Enlaces interatmicosEnlaces interatEnlaces interatmicosmicos

E.F. Irassar

Laboratorio de MaterialesDepartamento de Ingeniera Civil,

Facultad de Ingeniera, Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires,

B7400JWI -Olavarra, Argentina.

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Niveles de anNiveles de anlisislisisExisten cuatro niveles de anlisis en la estructura de un

material: estructura atmica

z propiedades fsicas: comportamiento elctrico y magntico, caractersticas trmicas, pticas y elsticas

ordenamiento atmicoz comportamiento mecnico de los materiales

microestructuraz comportamiento mecnico y durable de los materiales

macroestructuraz comportamiento general del material compuesto.

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Estructura atEstructura atmicamica

2 e- en el primer nivel 12 e- en el subnivel s del nivel 23 e- en el subnivel p del nivel 2

1s22s2 2p3

El tomo de nitrgeno tiene 7 protones y 7 neutrones en el ncleo,

rodeado por 7 electrones. (nmero atmico 7, masa atmica 14)

9Un tomo est compuesto por un ncleo (protones + neutrones) rodeado por electrones. 9El nnmero atmero atmicomico de un elemento es el

numero de electrones o protones.9La masa atmasa atmica Mmica M corresponde al

numero de protones y neutrones nucleares.

Estructura electrnica9Cada electrn posee una energa

caracterstica, no habiendo ms de dos electrones con spin opuesto por nivel energtico.9Las subniveles de energa (s, p, d y f)

puede albergar slo un cierto numero de electrones (s =2; p= 6, d=10 y f=14), y su cantidad se incrementa con el incremento del nivel de energa.

.

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Fuerzas entre Fuerzas entre tomostomos Los tomos al aproximarse ejercen

fuerzas de atraccin y repulsin uno sobre el otro.

Fneta = Fatraccin + Frepulsin El equilibrio se alcanza cuando se

igualan estas fuerzas a una distancia ro.

Fatraccin = Frepulsin A la distancia ro la energa potencial

es mnima y representa la energa de enlace entre esos dos tomos.

La magnitud de la energa de enlace (E0) determina ciertas propiedades de los materiales.

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Tipos de enlaceTipos de enlace

Tipo de enlace Energa deenlace

kcal/mol

Carcter del enlace

Enlace Qumico (primario) Inico 140 - 250 No direccional Covalente 15 - 170 Direccional Metlico 27 - 83 No direccional

Fuerzas intermoleculares (secundario) Fuerzas de dispersin hasta 10 No direccional Atraccin dipolo-dipolo hasta 5 Direccional Dipolo-dipolo inducido hasta 0.5 Enlace de hidrgeno hasta 12 Direccional

Existen distintos tipos de enlaces: primarios y secundarios En los enlaces primarios o qumicos (inico, covalente y metlico) estn involucrados los electrones de valencia Los enlaces secundarios provienen de fuerzas electrostticas

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Enlaces primariosEnlaces primariosEnlace inico: existe la transferencia

de electrones de un tomo a otro. El enlace es el resultado de atraccin electrosttica.

Enlace coovalente: Los electrones de valencia son compartidos entre dos tomos adyacentes.

Enlace metlico: Los electrones forman una nube de electrones distribuidos entorno a los iones metlicos

+ + +

+ + +- -

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Enlace secundario o de Van Enlace secundario o de Van derder WaalsWaals

Dipolo permanentes: ocurre entre molculas polares adyacentes. El puente de hidrgeno es el enlace secundario ms fuerte y ocurre en HF, H2O y NH3

Dipolo inducido: Ocurre en molculas no polares. Puede ser fluctuante en molculas simtricas se puede puede dar por distribucin espacial de los ncleos y electrones. Otra forma es una molcula polar como el HCl que puede inducir dipolos en molculas no polares prximas.

- +

Se trata de enlaces producidos por atraccin de cargas opuestas, sin transferencias de electrones y producto de la asimetra de las molculas.

+ +-

- +

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ClasificaciClasificacin de los materiales por su enlacen de los materiales por su enlace

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Propiedades vs EPropiedades vs E00Coeficiente de Coeficiente de

expansiexpansin tn trmica (rmica () TemperaturaTemperatura dede fusifusinn (T(Tff))

Tf es mayor si Eo es mayor

r o r

Energa

mayor Tf

menor Tf

)

r or

menor mayor

Energa

Eo

Eo

es mayor si Eo es menor

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Temperatura de fusin

0

1000

2000

3000

4000

5000

DiamanteGrafito

Carburo de Sixido de Magnesio

xido de AlNitruro de Si

Silicio

Hielo

Tungsteno

TntaloMolibdenoNiobio

CromoZirconioPlatinoTitanioFe/AcerosCobalto/NquelCobreOroPlataAluminioMagnesioZincPlomoTINMercurio

PoliamidasMelaninasPolisterEpoxy, Nylon

Cermets

PRFV, PRFCMaderas

Metales y aleacionesCermicos y semiconductoresPolmeros

Compuestos y fibras

PRFV: plstico reforzado con fibra de vidrio.PRFC: plstico reforzado con fibra de carbono.TIN: Nitruro de titanio

T

e

m

p

e

r

a

t

u

r

a

,

K

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Resumen

Tipo Energa de enlaceCaractersticas

del enlace Propiedades

Inico Muy Elevada No direccional Elevada TfBajo

CovalenteVariable

Diamante: elevadaBismuto: baja

Direccional Elevada TfModerado

MetlicoVariable

Tungsteno: elevadaMercurio: baja

No direccional Moderada TfModerado

Secundarios Baja Direccional Baja TfAlta

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ResumenResumenz El tipo de enlace atmico es una base para clasificar los

materiales tecnolgicos.z Debemos conocer la estructura interna de los tomos. El

nmero atmico y la masa atmica es determinada por la particulas del nucleo (protones + neutrones) y la natureza del enlace radica en el comportmaiento de los electrones.

z Hay tres tipos de enlaces primarios (inico, covalente y metlico) y hay enlaces mas dbiles resultado de la atraccin entre dipolos elctricos, temporales o permanentes.

z La divisin de los materiales ingenieriles tienen como base el carcter del enlace: Metales = enlaces metlico Cermicas y vidrios = enlaces inicos-covalentes Polmeros = enlaces covalentes-secundarios

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Donde obtener mDonde obtener ms informacis informacinn

z W.D. Calister, Introduccin a la ciencia e ingeniera de los materiales Capitulo 4:

z D.R. Askeland, La ciencia e Ingeniera de Materiales Capitulo 2: Estructura Atmica

z W.G. Moffatt, G.W. Pearsall, J. Wulff. Ciencia de los Materiales: I -Estructura Capitulo 2: Estructura atmica y enlaces

z W.F. Smith, Fundamentos de la ciencia e ingeniera de materiales Capitulo 4: Estructura atmica y enlaces

z P.A. Thornton & V.J. Colangelo, Ciencia de materiales para ingeniera Capitulo 4:

z J.F. Shakelford, Ciencia de Materiales para Ingenieros Capitulo 2: Enlazamiento atmico

Enlaces interatmicosNiveles de anlisisEstructura atmicaFuerzas entre tomosTipos de enlaceEnlaces primariosEnlace secundario o de Van der WaalsClasificacin de los materiales por su enlacePropiedades vs E0Temperatura de fusinResumenResumenDonde obtener ms informacin