• <itanato de 9irconio plomo$7=<'1 :uando losiones en este material se acomodan de tal

manera que exiben estructuras cristalinas

tetra-onales >o rombo8dricas3 el material es

pie9oel8ctrico

• Las cerámicas 7=< se utili9an ampliamente en

diversas aplicaciones incluendo

encendedores de -as3 -eneración de

ultrasonidos control de vibración

• Lon-itud aproximada &." ) "nm2- 9

+iveles de estructura1 Arre-los atómicos? orden

de lar-o alcance $OLA'




• Los iones en vidrios basados en !ílice$!iO('exiben un orden de corto alcance en que

!i@, O;( $cada !i@, esta enla9ado con , O;(

en una coordinación tetra8drica'

• 0ste orden no se mantiene en distancias

lar-as acen amorfos los vidrios basados

en sílice los cuales forman la base para la

industria de telecomunicaciones fibra

óptica

• Lon-itud aproximada de &." )" nm.2- 11

+iveles de estructura1 Arre-los atómicos? orden

de corto alcance $O:A'




• Las partículas de oxido de ierro se utili9an

en imanes líquidos. 0stas partículas de

nanotama2o $/)"& nm' se dispersan en

líquidos.

• Aplicación de estos imanes líquidos es comomedio de refri-eración$transferencia de

calor' para altavoces

• 0scala aproximada de " )"&& nm.

2- 13

+iveles de estructura1 nanoestructura




• La resistencia mecánica aleacionesdepende en -ran medida del tama2o de los

-ranos$los -ranos los límites de -rano son

parte de las características micro

estructurales de este material cristalino'

• n tama2o de -rano mas fino conduce a una

resistencia maor

• Lon-itud aproximada de "&) "&&&nm

2- 15

+iveles de estructura1 microestructura




• Los recubrimientos relativamente -ruesos3como pinturas en los autómoviles otras

aplicaciones no sólo se utili9an por est8tica3

tambi8n proveen resistencia a la corrosión.

• Lon-itud aproximada % "&& &&& nm

2- 17

+iveles de estructura1 macroestructura




0structura del átomo

• n átomo esta compuesto por un nBcleo

rodeado de electrones $car-a ne-ativa'.

• 0l nBcleo contiene protones$car-a positiva

qC".&x"&;"E :' neutrones

• Los electrones$qC".&x"&;"E :' se mantienen

alrededor del nBcleo por medio de una

atracción electrostática

• :ómo el nBmero de electrones protones en elátomo son i-uales3 este es el8ctricamente

neutro.

2- 19




0structura del átomo

• 0l nBmero atómico de un elemento es i-ual al

nBmero de electrones o protones en cada

átomo. n átomo de Fe tiene un nBmero

atómico de (

• La masa atómica $#'3 es i-ual al nBmero

promedio de protones neutrones en el

átomo3 tambi8n es la masa en -ramos del

número de Avogadro + A deátomos$ .&(x"&(* átomos>mol es el nBmero

de átomos en un mol'

2- 20




0structura electrónica del átomo• Los electrones ocupan niveles discretos de ener-ía

dentro del átomo.

• 0l nivel de ener-ía a que cada electrón pertenece esta

determinado por cuatro números cuánticos.

Número cuántico principal nNúmero cuántico acimutal l (describen los niveles de

energía en cada capa cuántica)

Número cuántico magnético ml

Número cuántico de espín ms (+1/2 y -1/2)

ara el !e(con número at"mico de #2)$

1s2 2s2 2p% #s2 #p% #d 1& 's2 'p2

2- 21




0structura electrónica del átomo Desviaciones de las estructuras electrónicas

esperadas no siempre se si-ue la construcciónordenada de estructura electrónica ordenada

Fe$nBmero atómico ('

se esperaría 1s2 2s2 2p% #s2 #p% #d (

sin embar-o 1s2 2s2 2p% #s2 #p% #d % 's2

0l nivel *d sin llenar ocasiona el comportamiento

ma-n8tico del Fe.

