ING1024 C3 2 Estructura de La Materia

2III. Estructura de la materia

ING1024 – Propiedades y Resistencia de Materiales Escuela de Ingeniería – PUC

1. INTRODUCCIÓN AL ESTUDIO DE LOS MATERIALES Motivación y visión general de la disciplina Definición de propiedades mecánicas fenomenológicas

2. ELASTICIDAD EN MEDIOS CONTINUOS Análisis de tensiones: conceptos de tracción, tensión y equilibrio diferencial,

transformación de coordenadas, estado de tensiones planas, tensiones y direcciones principales, círculo de Mohr de tensiones.

Análisis de deformaciones: concepto de deformaciones unitarias, transformación de coordenadas, estado de deformaciones planas, deformaciones y direcciones principales, círculo de Mohr de deformaciones.

Relación constitutiva: modulo elástico, de corte y razón de Poisson, ley de Hookegeneralizada, formulación matemática de la elasticidad.

3. ESTRUCTURA ATOMICA DE LA MATERIA Elementos de microestructura Enlaces entre átomos: primarios y secundarios Estructuras cristalinas y amorfas (sistemas cristalográficos, mallas de Bravais, definición

estructura atómica, estructuras BCC, FCC, HCP) Defectos microestructurales (puntuales, lineales y superficiales)

4. PROPIEDADES FÍSICAS DE MATERIALES Y SU RELACIÓN CON LA MICROESTRUCTURA Seleccionadas propiedades físicas: densidad, porosidad abierta y cerrada, absorción,

coeficiente de expansión térmica, capacidad calórica, conductividad térmica, punto de fusión, conductividad eléctrica.

5. PROPIEDADES MECÁNICAS DE MATERIALES Y SU RELACIÓN CON LA MICROESTRUCTURA Comportamiento elástico, anelástico y pseudoelástico Comportamiento plástico Criterios de fluencia: Tresca y von Mises Daño por fractura Comportamiento visco-elástico (elastómeros, modelos de Maxwell y Voight)

6. CLASES DE MATERIALES Materiales metálicos Materiales cerámicos Materiales poliméricos Materiales compuestos, elasticidad en materiales compuestos Avances en materiales

III. Estructura de lamateria



Si los átomos no interactuaran entre sítoda la materia estaría en estado de gas

Elementos del grupo 8A: gases noblesLa configuración electrónica de sucapa externa está completa ( ns2… np6 )

Sin enlaces no hay estructura



4

La electronegatividad es la capacidad de atraer electrones

1H

2He

3Li

4Be

5B

6C

7N

8O

9F

10Ne

11Na

12Mg

13Al

14Si

15P

16S

17Cl

18Ar

19K

20Ca

21Sc

22Ti

23V

24Cr

25Mn

26Fe

27Co

28Ni

29Cu

30Zn

31Ga

32Ge

33As

34Se

35Br

36Kr

37Rb

38Sr

39Y

40Zr

41Nb

42Mo

43Tc

44Ru

45Rh

46Pd

47Ag

48Cd

49In

50Sn

51Sb

52Te

53I

54Xe

55Cs

56Ba Lan.

72Hf

73Ta

74W

75Re

76Os

77Ir

78Pt

79Au

80Hg

81Tl

82Pb

83Bi

84Po

85At

86Rn

87Fr

88Ra Act.

104Rf

105Db

106Sg

107Bh

108Hs

109Mt

110Ds

111Rg

112Cn

1A

2A 3A 4A 5A 6A 7A

8A

3B 4B 5B 6B 7B 8B 1B 2B

ceden electrones( cationes +)

1e 2e 3e captan electrones( aniones ‐)

2e 1e

electropositivos (metales) electronegativos

0e

gases inertes

3e

menor energía de ionización mayor afinidad electrónica

RECORDATORIO



La valencia y la electronegatividad determinan el tipode enlace que se puede producir entre pares de átomos

