República Bolivariana de Venezuela.Ministerio del Poder Popular para la Educación.

I.U.P Santiago Mariño.Escuela de ingeniería Industrial.

Extensión Maturín.

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Átomo y estructura cristalina

Se sabe que todo lo que nos rodea está formando por átomos, todo el universo, hasta lo más pequeño. Con las teorías, con los modelos atómicos, quieren explicar el funcionamiento de este y sus componentes. Aquí se podrán apreciar con detalles las explicaciones de los diferentes científicos, que son su mente y experimentos, quieren dar a conocer al mundo sus teorías.La mayoría de los sólidos tienen estructura cristalina. Esto quiere decir, que poseen una ordenación periódica de sus átomos o iones a lo largo de las tres direcciones del espacio. Sin embargo, algunos sólidos no presentan dicha ordenación periódica, son los denominados sólidos amorfos.

Introducción

El átomo es un concepto estudiado principalmente por la química y la física, que lo definen como la unidad básica y estructural de la materia. Lo constituye un núcleo en el centro, que contiene protones y neutrones. Los protones poseen carga eléctrica positiva y los neutrones carecen de carga.

Al núcleo le rodean electrones de carga negativa.Hoy sabemos que los átomos son la unidad mínima de una sustancia, lo que compone toda la materia común y ordinaria. Si los átomos de una sustancia se dividen, la identidad de esa tal puede destruirse y cada sustancia tiene diferentes cantidades de átomos que la componen. A su vez, un átomo está compuesto de un determinado número de 3 tipos de partículas: los protones, los neutrones y los electrones.Ubicándose en la parte central de los átomos (en el núcleo del átomo) se encuentran los protones y los neutrones, que tienen un peso mayor que el de los electrones, los cuales se ubican en una especie de órbita alrededor del núcleo. Los protones y los neutrones tienen casi que la misma masa y dentro de cada átomo, existe siempre la misma cantidad de protones y electrones.

El átomo:

Protones:

Son uno de los tipos de partículas que se encuentran en el núcleo de un átomo y tienen carga positiva (masa = 1.673 x 10-24 gramos). Fueron descubiertos por Ernest Rutherford entre 1911 y 1919. Como hemos visto en nuestro sección de química, al analizar cada uno de los elementos de la tabla periódica, el número de protones de cada átomo define qué elemento químico es, ésto se conoce como “peso atómico”. Los protones están compuestos de partículas aún más diminutas conocidas como quarks o cuarks.

Electrones:

Éstas son las partículas que orbitan alrededor del núcleo de un átomo, tienen carga negativa y son atraídos eléctricamente a los protones de carga positiva (masa = 9.10 x 10-28 gramos).

Neutrones:

Los neutrones son partículas ubicadas en el núcleo y tienen una carga neutra (masa = 1.675 x 10-24 gramos). La masa de un neutrón es ligeramente más grande que la de un protón y al igual que éstos, los neutrones también se componen de quarks.

Isótopos:

La cantidad de neutrones en un núcleo determina el isótopo de cada elemento. Así por ejemplo el hidrógeno tiene tres isótopos conocidos: protio, deuterio y tritio.

Partes de un átomo:

En el átomo distinguimos dos partes:

- El núcleo: es la parte central del átomo y contiene partículas con carga positiva, los protones, y partículas que no poseen carga eléctrica, es decir son neutras, los neutrones. La masa de un protón es aproximadamente igual a la de un neutrón.

Todos los átomos de un elemento químico tienen en el núcleo el mismo número de protones. Este número, que caracteriza a cada elemento y lo distingue de los demás, es el número atómico y se representa con la letra Z.

- La corteza: es la parte exterior del átomo. En ella se encuentran los electrones, con carga negativa. Éstos, ordenados en distintos niveles, giran alrededor del núcleo. La masa de un electrón es unas 2000 veces menor que la de un protón.

El tamaño del átomo:

La curiosidad acerca del tamaño y masa del átomo atrajo a cientos de científicos durante un largo periodo en el que la falta de instrumentos y técnicas apropiadas impidió lograr respuestas satisfactorias. Posteriormente se diseñaron numerosos experimentos ingeniosos para determinar el tamaño y peso de los diferentes átomos.