2- 22




0structura electrónica del átomo La valencia de un átomo es el nBmero de electrones en

un átomo que participan en los enlaces o en lasreacciones químicas.

La valencia de un átomo esta relacionada con la

abilidad del átomo de entrar en combinación química

con otros elementos.

#-1 1s2 2s2 2p% #s2 valencia (

Al 1 1s2 2s2 2p% #s2 #p1 valencia *6e 1 1s2 2s2 2p% #s2 #p% #d1& 's2 'p2

valencia ,

2- 23




Estabilia at!"i#a y ele#tronegati$ia

• !i un átomo tiene una valencia de cero3 el elemento es

inerte$no reactivo'.

Ar1 1s2 2s2 2p% #s2 #p%

0l Al tiene * electrones en sus niveles s p. el Al puede ceder

fácilmente sus * electrones vaciar los niveles *s *p. Losenlaces atómicos el comportamiento químico del Al están

determinados por el mecanismo a trav8s del cual interaccionan

estos tres electrones con los átomos circundantes.

0l :l tiene G electrones en los niveles externos *s *p. Lareactividad del :l es ocasionada por su facilidad de llenar su

nivel de ener-ía externo aceptando electrones.

2- 24




• La electronegatividad describe la

tendencia de un átomo a -anar un

electrón.

• 0l :l es altamente electrone-ativo

aceptan electrones de manera fácil

• 0l +a3 cede electrones de manera fácil

electrone-atividad baja

2- 25

Estabilia at!"i#a y ele#tronegati$ia




<abla periódica

0n la in-eniería3 se trata principalmente con1

7olímeros$plásticos'$basados en :3 el cual aparece en el -rupo ,H'

:erámicas$basadas en combinaciones de varios elementos que aparecen el

-rupo " al /H elementos tales como el O3 : +'

#ateriales metálicos$por lo -eneral basados en elementos en los -rupos "3(

elementos metálicos de transición'

0n el -rupo ,H aparecen varios semiconductores importantes

tecnoló-icamente$silicio$!i'3el diamante$:' 6e'

Los semiconductores tambi8n pueden ser combinaciones de los elementos

de los -rupos (H H $:d!e'3basados en :d -rupo( !e -rupo. !e les

conoce como semiconductores del -rupo II;I.#anera similar el 6a As semiconductor del -rupo III;

0lementos de transición $<i3 3 Fe3 +i3 :o3 etc' son Btiles para materiales

ma-n8ticos ópticos debido a su confi-uración electrónica que permite

mBltiples valencia.

2- 27




0nlaces atómicos

#ecanismos por medio de los cuales se

enla9an los átomos en los materiales dein-eniería. 0stos son1

0nlace iónico3

0nlace covalente

0nlace metálico?

0nlace de van der Jaals.

0n los primeros tres3 se lo-ra cuando los

átomos llenan sus niveles externos s p.

2- 29




Enlaces primarios

- !on enlaces bastante fuertes

- !e rompen a temperaturas de entre "&&& /&&& K

- A esta cate-oría pertenecen los enlacesiónicos3 covalentes metálicos

- Las cerámicas los metales estánunidos exclusivamente por este tipo de

enlaces

30




Enla#e %!ni#o

- Los óxidos(Al2O3, MgO) y loscompuestos iónicos (NaCl, LiF) estánunidos mediante este tipo de enlace

; 0l caso más típico es el del :loruro

!ódico $!al comBn'

31




Enla#e %!ni#o

- :loruro !ódico $+a:l' !odio (Na)" ## elect$ones Clo$o (Cl)" #% elect$ones

32




0nlace Iónico• Los sólidos con enlace iónico con frecuencia son tambi8n

mecánicamente resistentes debido a la fuer9a de enlace.

• La conductividad el8ctrica de los sólidos iónicos es mu limitada

2- 33




0nlace Iónico

• 0n mucas aplicaciones tecnoló-icas se ace uso de laconducción el8ctrica que puede ocurrir por movimiento

de los iones como resultado de un aumento en la

temperatura3 del -radiente potencial químico o de una

fuer9a impulsora electroquímica.