Valencia Tendencia Unión principal

0 inerte enlaces secundarios

1, 2, 3 ceder electrones enlace iónico oenlace metálico

4, 5, 6, 7 compartir electrones enlace covalente

5, 6, 7 captar electrones enlace iónico

+

−



El equilibrio entre las fuerzas de atracción y repulsióndetermina el distanciamiento atómico del enlace

Fuerza de atracción

Fuerza de repulsión

La que induce a formar o mantener un enlace

La que nace de interacción de cargas iguales:repulsión de núcleos, repulsión de orbitales



Enlaces iónicos

Enlaces covalentes

Cationes (+) son atraídos a aniones (−)

Los enlaces primarios se deben a la atracción electrostática

Núcleos atómicos (+) son atraídos porelectrones (−) compartidos entre ellos

Enlaces metálicosLos núcleos atómicos (+) están embebidosen una nube de electrones (−) compar dos

q+ Q+

q+ Q−

r

|FQ‐q| =|Q ∙ q|4π ε0 r2



Fuerza de atracción

Ley de Coulomb, donde:

Fuerza de repulsión

FA = (Z1e)(Z2e) = A4π ε0 r2 r M FR = −

nb = − Br n+1 r N

Z1 Z2 cargas asociadas a cada ióne carga electrón: 1,6 ∙10‐19 Cr separación interatómicaε0 permisividad en el vacío:

8,85 ∙10‐12 C2/(N∙m2)A constanteM constante

Resultado experimental, donde:

n b constantesr separación interatómicaN valor empírico:

0 - 7 unión van der Waals7 -10 unión metálica10-12 unión iónica / covalente



En el punto de equilibrio la fuerza neta es cero

separacióninteratómica

+fuerza entrelos átomos

0

−

atracción

fuerza neta

repulsión

fuerza neta igual a 0



La energía de enlace se relaciona con la aplicación dela fuerza de enlace sobre una distancia determinada

Energía de atracción

Energía de repulsión

U = ∫FN dr

UA = − A = − a(M−1) r M‐1 r m

a, m constantesr separación interatómica

UB = − − B = + b(N−1) r N‐1 r n

b, n constantesr separación interatómica



A la distancia de equilibrio el sistema lograla menor energía resultante (más negativa)

separaciónequilibrio

+

Energía Interatómica

−

energíade enlace

Distancia

0

atracción

energíaresultante

repulsión



La fuerza/energía de equilibrio determinael distanciamiento atómico del de enlace

separacióninteratómica

(2 r)

+

Energía Interatómica

−

energíade enlace

DistanciaFuerza

+

−

Distancia



Enlace Iónico



Configuración electrónica de un enlace iónico

Shatt


La fuerza del enlace iónico dependede la diferencia de carga de los iones

Mayor resistencia del enlace

1+

1−

ejemplo:NaCl

3+

3−

ejemplo:Al P

2+

2−

ejemplo:MgO

4+

4−

ejemplo:Ti C

801°C 2530°C2572°C 3160°Cpunto de fusión:



Los enlaces puramente iónicos no son direccionalesCada partícula cargada ejerce atracción sobretodas las partículas de carga opuesta cercanas

En sólidos iónicos cada anión se rodeade tantos cationes como sea posible

+−

+

+

+

+

+

x

y

z

La red formada por ioneses eléctricamente neutra




Enlace Covalente



Configuración electrónica de un enlace covalente


Los ángulos entre átomos se debena la formación de orbitales híbridos

Ejemplomolécula de metano

ángulos entre los átomos definidos por estructura electrónica


Los enlaces covalentes son direccionales


Los enlaces covalentes son direccionalesLos átomos adoptan ángulos de enlace dado que se repelencon otros átomos que forman parte de la misma molécula




Los enlaces covalentes tienen un carácter iónico cuandohay diferencias en la electronegatividad de los átomos

F2covalente

HFcovalente polar

NaFIónico

(con cierto carácter iónico)

