TECNOLOGÍAS DE LA

PRODUCCIÓN

INGENIERÍA DE MATERIALES

ING. JUAN CARLOS CASTELLANOS MEZA

NOMBRE: ANAHI GERALDINE DAZA

ZAMORA

GRUPO: 8° “A”

ENSAYO DE ESTRUCTURA DEL ÁTOMO

FECHA: 20-ENERO-2015

Contenido

INTRODUCCIÓN ......................................................................................................... 3

ESTRUCTURA DEL ÁTOMO .......................................................................................... 4

Estructura electrónica del átomo ....................................................................... 5

ENLACES ATÓMICOS ................................................................................................. 6

Primarios .................................................................................................................. 6

Secundarios ............................................................................................................ 7

ORGANIZACIÓN ATÓMICA ...................................................................................... 8

CELDAS UNITARIAS .................................................................................................. 10

Parámetros de red ............................................................................................... 11

Factor de empaquetamiento ............................................................................ 12

DENSIDAD ............................................................... ¡Error! Marcador no definido.

PUNTOS, DIRECCIONES Y PLANOS EN LA CELDA ................................................. 13

SITIOS INTERSTICIALES .............................................................................................. 14

CONCLUSIÓN ........................................................................................................... 16

INTRODUCCIÓN Los científicos e ingenieros de materiales han desarrollado un conjunto de

instrumentos para caracterizar la estructura del átomo y darnos a conocer

lo que hasta hoy se sabe.

El siguiente ensayo está dividido en 6 temas y tiene como intención principal

analizar y conocer la estructura atómica (neutrón, protón y nucleo) para

poder llegar a comprender que tan importante son estas partículas y como

definen características térmicas, mecánicas, en los elementos con el simple

hecho del acomodo de sus electrones.

Además de estudiar más a fondo la

composición de un átomo, conoceremos su

estructura electrónica para conocer en qué

nivel se encuentra según su masa atómica y

descubriremos que existen diferentes tipos de

enlaces atómicos: primarios (metálico,

covalente y iónico) y secundarios (Fuerza de

Van de Walls, Puentes de Hidrógenos) que nos

ayudan a clasificar nuestros elementos según la

accesibilidad con la que pueden donar

electrones de valencia.

A lo largo de este ensayo también conoceremos los cuatro tipos de arreglos

o distribuciones atómicas, que es prácticamente el orden que toman los

átomos y que por su estructura nos definen propiedades diferentes unos de

otros, por ejemplo: los gases carecen de orden, mientras que los materiales

cristalinos tienen un largo alcance.

Finalmente analizaremos las redes de átomos y explicaremos atreves de

operaciones matemáticas como obtener el factor de empaquetamiento y

la densidad del mismo, así como el análisis de los vacíos de los mismos (sitios

intersticiales).

ESTRUCTURA DEL ÁTOMO Un átomo es la unidad básica de toda material,

también es la partícula más pequeña en que un

elemento puede ser dividido sin perder sus

propiedades químicas.

Un átomo está constituido principalmente por

tres partículas subatómicas: protones, neutrones

y electrones.

De acuerdo a masa, el núcleo constituye gran

parte del átomo, luego el neutrón y finalmente

y con una diferencia casi nula el protón. Estos

dos últimos tienen una carga igual unitaria de (+ - 1.602x10-19)

respectivamente.

Los átomos no se crean ni se destruyen, pero se organizan de manera

diferente creando enlaces diferentes entre un átomo y otro.

El núcleo de los átomos contiene neutrones y protones, y los electrones se

mantienen alrededor del núcleo por medio de una atracción electrostática.

Los electrones que se encuentran en los extremos son quienes determinan

las propiedades eléctricas, térmicas, químicas, etcétera.

El número atómico de un elemento es igual al número de protones de cada

átomo, esto quiere decir que si el cromo tiene 24 protones, tiene un número

atómico de 24.