• 0jemplos1 Las baterías de ion litio que acen uso del óxido de :o Li

ecubrimientos conductivos de óxido de !n In

$O0I' sobre el vidrio para pantallas táctiles

:eldas de combustible de óxido sólido$::O!'

basadas en las composiciones de 9irconio$=rO('

2- 34

Enla#e #o$alente




• Los materiales enlazados de manera covalente son muy resistentes y duros

(Diamante(C), el carburo de silicio(SiC),el nitruro de silicio(Si3N4), nitruro de

boro(BN)

•ambi!n tienen "untos de #usi$n muy altos,"or lo cual son %tiles a altas

tem"eraturas&

•ienen ductilidad limitada ya 'ue los enlaces tienden a ser direccionales

•La conductividad el!ctrica no es alta (Si, diamante y varias cermicas)

Enla#e #o$alente

35

Enla#e #o alente




Enla#e #o$alente

36

0nlace :ovalente

Enla#e #o$alente




•Con el Si, se "ueden obtener niveles %tiles y controlados de conductividad

el!ctrica introduciendo de manera deliberada "e'ueos niveles de otros elementos

conocidos como do"antes

•Los "ol*meros conductores con enlaces covalentes 'ue "ueden convertirse en

materiales semiconductores

•+l desarrollo de "ol*meros conductores 'ue sean lieros "ara el desarrollo de

com"onentes electr$nicos #leibles&

Enla#e #o$alente

37




0nlace :ovalente

Los enlaces covalentes son direccionales

38




- 0l ejemplo más relevante de enlacecovalente es el diamante $:'

- 0nlaces fuertemente orientados

Enla#e Co$alente

39




- Otros ejemplos de enlaces covalentes

&$opano (C3') Agua ('2) *cido Ac+tico

(C.3C//.)

Enla#e Co$alente

40

C! (t * ili i




&C!"o se 'nen (to"os e o)*geno y sili#io para

+or"ar s*li#e




• 0l !i tiene una valencia de , comparte

electrones con , átomos de O3 dando un

total de M electrones por cada átomo de !i

• 0l O tiene una valencia de comparte

electrones con ( átomos de !i 3 lo que da al

O M electrones

• !e produce una estructura tetra8drica

2- 42

&C!"o se 'nen (to"os e o)*geno y sili#io para

+or"ar s*li#e




0s el principal $pero no el

Bnico' enlace presente en los

metales

Los electrones más ener-8ticos

abandonan los átomos

ioni9ándolos

0stos electrones libres forman

un 4nube5 que rodea a los

átomos

Debido a que los electrones no

están fijos en una sola posición3

la maoría de metales son

buenos conductores de la

electricidad a temperaturas

bajas $N*&& K'

2- 43

Enla#e et(li#o




Ba0o la in#luencia 12 a"licado, los electrones de

valencia se mueven, ocasionando 'ue #luya unacorriente el!ctrica si el circuito esta com"leto

ucos metales "uros son buenos conductoresdel calor

ienen m$dulos de 5oun relativamente altos

dado 'ue los enlaces son #uertes Los metales tambi8n muestran buena ductilidad

dado que los enlaces son no direccionales Los puntos de fusión son relativamente altos

Los metales acen buenos reflectores deradiación visible !on de carácter electropositivo3 varios metales

como el Fe experimentan corrosión oxidación

Enla#e et(li#o

44




Enlaces secundarios

!on enlaces d8biles

!e disocian a temperaturas de entre "&& /&& K

A esta cate-oría pertenecen las uniones de an

der Jaals los puentes de idró-eno

0stos enlaces aparecen principalmenteen los polímeros en los líquidos

45

E l d i




0stos enlaces3 que unen las cadenaspolim8ricas entre sí3 acen que elpolietileno$ otros polímeros' sean sólidos

Así mismo si este tipo de enlaces noexistiera el a-ua erviría a ;M&&:

