Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia UNIDAD 2 ESTRUCTURA ATOMICA Y ENLACES.
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Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia
UNIDAD 2
ESTRUCTURA ATOMICA
Y
ENLACES
Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia
Estructura atómica y enlaces
Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia
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
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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
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SiO2 amorfo o vidrio
SiO2 cristalino o cuarzo
Disposición geométrica de los átomos
Universidad de Atacama – Departamento de Metalurgia
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
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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
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Las propiedades de las sustancias dependen en gran medida de la naturaleza de los enlaces que unen sus átomos
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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
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Cuando se aplica voltaje a un metal, los electrones se mueven con facilidad y conducen la corriente
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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
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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
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• 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
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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
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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
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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
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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
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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-
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Cloruro de sodio
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Enlace iónico del fluoruro de litio
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Cuando se aplica un voltaje a un material iónico, se deben mover
los iones completos para que la corriente pueda pasar.
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Comparación entre el comportamiento de un sólido metálico y
otro iónico cuando se someten a una fuerza externa
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:
• 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
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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.
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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.
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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) + -
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En el PVC (cloruro de polivinilo) las cadenas están unidas por enlaces de van der Waals
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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
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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