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
Smith William, Fundamentos de la ciencia e ingeniería de materiales,
Mc Gram Hill, cuarta edición
Askeland Donald,varios, ciencia e ingeniería de materiales, Cengage
Learning, sexta edición
http://prof.usb.ve/hreveron/capitulo2.pdf
http://www.ehowenespanol.com/son-enlaces-atomicos-
sobre_392081/
http://datateca.unad.edu.co/contenidos/256599/256599%20Material
es%20Industriales/123_tipos_de_enlaces.html
http://tecnobach.wikispaces.com/Enlaces+Atomicos
http://www.esi2.us.es/IMM2/estructuras_cristalinas/orden_y_desorden
.html
http://www6.uniovi.es/usr/fblanco/CERAMICAS.Tema1.EstructuraCRIS
TALINA.2009.2010.pdf
http://analisismateriales.blogspot.mx/2009/11/arreglos-atomicos-e-
ionicos.html
http://es.slideshare.net/ignacioroldannogueras/ejercicios-tema-3-1-
estructura-cristalina?next_slideshow=1
http://www.academia.edu/6364825/Indices_de_Miller
http://www.uca.edu.sv/facultad/clases/ing/m210031/Tema%2002.pd
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