El átomo más ligero, el de hidrógeno, tiene un diámetro de aproximadamente 10-10 m (0,0000000001 m) y una masa alrededor de 1,7 × 10-27 kg. (la fracción de un kilogramo representada por 17 precedido de 26 ceros y una coma decimal). Un átomo es tan pequeño que una sola gota de agua contiene más de mil trillones de átomos.

El modelo de DaltonEn 1803 el químico inglés John Dalton propone una nueva teoría sobre la constitución de la materia. Según Dalton toda la materia se podía dividir en dos grandes grupos: los elementos y los compuestos. Los elementos estarían constituidos por unidades fundamentales, que en honor a Demócrito, Dalton denominó átomos. Los compuestos se constituirían de moléculas, cuya estructura viene dada por la unión de átomos en proporciones definidas y constantes. La teoría de Dalton seguía considerando el hecho de que los átomos eran partículas indivisibles.Hacia finales del siglo XIX, se descubrió que los átomos no son indivisibles, pues se componen de varios tipos de partículas elementales. La primera en ser descubierta fue el electrón en el año 1897 por el investigador Sir Joseph Thomson, quién recibió el Premio Nobel de Física en 1906. Posteriormente, Hantaro Nagaoka (1865-1950) durante sus trabajos realizados en Tokio, propone su teoría según la cual los electrones girarían en órbitas alrededor de un cuerpo central cargado positivamente, al igual que los planetas alrededor del Sol. Hoy día sabemos que la carga positiva del átomo se concentra en un denso núcleo muy pequeño, en cuyo alrededor giran los electrones.El núcleo del átomo se descubre gracias a los trabajos realizados en la Universidad de Manchester, bajo la dirección de Ernest Rutherford entre los años 1909 a 1911. El experimento utilizado consistía en dirigir un haz de partículas de cierta energía contra una plancha metálica delgada, de las probabilidades que tal barrera desviara la trayectoria de las partículas, se dedujo la distribución de la carga eléctrica al interior de los átomos.

Identificación de los átomos:

Los átomos se identifican por el número de protones que contiene su núcleo, ya que éste es fijo para los átomos de un mismo elemento. Por ejemplo: Todos los átomos de hidrógeno tienen 1 protón en su núcleo, todos los átomos de oxígeno tienen 8 protones en su núcleo, todos los átomos de hierro tienen 26 protones en su núcleo y esto permite clasificarlos en la tabla periódica por orden creciente de este número de protones.

Número atómico: Es el número de protones de un átomo. Se representa con la letra Z y se escribe como subíndice a la izquierda del símbolo del elemento: ZX.Ejemplos: 1H, 8O, 26Fe.

Número másico: Es la suma del número de protones y del número de neutrones de un átomo. Se representa con la letra A y se escribe como superíndice a la izquierda del símbolo del elemento: AX.Ejemplos: 1H, 8O, 26Fe.

La estructura cristalina

La estructura cristalina, formada por la distribución de átomos, iones o moléculas, es en realidad la que constituye la base material que forma el cristal. Mientras que la red cristalina refleja el hecho de que el cristal es periódico y por ello, determina la simetría tratada hasta el momento, la estructura del cristal no sólo determina su periodicidad, marcada por la red y por la celda unidad de la misma, sino que determina el motivo, es decir, la parte material constituida por átomos, iones y moléculas que llenan la citada celda unidad.

La estructura física de los sólidos es consecuencia de la disposición de los átomos, moléculas o iones en el espacio, así como de las fuerzas de interconexión de las partículas:

• Estado amorfo: Las partículas componentes del sólido se agrupan al azar.

