universidad de atacama – departamento de metalurgia unidad 2 estructura atomica y enlaces

Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia

UNIDAD 2

ESTRUCTURA ATOMICA

Y

ENLACES


Estructura atómica y enlaces


La estructura de los materiales se clasifica en cinco niveles:

- Macroestructura (> 1000 nm)

- Microestructura (10 – 1000 nm)

- Nanoestructura (1 – 100 nm)

- Arreglos atómicos de corto y largo alcance

- Estructura atómica


Propiedades

Disposición geométrica de los átomos

Interacciones entre átomos y moléculas

Estructura atómica Propiedades físicas

- conductividad eléctrica- propiedades magnéticas- características térmicas y elásticas

Cristalinos

Amorfos

Estructura atómica y enlaces


SiO2 amorfo o vidrio

SiO2 cristalino o cuarzo

Disposición geométrica de los átomos


Fuerza entre los átomos que los

mantiene unidos en las moléculas.

Cuando dos o más átomos se

acercan lo suficiente, puede

producirse una fuerza de atracción

entre los electrones de los átomos

individuales y el núcleo de otro u

otros átomos. de la atracción

simultánea de uno o más

electrones por más de un núcleo.

Interacciones entre átomos y moléculas: Enlace químico


Enlaces atómicos

Existen cuatro mecanismos importantes mediante los cuales los

átomos se enlazan o unen en los materiales:

• Enlace metálico• Enlace covalente• Enlace iónico

• Enlace de Van der Waals

Enlaces primarios

Enlace secundario


Las propiedades de las sustancias dependen en gran medida de la naturaleza de los enlaces que unen sus átomos


Enlace metálico: Atracción electrostática entre los

electrones de valencia y las partes centrales de átomos

cargadas positivamente. Para formar el enlace metálico, los

átomos pierden los electrones de su última capa, que

forman la nube electrónica, donde se empaquetan los iones

positivos resultantes

Enlace no direccional entre los átomos


Cuando se aplica voltaje a un metal, los electrones se mueven con facilidad y conducen la corriente


En los metales en estado sólido, los átomos se encuentran

empaquetados relativamente muy juntos, en una ordenación

sistemática o estructura cristalina.

a) Disposición atómica en un cristal de cobre metálico b) Diagrama

esquemático bidimensional de átomos entrelazados metálicamente


La mayoría de los metales pueden ser deformados considerablemente sin fracturas debido a que los átomos de metal se pueden deslizar unos sobre los otros sin distorsionar completamente la estructura de enlace metálico


• A excepción del mercurio, los metales puros son sólidos a temperatura

ambiente. No obstante, sus puntos de fusión son muy variables, aunque

generalmente altos.

• Buenos conductores (electricidad y calor).

• Brillo característico.

• Dúctiles y maleables (enlace metálico es no direccional)

• Presentan "efecto fotoeléctrico“ (cuando son sometidos a una

radiación de determinada energía, emiten electrones).

• Se disolver unos en otros formando disoluciones que reciben el nombre

de aleaciones.

Características de los materiales con enlace metálico


Enlace covalente: Unión entre dos o más átomos cuando éstos comparten sus electrones de valencia. Los átomos deben acomodarse de manera que los enlaces tengan una relación direccional fija entre ellos

silicio


Representación esquemática de

enlace covalente de una molécula

de metano (CH4).

Representación esquemática

de una molécula de sílice

Algunos átomos forman nuevas

moléculas por medio de enlaces

covalentes, compartiendo los

electrones de sus orbitales más

externos


Los átomos de carbono en el grafito están dispuestos en capas paralelas. En la capa cada átomo está enlazado a otros tres con ángulos de 120º formando hexágonos.

Estructura cubica del diamante


Características de los compuestos unidos por enlaces covalentes:

• Presentan elevados puntos de fusión y de ebullición

• Poco solubles (en cualquier tipo de disolvente).

• Duros.

• Malos conductores de la electricidad y del calor


Enlace iónico: Los átomos intercambian electrones para completar ocho en sus orbitales más externos. Un átomo (catión) cede sus electrones de valencia a otro átomo (anión).

Na Na+ + e-

Cl + e- Cl-


Cloruro de sodio


Enlace iónico del fluoruro de litio


Cuando se aplica un voltaje a un material iónico, se deben mover

los iones completos para que la corriente pueda pasar.


Comparación entre el comportamiento de un sólido metálico y

otro iónico cuando se someten a una fuerza externa


:

• Enlace fuerte (puntos de fusión altos).

• Los cristales iónicos son duros, y se resisten bastante a ser rayados.

• Frágiles. Esto es debido a que un golpe puede originar un

desplazamiento de los planos de los iones y, al dejar enfrentados iones

de igual signo, daría lugar a una fractura en el cristal por fuerzas

repulsivas electrostáticas.

