ESTRUCTURA ATÓMICA
Y ENLACE QUÍMICO
INTRODUCIÓN A LA INGENIERÍA DE MATERIALES
CIENCIA E INGENIERÍA DE LOS MATERIALES
• El objetivo principal de la ciencia de los materiales es el conocimiento
básico de la estructura interna, las propiedades y la elaboración de
materiales.
• La ingeniería de los materiales se interesa principalmente por el empleo
del conocimiento fundamental y aplicado acerca de los materiales, de
modo que éstos puedan ser convertidos en los productos que la sociedad
necesita.
QUÉ PROBLEMAS IMPACTAN LA SECCIÓN DE
LOS MATERIALES Y EL DISEÑO?
La respuesta radica en el
Resistencia
conocimiento de las
Funcionalidad
propiedades físicas,
químicas y mecánicas de los
materiales en función de
algunos parámetros como :
Ductilidad
Durabilidad
Biodegradabilidad
Dureza
NATURALEZA INTRÍNSECA DE LOS MATERIALES
Finalmente, las propiedades
de los materiales están
determinadas por los tipos
de átomos presentes, su
orientación relativa y la
naturaleza del enlace entre
estos
EL ÁTOMO
Cada uno de los objetos que pueden
verse alrededor ocupan un espacio y
pueden medirse. Estos objetos reciben el
nombre de materia, que se define como
todo aquello que ocupa un lugar en el
espacio y tiene masa.
Los átomos son la unidad estructural
básica de todos los materiales de
ingeniería
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TEORÍA ATÓMICA
ÁTOMO
El átomo está formado por
un núcleo con protones y
neutrones y por varios
NÚCLEO
CORTEZA
electrones en sus orbitales,
cuyo número varía según el
elemento químico.
PROTONES
NEUTRONES
ELECRONES
ESTRUCTURA DE LOS ÁTOMOS
Núcleo
• Constituye casi toda la masa del átomo y contiene protones y neutrones
Protón
• Tiene una masa de 1.673 × 10−24 g y una carga unitaria de +1.602 × 10−19 (C).
Electrón
• Tiene una masa relativamente pequeña de 9.109 × 10−28 g y una carga unitaria
de −1.602 × 10−19 (C)
NÚMERO ATÓMICO
Indica el número de protones que están
en su núcleo. Es también igual al
número de electrones de su nube de
carga.
Cada elemento tiene su propio número atómico característico y, de este
modo, el número atómico define al elemento.
Los números atómicos de los elementos desde el hidrógeno (1) hasta el
hahnio (105), se ubican encima de los símbolos atómicos de los
elementos en la tabla periódica.
NÚMERO MÁSICO
• El número másico, A, de un átomo es el número de nucleones que
contiene su núcleo, es decir, la suma de los protones y neutrones que lo
forman.
• Si designamos como N el número de neutrones, resulta el siguiente
valor para el número másico:
A=Z+N
• Así, el núcleo de los átomos de un
elemento químico está compuesto por
un número fijo de protones y un
número variable de neutrones.
MASA ATÓMICA
• Se define a partir de doceava parte de la masa del átomo de carbono.
• El átomo de carbono (6 protones y 6 neutrones) es el átomo de carbono 12
y su masa es la de referencia de las masas atómicas.
• Una unidad de masa atómica ( u ) se define como un doceavo de la masa
de un átomo de carbono que tiene una masa de 12 u.
• Una masa atómica relativa molar de carbono 12 tiene una masa de 12 g en
esta escala. Un mol-gramo o mol de un elemento se define como el
número en gramos de ese elemento igual al número que expresa su masa
atómica relativa molar
Algunas masas
atómicas
MODELO ÁTÓMICO DE RUTHERFORD
Ernest Rutherford (1911) estableció el siguiente
modelo atómico:
• La mayor parte de la masa y toda carga
positiva del átomo se concentran en una
minúscula zona central de gran densidad, el
núcleo.
• El átomo, mucho mayor que el núcleo, incluye
la corteza electrónica, que es la región donde
los electrones describen órbitas circulares
alrededor del núcleo.
• El átomo es neutro porque el número de
electrones es igual al de protones.
MODELO ÁTÓMICO DE BOHR
• Propuesta por el físico danés Neils Bohr
(1885-1962). Establece que el electrón se
desplaza en órbitas a una distancia fija
alrededor del núcleo atómico, describiendo
un movimiento circular uniforme.
