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HAPTER 2:
HAPTER 2:
ATOMI STRU TURE
TOMI STRU TURE
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Objetivo
• Describir los conceptos físicos básicos
relacionados con la estructura de la
materia.
• Aprender que la estructura de los átomos
afecta los tipos de enlaces que existen en
los distintos tipos de materiales
2- 2
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Introducción
• Las propiedades de los materiales son
controlables pueden ajustarse a las
necesidades de una aplicación dada
controlando su estructura composición.
2- 3
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Introducción
• !e puede examinar describir la
estructura de los materiales en cinco
niveles distintos
". #acroestructura $% "&& &&& nm'
(. #icroestructura $"&)"&&& nm'
*. +anoestructura $")"&& nm'
,. Arre-los atómicos de corto lar-o alcance $%
"&& nm asta unos cuantos cm'
/. 0structura atómica
2- 4
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0structura de materiales1 relevancia tecnoló-ica
• 0n el mundo actual. !e desean bateríasque sean más peque2as3 li-eras3 de
maor duración.
• Automóviles que sean asequibles3 li-eros3se-uros3 con alto rendimiento de
combustible3 4car-ados5 de varias
características3 que van desde sistemas
de posicionamiento -lobal $67!' a
sensores sofisticados para la apertura de
las bolsas de aire.2- 5
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0structura de materiales1 relevancia tecnoló-ica
0stas necesidades an -enerado inter8s en lananotecnolo-ía en sistemas micro
electromecánicos $!#0#'
0l sensor se utili9a para medir la aceleración
en automóviles
2- 6
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+iveles de estructura1 0structura atómica
• 0l diamante está basado en enlaces
covalentes :;:. Los materiales con este
tipo de enlace se esperan que sean
relativamente duros. !e utili9an películas
del-adas de diamantes para proveer un
filo resistente en erramientas de corte.
• Lon-itud aproximada asta &." nm
2- 7
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• <itanato de 9irconio plomo$7=<'1 :uando losiones en este material se acomodan de tal
manera que exiben estructuras cristalinas
tetra-onales >o rombo8dricas3 el material es
pie9oel8ctrico
• Las cerámicas 7=< se utili9an ampliamente en
diversas aplicaciones incluendo
encendedores de -as3 -eneración de
ultrasonidos control de vibración
• Lon-itud aproximada &." ) "nm2- 9
+iveles de estructura1 Arre-los atómicos? orden
de lar-o alcance $OLA'
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• Los iones en vidrios basados en !ílice$!iO('exiben un orden de corto alcance en que
!i@, O;( $cada !i@, esta enla9ado con , O;(
en una coordinación tetra8drica'
• 0ste orden no se mantiene en distancias
lar-as acen amorfos los vidrios basados
en sílice los cuales forman la base para la
industria de telecomunicaciones fibra
óptica
• Lon-itud aproximada de &." )" nm.2- 11
+iveles de estructura1 Arre-los atómicos? orden
de corto alcance $O:A'
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• Las partículas de oxido de ierro se utili9an
en imanes líquidos. 0stas partículas de
nanotama2o $/)"& nm' se dispersan en
líquidos.
• Aplicación de estos imanes líquidos es comomedio de refri-eración$transferencia de
calor' para altavoces
• 0scala aproximada de " )"&& nm.
2- 13
+iveles de estructura1 nanoestructura
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• La resistencia mecánica aleacionesdepende en -ran medida del tama2o de los
-ranos$los -ranos los límites de -rano son
parte de las características micro
estructurales de este material cristalino'
• n tama2o de -rano mas fino conduce a una
resistencia maor
• Lon-itud aproximada de "&) "&&&nm
2- 15
+iveles de estructura1 microestructura
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• Los recubrimientos relativamente -ruesos3como pinturas en los autómoviles otras
aplicaciones no sólo se utili9an por est8tica3
tambi8n proveen resistencia a la corrosión.
• Lon-itud aproximada % "&& &&& nm
2- 17
+iveles de estructura1 macroestructura
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0structura del átomo
• n átomo esta compuesto por un nBcleo
rodeado de electrones $car-a ne-ativa'.
• 0l nBcleo contiene protones$car-a positiva
qC".&x"&;"E :' neutrones
• Los electrones$qC".&x"&;"E :' se mantienen
alrededor del nBcleo por medio de una
atracción electrostática
• :ómo el nBmero de electrones protones en elátomo son i-uales3 este es el8ctricamente
neutro.
