Enlaces atómico

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Capitulo 2
Estructura Atómica y
Enlaces Interatómicos
Materiales industriales
Preguntas a contestar en clases
¿Cual es el origen de la investigación de
la estructura atómica?
¿Cuál es el enlace entre la tabla
periódica y la estructura atómica?
¿Cuál son las diferencias entre los
enlaces?
Experimento JJ Thomson
Experimento Rutherford
Modelo Niels Bohr
Átomos y Enlaces
Estructura atómica :fundamentos, electrones,
protones, neutrones, estados de electrones. La
consecuencia: tabla periódica
Enlaces atómico de los sólidos: mecanismos de
enlaces, fuerzas, y energías
Moléculas
Electrones de las capas externas (valencia de
electrones) son las responsables de los enlaces
atómicos.
El enlace de los átomos determinan las
propiedades físicas, química, magnéticas,
ópticas, etc…
Ciencia de Materiales
Revisión de la estructura atómica
Átomos: electrones, protones, y
neutrones.
Cargas: positiva y negativa – de
la misma magnitud - 1.6 x 10-19
Coulombs.
Los Neutrones son
eléctricamente neutros.
Orbita de los electrones
Núcleo (p+n)
Masa: Protones y neutrones
tienen la misma masa = 1.67 x
10-27 Kg.
Electrón es 9.11 x 10-31 Kg.
Número de masa = masa de
protones + masa de neutrones.
# de protones da la
identificación química del
elemento y es igual al numero
atómico (Z)
# de neutrones define el
numero del isótopo.
Representación esquemática del
átomo de Bohr
Ciencia de Materiales
Revisión de la estructura atómica
Unidad de masa atómica (uma) : denominada comúnmente
como peso atómico. 1 uma es definida como ½ uma del
isótopo mas común del átomo de carbono 6 ( 6 protones y 6
electrones).
Masa del protón = masa del neutron = 1.66x10-24 gr. = 1
uma… Así, la masa atómica del carbono 12 es 12 umas.
El peso atómico de un elemento es el peso atómico medio
de las masas atómicas de los átomos que tienen isótopos.
El carbono pesa 12.011 uma La masa atómica es expresada
como masa/mol
Un mol es la cantidad de materia que tiene una masa en
gramos igual a la masa atómica en uma de los átomos.
Ejemplo: 1 mol de carbón tiene una masa de 12 gramos.
Numero de Avogadro es el numero de átomos que tiene
una mol, N.Av= 6.023 x 1023 = 1 gram/1uma
Ejemplo: peso atómico del acero = 55.85 uma/átomo =
55.85 gr./mol
Teoría de los átomos
Bohr
quántica
Distancia
del núcleo
Núcleo
Orbita de
electrones
Cuántica
Probabilidad
Teoría de Bohr , similar al sistema
planetario, la teoría cuántica dice que
esta teoría es incorrecta.
Intenta visualizar el movimiento de los
electrones, pero los electrones no se
mueven en orbitas circulares, además la
masa no esta concentrada en un solo
punto o electrón.
Es complicado determinar el movimiento
de los electrones, lo que se puede
determinar es la probabilidad de los
electrones alrededor del núcleo, esto es
determinado por la mecánica
Orbita
del
electrón
Núcleo
Ciencia de Materiales
Energía (J)
Niveles de energía del átomo de
hidrogeno, 1 eV= 1.6 x 10-9 J
La energía es la energía perdida
o ganada por un electrón a
través de un diferencial de
potencial de 1V
Un electrón para moverse de
nivel requiere de un “salto
cuantico”
Cada nivel esta compuesto de
subniveles de energía
Debido a la estroestática e
interacción entre electrones cada
sub-nivel de energía esta
relativamente cerca
Los sub-niveles son
denominados s,p,d, f que son los
números cuánticos principales
Energía (eV)
Teoría cuántica
Bohr
Cuántica
Ciencia de Materiales
Números Cuánticos
Existes solo algunas orbitas o capas que se dan, esta capas denomina a los
numero cuánticos n, los cuales nos indican el tamaño del nivel o capa ,
n=1,2,3..a esto corresponde K,L,M,N,…..
El numero cuántico l, define la subcapa de cada capa o nivel, s,p,d,f…..
El tercer numero, ml define el numero de estados disponibles de energía del
subnivel, 1 para s, 3 para p, 5 para d, 7 para f
El ultimo numero es el ms o rotación (spin) = +/- 1/2
Numero
Principal , n
Sub-nivel
Numero
de estados
Numero de electrones
por nivel
Número de electrones
por sub-nivel
1
K
s
1
2
2
2
L
s
1
2
8
p
3
6
s
1
2
p
3
6
d
5
10
s
1
2
p
3
6
d
5
10
f
7
14
3
4
M
N
18
32
Números Cuánticos
Energía
Notación : n [s,p,d,f]# , donde # es el numero de estados que contiene
electrones
Ejemplo: H =1s1, He = 1s2, Be=1s2 2s2, Al = 1s2 2s2 2p6 3s2 3p1
Numero cuántico, n
Ciencia de Materiales
Proto-tabla periódica de Mendeleev
Muchos datos aleatorios de elementos, propiedades y comportamiento.
