El átomo y su estructura

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ATOMO Y ESTRUCTURA
CRISTALINA
Desiree Salazar
C.I: 19.896.086
Ing. Industrial
EL ATOMO.
Es la unidad de materia más pequeña de un elemento químico que mantiene su
identidad o sus propiedades, y que no es posible dividir mediante procesos
químicos. Está compuesto por un núcleo atómico, en el que se concentra casi
toda su masa, rodeado de una nube de electrones. El núcleo está formado por
protones, con carga positiva, y neutrones, eléctricamente neutros. Los
electrones, cargados negativamente, permanecen ligados a este mediante la
fuerza electromagnética. Los átomos se clasifican de acuerdo al número de
protones y neutrones que contenga su núcleo. El número de protones o número
atómico determina su elemento químico, y el número de neutrones determina
su isótopo. Un átomo con el mismo número de protones que de electrones es
eléctricamente neutro. Si por el contrario posee un exceso de protones o de
electrones, su carga neta es positiva o negativa, y se denomina ion.
ESTRUCTURA DEL ATOMO
• Partículas subatómicas: A pesar de que átomo significa ‘indivisible’, en realidad está
formado por varias partículas subatómicas. El átomo contiene protones, neutrones y
electrones, con la excepción del hidrógeno-1, que no contiene neutrones, y del ion
hidronio, que no contiene electrones. Los protones y neutrones del átomo se
denominan nucleones, por formar parte del núcleo atómico. El electrón es la
partícula más ligera de cuantas componen el átomo. Tiene una carga eléctrica
negativa cuya magnitud se define como la carga eléctrica elemental, y se ignora si
posee subestructura, por lo que se lo considera una partícula elemental. Los protones
tienen una masa de 1,67 · 10−27 kg, 1836 veces la del electrón, y una carga positiva
opuesta a la de este. Los neutrones tienen un masa 1839 veces mas que del electrón,
y no poseen carga eléctrica. Las masas de ambos nucleones son ligeramente
inferiores dentro del núcleo, debido a la energía potencial del mismo; y sus tamaños
son similares.
El núcleo atómico: Es la parte central de un átomo, tiene carga positiva, y
concentra más del 99,9% de la masa total del átomo.
Está formado por protones y neutrones (denominados nucleones) que se
mantienen unidos por medio de la interacción nuclear fuerte, la cual permite que
el núcleo sea estable, a pesar de que los protones se repelen entre sí (como los
polos iguales de dos imanes). La cantidad de protones en el núcleo determina el
elemento químico al que pertenece. Los núcleos atómicos no necesariamente
tienen el mismo número de protones, y neutrones, ya que átomos de un mismo
elemento pueden tener masas diferentes.
•
Nube de electrones: Los electrones en el átomo son atraídos por los protones a
través de la fuerza electromagnética. Esta fuerza los atrapa en un pozo de
potencial electrostático alrededor del núcleo, lo que hace necesaria una fuente
de energía externa para liberarlos. Cuanto más cerca está un electrón del núcleo,
mayor es la fuerza atractiva, y mayor por tanto la energía necesaria para que
escape. Los electrones, como otras partículas, presentan simultáneamente
propiedades de partícula puntual y de onda, y tienden a formar un cierto tipo de
onda estacionaria alrededor del núcleo, en reposo respecto de este. Cada una de
estas ondas está caracterizada por un orbital atómico, una función matemática
que describe la probabilidad de encontrar al electrón en cada punto del espacio.
El conjunto de estos orbitales es discreto, es decir, puede enumerarse, como es
propio en todo sistema cuántico. La nube de electrones es la región ocupada por
estas ondas, visualizada como una densidad de carga negativa alrededor del
núcleo. Cada orbital corresponde a un posible valor de energía para los
electrones, que se reparten entre ellos. El principio de exclusión de Pauli prohíbe
que más de dos electrones se encuentren en el mismo orbital.
EVOLUCION DEL MODELO ATOMICO.
El concepto de átomo existe desde la
Antigua Grecia propuesto por los filósofos
griegos Demócrito, Leucipo y Epicuro, sin
embargo, no se generó el concepto por
medio de la experimentación sino como una
necesidad filosófica que explicara la
realidad, ya que, como proponían estos
pensadores, la materia no podía dividirse
indefinidamente, por lo que debía existir
una unidad o bloque indivisible e
indestructible que al combinarse de
diferentes formas creara todos los cuerpos
macroscópicos que nos rodean. La
concepción del átomo que se ha tenido a lo
largo de la historia ha variado de acuerdo a
los descubrimientos realizados en el campo
de la física y la química. A continuación se
hará una exposición de los modelos
atómicos propuestos por los científicos de
diferentes épocas. Algunos de ellos son
completamente obsoletos para explicar los
fenómenos observados actualmente, pero
se incluyen a manera de reseña histórica.