• Estado cristalino: Los átomos (moléculas o iones) que componen el sólido se disponen según un orden regular. Las partículas se sitúan ocupando los nudos o puntos singulares de una red espacial geométrica tridimensional.Los metales, las aleaciones y determinados materiales cerámicos tienen estructuras cristalinas

Los átomos que pertenecen a un sólido cristalino se pueden representar situándolos en una red tridimensional, que se denomina retículo espacial o cristalino. Este retículo espacial se puede definir como una repetición en el espacio de celdas unitarias.La celda unitaria de la mayoría de las estructuras cristalinas son paralelepípedos o prismas con tres conjuntos de caras paralelas

Según el tipo de enlace atómico, los cristales pueden ser de tres tipos:

a) Cristales iónicos: punto de fusión elevada, duros y muy frágiles conductividad eléctrica baja y presentan cierta elasticidad. Ejemplo: NaCl (sal común)

b) Cristales covalentes: Gran dureza y elevada temperatura de fusión. Suelen ser transparentes quebradizos y malos conductores de la electricidad. No sufren deformación plástica (es decir, al intentar deformarlos se fracturan). Ejemplo: Diamante

c) Cristales metálicos: Opacos y buenos conductores térmicos y eléctricos. No son tan duros como los anteriores, aunque si maleables y dúctiles. Hierro, estaño, cobre,...

Según la posición de los átomos en los vértices de la celda unitaria de la red cristalina existen:

a) Redes cúbicas sencillas: Los átomos ocupan sólo los vértices de la celda unidad.

b) Redes cúbicas centradas en el cuerpo (BCC): Los átomos, además de ocupar los vértices, ocupan el centro de la celda. En este caso cristalizan el hierro y el cromo.

c) Redes cúbicas centradas en las caras (FCC): Los átomos, además de ocupar los vértices, ocupan el centro de cada cara de la celda. Cristalizan en este tipo de redes el oro, cobre, aluminio, plata,...

d) Redes hexagonales compactas (HC): La celda unitaria es un prisma hexagonal con átomos en los vértices y cuyas bases tiene un átomo en el centro. En el centro de la celda hay tres átomos más. En este caso cristalizan metales como cinc, titanio y magnesio.

Diferencia entre vidrios y cristales.

En ocasiones la repetitividad se rompe o no es exacta, y esto diferencia los vidrios y los cristales, los vidrios generalmente se denominan materiales amorfos (desordenados o poco ordenados).

No obstante, la materia no es totalmente ordenada o desordenada (cristalina o no cristalina) y nos encontramos una gradación continua del orden en que está organizada esta materia (grados de cristalinidad), en donde los extremos serían materiales con estructura atómica perfectamente ordenada (cristalinos) y completamente desordenada (amorfos).

Características: La descripción detallada de una estructura cristalina no consiste únicamente en la identificación del tipo de red que subyace en ella —cuál es el tipo de celdilla unidad y cuáles son sus dimensiones—, también otras características resultan extraordinariamente útiles y se utilizan con frecuencia.

Consideremos la red cúbica simple representada en la siguiente figura (el interés por esta red reside en su simplicidad). La celdilla de la estructura real tomará el aspecto que se muestra en la parte derecha de la figura. Como puede verse, los átomos —considerados como esferas duras— se tocan a lo largo de las aristas del cubo. Hay otro aspecto interesante: los átomos no rellenan completamente el volumen de la celdilla. Son este tipo de características las que ahora nos interesa describir

Red cúbica simple

Estructura cúbica simple

El átomo es la unidad elemental básica de la materia que puede experimentar un cambio químico, y está constituido por las partículas elementales. Las partículas que forman los elementos son átomos del mismo número atómico, y las de los compuestos están formadas por átomos de elementos diferentes. Los átomos están constituidos por protones y neutrones en el núcleo y por electrones girando alrededor en la corteza. Por este motivo también se les llama nucleones. Que a lo largo de la historia se han propuesto diversos modelos atómicos para explicar la constitución y estructura de los átomos, entre ellos los de Dalton, Thompson y Rutherford.Según la composición de cada átomo se diferencian los distintos elementos químicos representados en la tabla periódica de los elementos químicos. En esta tabla podemos encontrar el numero atómico y el número másico de cada elemento.La estructura Cristalina: se refiere al tamaño, la forma y la organización atómica dentro de la red de un material. La estructura cristalina, formada por la distribución de átomos, iones o moléculas, es en realidad la que constituye la base material que forma el cristal. Los cristales pueden ser de tres tipos: Cristales iónicos, Cristales deformación, Cristales metálicos.

Conclusión