Se organiza los datos a fin de que tenga sentido
Una buena hipótesis conociendo los hechos que trate de predecir
comportamientos
Mendeleev (1869) los arregló en función de su peso atómico y los
agrupo acorde su reactividad química.
Se percato que habían “huecos” . El Al se comportaba como el B
mientras que el Si como el C.
Predijo que habría un elemento debajo del Al que lo llamo eka-aluminio
con peso atómico de 68 y que reaccionaría con el cloro. El Galio (1875)
También el elemento debajo del Si, que lo llamó eka-silicón tendría peso
atómico de 72 y que formaría óxidos. Germanio (1886).
Tabla Periódica y Configuración Electrónica
Metales
s
N. Atómico
Símbolo
P. Atómico
No metales
p
Intermedios
d (n-1)
El Sodio (Na) tiene una configuración 1s2, 2s2, 2p6, 3s1
El Hierro (Fe) tiene una configuración 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 3d6, 4s2
Átomos con un electrón en el ultimo nivel como el Na o átomos con
uno faltante son pocos como el Cl son altamente reactivos
Los electrones de las ultimas capas o niveles determina las
propiedades químicas de los átomos : valencia de electrones
Átomos con todos sus electrones completos son inertes como los
gases Ne, Ar
Tabla Periódica
Regiones de la tabla periódica que
corresponde a diferentes bloques de orbitales
Incremento de Electronegatividad
Electronegatividad
Incremento de Electronegatividad
Electronegatividad es la habilidad que tiene un átomo para aceptar un electrones.
Ciencia de Materiales
Gráfico radio atómico Vs número atómico:
Máxima ocurre para elementos del grupo 1 A mientras
que la minina a 8A
Energía de la primera ionización Vs número
atómico
La energía de
ionización disminuye
con un creciente
número atómico.
Ej: Se requiere menos
energía para
remover un electrón
de un átomo de
potasio que para
removerlo de uno de
litio.
Afinidad electrónica Vs número atómico
El cambio de
energía que ocurre
cuando un electrón
se adiciona a un
átomo gaseoso o a
un ión.
Puntos de fusión de algunos metales en
función de su ubicación en la tabla periódica
Obsérvese que los
puntos de fusión
tienen carácter
periódico debido a
que varían a través
de los periodos
cuarto, quinto y
sexto de la tabla
Tabla Periódica
Grupo 0, gas inertes o nobles, químicamente
inactivo (Ar)
Grupo IA y IIA incluyen los álcalis y metales
alcalinos, tienen un electrón en la ultima capa,
tienden a ceder electrones, son químicamente
activos
Grupo VIIA, tienen a ganar un electrón en la ultima
capa, químicamente activos
Grupo IV son materiales en transición, como el Si
importante en la fabricion de chips
(semiconductores)
Grupo IIIB y IIB son metales de transición, los
cuales tiene el subnivel d parcialmente ocupado,
aquí encontramos los materiales magnético
Ciencia de Materiales
Enlaces
Enlace atómico determina las
propiedades de los materiales.
Si dos átomos son aislados y
luego unidos, existirá una
interacción entre ambos
átomos.
FR está relacionada con el
principio de Pauli: cuando las
nubes de electrones que
rodean los átomos se empiezan
a sobreponer la energía
aumenta inmediatamente.
FA depende del tipo de enlace.
E0 (a distancia r0 y FN=0)
representa la energía requerida
para separar los átomos a una
distancia infinita.
FN=FR+FA
F=dE/dr
r0= dist.equilibrio
Si dE/dr=0 FR=FA
E0:Energ. equilibrio
EN=EA+ER
Tipos de enlace
Enlaces primarios: electrones son transferidos
o compartidos. Fuerte energía de interacción
en 100 y 1000 KJ/mol. Tipos: iónicos (NaCl)
metálicos, covalentes (C-C)
Enlaces secundarios: no se transfieren o
comparten electrones en estos enlaces.
Existen una interacción atómica o por dipolo
molecular. Energía de interacción es débil
menor a 100 KJ/mol . Tipos: dipolos inducidos
(H2,Cl2), dipolos permanentes (H20, HCl..),
moléculas polares induce dipolos
Ciencia de Materiales
Enlace Iónico
Se produce una “ionizacion” entre
dos átomos ocurriendo una
transferencia de electrones. Ion es
un atomo con carga. Anion: atomo
cargado positivamente. Cation:
atomo cargado negativamente
Los iones son atraído por fuerzas de
Coulomb. Poseen cargas opuestas y
se atraen sin dirección
Ejemplo: NaCl. Na tiene 11
electrones y 11 protones
Na 1s2 2s2 2p6 3s1
Na+ 1s2 2s2 2p6 dona 1e y le
quedan 10 e Cl tiene 17 protones y
17 electrones
Cl 1s2 2s2 2p6 3s2
3p5
Cl- 1s2 2s2
2p6 3s2 3p6 acepta 1e , entones
tiene 18e
Na (metal)
inestable
Cl (no-metal)
inestable
electron
Na (cation)
estable
+
Atraccion de
Coulomb
Cl (anion)
estable
Ciencia de Materiales
Enlace Iónico
Se produce un “encojimiento”
del Na y un “ensanchamiento”
del Cl por la transferencia de
electrones. Debe haber igualdad
de carga
Estructura cristalina del ClNa
El Esfuerzo del enlace
disminuye con el enlace iónico.