La masa atómica M es igual a la masa total del número promedio de

protones y neutrones en el átomo en unidades de masa atómica, también

es a masa en gramos de constante de Avogadro NA=6.022x1023 átomos/mol

es el número de átomos o moléculas en un mol. La unidad de masa atómica

(UMA) es una unidad alterna más no exacta para calcular la masa atómica,

por ejemplo la masa atómica del carbono es 12, quiere decir que tiene seis

protones y seis neutrones). A pesar de que esta idea funciona para casi

todos, hay átomos de un mismo elemento pero con diferente masa atómica

por tener diferente número de neutrones pero igual número atómico.

Masa, gramos

(g)

Carga, culombios

(C )

Protón 1.673x10-24 (+) 1.673x10-19

Neutrón 1.675x10-24 0

Electrón 9.109x10-28 (-) 1.673x10-19

Estructura electrónica del átomo Como ya sabemos cada elemento tiene electrones dispersos alrededor del

nucleo; ellos poseen una energía particular y dependiendo de su

localización un niveles de energía.

Los niveles de energía al que pertenecen están determinado por cuatro

números cuánticos:

Numero cuántico principal (n): refleja el agrupamiento de los

electrones en conjuntos de energía conocidos como capas.

Numero cuántico secundario (l): describen los niveles de energía

dentro de cada capa cuántica y reflejan el agrupamiento posterior.

Número cuántico magnético: especifica los orbitales asociados con

un número cuántico acimutal particular dentro de cada capa.

Numero cuántico del espín: se le asignan valores de +1/2 y -1/2, lo cual

refleja los dos valores posibles de un electrón.

Al especificar sus cuatro números, la "dirección" de un electrón particular en

un átomo dado se define completamente; es decir, los cuatro números

cuánticos sitúan a cada electrón en el nivel de energía (n), la subcapa (l),

la sub-subcapa (m) y la dirección de su spin (s).

Cabe mencionar que de acuerdo al principio de exclusión de Pauli, dentro

de cada átomo, dos electrones no pueden tener los mismos cuatro números

cuánticos, es decir cada electrón esta designado por un conjunto único de

cuatro números cuánticos.

Con la finalidad representar la estructura electrónica de un átomo se utiliza

una notación abreviada que contiene el valor del número cuántico

principal, una letra que representa el número cuántico acimutal y un

superíndice que indica el número de electrones en cada orbital.

Ejemplo: a notación abreviada del fierro (masa atómica=26) es:

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s2

ENLACES ATÓMICOS Un enlace atómico o también llamado enlace químico es cuando los

orbitales incompletos están en un estado inestable e interaccionan

compartiendo e intercambiando electrones con otros átomos estables y

controlados.

Existen dos tipos diferentes de enlaces atómicos:

Primarios: Son fuertes ya que sus enlaces químicos mantienen a los

átomos muy unidos, estos son: el metálico, el covalente y el iónico.

Secundarios: Son subdivisibles de los enlaces, son débiles y lo

conforman Las fuerzas de Vaan de Waals.

Primarios 1. Enlace metálico: es un enlace químico

que comparten vínculos externos con los

átomos de un sólido, desprendiendo una

carga positiva y perdiendo sus electrones

más externos pero manteniendo sus

electrones de valencia más cerca del

nucleo produciendo una estructura fuerte

y compacta.

2. Enlace iónico: cuando está presente más de un tipo de átomo en un

material, un átomo puede donar electrones de valencia a un átomo

distinto, llenando la capa más externa de electrones para transferirla

a un segundo átomo. Esto quiere decir que ambos tienen niveles de

energía y adquieren carga eléctrica, comportándose como iones. A

los átomos que adquieren una carga positiva se les llama catión,

mientras que el átomo que acepta los electrones con carga negativa

se les llama anión.

3. Enlaces covalentes: se presenta cuando dos elementos carecen de

electrones y se unen para compartirlos y completar sus electrones.