2- 19
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0structura del átomo
• 0l nBmero atómico de un elemento es i-ual al
nBmero de electrones o protones en cada
átomo. n átomo de Fe tiene un nBmero
atómico de (
• La masa atómica $#'3 es i-ual al nBmero
promedio de protones neutrones en el
átomo3 tambi8n es la masa en -ramos del
número de Avogadro + A deátomos$ .&(x"&(* átomos>mol es el nBmero
de átomos en un mol'
2- 20
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0structura electrónica del átomo• Los electrones ocupan niveles discretos de ener-ía
dentro del átomo.
• 0l nivel de ener-ía a que cada electrón pertenece esta
determinado por cuatro números cuánticos.
Número cuántico principal nNúmero cuántico acimutal l (describen los niveles de
energía en cada capa cuántica)
Número cuántico magnético ml
Número cuántico de espín ms (+1/2 y -1/2)
ara el !e(con número at"mico de #2)$
1s2 2s2 2p% #s2 #p% #d 1& 's2 'p2
2- 21
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0structura electrónica del átomo Desviaciones de las estructuras electrónicas
esperadas no siempre se si-ue la construcciónordenada de estructura electrónica ordenada
Fe$nBmero atómico ('
se esperaría 1s2 2s2 2p% #s2 #p% #d (
sin embar-o 1s2 2s2 2p% #s2 #p% #d % 's2
0l nivel *d sin llenar ocasiona el comportamiento
ma-n8tico del Fe.
2- 22
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0structura electrónica del átomo La valencia de un átomo es el nBmero de electrones en
un átomo que participan en los enlaces o en lasreacciones químicas.
La valencia de un átomo esta relacionada con la
abilidad del átomo de entrar en combinación química
con otros elementos.
#-1 1s2 2s2 2p% #s2 valencia (
Al 1 1s2 2s2 2p% #s2 #p1 valencia *6e 1 1s2 2s2 2p% #s2 #p% #d1& 's2 'p2
valencia ,
2- 23
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Estabilia at!"i#a y ele#tronegati$ia
• !i un átomo tiene una valencia de cero3 el elemento es
inerte$no reactivo'.
Ar1 1s2 2s2 2p% #s2 #p%
0l Al tiene * electrones en sus niveles s p. el Al puede ceder
fácilmente sus * electrones vaciar los niveles *s *p. Losenlaces atómicos el comportamiento químico del Al están
determinados por el mecanismo a trav8s del cual interaccionan
estos tres electrones con los átomos circundantes.
0l :l tiene G electrones en los niveles externos *s *p. Lareactividad del :l es ocasionada por su facilidad de llenar su
nivel de ener-ía externo aceptando electrones.
2- 24
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• La electronegatividad describe la
tendencia de un átomo a -anar un
electrón.
• 0l :l es altamente electrone-ativo
aceptan electrones de manera fácil
• 0l +a3 cede electrones de manera fácil
electrone-atividad baja
2- 25
Estabilia at!"i#a y ele#tronegati$ia
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<abla periódica
0n la in-eniería3 se trata principalmente con1
7olímeros$plásticos'$basados en :3 el cual aparece en el -rupo ,H'
:erámicas$basadas en combinaciones de varios elementos que aparecen el
-rupo " al /H elementos tales como el O3 : +'
#ateriales metálicos$por lo -eneral basados en elementos en los -rupos "3(
elementos metálicos de transición'
0n el -rupo ,H aparecen varios semiconductores importantes
tecnoló-icamente$silicio$!i'3el diamante$:' 6e'
Los semiconductores tambi8n pueden ser combinaciones de los elementos
de los -rupos (H H $:d!e'3basados en :d -rupo( !e -rupo. !e les
conoce como semiconductores del -rupo II;I.#anera similar el 6a As semiconductor del -rupo III;
0lementos de transición $<i3 3 Fe3 +i3 :o3 etc' son Btiles para materiales
ma-n8ticos ópticos debido a su confi-uración electrónica que permite
mBltiples valencia.
2- 27
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0nlaces atómicos
#ecanismos por medio de los cuales se
enla9an los átomos en los materiales dein-eniería. 0stos son1
0nlace iónico3
0nlace covalente
0nlace metálico?
0nlace de van der Jaals.
0n los primeros tres3 se lo-ra cuando los
átomos llenan sus niveles externos s p.