La trasferencia de electrones
reduce la energía del sistema
de los átomos.
A mayor diferencia en
electronegatividad mas fuerte es
el enlace iónico.
Los iónicos sólidos son frágiles y
tienen elevada temperatura de
fusión como los cerámicos.
Ciencia de Materiales
Enlace Iónico
Cerámicos
NaCl
MgO
H
2.1
Li
1.0
Be
1.5
Na
0.9
Mg
1.2
K
0.8
Ca
1.0
Rb
0.8
He
-
CaF 2
Cs Cl
O
3.5
F
4.0
Ne
-
Cl
3.0
Ar
-
Br
2.8
Kr
-
Sr
1.0
I
2.5
Xe
-
Cs
0.7
Ba
0.9
At
2.2
Rn
-
Fr
0.7
Ra
0.9
Ti
1.5
Donan electrones
Cr
1.6
Fe
1.8
Ni
1.8
Zn
1.8
As
2.0
Aceptan electrones
Ciencia de Materiales
Enlace Covalente
Polímeros: lo
polímeros están
formado
principalmente
por cadenas de
carbonos, los
cuales parten de
un monómero
H H
|
|
C= C
|
|
H H
Diamante: arreglo
atómico de
carbonos
Ciencia de Materiales
Enlace Covalente
H2
columna IVA
H2O
C(diamante)
H
2.1
Li
1.0
Be
1.5
Na
0.9
Mg
1.2
K
0.8
Ca
1.0
Rb
0.8
Sr
1.0
Cs
0.7
Ba
0.9
Fr
0.7
Ra
0.9
SiC
F2
He
O
2.0
F
4.0
Ne
-
Cl
3.0
Ar
-
Br
2.8
Kr
-
Sn
1.8
I
2.5
Xe
-
Pb
1.8
At
2.2
Rn
-
C
2.5
Si
1.8
Ti
1.5
Cr
1.6
Fe
1.8
Ni
1.8
Zn
1.8
Ga
1.6
Ge
1.8
As
2.0
Cl2
GaAs
Ciencia de Materiales
Enlace Metálico
La valencia de electrones son
esparcido formando un “mar de
electrones” que se pegan unos a
otros. Los electrones son
“donados” por todos los átomos.
Resultado: estructura en la cual
los átomos están ionizados en
este mar de electrones, los iones
se fijan debidos a que las fuerzas
de atracción y repulsión son
iguales.
Los electrones se pueden mover
libremente y por esta razón los
metales son buenos conductores
de la electricidad, también el calor
puede trasmitirse fácilmente a
través de los electrones.
Iones
Mar de electrones
Ciencia de Materiales
Enlace secundarios o de Vander Valls
Interacciones de
dipolo.
Dipolo Permanente
0.1 – 10 KJ/mol.
Importantes en
molecular de sólidos:
ceras, polímeros.
Enlace disminuye la
temperatura de fusión
de los materiales.
Dipolo inducido
Son aislantes.
Ciencia de Materiales
Enlaces secundarios
Dipolo-dipolo: Fuerzas
electrostáticas entre
moléculas
Las cargas de un dipolo
induce cargas
electrostáticas entre
moléculas
La energía del dipolo
disminuye a mayor
distancia
Dipolo inducido : cambio
en la “nube” de electrones
Iones pueden interactuar
Soluciones acuosas
Ciencia de Materiales
Puente de hidrogeno
Son fuerzas electroestática entre el
hidrogeno y O, N, F, S
Controla las propiedades del agua y
del hielo.
Se da en los polímeros entre grupos
que conforman las cadenas
poliméricas.
Son relativamente fuertes
aproximadamente 10 J/mol (corto
tiempo) , las dipolo-dipolo o dipolo –
dipolo inducido son aprox. 0.1 a 1
kJ/mol (varia en la distancia).
Ciencia de Materiales
Resumen
Tipo
Energía del
enlace
Características
Iónico
Elevada (enlace
fuertes)
No direcciones, estables, punto de
fusión elevado, conductividad baja,
coeficiente de expansión bajo. Ej.:
cerámicos
Covalente
Variable, elevada
como el diamante,
bajo como los
polímeros
Punto de fusión elevado y variable,
aislante, frágil o flexible. Ej: algunos
cerámicos, semiconductores, y
cadenas poliméricas
Metálicos
Variable, elevada
Punto de fusión variable, buenos
como el Tungsteno conductores del calor y electricidad,
y pequeña como el opacos a la luz. Ej ; metales
mercurio
Secundarios
Pequeños
Direcciones , inter moléculas como los
polímeros o intramolecular
Resumen de clase
¿Cuantos protones, neutrones y electrones
hay en un átomo de 197Au?
Dé el simbolo químico completo para el
núclido que contiene 18 protones, 18
electrones y 22 neutrones.

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