estructura atómica de los materiales

1. Estructura atómica de los
materiales
Los átomos son la unidad básica estructural de todos los materiales de ingeniería. Los
átomos constan principalmente de tres partículas subatómicas básicas, protones neutrones
y electrones. El modelo común consta de un pequeño núcleo de alrededor de 10-14 m de
diámetro rodeado de una nube de electrones relativamente poco dispersa y de densidad
variable de modo que el diámetro del átomo es del orden de 10-10m. El Núcleo aglutina casi
toda la masa del átomo y contiene protones y neutrones, el protón tiene una masa de
1.673*10-24g, y una carga unitaria de 1.602*10-19C. El neutrón el ligeramente más pesado
que el protón con una masa de 1.675*10-24 g, pero no tiene carga. El electrón tiene una
masa relativamente pequeña de 9.79*10-28 g. (1/1836 veces la del protón) y una carga de –
1.602*10-19 C. (igual en carga pero de signo opuesto a la del protón. La nube de carga
electrónica constituye de este modo casi todo el volumen del átomo, pero, sólo representa
un pequeña parte de su masa.

2. • Número Atómico:
El número atómico de un átomo, indica el número de protones (partículas cargadas positivamente) que están en su
núcleo, y en un átomo neutro, el número atómico es también igual al número de electrones. Cada elemento tiene
su propio número atómico característico y, de este modo, el número atómico define el elemento. Los números
atómicos, desde el Hidrógeno, que tiene por número atómico (1) hasta el Hahnio que tiene como número atómico
105 están localizados en la parte superior de los símbolos de los elementos de la tabla periódica.
• Masa atómica:
La masa atómica relativa de un elemento, es la masa en gramos de 6.02*1023 átomos (número de Avogadro, NA) de
ese elemento, la masa relativa de los elementos de la tabla periódica desde el 1 hasta el 105 esta situada en la parte
inferior de los símbolos de dichos elementos. El átomo de carbono, con 6 protones y 6 neutrones, es el átomo de
carbono 12 y es la masa de referencia para las masas atómicas. Una unidad de masa atómica , se define
exactamente como 1/12 de la mas de un átomo de carbono que tiene una masa 12. una masa atómica relativa
molar de carbono 12 tiene una masa de 12 g en esta escala. Un mol de gramo (abreviado, mol) de un elemento se
define como el numero en gramos de ese elemento igual al número que expresa su masa relativa molar. Así, por
ejemplo, un mol gramo de aluminio tiene una masa de 26.98 g y contiene 6.023*1023 átomos.
• Átomo de Hidrógeno:
El átomo de hidrógeno es el átomo más sencillo y consta de un electrón circundando a un núcleo de un protón, este
electrón solo puede tener movimiento en órbitas definidas (niveles energéticos). La razón e los valores restringidos
de energía es que los electrones cumplen las leyes de la mecánica cuántica que solo permite ciertos valores de
energía y no solo valores arbitrarios. De este modo, si el electrón del átomo de hidrógeno es excitado a una órbita
(nivel energético superior) se absorbe una cantidad discreta de energía. Simultáneamente, si el electrón cae a una
órbita (nivel energético) más bajo se emite una cantidad discreta de energía.

3. Atracción inter-atomicas
• Enlaces o Uniones Interatómicas Primarias?
Las fuerzas que mantienen juntos a los átomos, se llaman fuerzas cohesivas. Estos enlaces interatómicos pueden
clasificarse en primarios o secundarios. La fuerza de estos enlaces, así como su capacidad para reformarse
después de su separación, determinan las propiedades físicas del material. Los enlaces atómicos primarios
puedes ser de 3 tipos: 1) Iónicos, 2) Covalentes y 3) Metálicos.
• Enlaces Iónicos: Estos enlaces primarios son de tipo químico simple, resultado de la atracción mutua de
cargas positivas y negativas.
• Enlaces Covalentes: En muchos compuestos químicos, los átomos adyacentes comparten electrones
bivalentes. La molécula de hidrogeno, H2, es un ejemplo de enlace covalente.
• Enlaces Metálicos: El tercer tipo de interacción atómica es el enlace metálico. El enlace metálico puede
comprenderse mejor si se estudian un cristal metálico, como el oro puro.

