tema 1 - IES Almudena

Departamento de Tecnología.
IES Nuestra Señora de la Almudena
Mª Jesús Saiz
TEMA 1: ESTRUCTURA INTERNA DE LOS
MATERIALES
El átomo:
Toda la materia está compuesta por átomos y éstos por partículas más
pequeñas. El núcleo del átomo está integrado por neutrones y protones, y
alrededor del núcleo se encuentran los electrones girando.
Los electrones tienen carga negativa, los protones carga positiva y los
neutrones, como su nombre lo indica, son neutros (carecen de carga
positiva o negativa).
Elementos electropositivos: l os que ceden electrones en las reacciones
químicas (catión). Ejemplo: los metales. Tienen 3 o menos electrones en niveles
externos y forman cationes por pérdida de electrones.
Elementos electronegativos: cuando captan electrones en las reacciones
químicas (anión). Ejemplo: los no metales. Tienen 4 o más electrones en niveles
externos y forman aniones por ganancia de electrones.
Energía de ionización: es la mínima energía que hay que suministrarle a un
átomo para arrancarle un electrón.
Tabla periódica:
Los elementos se agrupan en la tabla periódica según la estructura electrónica de sus
átomos.
GRUPO
Metales ligeros
No metales
Metales de transición
Gases nobles
Halógenos
Semimetales
PERIODO
Metales de bajo
punto de fusión
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Todos los elementos que pertenecen a un grupo (columnas verticales) tienen la misma valencia
atómica, el número de electrones en la última capa es el mismo, y por ello, tienen propiedades
similares entre sí.
Las filas horizontales de la tabla periódica se llaman períodos, y cada periodo corresponde con el
nivel de energía en el que se colocan los electrones
Tipos de enlaces
Enlace iónico: se forma entre átomos muy electropositivos y muy electronegativos
(metales y no metales), consiste en la transferencia de electrones desde los átomos
electropositivos a los electronegativos.
Se dan fuerzas de enlace de Coulomb.
Ejemplo: NaCl (sal común) ; HF; KCl., LiF
Propiedades:
- Alta energía de enlace, y elevada temperatura de fusión.
- Duros y frágiles.
- Aislantes en estado sólido y conductores en disolución.
Enlace covalente.: se forma entre átomos con pequeña diferencia de electronegatividad.
Los átomos comparten sus electrones externos con otros átomos. Se pueden formar
enlaces múltiples de pares de electrones.
Ejemplo: F2, O2, N2
F F
F F
O
O
O O
N
N
N
N
.
El enlace covalente puede darse entre átomos produciéndose fuertes uniones; o entre
moléculas mediante fuerzas de Van der Waals y puentes de hidrógeno, y en estos casos
las uniones intermoleculares son débiles.
Ejenplo de enlace covalente entre moléculas: H2O (agua); NH3 (amoniaco), polímeros o
plásticos
Propiedades enlace covalente entre átomos:
- Alta energía de enlace, y elevada temperatura de fusión.
- Duros y frágiles.
- Aislantes en estado sólido y líquido
- Solubilidad muy baja.
Propiedades enlace covalente entre moléculas:
- Baja energía de enlace, y baja temperatura de fusión.
- Blandos y con propiedades de plasticidad.
- Aislantes en estado sólido y líquido
- Solubles en disolventes orgánicos..
Enlace metálico: se forma entre dos metales. Se produce una atracción de susu nucleos
(iones +) y los electrones de la última capa (electrones de valencia) se colocan dispersos
en forma de nube electrónica cubriendo un espacio y rodeando a los nucleos.
Los electrones de valencia pueden moverse a lo largo de toda la red. Esto explica la alta
conductividad eléctrica y térmica. También explica que la mayoría de los metales puedan
deformarse considerablemente sin fracturas, ya que los enlaces se deslizan en lugar de
romperse.
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Propiedades:
- Energía de enlace variable y punto de fusión variable..
- Dúctiles y maleables.
- Buenos conductores
- Insolubles en general
- Brillo metálico.
Estructuras cristalinas
Solido amorfo y sólido cristalino:
En un sólido amorfo las partículas carecen de una estructura ordenada (ejemplo:
vidrio). En los sólidos cristalinos, sus átomos están dispuestos de manera regular y
ordenada formando redes cristalinas.
Sistemas cristalinos
Un material tiene estructura cristalina cuando todos sus átomos están ordenados en
el espacio repitiendo una distribución espacial.
Celda unitaria: es la unidad que se repite dentro de la estructura cristalina
Casi todos los metales cristalizan en tres tipos de estructuras fundamentales:
-
-
BCC Cúbica Centrada en el Cuerpo (CC): los átomos se sitúan en los vértices y en el
centro del cubo.
FCC Cúbica Centrada en las Caras (CCC): los átomos se sitúan en los vértices y en
los centros de cada cara.
HCP Hexagonal Compacta: los átomos s e sitúan en los vértices y centro de la
cara del hexágono y se colocan otros tres átomos internos en triángulo.
Alotropía:
Indica el cambio que puede sufrir la estructura cristalina de un elemento o
compuesto químico al variar la presión y la temperatura que le rodea. A estos
diferentes estados los denominaremos polimórficos o alotrópicos.
Ejemplo: El hierro a temperatura ambiente cristaliza en el sistema BCC, pero
cuando está a temperaturas entre 912ºC y 1394ºC cristaliza n el FCC.
El carbono puede cristalizar formando estructuras tetragonales (diamante)
o colocarse en capas superpuestas formando hexágonos regulares
(grafito)
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Constantes en las estructuras cristalinas: los datos más importantes de cada una de
las estructuras cristalinas son:
-
Número de átomos por celda unidad: es el número de átomos completos que le
pertenecen, contando en cada átomo sólo la parte o fracción que le corresponde.
-
Constante reticular: es la arista “a” de la celda unitaria. Se expresa en función del
radio atómico
-
Índice de coordinación (I.C): es el número de átomos tangentes a otro átomo.
El I.C. de la red es el correspondiente al átomo que mayor I.C. tiene.
-
Masa de una celda unitaria (en gramos) (m): se obtiene como el número de átomos
de la celda multiplicado por la masa atómica de cada átomo y dividido por el número
de Avogadro (NA = 6,023 . 1023 ).
m
N º átomos.m
(g/mol)
N A (at / mol )
atómica
 n: nº de átomos celda unidad.
n  1 8