Generalmente comparten electrones de los niveles S y P para adquirir

la configuración de los gases nobles.

Secundarios 1. Fuerzas de Van der Waals: Cuando se

encuentra a una distancia moderada las

moléculas se atraen entre sí pero cuando sus

nubes electrónicas empiezan a solaparse,

estas moléculas se repelen con fuerza. Las

fuerzas de Van er Waals incluyen:

Fuerzas dipolo-dipolo también llamadas fuerzas de Keesom.

Fuerzas dipolo-dipolo inducido también llamadas fuerzas de

Deybe.

Fuerzas dipolo instantáneo-dipolo inducido llamado también

fuerzas de London.

2. Puente de hidrógeno: Éste enlace se da entre moléculas que tienen

en sus extremos átomos de hidrógeno, que comparten electrones con

el átomo al que está unido en la molécula a la que pertenece, y el

átomo de otra molécula es colindante.

3. Enlaces mixtos: Es cuando el enlace químico de átomos o iones

puede suponer más de un tipo de enlace primario y también enlaces

dipolares secundarios.

ORGANIZACIÓN ATÓMICA En los distintos estados de la materia, se pueden definir cuatro tipos de

arreglos o distribuciones atómicas o iónicas.

Carentes de orden: es el acomodo cuyos átomos no están unidos

entre sí, esto se debe a que estos materiales llena todo el espacio

disponible en la superficie que los contiene como el argón (Ar) o el

plasma que se forma en un tubo de luz fluorescente, etcétera.

Orden de corto alcance: Cuando el arreglo especial de los átomos

sólo se extiende en su vecindad inmediata, el material tiene un orden

de corto alcance, por ejemplo en los vidrios inorgánicos se observa

esta peculiaridad. Muchos polímeros muestran también arreglos

atómicos de corto alcance.

Orden de largo alcance: El arreglo atómico de largo alcance abarca

escalas de longitud muchos mayores de 100 nanómetros y todos los

átomos o los iones en estos materiales forman un patrón regular y

repetitivo, semejante a una red en tres dimensiones.

De ahí se derivan los materiales cristalinos. Cuando un material

cristalino está formado de un solo cristal grande, se le llama

monocristal y cuando están formados de pequeños cristales y

cuantiosos orientados diversamente con respecto al espacio, son

llamados policristalinos. Por ejemplo: la mayoría de los metales y

aleaciones, los semiconductores, los cerámicos y algunos polímeros.

Cristales líquidos: Estos materiales básicamente poliméricos, tienen un

orden especial. En función de diferentes estados pueden comportarse

como materiales amorfos, en semejanza a los líquidos. Cuando se

someten a cargas eléctricas, como un tipo de estímulo externo,

algunas moléculas de polímero se alinean y forma pequeñas regiones

que son cristalinas.

Ejemplos:

En los materiales cristalinos las partículas componentes muestran un

ordenamiento regular que da como resultado un patrón que se repite en las

tres dimensiones del espacio, y a lo largo de muchas distancias atómicas.

Los sólidos cristalinos poseen internamente un orden de largo alcance.

En los materiales amorfos, los átomos siguen un ordenamiento muy

localizado, restringido a pocas distancias atómicas y que, por tanto, no se

repite en las tres dimensiones del espacio. Se habla de un orden local o de

corto alcance. En la siguiente figura se ilustran los conceptos de largo y corto

alcance, en un esquema bidimensional.

CELDAS UNITARIAS Una red describe el arreglo de los átomos o iones a lo largo de un material.

Es una colección de puntos, llamados puntos de red, ordenados en un

patrón periódico de modo que los alrededores de cada punto de la red son

idénticos. Los puntos de red pueden ser unidimensional, bidimensional o

tridimensional.

Al grupo de uno o más átomos organizados en forma determinada entre sí,

y a la vez asociados a un punto de red, se le llama motivo o base. Una

estructura cristalina es la reunión de base y red. El átomo más grande se

ubica en cada punto de red con el átomo más pequeño localizado a una

distancia fija sobre el punto de red.