• Mayos conductores (en estado sólido porque los iones están

inmovilizados en la red; pero si son conductores en estado líquido.

• Se disuelven en disolventes polares, porque los dipolos de estos

disolventes rodean a los iones de la red cristalina y los van "arrancando"

de la red.

Características de los compuestos formados por enlace iónico


Enlaces de Van der Waals: atracción electrostática débil que ocurre entre átomos o moléculas que están

polarizadas, es decir, en los casos en que los centros de las cargas positivas y negativas no coinciden,

originándose así un dipolo .

La molécula de agua es eléctricamente polar, debido a su estructura no alineada.


Estructura cristalina hexagonal del hielo común

La interacción se produce por las

atracciones electrostáticas que se

producen entre la zona cargada

negativamente de una molécula y la

positiva de otra, lo que provoca que las

moléculas se vayan orientando unas

con respecto a otras.


ENLACES DE VAN DER WAALS

--

Entre dipolos inducidosEntre dipolos inducidos

(ej.: moléculas apolares en agua) (ej.: moléculas apolares en agua)

++------

------

OHH

OHH

++ --+-

C CO OEntre dipolos permanentesEntre dipolos permanentes

(moléculas polares)(moléculas polares)

+ - + -

+--

-- Entre dipolos instantáneosEntre dipolos instantáneos

(ej.: Gases nobles) (ej.: Gases nobles) + -


En el PVC (cloruro de polivinilo) las cadenas están unidas por enlaces de van der Waals


TIPO DE SÓLIDO

METÁLICONa

IÓNICONaCl

MOLECULARH2O

COVALENTE MACROMOLECULAR

SiO2

PARTÍCULAS ENNODOS DE LA RED

RESTOS ATÓMICOS(NÚCLEOS+CORTEZAELECTRÓNICA INTERNA) RODEADOSDE UNA NUBE ELECTRÓNICA

ANIONES Y CATIONES

MOLÉCULAS OÁTOMOS INDIVIDUALES (GASESNOBLES)

ÁTOMOS

FUERZAS DE UNIÓNENTRE PARTÍCULAS

ENLACE METÁLICO(ORBITALES MOLECULARES DESLOCALIZADOS)

ELECTROSTÁTICAS FUERZAS DE VAN DER WAALS Y/O PUENTES DE HIDRÓGENO

ENLACE COVALENTE

PROPIEDADES

SÓLIDOS DE BLANDOS A DUROS CONDUCTORES DE LA ELECTRICIDAD Y EL CALOR PUNTO DE FUSIÓN VARIABLE, AUNQUE ALTO EN GENERAL

SÓLIDOS DUROS QUEBRADIZOS MALOS CONDUCTORES EN SÓLIDO, CONDUCTORES DE LA ELECTRICIDAD FUNDIDOS O EN DISOLUCIÓN PUNTOS DE FUSIÓN ALTOS

SÓLIDOS BLANDOS MALOS CONDUCTORES PUNTOS DE FUSIÓN BAJOS EN GENERAL: UNA GRAN PARTE SON LÍQUIDOS O GASES EN CONDICIONES NORMALES

SÓLIDOS MUY DUROS MALOS CONDUCTORES, EN GENERAL PUNTOS DE FUSIÓN ALTOS


Propiedades físicas y estructurales de los materiales asociados con el tipo de enlace atómico.

Propiedades Enlace iónico Enlace covalente Enlace metálico Enlace de Van der Waals

Estructurales No direccional, determina estructuras de

alta coordinación

Especialmente dirigido y numéricamente limitado, determina estructuras de baja coordinación y baja

densidad

No direccional, determina estructuras de alta coordinación y alta

densidad

Análogo al metálico

Mecánicas Resistente, cristales de gran dureza

Resistentes y de gran dureza, poca ductilidad

Resistencia variable, presentan por lo general

plasticidad

Baja resistencia, cristales blandos

Térmicas Medianamente alto punto de fusión, bajo

coeficiente de expansión, iones al

estado líquido

Alto punto de fusión, baja expansión térmica,

moléculas al estado líquido

Punto de fusión variable, gran intervalo de

temperaturas al estado líquido

Bajo punto de fusión, alto coeficiente de

expansión

Eléctricas Aisladores moderados, conducción por

transporte iónico en el estado líquido.

Aisladores en el estado sólido y líquido

Conductores por transporte electrónico

Aisladores

Ópticas y magnéticas

Absorción y otras propiedades son

características de los iones individuales

Alto índice de refracción, absorción totalmente

diferente en soluciones y/o gases

Buenos reflectores de la radiación visible

Propiedades características de las

moléculas individuales

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