• En este modelo los electrones giran en
órbitas circulares alrededor del núcleo,
ocupando la órbita de menor energía posible,
o la órbita más cercana posible al núcleo
• Bohr numeró los niveles de energía del
electrón, considerando que mientras más
cerca el electrón esté del núcleo, su estado de
energía es menor.
MOLÉCULA
• Una molécula es un conjunto de átomos,
iguales o diferentes, que se encuentran
unidos mediante enlaces químicos.
• El caso que los átomos sean idénticos se
da por ejemplo en el oxígeno (O2) que
cuenta con dos átomos de este elemento;
o pueden ser diferentes, como ocurre con
la molécula del agua, la cual tiene dos
átomos de hidrógeno y uno solo de
oxígeno (H2O).
LEYES DE LEWIS Y REGLA DEL OCTETO
• Se llaman estructuras de Lewis a las representaciones electrónicas de las
fórmulas estructurales de las moléculas en las cuales cada átomo adquiere
la configuración electrónica de un gas noble.
• La regla del octeto establece que los átomos de los elementos se enlazan
unos a otros en el intento de completar su capa de valencia (ultima capa de
la electrósfera).
• La denominación “regla del octeto” surgió en razón de la cantidad
establecida de electrones para la estabilidad de un elemento, o sea, el
átomo queda estable cuando presenta en su capa de valencia 8 electrones
• Para alcanzar tal estabilidad sugerida por la regla del octeto, cada elemento
precisa ganar o perder (compartir) electrones en los enlaces químicos, de
esa forma ellos adquieren ocho electrones en la capa de valencia.
ENLACES QUÍMICOS
• Enlace químico es el proceso químico
responsable de las interacciones
atractivas entre átomos y moléculas, y
que confiere estabilidad a los
compuestos químicos.
• Las fuerzas atractivas son procesos
complejos fundamentados en las leyes
del electromagnetismo.
• En general, los enlaces químicos pueden
dividirse en dos grupos: primarios
(enlaces fuertes) y secundarios (enlaces
débiles).
Iónicos
Enlaces
primarios
Covalentes
Metálicos
ENLACES IÓNICOS
• Ocurre entre elementos
metálicos y no metálicos
• Fuerzas grandes debidas a
transferencia de un
electrón de un átomo a
otro produciéndose iones
que se mantienen unidos
por fuerzas Coulombianas.
• Es un enlace no direccional
relativamente fuerte
FUERZAS COULUMBIANAS
“La magnitud de cada una de las fuerzas eléctricas con
que interactúan dos cargas puntuales en reposo es
directamente proporcional al producto de la magnitud de
ambas cargas e inversamente proporcional al cuadrado
de la distancia que las separa y tiene la dirección de la
línea que las une”.
La fuerza es de repulsión si las cargas son de igual signo, y
de atracción si son de signo contrario.
ENLACES IÓNICOS
ENLACES COVALENTES
Fuerzas interatómicas grandes creadas cuando se comparten
electrones para formar un enlace con una dirección localizada.
ENLACES COVALENTES
El enlace covalente se
forma entre átomos con
pequeñas diferencias de
electronegatividad y
ubicados muy próximos
en la tabla periódica.
Generalmente en no
metales
ENLACES METÁLICOS
• Es un enlace que mantiene unidos los átomos (unión entre
núcleos atómicos y los electrones de valencia, que se juntan
alrededor de éstos como una nube) de los metales entre sí
• Estos átomos se agrupan de forma muy cercana unos a otros,
lo que produce estructuras muy compactas
Los electrones negativos se
distribuyen por todo el metal
formando enlaces no
direccionales con los iones
plata positivos.
ESTRUCTURA INTERNA DE LOS METALES
Los átomos de los metales no forman moléculas sino que se colocan ordenadamente y
constituyen una estructura cristalina lo más compacta posible.
Cada átomo se desprende de sus electrones de valencia convirtiéndose en ion positivo.
Los electrones de valencia de
todos los átomos forman una nube
electrónica capaz de desplazarse
entre los huecos de la estructura.
La interacción entre la nube de
electrones y los iones positivos
asegura la estabilidad del metal.
Esta unión constituye el enlace
metálico.
ENLACES DE VAN DER WAALS
• Son enlaces secundarios, mucho más débiles que los primarios, pero
tiene una gran importancia en materiales poliméricos.
• Se dan debido a una atracción dipolo entre átomos no cargados.
