Enlace Atomico Est

Mecánica de Materiales

Sesión No 3

Escuela de Ingeniería MecatrónicaUniversidad Nacional de Trujillo

ENLACE ATOMICO

Dr. Jorge A. Olortegui Yume, Ph.D.

Enlace Atomico Dr. Jorge A. Olortegui Yume, Ph.D.2


Orbital de electrones “d”

Cuprita Cu2O


ENLACE ATOMICO

CONCEPTOS GENERALES

TIPOS


CONCEPTOS GENERALES


ENLACE IONICO

© 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™

Electron de Valencia

Atomo de Na Atomo de Cl Ion Na+Ion Cl-


ENLACE IONICOTransferencia de electrones

Enlace ionico


ENLACE IONICOFUERZA DE ATRACCION CULOMBICA

cF cF


ENLACE IONICOFUERZA DE REPULSION

RFRF

Fuerza repulsivaF R

x1

09


ENLACE IONICO

Fc (Fuerza de atraccion culombica)

F (Fuerza neta de enlace)

FR (Fuerza repulsiva)


ENLACE IONICOENERGIA DE ENLACE (E)

Fue

rza

de

En

lace

Ene

rgia

de

En

lace


ENLACE IONICODistancia de equilibrio, radios atomicos (ionicos) y modelos

Efecto de la ionizacion:

“r” disminuye

Pierde 1 e- Gana 1 e-

“r” aumenta


ENLACE IONICO

Radio atomico/ionico:Radio asociado a densidad

media del orbital mas externo

Planetario Simple

Esferas rigidas

(El que usaremos)

Esferas flexibles

Distancia de equilibrio, radios atomicos(ionicos) y modelos


ENLACE IONICO

NC=1 Posible

NC=4 Inestable

Traslapes

(Alta repulsion)

Inestabilidad se reduce en

3D

NUMERO DE COORDINACION (NC)

NC=2 Posible

NC=3 Maximo


ENLACE IONICOEjemplo: Minimo valor de r/R para obtener una coordinacion establetres (NC=3) •Significado: Si r/R<0.155

CN=1 Posible

CN=2 Posible

CN=3 Inestable

Solucion

El mínimo valor es r/R=0.155


ENLACE IONICOSolucion (Continua)

•En el 1er ejemplor/R=0.2 > 0.155

•Por tanto CN=3 era posible y maximo al mismo tiempo para 2D

NC=1 Posible NC=2 Posible NC=4 InestableNC=3 Maximo


ENLACE IONICONumeros de Coordinacion para el Enlace ionico

Numero de

Coordinacion

Relacion de radios, r/R Geometria de Coordinacion

Centrada en el Cuerpo

(BCC)

Hexagonal Compacta (FCC)

•Calculos basados en esta tablason guias no prediccionesabsolutas

•Para r/R >1 NC tiende a ser <12 por razones practicas (se revisitara)

• NC=5,7,9,10,11 No aparecen

Coordinaciones dificiles de integrar en estructurascristalinas repetitivas

Centrada en las Caras (FCC)


ENLACE IONICOEjemplo: Calculese la fuerza de atraccion electrostatica entre el Ca2+ y el O2- en el CaO, que posee la estructura del NaCl

SOLUCION


ENLACE IONICOSOLUCION (cont)


ENLACE IONICOEjemplo: La coloracion del vidrio por la accion de ciertos iones essensible a menudo a la coordinacion del cation por iones de oxigeno. Por ejemplo el Co2+ proporciona un color azul-purpura cuando esta en coordinacion cuatro (caracteristica de la red del Silice) y proporcionacolor rosa cuando cuando su coordinacion es seis. Que coloracion cabeesperar de acuerdo con la relacion entre los radios para el Co2+

SOLUCION



Numeros de Coordinacion para el Enlace ionico

Numero de

Coordinacion

Relacion de radios, r/R Geometria de Coordinacion

Centrada en el Cuerpo (BCC)

Centrada en las Caras (FCC)

Hexagonal Compacta (FCC)


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Ejemplo: Si (valencia 4) 4 enlaces covalentes.

Atomo de Silicio

Enlaces Covalentes

Electrones de valencia compartidos entre atomos c/ atomo tenga su orbital externo sp lleno.


ENLACE COVALENTEModelo planetario

Modelo de nube electronica

Representacion electron-punto

Representacion con lineas de enlace

Ejemplo: Molecula de gas Cloro (Cl2)


ENLACE COVALENTEEjemplo: Describir como se juntan los atomos de Oxigeno y Silicio para formar Oxidode silicio (SiO2), asumiendo que el SiO2 tiene solo enlaces covalentes

SOLUCION

•Si tiene valencia 4 y comparte e- con 4 atomos de O. 8 e- en total x c/ atomo de Si.

•O tiene valencia 6 y comparte e- con 2 atomos de Si.

• No todos los enlaces son covalentes, los enlaces ionicos tambien son posibles.

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ENLACE COVALENTE

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Direccionalidad

•Angulo de enlace: Angulo formado entre c/enlace

SOLUCION (cont.)


ENLACE COVALENTE

Ejemplo: Carbono


ENLACE COVALENTEEjemplo: Estructura 3D del diamante

•Enlaces covalentes entre de atomos• Alta dureza• Tfusion alta (3500oC)

IMPORTANTE: El enlace covalente podria darNC menores a las predicciones asociadas a r/R

•C/atomo de C forma 4 enlaces covalentescon otros 4 atomos de C

• r/R=1.0 Prediccion NC = 12• En realidad NC = 4• Razon: hibridacion sp3 (investigar??)


