ESTRUCTURA ELECTRÓNICA Y ARREGLOS ATÓMICOS.

2년 전
Los materiales están compuestos de átomos que para su estudio se requiere conocer sobre la estructura electrónica y los arreglos atómicos que dichos materiales poseen. Para comenzar se tienen los siguientes conceptos básicos:

ÁTOMO
Es la menor cantidad de un elemento químico que tiene existencia propia. Un átomo esta constituido de tres partículas subatómicas: protones, neutrones y electrones. Esta compuesto de un núcleo rodeado por electrones. La carga eléctrica “q” que llevan cada electrón y cada protón es de 1,6 x 10-9 Coulombs (C).

El número atómico de un elemento es igual al número de electrones y de protones de cada átomo. Por tanto, un átomo de hierro, que contiene 26 electrones y 26 protones, tiene un número atómico de 26.
La masa de cada protón y de cada neutrón es 1,67x 10-24 g, pero la de cada electrón es únicamente 9,11 x 10-28 g.

La masa atómica , que corresponde al número promedio de protones y neutrones en el átomo es la masa de una cantidad de átomos igual al número de Avogadro, 6,02 x 1023 mol-1 ( unidades: gramos/mol ; átomos/mol) , es el número de átomos ó moléculas en un mol. Por tanto la masa atómica tiene unidades de g/mol .

Ej: Calcular el # de átomos en 100g de plata.
Sln: el número de átomos se puede calcular a partir de la masa atómica y del número de Avogadro. La masa atómica de la plata es 107,868 g/mol. Entonces:

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Fuente: Propia

ESTRUCTURA ELECTRÓNICA DEL ÁTOMO
El número atómico nos indica el número de electrones en órbita alrededor del núcleo y que el núcleo tiene una carga positiva que balancea la carga negativa de los electrones.

Se trazaron bosquejos sencillos de los átomos mostrando los electrones en anillos o capas de diferentes niveles de energía .

Ej: estructura atómica del Magnesio 8Mg) Z=12

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Fuente: Propia

ENLACES ATÓMICOS
Es la unión ó conexión entre los átomos. Se tienen por lo general dos tipos de enlaces: primarios y secundarios. Entre los enlaces primarios se tienen: los metálicos, los iónicos y los covalentes. Su energía de enlace va de 200 a 700 Kj/mol. Entre los enlaces secundarios se tienen los de inducción y los permanentes. Su energía de enlace va 0,99 a 21 Kj/mol.

ENLACE METÁLICO
Actúan fuerzas interatómicas relativamente grandes creadas por la compartición de electrones deslocalizados que conducen a la formación de un fuerte enlace no direccional entre átomos.El enlace metálico se forma cuando los átomos ceden sus electrones, creando un mar de electrones ó una nube electrónica. El enlace metálico, que se da entre dos metales.

Los electrones no están unidos a un átomo, se comparten con cada átomo a lo largo del material metálico, están libres, es por ello que los materiales metálicos son buenos conductores tantos eléctricos como térmicos, ya que los electrones son los que transportan tal información al extremo opuesto del mencionado material.

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Fuente: Propia

ENLACE COVALENTE
El nombre covalente deriva de “la distribución compartida, cooperativa, de electrones de valencia” entre dos átomos adyacentes. Actúan fuerzas interatómicas relativamente grandes creadas por la compartición de electrones entre átomos dando lugar un enlace direccional.

Comparten electrones entre dos ó más átomos; aunque los enlaces covalentes son muy fuertes, los materiales enlazados de esta manera por lo general tienen pobre ductilidad y mala conductividad eléctrica y térmica. Para que se mueva un electrón y pueda transportar corriente, debe romperse el enlace covalente, lo que requiere de altas temperaturas ó voltajes. Se da ente elementos no metálicos.

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Fuente: Propia

ENLACE IÓNICO
Actúan fuerzas interatómicas relativamente grandes, por transferencia electrónica se producen iones positivos y negativos que se mantienen unidos por fuerza de Coulomb(atracción entre iones cargados positivamente e iones cargados negativamente). Este es un enlace no direccional y relativamente fuerte. Este enlace ocurre entre elementos metálicos y no metálicos.

Químicamente se sabe que la capa exterior de un elemento no metálico contiene un mayor número de electrones que la capa exterior de un metal. Por ejemplo la capa exterior de un átomo de cloro contiene 7 ( siete) electrones y existe una fuerza motriz capas de atraer un electrón para así formar un grupo estable de 8 ( electrones). Cuando reacciona el sodio, que tiene un electrón de valencia en la capa exterior y el cloro con siete (7) , el sodio cede su electrón para formar una capa estable en el cloro. Esto genera un ión positivo de sodio y un ión negativo de cloro. Lo que se denomina enlace iónico.