2- 29
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Enlaces primarios
- !on enlaces bastante fuertes
- !e rompen a temperaturas de entre "&&& /&&& K
- A esta cate-oría pertenecen los enlacesiónicos3 covalentes metálicos
- Las cerámicas los metales estánunidos exclusivamente por este tipo de
enlaces
30
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Enla#e %!ni#o
- Los óxidos(Al2O3, MgO) y loscompuestos iónicos (NaCl, LiF) estánunidos mediante este tipo de enlace
; 0l caso más típico es el del :loruro
!ódico $!al comBn'
31
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Enla#e %!ni#o
- :loruro !ódico $+a:l' !odio (Na)" ## elect$ones Clo$o (Cl)" #% elect$ones
32
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0nlace Iónico• Los sólidos con enlace iónico con frecuencia son tambi8n
mecánicamente resistentes debido a la fuer9a de enlace.
• La conductividad el8ctrica de los sólidos iónicos es mu limitada
2- 33
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0nlace Iónico
• 0n mucas aplicaciones tecnoló-icas se ace uso de laconducción el8ctrica que puede ocurrir por movimiento
de los iones como resultado de un aumento en la
temperatura3 del -radiente potencial químico o de una
fuer9a impulsora electroquímica.
• 0jemplos1 Las baterías de ion litio que acen uso del óxido de :o Li
ecubrimientos conductivos de óxido de !n In
$O0I' sobre el vidrio para pantallas táctiles
:eldas de combustible de óxido sólido$::O!'
basadas en las composiciones de 9irconio$=rO('
2- 34
Enla#e #o$alente
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• Los materiales enlazados de manera covalente son muy resistentes y duros
(Diamante(C), el carburo de silicio(SiC),el nitruro de silicio(Si3N4), nitruro de
boro(BN)
•ambi!n tienen "untos de #usi$n muy altos,"or lo cual son %tiles a altas
tem"eraturas&
•ienen ductilidad limitada ya 'ue los enlaces tienden a ser direccionales
•La conductividad el!ctrica no es alta (Si, diamante y varias cermicas)
Enla#e #o$alente
35
Enla#e #o alente
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Enla#e #o$alente
36
0nlace :ovalente
Enla#e #o$alente
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•Con el Si, se "ueden obtener niveles %tiles y controlados de conductividad
el!ctrica introduciendo de manera deliberada "e'ueos niveles de otros elementos
conocidos como do"antes
•Los "ol*meros conductores con enlaces covalentes 'ue "ueden convertirse en
materiales semiconductores
•+l desarrollo de "ol*meros conductores 'ue sean lieros "ara el desarrollo de
com"onentes electr$nicos #leibles&
Enla#e #o$alente
37
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0nlace :ovalente
Los enlaces covalentes son direccionales
38
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- 0l ejemplo más relevante de enlacecovalente es el diamante $:'
- 0nlaces fuertemente orientados
Enla#e Co$alente
39
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- Otros ejemplos de enlaces covalentes
&$opano (C3') Agua ('2) *cido Ac+tico
(C.3C//.)
Enla#e Co$alente
40
C! (t * ili i
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&C!"o se 'nen (to"os e o)*geno y sili#io para
+or"ar s*li#e
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• 0l !i tiene una valencia de , comparte
electrones con , átomos de O3 dando un
total de M electrones por cada átomo de !i
• 0l O tiene una valencia de comparte
electrones con ( átomos de !i 3 lo que da al
O M electrones
• !e produce una estructura tetra8drica
2- 42
&C!"o se 'nen (to"os e o)*geno y sili#io para
+or"ar s*li#e
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0s el principal $pero no el
Bnico' enlace presente en los
metales
Los electrones más ener-8ticos
abandonan los átomos
ioni9ándolos
0stos electrones libres forman
un 4nube5 que rodea a los
átomos
Debido a que los electrones no
están fijos en una sola posición3
la maoría de metales son
buenos conductores de la
electricidad a temperaturas
bajas $N*&& K'
2- 43
Enla#e et(li#o
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Ba0o la in#luencia 12 a"licado, los electrones de
valencia se mueven, ocasionando 'ue #luya unacorriente el!ctrica si el circuito esta com"leto
ucos metales "uros son buenos conductoresdel calor
ienen m$dulos de 5oun relativamente altos
dado 'ue los enlaces son #uertes Los metales tambi8n muestran buena ductilidad