ENLACE COVALENTE

Molecula de Etileno

Molecula de Polietileno

Unidad Monomerica o Monomero

Ejemplo: Doble enlace El etileno (C2H4)

• Doble enlace 2 enlaces simplesPolimerizacion

•Monomeros se unen covalentemente•2 e- de valencia se comparten

•Resultado: Molecula de cadena larga• Polietileno -(C2H4)n-


ENLACE COVALENTE•Esquema 2D del polietileno solido (estructura “espaguetti”)

• C-C y C-H son enlaces covalentes o “fuertes”

• H-H son enlaces secundarios o “debiles” Polimeros tienen

• Resistancia baja• Baja Tfusion


ENLACE COVALENTEFUERZA Y ENERGIA DE ENLACE

Energia de enlace

Distancia de enlace


ENLACE COVALENTEValores de Energias de enlace tipicos

Energias y distancias de enlace en enlaces covalentes representativos

Enlace

Energia de Enlace Distancia de Enlace

nmkcal/mol kJ/mol

•Energias de enlace aproximadas

•Varian con enlaces adyacentes

•Energias de formacion son

(-) “E” liberada

•Energias de ruptura son

(+) “E” agregada


ENLACE COVALENTEEjemplo: Un termistor es un dispositivo usado para medir la temperatura. Este haceuso del cambio de conductividad electrica con la temperatura. Seleccionar un material que podria servir como termistor para el rango de temperaturas entre 500 to 1000oC.

Fotografia de un termistor comercial (Cortesia de Vishay Intertechnology, Inc.)


ENLACE COVALENTESOLUCION

•Puede hacerse que la resistencia de un termistor se incremente o se reduzca con la temperatura.

•Si existe un incremento de resistividad con la temperatura se dice que termistor es de coeficiente resistivo de temperatura positivo (PTCR).

• Si existe un decremento de resistividad con la temperatura se dice que el termistor es de coeficiente resistivo de temperatura negativo (NTCR).

•El hecho de que el termistor cambie sus resistencia con la temperatura se usa para controlar temperatura o para interrumpir/activar (‘‘on’’ y ‘‘off ’’) el circuito electrico de un equipo particular (refrigerador, secador, horno, o reactor) cuando este alcance cierta temperatura.


ENLACE COVALENTESOLUCION (Continua)

•Requerimientos de Diseno

•El material del termistor debe ser de alto punto de fusion

•El cambio en conductividad electrica debe ser sistematico y reproducible en funcion de la temperatura.

•Los materiales conteniendo enlaces covalentes son buenos candidatos.

•Tienen usualmente altos puntos de fusion

•A medida que la T se incrementa un numero creciente de electrones resultan disponibles para transferir carga electrica

• El Silicio (semiconductor) es una buena posibilidad

• Punto de fusion =1410oC

• Posee enlaces covalentes.

•El silicio tiene que protegerse contra la oxidacion


ENLACE COVALENTE

SOLUCION (Continua)

•Un cierto numero de materiales ceramicos poseen puntos de fusion altos y se comportan como materiales semiconductores

•Asegurarse que los cambios de conductividad en el rango de temperaturas sea aceptable.

•Algunos termistores fabricados con materiales semiconductores presentan un decremento predecible en su resistencia cuando la temperatura aumenta.


ENLACE COVALENTESOLUCION (Continua)

• Los polimeros no son buenos candidatos

•Tipo de enlace en su mayoria covalente

•Bajo punto de fusion o descomposicion

•Muchos termistores usados para interruptores estan basados en Titanato de Bario (BaTiO3).

•Muchos materiales NTCR estan basados en Fe3O4-ZnCr2O4, Fe3O4-MgCr2O4, or Mn3O4, dopado con Ni, Co, or Cu.

• En todos los casos de diseno, una vez satisfechos los criterios tecnicos las siguientes consideraciones son:

•Costo de los materiales en bruto

•Costos de manufactura

•Durabilidad, etc.

•Impacto ambiental (materiales reciclables)


ENLACE METALICO

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Los atomos ceden sus e- de valencia para ser compartidos por atomosadyacentes:

“mar de electrones libres”.

Nucleos enlazados con electroneselectrostaticamente.

Core= Nucleo


ENLACE METALICO

Ejemplo: Metal Cobre

Mar de electrones de valencia

Nucleo del ion Cu2+ (Corte seccional)


Calores de sublimacion (a 25 oC) de algunos metales y sus oxidos

Metal

Calor de SublimacionOxido metalico

Calor de Sublimacion

kcal/mol kcal/molkJ/mol kJ/mol

ENLACE METALICO


ENLACE METALICO

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Cuando un voltaje es aplicado a un metal los electrones libres pueden desplazarse en el “mar electronico” generando corriente.


ENLACE METALICOEjemplo: Calcular el numero de electrones libres (capaces de conducircarga) en diez centimetros cubicos de Plata. La densidad de la Plata esg/cm3 y su masa atomica es 107.868 g/mol.

Numero de Atomos de Ag =

SOLUCION

La valencia de la Plata (Ag) es 1. Solo los electrones de valencia conducen carga

Masa de 10 cm3 de Ag= (10 cm3)(10.49 g/cm3) = 104.9 g

Electrones de valencia

= (5.85 1023 atomos)(1 electron de valencia/1 atomo)

= 5.85 1023 electrones de valencia en 10 cm3 de Ag

2323

1085.5/868.107

)/10023.6)(9.104(

molg

molatomosg

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