Por otra parte un anión es un ión cargado negativamente, producido cuando un átomo acepta uno ó mas electrones y catión es un ión cargado positivamente, producido cuando un átomo cede sus electrones de valencia.

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Fuente: Propia

ENLACE (FUERZA) DE VAN DER WAALS
(Johannes Diderik Van der Waals 1837-1923,físico holándes). A diferencia de los enlaces primarios que ocurren al ceder ó transferir electrones, pues en los enlaces secundarios no ocurre dicha acción. Consisten en enlazamiento de dipolos, es decir enlazamiento entre átomos con asimetría en la carga negativa y positiva dentro de cada unidad atómica. Estos enlaces son de cargas débiles en comparación con los enlaces primarios, pues en los primarios tienen una energía de enlace que va desde 200 a 700 Kj /mol y los enlaces secundarios va de 0,99 hasta 21 Kj / mol. Por lo general se tienen dos tipos de enlaces secundarios: los inducidos y los permanentes.

Los inducidos: Ocurre cuando un dipolo se acerca a otro dipolo, entonces los electrones de un dipolo se atraerán al núcleo positivo del otro dipolo y viceversa. Por lo tanto es un enlace no direccional. En este tipo de enlace la separación entre dipolos es pequeña y esto a su vez la energía de enlace es pequeña 0,99 Kj/mol. Ejemplo los gases nobles como el Helio, Argón, Neón.

Los permanentes: Es cuando dos (2) átomos que poseen dipolos ya se encuentran separados a ciertas distancia, es decir ya un dipolo tiene a otro elemento con dipolo en previo enlace por lo tanto es direccional. La energía de enlace es de 21 Kj / mol. Ejemplo en los hidrocarburos y en el agua.

Es importante resaltar la clasificación de los materiales por su enlazamiento. Por tradición se distinguen tres materiales estructurales fundamentales ( metálicos, cerámicos, polímeros) y se consideran directamente asociados con los tres tipos de enlaces primarios ( metálico, iónico y covalente). Los polímeros deben su comportamiento a enlaces covalentes y secundarios, es decir: implican fuertes enlaces covalentes a lo largo de las cadenas, pero tienen enlazamientos secundarios más débiles entre cadenas adyacentes. En enlace secundario actúa como eslabón débil o eslabón fusible en la estructura, y produce resistencia y puntos de fusión relativamente bajos; algunas de las cerámicas importantes tienen carácter iónico fuerte y covalente.

ARREGLOS ATÓMICOS
Es el orden ó coordinación de los átomos.
Si no se consideran las imperfecciones que aparecen en los materiales, entonces existen tres niveles de arreglo atómico: sin orden, de corto alcance y de largo alcance.

SIN ORDEN
Esto ocurre en los gases como el Argón , ya que los átomos no tienen orden y llenan de manera aleatoria el espacio en el cual está confinado el gas.

ORDEN DE CORTO ALCANCE Un material muestra corto alcance si el arreglo de los átomos se extiende sólo a los vecinos más cercanos de dicho átomo. Actúan los enlaces covalentes y los enlaces iónicos. En este orden se encuentran los materiales cerámicos y polímeros.

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Fuente: propia

ORDEN DE LARGO ALCANCE
Los átomos forman un patrón repetitivo, regular en forma de rejilla o red. Si los átomos ó iones de un sólido están ordenados según una disposición que se repite en las tres dimensiones, forman un sólido cristalino ó material cristalino. Ej: metales.

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Fuente: propia

ESTRUCTURAS CRISTALINAS
La estructura de los cristales esta caracterizada por un apilamiento simétrico de los átomos en el espacio. Este apilamiento se denomina red cristalina.

CELDA UNITARIA Es la subdivisión de a red cristalina que sigue conservando las características generales de toda la red. Al apilar celdas unitarias idénticas se puede construir toda la red nuevamente.

Se identifican 7 sistemas y 14 tipos de celdas unitarias o Redes Bravais ( August Bravais 1811-1863, cristalógrafo fránces dedujo las 14 posibles arreglos de puntos en el espacio.) . Los átomos de la red están localizados en las esquinas de las celdas unitarias, y , en algunos casos en cualquiera de las caras o en el centro de la celda unitaria. Existen 4 tipos básicos de las estructuras cristalinas, se tienen las cúbicas simples, las cúbicas centradas en las caras, las cúbicas centradas en el cuerpo y la hexagonal.