4. • Disposición espacial de átomos:
El empaquetamiento de iones en un sólido se realiza tendiendo a alcanzar una energía potencial mínima en las tres
dimensiones. Las variables que influyen sobre el mínimo de energía son:
• 1. Neutralidad eléctrica de la carga en la molécula, lo que se alcanza con las composiciones estequiometrias
de sus componentes y la repetición de esta unidad en cualquier dirección.
• 2. Optimo aprovechamiento del espacio atendiendo a las dimensiones ocupadas por cada ión, idéntica a cada
átomo. En esta hipótesis cada átomo se comporta como si fuera una esfera de radio iónico ai incompresible,
modelo de esferas duras.
Disposición espacial de átomos :Los sólidos covalentes se obtienen por conformación de largas cadenas de
unidades mínimas, monómeros. Cada monómero es el conjunto mínimo estable de los átomos unidos por enlaces
covalentes. Por ejemplo, el monómero de etileno es el indicado a la izquierda, y la adición de n moléculas de
etileno nos lleva al polímero, polietileno, como se indica a continuación:

5. Cuando existe una agregación de átomos las fuerzas interatómicas de larga distancia, atracciones, producen un
acoplamiento de los átomos en unas estructuras lo más densas posibles. Según el modelo de esferas duras, el
acoplamiento. los átomos se alinean a lo largo de tres rectas físicamente equivalentes que forman entre sí ángulos
de 120°, denominadas direcciones densas. El acoplamiento en el espacio se logra mediante el apilamiento de
mayor densidad.
En efecto, si llamamos A a los átomos de plano de la base y B a los de la segunda capa, la mayor densidad se
obtiene cuando los átomos de B se alojan en el hueco que dejan tres de la capa de A y se apoyan en ellos.
La tercera capa que denominaremos C, puede caer sobre los átomos A o estar desplazados a la posición que se
indica. Se pueden obtener 2 tipos de sucesiones de planos regulares:
a) la descrita por AB AB AB ... y
b) la descrita por ABC ABC ABC .... Ambas son apilamientos densos.
• Otras sucesiones no regulares pueden ser densas como las descritas por la sucesión ABACABC... En cambio la
sucesión de planos ABBACCA..., no es posible.
• Se dice que una estructura es cristalina si esta formada espacialmente por una sucesión regular de planos
cristalinos, no necesariamente de máxima densidad.

6. • ENLACE METÁLICO:
Se conforma con átomos de igual o parecida electronegatividad de carga positiva, e involucran fuerzas
interatómicas relativamente grandes como resultado de las fuerzas electrostáticas entre los electrones aportados
por cada átomo. Todos son donadores de electrones, y el conjunto de iones ocupan posiciones de máximo
empaquetamiento, muy próximos. La figura 3.30 muestra la ubicación de los átomos en un enlace metálico.
La característica principal del enlace metálico es que los electrones de valencia no están asociados a cada átomo
sino que forman parte del conjunto de electrones cedidos por el conjunto de átomos, nube electrónica. Los
electrones metálicos tienen el calificativo de electrones libres porque su libertad de traslación permite justificar las
altas conductividades eléctricas y térmicas de los metales.
• Disposición espacial de átomos:
Si consideramos solamente la energía potencial de los átomos podremos suponerlos como centrados en sus
posiciones medias y separados la distancia citada d0.
Se comporta cada átomo como si de una esfera se tratara, con un radio de magnitud d0/2.
Es lo que se denomina modelo de Esferas Duras y, en consecuencia, la distancia d0 se corresponde con el diámetro
de la esfera o diámetro atómico.