TEORÍA ATÓMICA DE DALTON.
Fue el primer modelo atómico con bases científicas, fue
formulado en 1808 por John Dalton, quien imaginaba a los
átomos como diminutas esferas.19 Este primer modelo
atómico postulaba:
• La materia está formada por partículas muy pequeñas
llamadas átomos, que son indivisibles y no se pueden
destruir.
• Los átomos de un mismo elemento son iguales entre sí,
tienen su propio peso y cualidades propias. Los átomos
de los diferentes elementos tienen pesos diferentes.
• Los átomos permanecen sin división, aun cuando se
combinen en las reacciones químicas.
• Los átomos, al combinarse para formar compuestos
guardan relaciones simples.
• Los átomos de elementos diferentes se pueden
combinar en proporciones distintas y formar más de un
compuesto.
• Los compuestos químicos se forman al unirse átomos
de dos o más elementos distintos.
MODELO DE THOMSON.
Luego del descubrimiento del electrón en 1897 por Joseph John
Thomson, se determinó que la materia se componía de dos
partes, una negativa y una positiva. La parte negativa estaba
constituida por electrones, los cuales se encontraban según
este modelo inmersos en una masa de carga positiva a manera
de pasas en un pastel (de la analogía del inglés plum-pudding
model) o uvas en gelatina. Posteriormente Jean Perrin propuso
un modelo modificado a partir del de Thomson donde las
«pasas» (electrones) se situaban en la parte exterior del
«pastel» (la carga positiva).
Para explicar la formación de iones, positivos y negativos, y la
presencia de los electrones dentro de la estructura atómica,
Thomson ideó un átomo parecido a un pastel de frutas. Una
nube positiva que contenía las pequeñas partículas negativas
(los electrones) suspendidos en ella. El número de cargas
negativas era el adecuado para neutralizar la carga positiva. En
el caso de que el átomo perdiera un electrón, la estructura
quedaría positiva; y si ganaba, la carga final sería negativa. De
esta forma, explicaba la formación de iones; pero dejó sin
explicación la existencia de las otras radiaciones.
MODELO DE RUTHERFORD.
El modelo atómico de Rutherford es un modelo
atómico o teoría sobre la estructura interna del
átomo propuesto por el químico y físico
británico-neozelandés Ernest Rutherford para
explicar los resultados de su "experimento de la
lámina de oro", realizado en 1911.
El modelo de Rutherford fue el primer modelo
atómico que consideró al átomo formado por
dos partes: la "corteza", constituida por todos
sus electrones, girando a gran velocidad
alrededor de un "núcleo", muy pequeño, que
concentra toda la carga eléctrica positiva y casi
toda
la
masa
del
átomo.
Rutherford Llegó a la conclusión de que la masa
del átomo se concentraba en una región
pequeña de cargas positivas que impedían el
paso de las partículas alfa. Sugirió un nuevo
modelo en el cual el átomo poseía un núcleo o
centro en el cual se concentra la masa y la carga
positiva, y que en la zona extra nuclear se
encuentran los electrones de carga negativa
MODELO ATOMICO DE BOHR.
El modelo atómico de Bohr o de Bohr-Rutherford es un
modelo clásico del átomo, pero fue el primer modelo
atómico en el que se introduce una cuantización a partir
de ciertos postulados. Fue propuesto en 1913 por el físico
danés Niels Bohr, para explicar cómo los electrones
pueden tener órbitas estables alrededor del núcleo y por
qué los átomos presentaban espectros de emisión
característicos (dos problemas que eran ignorados en el
modelo previo de Rutherford). Además el modelo de Bohr
incorporaba ideas tomadas del efecto fotoeléctrico,
explicado por Albert Einstein en 1905. Bohr se basó en el
átomo de hidrógeno para hacer el modelo que lleva su
nombre. Bohr intentaba realizar un modelo atómico capaz
de explicar la estabilidad de la materia y los espectros de
emisión y absorción discretos que se observan en los
gases. Describió el átomo de hidrógeno con un protón en
el núcleo, y girando a su alrededor un electrón. El modelo
atómico de Bohr partía conceptualmente del modelo
atómico de Rutherford y de las incipientes ideas sobre
cuantización
que
habían
surgido
antes.
ESTRUCTURA CRISTALINA.