CARACTERÍSTICAS DE UNA RED Ó UNA CELDA UNITARIA:
(SISTEMA CÚBICO)

PARÁMETRO DE RED ( a )
Este parámetro describe el tamaño y la forma de la celda unitaria, incluyen las dimensiones de los costados de la celda unitaria y los ángulos entre sus costados. En un sistema cristalino cúbico, solamente es necesaria la longitud de uno de los costados para describir por completo la celda. (se suponen ángulos de 900 ). A menudo la longitud se da en nanómetros (nm ), ó en Angstroms (Å ) donde:

1 nanómetro (nm) = 10-9 m=10-7cm=10 Å
1 angstrom (Å) = 0,1 nm=10-10 m = 10-8 cm.

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Fuente: propia

NÚMERO DE ÁTOMOS POR CELDA UNITARIA
Si se coloca paredes de vidrio delgado como caras de la celda “cúbica simple”, estas paredes se extenderían hasta el centro de los átomos de las esquinas, contando las porciones de los átomos que están contenidos dentro de la celda, recordando que los átomos poseen sus centros en los vértices de las cúbicas.

Cúbica Simple o Cs (Simple Cubic)

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Fuente:Propia

8 átomos de las esquinas de los cuales 1/8 de cada uno está dentro del cubo de vidrio, entonces:
8 esquinas(1/8) de átomo = 1 átomo

Cúbica Centrada en el cuerpo o Bcc (Base Central Cubic)
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Fuente: Propia
8 esquinas(1/8) de átomo + 1 centro (1) átomo = 2 átomos

Cúbica centrada en las caras o Fcc (Face Central Cubic)
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Fuente: Propia
8 esquinas (1/8) átomo + 6 caras (1/2) átomo =4 átomos

RADIO ATÓMICO
Considerar los átomos como si fueran esferas. Se puede calcular cualquier dimensión del cubo, tal como la diagonal del cuerpo o de una cara por medio de la geometría y luego sencillamente dividir la figura por el número de radios atómicos que están presentes, recordando que “ los átomos poseen sus centros en los vértices del cubo”

Cálculos del parámetro de red en función del radio atómico

Cúbica Simple (Cs)
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Fuente: Propia

Cúbica Centrada en las caras (Fcc)

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Fuente: Propia

Cúbica centrada en el cuerpo (Bcc)
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Conclusión
Los materiales poseen una estructura atómica y electrónica de los cuales bien interesante, ya que conociendo esto se puede razonar el porqué de su comportamiento o propiedades de éstos.

Por ejemplo según como tengan los enlaces atómicos se distribuyen en dos grandes tipos: primarios y secundarios, siendo estos último de enlaces muy débiles cómo lo que ocurren en los gases.

A su vez si poseen enlaces metálicos este tipo de materiales son buenos conductores eléctricos y térmicos, caso contrario los materiales que poseen enlaces iónicos o covalentes.

La estructura cristalina consta del apilamiento simétricos entre átomos, donde se tienen las estructuras cúbicas cómo las conocidas, siendo el parámetro de red es el lado de dichas cúbicas.

Cada cúbica posee una cantidad de átomo. tomando con referencia que el centro de cada átomo esta ubicado en el vértice de la mencionada cúbica, y se tienen la cúbica simple (Cs), la cúbica centrada en las caras (Fcc) y la cúbica centrada en el cuerpo (Bcc).

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Bibliografía consultada

Willaim Smith, Ciencia e Ingeniería de los materiales.
James Shackeford. Materiales e Ingeniería de los materiales.

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Gracias!! :-)

Un tema muy importante para científicos de las ciencias puras, en particular los profesionales del área de la ciencias de los materiales. Acepta la invitación de nuestra mentora y colaboradora de stem-espanol @elvigia..Te esperamos en discord..saludos

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Gracias!! así haré!!





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Hola @betzy, bienvenida a #STEM-espanol, la comunidad científica de Steemit!! En relación a tu aporte es bien interesante y de fácil comprensión para los que no necesariamente somos de tu área, en efecto la estructura atómica y electrónica de la materia es un saber de gran valor tanto educativo como científico, en tanto que este conocimiento ha permitido lograr avances en diferentes áreas y es esencial en la comprensión de saberes actuales tales como la Física Cuántica, en particular, soy defensora del fomento de los contenidos fundamentales sobre los cuales se erigen todos los campos científicos conocidos, sin éstos, las generaciones del presente y del futuro no tendrían claridad conceptual de saberes más avanzados!! Saludos cordiales!!

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Muchisimas Gracias!

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Gracias!!!

Saludos @betzy, aunque no soy del área, tu publicación esta bien detallada y didáctica, fácil de comprender para el lector, es un tema de mucha importancia para la ciencia gracias por compartir !
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Graaacias por visitarme!!