7. Comportamiento intermolecular de los
materiales
Las Fuerzas Intermoleculares, son fuerzas de atracción y repulsión entre las moléculas. El comportamiento molecular
depende en gran medida del equilibrio (o falta de él) de las fuerzas que unen o separan las moléculas, y el estudio de
esos fenómenos fue parte importante del desarrollo de la química física en el siglo XX.
Las fuerzas de atracción explican la cohesión de las moléculas en los estados liquido y sólido de la materia, y se
llaman fuerzas de largo alcance o Fuerzas de Van derWaals en honor al físico holandés Johannes van derWaals.
Entre las diferentes fuerzas de orden intermoleculares que mantienen unidos los átomos dentro de la molécula y
mantener la estabilidad de las moléculas individuales.
• Hay varios tipos de interacciones:
• -Fuerzas de orientación (aparecen entre moléculas con momento dipolar diferente) -Fuerzas de inducción (ion o
dipolo permanente producen en una molécula apolar una separación de cargas por el fenómeno de inducción
electrostática)
• -Fuerzas de dispersión (aparecen en tres moléculas apolares).

8. Fuerzas de Van der Waals
Es una fuerza intermolecular atractiva, pero poco intensa, que se ejerce a distancia entre moléculas. Son fuerzas de
origen eléctrico que pueden tener lugar entre dipolos instantáneos o inducidos y entre dipolos permanentes.
Las sustancias moleculares están formadas por moléculas individuales entre las que únicamente existen interacciones
de tipo residual que son las responsables del enlace conocido como fuerza de Van der Waals. Pero este tipo de fuerza
no sólo está presente en los sólo los sólidos moleculares, sino que también aparece entre los átomos o iones
sometidos a cualquier clase de enlace, ya sea iónico, metálico o covalente; por eso se considera como una interacción
residual.
Su energía es mucho menor que la de los otros tipos de enlace y normalmente aparezca enmascarada. Por otra parte,
la interacción conocida como fuerza de Van der Waals se caracteriza también porque carece de carácter dirigido y
porque opera a distancias mucho mayores.
Las fuerzas de Van der Waals pueden llegar a mantener ordenaciones cristalinas, pero los puntos de fusión de las
sustancias covalentes son siempre bajos, ya que la agitación térmica domina; las fuerzas de Van der Waals son las
únicas responsables de la estabilidad de estos gases nobles en estado sólido.

9. Acomodamiento Atómico
MATERIALES FACTOR DE EMPAQUETAMIENTO EN ORGANIZACIONES ATOMICAS DE SISTEMAS CRISTALINOS
DEFINICION: ¿Qué es el factor de empaquetamiento? Es la relación que hay entre el volumen de los átomos
dentro de una celda unitaria de un material, suponiendo que estos son esferas del mismo diámetro, y el
volumen de la celda unitaria calculado en función del radio atómico. Como resultado se obtiene un número
adimensional que es un indicador de que tan sólido o compacto es el arreglo de átomos de un material,
situación que es decisiva en las propiedades mecánicas de los materiales.
Enlace de Van der Waals: es un tipo menos importante que los anteriores y se basa en la atracción dipolar entre
átomos neutros. Estos átomos suelen tener las cargas desplazadas y no son simétricas por lo que se produce un
momento dipolar que interacciona con otro átomo con las mismas características.

10. • El carácter del enlace junto con el empaquetamiento de átomos y moléculas son importantes para
determinar ciertas propiedades mecánicas.
• El empaquetamiento puede ser de un cierto grado de orden de corto o largo alcance. De corto alcance son
uniones entre átomos y moléculas sin un grado de orden de unión entre grupos. De largo alcance son
uniones que forman una configuración repetitiva en el espacio. A este tipo de ordenamiento se le llama
estructura cristalina siendo los materiales que la cumplen cristales.