Enlaces secundarios

46




Enla#es se#'narios . /an er aals

- Describe la atracción que sufren los átomos no

car-ados a causa de los dipolos que aparecenesporádicamente en su interior

47




- 0l nitró-eno líquido se mantiene en eseestado a ;"EM&: a causa de los enlaces de

an der Jaals

- !in estos enlaces3 la maoría de los -asesno se podrían licuar por lo tanto no sepodrían separa industrialmente

Enla#e e /an er aals

48




ce de van der Walls/Puente de hidr!e

- 0l enlace por puente de idró-eno es elencar-ado de mantener el a-ua líquida a

temperatura ambiente de unir lascadenas polim8ricas entre sí

- La atracción entre mol8culas se producecuando estas son dipolares

49




0nlace entre mol8culas que tienen quetienen un momento dipolar permanente

50

ce de van der "alls/Puente de hidr!e




• Los enlaces de van der Jalls cambian de

manera drástica las propiedades de

ciertos materiales.

0l -rafito el diamante tienen

propiedades mecánicas mu distintas.

0l enlace de van der Jaals ace rí-ido al

7:

2- 51

Enlace de van der "alls/Puente dehidr!eno





0nlaces mixtos

• 0l Fe se enla9a por medio de una combinaciónde enlaces metálicos covalentes que evita

que los átomos se empaquen de una manera

tan eficiente como podría esperarse.

• Los compuestos intermetálicos pueden estar

entrela9ados por una me9cla de enlaces

metálicos iónicos3 paricularmente cuando

existe una -ran diferencia de

electrone-atividades entre los elementos.

2- 53

0 l i




0nlaces mixtos

•0l Li tiene una electrone-atividad de " el Al de "./3 seesperaría que el AlLi ten-a una combinación de enlaces

metálicos iónicos

• 0l Al el tienen electrone-atividades de "./ se

esperaría que el Al* estuviera enla9ado principalmentepor enlaces metálicos.

• #ucos compuestos cerámicos semiconductores3

tienen una me9cla de enla9amiento covalente iónico.

Fracción covalente=exp (-0.25! 2 "? donde 0

es la diferencia de electrone-atividades

2- 54

D t i i l íli tá l d d




Determinar si la sílice está enla9ada de manera

iónica o covalente.

• Fracción covalente=exp (-0.25! 2 "

• De la fi-ura (.M ? electrone-atividad del !i en ".M la del oxi-eno

de *./

• Fracción covalente=exp (-0.25(#.5-$.%"2 "

C &.,M La sílice se utili9a para fabricar fibras de vidrio ópticas.

!e adicionan partículas de sílice de nano;tama2o a los

neumáticos para mejorar la ri-ide9 del cauco.

Los cristales de !i de alta pure9a para cips de computadorasse fabricanreduciendo la sílice a silicio.

2- 55

0 ió t8 i d l ili i i




0xpansión t8rmica del silicio para cips

de computadora

Los cristales de !i cortados en obleas del-adas son

ampliamente utili9ados para fabricar cips de

computadora. 0l coeficiente de expansión de un solo

cristal de !i de PC(./x"&;D

K;"

.0n esta oblea de !i3 sedeja crecer una capa del-ada de sílice calentando la

oblea de !i a temperaturas de E&&Q: por ejemplo. 0l

coeficiente de expansión t8rmica de la sílice es de

&3/x"&;DK;" RLa capa de sílice experimenta unesfuer9o compresivo o de tracción cuando se enfría

a temperatura ambiente.

2- 56




&#o"presi!n o

e)pansi!n

2- 57

í




0ner-ía de enlace espaciado

interatómico• !spaciado interatómico. La distancia de equilibrio

entre átomos resulta del balance entre las fuer9as de

atracción repulsión.

• 0n el enlace metálico3 la atracción entre los

electrones los nBcleos de los iones esta balanceada

por la repulsión entre los nBcleos de los iones.