dado que los enlaces son no direccionales Los puntos de fusión son relativamente altos
Los metales acen buenos reflectores deradiación visible !on de carácter electropositivo3 varios metales
como el Fe experimentan corrosión oxidación
Enla#e et(li#o
44
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Enlaces secundarios
!on enlaces d8biles
!e disocian a temperaturas de entre "&& /&& K
A esta cate-oría pertenecen las uniones de an
der Jaals los puentes de idró-eno
0stos enlaces aparecen principalmenteen los polímeros en los líquidos
45
E l d i
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0stos enlaces3 que unen las cadenaspolim8ricas entre sí3 acen que elpolietileno$ otros polímeros' sean sólidos
Así mismo si este tipo de enlaces noexistiera el a-ua erviría a ;M&&:
Enlaces secundarios
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Enla#es se#'narios . /an er aals
- Describe la atracción que sufren los átomos no
car-ados a causa de los dipolos que aparecenesporádicamente en su interior
47
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- 0l nitró-eno líquido se mantiene en eseestado a ;"EM&: a causa de los enlaces de
an der Jaals
- !in estos enlaces3 la maoría de los -asesno se podrían licuar por lo tanto no sepodrían separa industrialmente
Enla#e e /an er aals
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ce de van der Walls/Puente de hidr!e
- 0l enlace por puente de idró-eno es elencar-ado de mantener el a-ua líquida a
temperatura ambiente de unir lascadenas polim8ricas entre sí
- La atracción entre mol8culas se producecuando estas son dipolares
49
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0nlace entre mol8culas que tienen quetienen un momento dipolar permanente
50
ce de van der "alls/Puente de hidr!e
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• Los enlaces de van der Jalls cambian de
manera drástica las propiedades de
ciertos materiales.
0l -rafito el diamante tienen
propiedades mecánicas mu distintas.
0l enlace de van der Jaals ace rí-ido al
7:
2- 51
Enlace de van der "alls/Puente dehidr!eno
Enlace de van der "alls/Puente dehidr!eno
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Enlace de van der "alls/Puente dehidr!eno
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0nlaces mixtos
• 0l Fe se enla9a por medio de una combinaciónde enlaces metálicos covalentes que evita
que los átomos se empaquen de una manera
tan eficiente como podría esperarse.
• Los compuestos intermetálicos pueden estar
entrela9ados por una me9cla de enlaces
metálicos iónicos3 paricularmente cuando
existe una -ran diferencia de
electrone-atividades entre los elementos.
2- 53
0 l i
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0nlaces mixtos
•0l Li tiene una electrone-atividad de " el Al de "./3 seesperaría que el AlLi ten-a una combinación de enlaces
metálicos iónicos
• 0l Al el tienen electrone-atividades de "./ se
esperaría que el Al* estuviera enla9ado principalmentepor enlaces metálicos.
• #ucos compuestos cerámicos semiconductores3
tienen una me9cla de enla9amiento covalente iónico.
Fracción covalente=exp (-0.25! 2 "? donde 0
es la diferencia de electrone-atividades
2- 54
D t i i l íli tá l d d
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Determinar si la sílice está enla9ada de manera
iónica o covalente.
• Fracción covalente=exp (-0.25! 2 "
• De la fi-ura (.M ? electrone-atividad del !i en ".M la del oxi-eno
de *./
• Fracción covalente=exp (-0.25(#.5-$.%"2 "
C &.,M La sílice se utili9a para fabricar fibras de vidrio ópticas.
!e adicionan partículas de sílice de nano;tama2o a los
neumáticos para mejorar la ri-ide9 del cauco.
Los cristales de !i de alta pure9a para cips de computadorasse fabricanreduciendo la sílice a silicio.
2- 55
0 ió t8 i d l ili i i
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0xpansión t8rmica del silicio para cips
de computadora
Los cristales de !i cortados en obleas del-adas son
ampliamente utili9ados para fabricar cips de
computadora. 0l coeficiente de expansión de un solo
cristal de !i de PC(./x"&;D
K;"
.0n esta oblea de !i3 sedeja crecer una capa del-ada de sílice calentando la
oblea de !i a temperaturas de E&&Q: por ejemplo. 0l
coeficiente de expansión t8rmica de la sílice es de
&3/x"&;DK;" RLa capa de sílice experimenta unesfuer9o compresivo o de tracción cuando se enfría
a temperatura ambiente.