10025,0exp1 2 BA XX%caracter iónico


Enlace Metálico



Al combinar átomos se forman nuevos niveles energéticos que pasan a ser bandas, ejemplo Na

núcleos atómicos de Na

Energía E

Energía E



Al combinar átomos se forman nuevos niveles energéticos que pasan a ser bandas, ejemplo Si

Energía E

Distancia interatómica

Banda prohibida

Banda de valencia

Banda de conductividad



Enlaces Secundarios



Los enlaces secundarios (van der Waals) se forman entre moléculas o diferentes partes de una misma molécula

Incluyen interacciones entre:

átomosmoléculassuperficies


O − H

HI

O − HIH

δ+

δ+

δ+

δ+δ−

δ−

R1‐OH ….. O=R2R1‐OH ….. NR2R1=NH ….. O=R2R1=NH ….. NR2

Puentes de hidrogeno típicos


1. Interacción entre dipolos permanentes

Ejemplomoléculade ADN



2. Interacción dipolo permanente ‐ dipolo inducido



3. Interacción dipolo inducido ‐ dipolo inducido

δ−inducción

atracción

δ+

δ−δ+ δ−δ+

Los electrones pueden concentrarsemomentáneamente en una región

Es un efecto transitorio

La distribución electrónica varía



La atracción dipolo‐ión explica la solubilidad delos compuestos iónicos en agua (molécula polar)

O − H

HI

Cl−Na+H − O

HI

O − HIH

H − OIH

H − OIH

O − HIH

O − H

HI

H − O

HI

4. Interacción carga ‐ dipolo permanente



Las fuerzas intermoleculares son relativamente débiles

Resistencia relativa de enlaces

Tipo de enlace Energía deDisociación

Covalente 400 kcal

Puente Hidrógeno 12 – 16 kcal

Dipolo ‐ Dipolo 0.5 – 2 kcal

Dispersión London < 1 kcal Dependen de la orientación relativade las moléculas (excepto: London)

Son anisotrópicas

Son las fuerzas que permiten formarsólidos a partir de moléculas grandes

Ejemplo: Polímeros

Sin embargo:



Enlaces mixtos

Enlace Covalente Enlace Iónico

Enlace Metálico

Enlaces Secundarios

óxidos, silicitos, boridos

diamante

Cu, Ni, Fe …

polímeros

Laves‐

fases

MgOAl2O3TiO2…



Algunas propiedades de los compuestos iónicos:

La mayoría son sólidos (@T ambiente)

Tienen altos puntos de fusión/ebullición

Suelen ser quebradizos

Muchos son solubles en agua(y otros solventes polares)

Su presión de vapor es muy baja

No conducen la electricidad(si como líquidos: derretidos, solución)

Tienen baja conductividad térmica

enlace de alta energía (se requiere mucha energía paramover cargas en una red iónica)

las moléculas polares ejercenatracción electromagnética

No hay electrones libres, ylas cargas están inmovilizadas

Baja movilidad de los iones



Algunas propiedades de los sólidos metálicos:

Son maleables y dúctiles

Sólo son solubles en otros metales

Tienen altos puntos de fusión/ebullición

Son buenos conductores eléctricos

Tienen alto nivel de empaquetamiento

El desplazamiento de los átomosno cambia la estructura de enlace

El enlace metálico no difiere deun metal a otro (es continuo)

Los electrones actúan comocargas negativas diminutas…

Son buenos conductores térmicos

…que se desplazan libremente

Es un enlace fuerte incluso en estado líquido

La luz no puede penetrar su superficie



Algunas propiedades de los compuestos covalentes:

Sus puntos de fusión y ebullicióndependen del tamaño de la molécula

Su solubilidad depende de laestructura molecular formada

Su presión de vapor tambiéndepende del tamaño de la molécula

Tienen baja conductividad eléctricaAlgunos sólidos son semiconductores

Sólidos covalentes son quebradizosy tienen alto módulo elástico

El enlace es muy firme, hay quemovilizar la molécula completa

La estructura puede ser polar ono‐polar según átomos presentes

Los electrones están muyadheridos a los átomos

Es un enlace fuertey direccional


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