• La separación de equilibrio se presenta cuando la 0IA

del par de átomos esta a un mínimo3 o cuando no a

fuer9a neta actuando para atraer o repeler los átomos

2- 58




0 í d l i d




0ner-ía de enlace espaciado

interatómico• &a energ'a de enlace o la ener-ía para formar o

romper el enlace. Los materiales que tienen una

ener-ía de enlace -rande tambi8n tienen una -ran

resistencia una temperatura de fusión alta.

2- 60




#ódulo de elasticidad

• 0sta relacionado con la pendiente de la

curva fuer9a;distancia. na pendiente

pronunciada3 la cual esta correlacionada

con una ener-ía de enlace más alta unpunto de fusión más alto3 si-nifica que se

requiere una fuer9a maor para estirar el

enlace? por tanto3 el material tiene unmódulo de elasticidad alto.

2- 61




• Describe cuanto se expande o contrae unmaterial cuando se cambia sutemperatura.

• La curva de ener-ía interatómica$0IA'3separación para dos átomos . Losmateriales que muestran una curva

pronunciada con una depresión profundatienen coeficientes lineales de expansiónt8rmica bajos.

2- 63




• Los materiales con baja expansión son Btiles enaplicaciones donde se espera que los

componentes experimenten de manera repetida

calentamientos enfriamientos relativamente

rápidos. 7or ejemplo las cerámicascordieritas$utili9adas como catali9adores de

soporte en los convertidores catalíticos de

automóviles'3 vidrios de expansión ultra baja$0H'3

isionSare3 otros vidrios;cerámicas desarrolladospor :ornin-3 tienen coeficientes de expansión

t8rmica mu baja.

2- 65




/igas e a#ero y 'ntas e e)pansi!n para la #onstr'##i!n

na vi-a de acero utili9ada en un puente tiene una

lon-itud de "& m a *&Q:. a' 0n un día de invierno3 la

temperatura cambia a ;(&Q:.R:uál será el cambio en

lon-itud de la vi-a en mmT. H'si el módulo elástico el

acero utili9ado es de (&&67a3Rcuál será el nivel delesfuer9o -enerado en la vi-a de acero si no se

permite que se contrai-aT c'R0l esfuer9o es

compresivo o de tracciónT !upon-a que el coeficiente

de expansión t8rmica para el acero utili9ado en la vi-aes de "*U"&;D>:

2- 66




0jercicios

". 0l metano$:V,' tiene una estructura

tetra8drica similar al de la !iO(3 con un

átomo de carbono de &.GGx"&;M cm de radio

en el centro átomos de idró-eno de&.,x"&;M cm de radio en cuatro de los oco

v8rtices. :alcule el tama2o de la arista del

cubo tetra8drico para el metano.

2- 69




0jercicios

(. 0l compuesto fósfuro de aluminio$Al7' es

un compuesto semiconductor que tiene

enlace mixto iónico covalente. :alcule la

fracción del enlace que es iónico.

2- 71




0jercicios

*. 0l He el #-3 ambos en el -rupo -rupo ( A

de la tabla periódica3 son metales li-eros

R:uál esperaría que ten-a el módulo de

elasticidad maorT 0xplique considerando laener-ía de enlace los radios atómicos

utili9ando dia-ramas apropiados de la fuer9a

en función del espaciado interatómico.

2- 72




0jercicios

,. 0l Horo tiene un coeficiente de expansión

t8rmica muco menor que el aluminio3

aunque ambos están en el -rupo * H de la

tabla periódica. 0xplique3 con base en laener-ía de enlace3 el tama2o atómico3 por

qu8 se espera esta diferencia.

2- 74



Hibilo-rafía

• !mit3 J. Vasemi3 W. $(&&,'.

Fundamentos de la ciencia e in-eniería

de materiales. ,ta. 0dición3 0dit. #c6raS;

Vill3 #8xico D.F.3 #8xico.• AsXeland3 D. $(&&E'. Fundamentos de

In-eniería ciencia de materiales. (da.

0dición 3 0dit. :0+6A60 Learnin-3#8xico D.F.3 #8xico.

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