a
BCC: cúbica centrada en el cuerpo
1
2
8
Índice de coordinación: i =8
El I.C. de la celda c.c. es de 8, coincidiendo con el del
átomo central.
 Constante reticular
a
4 R
3
 Ejemplo: Temperatura ambiente: Fe.
FCC: cúbica centrada en las caras.
 n : nº de átomos celda unidad.
1
1
 8  4
2
8
a
n  6
 Índice de coordinación: i =12.
Tiene un índice de coordinación de 12, correspondiente a los
átomos de los centros de las caras
 Constante reticular
a
4 R
2
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 Ejemplo: Temperatura ambiente: Cu, Ni y Al
Estado alotrópico del hierro: 912ºC<T<1394ºC.
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a
HCP: Hexagonal compacta
 n = nº de átomos celda unidad.
n  2
1
1
 2.6   3  6
2
6
 Índice de coordinación: i =12. Tiene 12 de I.C. (átomos
de los centros de las bases).
 Constante reticular
a  2R
 Ejemplo: Temperatura ambiente: Co y Ti.
Otras fórmulas:
Volumen de un átomo (esfera) =
Se puede considerar el volumen de una esfera como 2/3 del volumen del cilindro circunscrito
a la esfera.
Factor de empaquetamiento atómico (FEA), es la fracción de volumen en una celda
unidad que está ocupada por átomos. Este factor es adimensional y siempre menor que la
unidad.
Cuasicristales
Un cuasicristal es una forma
estructural que es ordenada pero no
periódica, es decir, no se puede
construir mediante la repetición de
una celda unidad.
El método tradicional para su
crecimiento
se
basa
en
el
enfriamiento rápido de metales
fundidos, de manera que los átomos no tienen tiempo de acceder a las posiciones de equilibrio
correspondiente a los sólidos cristalinos
Los cuasicristales son estructuras relativamente comunes en aleaciones con metales como el aluminio,
cobalto, hierro y níquel. A diferencia de sus elementos constituyentes, son malos conductores de la
electricidad, debido, fundamentalmente, a que poseen pocos electrones libres. No presentan acusadas
propiedades magnéticas y son más elásticos que los metales ordinarios a altas temperaturas. Son
extremadamente duros y resisten bien la deformación, por lo que se pueden utilizar como
recubrimientos protectores antiadherentes.
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Ejercicios:

PAU Septiembre 2011/2012
El aluminio cristaliza en el sistema cúbico centrado en las caras, tiene un radio atómico de
1,43·10-10 m y una masa atómica de 27.
a) Determine el número de átomos que contiene su celda unitaria.
b) Calcule el volumen de dicha celda unitaria.
c) Calcule la densidad del aluminio (Nº Avogadro: 6,023·1023).

PAU Junio 2013/2014
Los átomos de un determinado metal cristalizan en el sistema cúbico centrado en el cuerpo y
tienen un radio de 0,112 nm, determine:
a) El índice de coordinación y el número de átomos de cada celdilla.
b) El volumen que ocupan los átomos de la celdilla unitaria.
c) La constante de la red cristalina.
d) El volumen de la celdilla unitaria y el factor de empaquetamiento.

PAU Junio 2011/2012
a) Razone cómo es la conductividad de los materiales formados por enlaces covalentes.
b) Razone cómo es la fragilidad de los materiales formados por enlaces iónicos.
c) Razone cómo es la resistencia mecánica de los materiales formados por enlaces
metálicos.
d) Justifique qué tipo de enlace presentan los materiales ClNa, NH3.

PAU Septiembre 2010/2011
Para los sistemas de cristalización Cúbico Centrado en las Caras y Cúbico Centrado en el
Cuerpo, indique
en los dos casos:
a) Número de átomos que rodean cada átomo (índice de coordinación).
b) Número de átomos presente en cada celda unitaria.
c) Lado de la arista de la celda para un elemento de radio atómico 0,13 nm.

PAU Septiembre 2009/2010
El Fe a temperatura ambiente tiene estructura Cúbica Centrada en el Cuerpo:
a) ¿Cuántos átomos rodean a cada átomo (índice de coordinación)?
b) ¿Cuántos átomos hay en cada celda unitaria?
c) ¿Cuál es el lado de la arista de la celda si el radio atómico del Fe es 0,124 nm?
d) ¿Qué significa que el Fe presenta estados alotrópicos a altas temperaturas?

PAU Septiembre 2005/2006
Defina brevemente los siguientes conceptos.
a) Isomorfismo
b) Alotropía
c) Enlace iónico y enlace metálico
d) Determine el tipo de enlace que tienen los siguientes compuestos H2O, NaCl y Cu
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