2- 56
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&#o"presi!n o
e)pansi!n
2- 57
í
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0ner-ía de enlace espaciado
interatómico• !spaciado interatómico. La distancia de equilibrio
entre átomos resulta del balance entre las fuer9as de
atracción repulsión.
• 0n el enlace metálico3 la atracción entre los
electrones los nBcleos de los iones esta balanceada
por la repulsión entre los nBcleos de los iones.
• La separación de equilibrio se presenta cuando la 0IA
del par de átomos esta a un mínimo3 o cuando no a
fuer9a neta actuando para atraer o repeler los átomos
2- 58
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0 í d l i d
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0ner-ía de enlace espaciado
interatómico• &a energ'a de enlace o la ener-ía para formar o
romper el enlace. Los materiales que tienen una
ener-ía de enlace -rande tambi8n tienen una -ran
resistencia una temperatura de fusión alta.
2- 60
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#ódulo de elasticidad
• 0sta relacionado con la pendiente de la
curva fuer9a;distancia. na pendiente
pronunciada3 la cual esta correlacionada
con una ener-ía de enlace más alta unpunto de fusión más alto3 si-nifica que se
requiere una fuer9a maor para estirar el
enlace? por tanto3 el material tiene unmódulo de elasticidad alto.
2- 61
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• Describe cuanto se expande o contrae unmaterial cuando se cambia sutemperatura.
• La curva de ener-ía interatómica$0IA'3separación para dos átomos . Losmateriales que muestran una curva
pronunciada con una depresión profundatienen coeficientes lineales de expansiónt8rmica bajos.
2- 63
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• Los materiales con baja expansión son Btiles enaplicaciones donde se espera que los
componentes experimenten de manera repetida
calentamientos enfriamientos relativamente
rápidos. 7or ejemplo las cerámicascordieritas$utili9adas como catali9adores de
soporte en los convertidores catalíticos de
automóviles'3 vidrios de expansión ultra baja$0H'3
isionSare3 otros vidrios;cerámicas desarrolladospor :ornin-3 tienen coeficientes de expansión
t8rmica mu baja.
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/igas e a#ero y 'ntas e e)pansi!n para la #onstr'##i!n
na vi-a de acero utili9ada en un puente tiene una
lon-itud de "& m a *&Q:. a' 0n un día de invierno3 la
temperatura cambia a ;(&Q:.R:uál será el cambio en
lon-itud de la vi-a en mmT. H'si el módulo elástico el
acero utili9ado es de (&&67a3Rcuál será el nivel delesfuer9o -enerado en la vi-a de acero si no se
permite que se contrai-aT c'R0l esfuer9o es
compresivo o de tracciónT !upon-a que el coeficiente
de expansión t8rmica para el acero utili9ado en la vi-aes de "*U"&;D>:
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0jercicios
". 0l metano$:V,' tiene una estructura
tetra8drica similar al de la !iO(3 con un
átomo de carbono de &.GGx"&;M cm de radio
en el centro átomos de idró-eno de&.,x"&;M cm de radio en cuatro de los oco
v8rtices. :alcule el tama2o de la arista del
cubo tetra8drico para el metano.
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0jercicios
(. 0l compuesto fósfuro de aluminio$Al7' es
un compuesto semiconductor que tiene
enlace mixto iónico covalente. :alcule la
fracción del enlace que es iónico.
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0jercicios
*. 0l He el #-3 ambos en el -rupo -rupo ( A
de la tabla periódica3 son metales li-eros
R:uál esperaría que ten-a el módulo de
elasticidad maorT 0xplique considerando laener-ía de enlace los radios atómicos
utili9ando dia-ramas apropiados de la fuer9a
en función del espaciado interatómico.
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0jercicios
,. 0l Horo tiene un coeficiente de expansión
t8rmica muco menor que el aluminio3
aunque ambos están en el -rupo * H de la
tabla periódica. 0xplique3 con base en laener-ía de enlace3 el tama2o atómico3 por
qu8 se espera esta diferencia.
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Hibilo-rafía
• !mit3 J. Vasemi3 W. $(&&,'.
Fundamentos de la ciencia e in-eniería
de materiales. ,ta. 0dición3 0dit. #c6raS;
Vill3 #8xico D.F.3 #8xico.• AsXeland3 D. $(&&E'. Fundamentos de
In-eniería ciencia de materiales. (da.
0dición 3 0dit. :0+6A60 Learnin-3#8xico D.F.3 #8xico.
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