La estructura cristalina es la forma sólida de cómo se ordenan y empaquetan los átomos,
moléculas, o iones. Estos son empaquetados de manera ordenada y con patrones de
repetición que se extienden en las tres dimensiones del espacio. La cristalografía es el
estudio científico de los cristales y su formación. El estado cristalino de la materia es el
de mayor orden, es decir, donde las correlaciones internas son mayores. Esto se refleja
en sus propiedades antrópicas y discontinuas. Suelen aparecer como entidades puras,
homogéneas y con formas geométricas definidas (hábito) cuando están bien formados.
No obstante, su morfología externa no es suficiente para evaluar la denominada
cristalinidad de un material.
Tipos de estructuras cristalinas.
Además de los factores químicos, en cuanto a los factores geométricos, hay que tener en
cuenta la forma de las partículas constituyentes de la estructura. Así, cuando tenemos
átomos iguales que se unen mediante enlace metálico, se forman los
empaquetamientos densos que se describen como un empaquetamiento de esferas tal
que cada una de ellas se rodea de otras doce.
• Empaquetado cúbico compacto (ecc):
Se trata de un empaquetado ABC en el que la tercera capa cubre los huecos
de la primera que no han sido cubiertos por la segunda. La red basada en el
ECC es una red cúbica centrada en las caras.
Empaquetado hexagonal compacto (ehc):
Se trata de un empaquetado ABA en el que la
tercera capa ocupa exactamente la misma
posición que la primera, constituyendo las
estructuras más compactas o densas
posibles. Es una estructura característica de
muchos metales como el oro, plata, plomo,
etc.
La red basada en el EHC es una red
hexagonal múltiple con un nudo adicional
en su interior.
Existen empaquetados de orden superior
que darían lugar a estructuras con
alternancias de empaquetados cúbicos y
hexagonales compactos.
Según los intersticios que surgen de las
secuencias compactas de empaquetamiento
(cúbico compacto o hexagonal compacto), que
aparecen,
fundamentalmente,
en
coordinación tetraédrica (coordinación 4) y
octaédrica (coordinación 6), estén ocupados
total o parcialmente por cationes, se
originarán diferentes tipos de estructuras
básicas.
En una red cúbica de caras centradas, las
posiciones interatómicas pueden ser:
Posición octaédrica (NC=6): La posición
central de la celda, al igual que las posiciones
medias en las aristas del cubo, está rodeada
por seis átomos que forman los vértices de un
octaedro.
Posición tetraédrica (NC=4): (Existen ocho
posiciones tetraédricas en la celda)
Posición triangular (NC=3): Cada tres átomos contiguos determinan un triángulo
equilátero cuyo centro es una posición de coordinación 3.
ESTRUCTURAS DERIVADAS DE LA ESTRUCTURA CÚBICA DE CARAS CENTRADAS.
Las posiciones octaédricas, tetraédricas y triangulares proporcionan regiones que
pueden ser ocupadas por iones de carga opuesta a los que están situados en las
posiciones atómicas normales del empaquetado, siempre que aquellos tengan el
tamaño adecuado.
Las estructuras derivadas que se originan son: Estructura tipo halita, NaCl y
estructura tipo fluorita, CaF2.
Estructura tipo halita, NaCl: Cuando en
Estructura
tipo
fluorita,
CaF2:
una estructura cúbica de caras centradas
todas las posiciones octaédricas son
ocupadas pos átomos iguales, pero
distintos de los originales. Los iones Cl y Na
alternan en las tres direcciones principales
del espacio. La celda elemental es cúbica
de caras centradas, y la estructura puede
describirse como dos redes de este tipo,
una de Cl- y otra de Na+.
Cuando en una estructura cúbica de
caras centradas se llenan todas las
posiciones tetraédricas por otros
átomos, idénticos entre sí. Cada Ca++
se halla en el centro de un cubo cuyos
vértices están ocupados por F-. Éstos,
a su vez, están en el centro de un
tetraedro cuyos vértices lo ocupan
sendos Ca++.
Estructura cristalina ordenada.
En la estructura cristalina (ordenada) de los materiales inorgánicos, los elementos que
se repiten son átomos o iones enlazados entre sí, de manera que generalmente no se
distinguen unidades aisladas; estos enlaces proporcionan la estabilidad y dureza del
material. En los materiales orgánicos se distinguen claramente unidades moleculares
aisladas, caracterizadas por uniones atómicas muy débiles, dentro del cristal. Son
materiales más blandos e inestables que los inorgánicos.
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
esta organizada esta materia (grados de cristalinidad), en donde los extremos serían
materiales con estructura atómica perfectamente ordenada (cristalinos) y
completamente desordenada (amorfos).
Estructura cristalina del diamante

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