• Los enlaces secundarios se forman gracias a la atracción electrostática de
los dipolos atómicos. Estas interacciones se producen entre dipolos
inducidos o entre moléculas polares que exhiban dipolos permanentes
FUERZAS INTRAMOLECULARES E
INTERMOLECULARES
• Fuerzas intermoleculares son fuerzas de atracción entre las moléculas. Ejercen
más influencia en las fases condensadas de la materia (líquidos y los sólidos).
• Las intramoleculares mantienen juntos los átomos de una molécula (enlace
químico). Estas fuerzas estabilizan las moléculas individuales, en tanto que las
fuerzas intermoleculares son las principales responsables de las propiedades
macroscópicas de la materia (por ejm, punto de fusión y punto de ebullición).
• Las fuerzas intermoleculares suelen ser más débiles que las intramoleculares
ESTRUCTURA DE LOS SÓLIDOS
• Los sólidos se dividen en dos categorías: cristalinos y amorfos.
• Un sólido cristalino posee un ordenamiento estricto y regular, es
decir, sus átomos, moléculas o iones ocupan posiciones específicas.
• Gracias a la distribución de estas partículas en el sólido cristalino, las
fuerzas de atracción intermolecular son máximas.
• Las fuerzas que mantienen la estabilidad de un cristal pueden ser
iónicas, covalentes, de van der Waals, de enlaces de hidrógeno o una
combinación de todas ellas.
• Un sólido amorfo, como el vidrio, carece de un ordenamiento bien
definido y de un orden molecular repetido.
CRISTALES Y MATERIAL AMORFA
EJEMPLOS DE SÓLIDOS CRISTALINOS Y
SÓLIDOS AMORFOS
CRISTAL
AMORFO
Cuarzo
Diamante
Sal Gema
Azúcar
Hielo
Hielo seco (CO2)
Obsidiana
Vidrio
Plásticos
Algodón de azúcar
Jabones
Parafinas
Mica
Polímeros elastómeros (siliconas)
CELDA UNITARIA
Es la unidad estructural básica de un sólido cristalino.
Esta unidad básica se repite en toda la estructura del sólido y contiene
toda la información acerca de la estructura del cristal
SISTEMAS CRISTALOGRÁFICOS
Los siete tipos de
celdas unitarias. El ángulo α
está definido por las aristas b y
c, el ángulo β mediante las
aristas a y c, y el ángulo g
mediante las aristas a y b.
¿CÓMO SE FORMAN LOS CRISTALES?
Los cristales se forman a partir de disoluciones, fundidos y vapores. Los
átomos en estos estados desordenados tienen una disposición al azar, pero al
cambiar la temperatura, presión y concentración pueden agruparse en una
disposición ordenada característica del estado cristalino.
TEMPERATURA
RESIÓN
CRISTALIZACION POR DISOLUCIÓN Y
EVAPORACIÓN DEL SOLVENTE
CRISTALIZACION POR DISOLUCIÓN Y
EVAPORACIÓN DEL SOLVENTE
CRISTALIZACION POR DESCENSO DE
TEMPERATURA O PRESIÓN
Cuando el material se enfría, los
diferentes iones son atraídos unos con
otros para formar núcleos cristalinos
En el caso de la solidificación del magma, el
enfriamiento lento produce formación de
cristales y minerales que forman rocas
CRISTALIZACIÓN POR SUBLIMACIÓN
• La tercera forma de cristalización es
mucho menos frecuente que las otras.
Se trata de cristales producidos
directamente de un vapor en donde, los
átomos químicos disociados, cuando se
enfría en gas, se agrupan poco a poco
hasta al que fin forma un sólido con una
estructura cristalina denomina.
• El ejemplo más común corresponde a la
formación de copos de nieve
CICLO DE LOS CRISTALES
NACE
CRECE
MUERE
REPRODUCE
Los minerales son
inertes, sin embargo,
su ciclo es similar a la
de los seres vivos
CONDICIONES PARA LA FORMACIÓN DE LOS
CRISTALES
1
2
3
4
El material debe estar en reposo. La condición de reposo
permitirá la formación del cristal
Debe transcurrir cierto tiempo. Cuanto mayor tiempo, mayor será
el grado de cristalización
Espacio suficiente. Para permitir el desarrollo y crecimiento de los
cristales
Condiciones de temperatura y presión que favorezcan la actividad
atómica y molecular
LOS MINERALES
La asociación ordenada
de cristales forma los
minerales
Los minerales forman
materias puras o se
asocian con otros para
formar materiales
Los materiales están
compuestos de
minerales y sus
propiedades dependen
de las de éstos
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