La red de un material se subdivide en pequeñas

porciones, y se obtiene la celda unitaria, que

conserva las características secuenciadas de

toda la red, y que con ésta puede construirse

toda la red.

Los sistemas cristalinos tienen siete arreglos únicos que llenan el espacio

tridimensional: cúbico, tetragonal, ortorrómbico, romboédrico, hexagonal,

monoclínico y triclínico.

Es importante mencionar que a pesar de que los átomos se desplazan entre

sí, este desplazamiento no modifica los arreglos atómicos del cristal. La única

manera de arreglar los puntos en una dimensión para que cada punto

tenga entornos idénticos, es atreves de las redes de Bravais.

El físico francés A. Bravais demostró que para evidenciar con claridad todas

las simetrías posibles de las redes tridimensionales son necesarios no 7, sino

14 celdillas elementales. Estas celdillas se construyen a partir de los 7

poliedros anteriores, pero asociándoles una serie de puntos (nudos) que no

sólo están situados en los vértices, sino también en el centro del mismo, o en

el centro de sus caras.

Parámetros de red El tamaño y la forma de la celda unitaria se especifican por la longitud de

las aristas y los ángulos entre las caras. Cada celda unitaria se caracteriza

por seis números llamados Parámetros de Red, Constantes de Red o Ejes

cristalográficos.

La longitud de las aristas se expresa en nanómetros o Angstrom y esta

longitud depende de los diámetros de los átomos que componen la red.

Factor de empaquetamiento En cristalografía, el factor de empaquetamiento atómico (FEA) es la fracción

del espacio ocupado por átomos. Este factor es adimensional y siempre

menor que la unidad. Para propósitos prácticos, el FEA de una celda unidad

se determina asumiendo que los átomos son esferas rígidas.

Donde Nátomos es el número de átomos en la celda unidad, Vátomo es el

volumen de un átomo, y Vcelda unidad es el volumen ocupado por la celda

unidad.

Ejemplo:

Estructura cúbica simple (a=2r)

FE= (1 átomo / celda) (4 π r3 /3) = (4 π r3 /3) = π

a3 8r3 6

FE= 0.53 = 52% empaquetamiento, Porcentaje de la celda ocupada por los

átomos.

Densidad La densidad teórica de un material puede calcularse utilizando las

propiedades de la estructura cristalina.

Para obtener un valor de densidad volumétrica, es necesario aplicar el

modelo de esferas rígidas para la estructura cristalina de la celda unitaria de

un metal y un valor del radio atómico del metal atreves del análisis de

difracción de rayos x.

La fórmula general es:

Densidad volumétrica de un metal = ρv = mas /celda unitaria

Volumen /celda unitaria

Ejemplo: Determine la densidad de hierro (BCC)

Parámetros de red: a= 0.2866 nm

Átomos /celda= 2

Volumen = a3 = (2..866x10^-8cm)3 = 23.54x10^-24 cm3 /celda

ρ = (2) (55.847) = 7.882 g/cm3

(23.54x10^ -24) (6.02x10^23)

PUNTOS, DIRECCIONES Y PLANOS EN LA CELDA

A veces es necesario referirse a los planos reticulares específicos de los

átomos que se encuentran en una estructura cristalina, o puede ser

interesante conocer la orientación cristalográfica de un plano o de grupos

de planos en una red cristalina cubica se utiliza el sistema de notación de

Miller.

Los índices de Miller de un plano cristalino se definen como el reciproco de

las fracciones de intersección (con fracciones simplificadas) que el plano

presenta con los ejes cristalográficos x, y y z de las tres aristas no paralelas de

la celda unitaria cubica.

Las aristas del cubo en la celda unitaria representan longitudes unidad y las

intersecciones de los planos reticulares se miden con base a estas longitudes

unidad.

Las coordenadas son los puntos en la celda unitaria que indican la posición

de los átomos.

Las direcciones de una celda unitaria son vectores unitarios que indican la

posición de los átomos. Se determinan utilizando una notación de índices de

Miller y se identifica con las letras h, k, l.

La orientación de una superficie de un cristal plano se puede definir

considerando como el plano corta a los ejes cristalográficos principales del

sólido. La aplicación de un conjunto de reglas conduce a la asignación de

los índices de Miller (h,k,l); un conjunto de números que cuantifican los cortes

y que sólo puede usarse para identificar un plano o una superficie.

Las superficies consideradas hasta ahora (100), (110) y (111) son las llamadas

superficies de índice bajo de un cristal cúbico (el termino bajo hace

referencia a que los índices son 0 o 1). Estas superficies tienen especial

importancia, pero hay un número infinito de otros planos que pueden

definirse usando los índices de Miller.

SITIOS INTERSTICIALES Los sitios intersticiales son pequeños sitios (espacios vacíos) entre los átomos

que forman una estructura cristalina donde se pueden ubicar átomos más

pequeños. Estos pequeños huecos se originan debido a que los átomos son

esféricos.

Los sitios intersticiales pueden estar vacíos o pueden contener átomos más

pequeños.

Existen dos tipos de sitios intersticiales en

cualquiera de las 14 redes de Bravais:

• Octaédricos

• Tetraédricos

Ejemplo: existen materiales que pueden tener más de una estructura cristalina

Si son elementos puros se les llama alotrópicos

En general se llaman polimórficos

Cuando un pedazo de hierro se calienta, su volumen aumenta debido a la expansión térmica del

metal.

Cuando alcanza los 912 °C el hierro se contrae porque cambia su estructura cristalina.

CONCLUSIÓN Como pudimos ver en este ensayo, el átomo es la unidad básica de todo

material y es indispensable conocer su estructura, composición y orden del

mismo para poder manipularlos de la manera correcta según las

propiedades que poseen. La ciencia y la tecnología de los materiales

comienzan con el estudio del átomo.

El átomo está compuesto por partículas subatómicas: protones (carga

positiva), electrones (carga negativa) y neutrones (carga nula). Según su

masa el neutrón ocupa la mayor parte del átomo, luego sigue el electrón y

finalmente el protón.

En este proyecto aprendimos que es posible calcular la masa atómica de la

siguiente manera: através del promedio de los protones y neutrones en el

átomo y calculándolos con la constante de Avogadro (6.022x1023). También

descubrimos que los átomos poseen energía propia y dependiendo de la

ubicación de sus electrones tienen un niveles de energía determinados por

cuatro números cuánticos: principal, secundario, acimutal y espín.

Es importante recordar que los átomos no siempre están estables y completo

debido a que sus orbitales están incompletos, es por eso que existen enlaces

primarios (metálico, covalente y iónico) y secundarios (Fuerzas de Van de

Walls, puentes de hidrogeno y enlaces mixtos); con el fin de compartir

vínculos externos con átomos vecinos para lograr su estabilidad.

A lo largo de este ensayo conoceremos que la organización atómica nos

define cuatro tipos de distribuciones (acomodos): carentes de orden (no

están unidos entre sí), orden de corto alcance (los átomos solo se extiende

con su vecindad inmediata), orden de largo alcance (el arreglo atómico

abarca escalas de longitud mayores a 100nm) y cristales líquidos (tienen un

orden especial según el estado en el que se encuentren).

También aprendimos que el arreglo de los átomos organizados forma redes

y estas a su vez se dividen en pequeñas porciones llamadas celdas unitarias.

Aparte conocimos que las estructuras atómicas tienen simetría y se pueden

observar fácilmente en las 14 redes de Bravais.

Finalmente descubrimos como calcular el factor de empaquetamiento

(para obtener el porcentaje de celda ocupado por átomos) y la densidad.

BIBLIOGRAFÍA

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Mc Gram Hill, cuarta edición

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