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Tema 1. La estructura de la materia
1. Introducción
● Las propiedades de un material y el
comportamiento que éste tendrá al ser
sometido a diferentes técnicas o procesos
dependen básicamente de su constitución o
estructura interna.
● La composición o constitución de la materia
comprende las partículas elementales, átomos
y moléculas, así como la manera en que éstos
se unen (enlaces)
2. Composición de la materia
Toda la materia está compuesta por átomos y
éstos por partículas más pequeñas. El núcleo
del átomo está integrado por neutrones y
protones , y en la corteza se encuentran los
electrones.
Los electrones tienen carga negativa, los
protones carga positiva y los neutrones
carecen de carga .
● La carga eléctrica negativa de la corteza
neutraliza a aquella positiva del núcleo y se
dice que el átomo es eléctricamente neutro. Es
precisamente el número de electrones de un
átomo lo que define su número atómico (Z) y la
estructura electrónica de la corteza define las
propiedades químicas, esencialmente los
electrones del nivel más externo. Electrones de
valencia
La suma del número de protones (Z) y el de
neutrones que se encuentran en el núcleo
define el llamado número másico (A)
Tabla periodica
3. Tipos de enlace
● 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.
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
.
Propiedades
- Alta energía de enlace, y
elevada temperatura de fusión.
- Duros y frágiles.
- Aislantes en estado sólido y
líquido
- Solubilidad muy baja
● Enlace metálico: se forma entre los metales. Se produce una
atracción de sus 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.
Propiedades:
- Energía de enlace
variable y punto de fusión variable..
- Dúctiles y maleables.
- Buenos conductores
- Insolubles en general
- Brillo metálico
● Enlaces por fuerzas de Van der
Waals y puentes de hidrógeno.
Son enlaces intermoleculares
debiles entre moleculas.
Propiedades
- 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 (enlaces de Van der
Waals).
4. Estructura cristalina
La estructura física de los sólidos es
consecuencia de la disposición de los
átomos,
moléculas o iones en el espacio, así
como de las fuerzas de interconexión
de laspartículas:
● Estado amorfo: Las partículas
componentes del sólido se agrupan al
azar.
● Estado cristalino: Los átomos
(moléculas o iones) que componen el
sólido se disponen según un orden
regular. Las partículas se sitúan
ocupando los nudos o puntos
singulares de una red espacial
geométrica tridimensional.
4.1 Red cristalina
● Al analizar la ordenación de los átomos en un
cristal , se observa la repitición de un patrón a
lo largo del cristal, a este patron se le llama
celda unitaria o elemental. Esta celda unitaria
se caracteriza por varios valores, entre los
cuales tenemos la longitud de las aristas o
constante reticular y los ángulos entre dichas
aristas.
4.2 Redes cristalinas según el tipo
de enlace
● Según el tipo de enlace atómico, los cristales pueden ser de tres
tipos:
a) Cristales iónicos: punto de fusión elevado, duros y muy frágiles,
conductividad eléctrica baja y presentan cierta elasticidad. Ej: NaCl
(sal común)
b) Cristales covalentes: Gran dureza y elevada temperatura de
fusión. Suelen ser transparentes quebradizos y malos conductores
de la electricidad. No sufren deformación plástica (es decir, al intentar
deformarlos se fracturan). Ej: Diamante
c) Cristales metálicos: Opacos y buenos conductores térmicos y
eléctricos. No sontan duros como los anteriores, aunque si maleables
y dúctiles. Hierro, estaño, cobre,
4.3 Redes cristalinas según la forma
de la celda unitaria
● Existen 14 redes
cristalinas o redes de
Bravais. Pero los
metales responden
mayoritariamente a
tres tipos de redes.
4.4 Redes metalicas
● a) Redes cúbicas centradas en el cuerpo (BCC): Los átomos,
además de ocupar losvértices, ocupan el centro de la celda. En este
caso cristalizan el hierro y el cromo.
● b) Redes cúbicas centradas en las caras (FCC): Los átomos,
además de ocupar los vértices, ocupan el centro de cada cara de la
celda. Cristalizan en este tipo de redes el oro, cobre, aluminio,
plata,...
● c) Redes hexagonales compactas (HC): La celda unitaria es un
prisma hexagonal conátomos en los vértices y cuyas bases tiene un
átomo en el centro. En el centro de lacelda hay tres átomos más. En
este caso cristalizan metales como cinc, titanio y magnesio
4.5 Alotropía
Indica el cambio que puede sufrir la
estructura cristalina de un elemento
o compuesto quimico al variar la
presión y la tempera
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)
Actividades
● 1.PAU Septiembre 2005/2006
Defina brevemente los siguientes conceptos.
a) Isomorfismo
b) polimorfismo
c) Alotropía
d) Enlace iónico y enlace metálico
e) Determine el tipo de enlace que tienen los siguientes compuestos H2O , NaCl y Cu.
● 2.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.
4.6 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): que es el número de átomos a igual
distancia de uno dado
- Factor de empaque (FPA), que es la relación entre el volumen ocupado
por los átomos de la celda unitaria y el volumen total de esa celda.
- 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
atomos/mol)
m=
N o
⋅matomica
N A
4.7. calculo de las constantes en las
distintas estructuras
● Red cúbica centrada en el cuerpo (BCC)
Este cristal es poco compacto y permite la vibración de los átomos.
Tiene los siguientes parámetros:
Indice de coordinación: i = 8
Número de átomos en la celda unitaria: n = 1 + 8 (1/8) = 2
Relación entre la arista y el radio atómico:
El factor de empaque:
a=4⋅R/√ 3
Actividades
● 3.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.
● 4. 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?
● Red cubica centrada en las caras. (FCC)
Esta red tiene los siguientes parámetros:
Indice de coordinación: i = 12
Número de átomos en la celda unitaria:
N = 8 (1/8) + 6(1/2) = 4
Relación entre la arista y el radio atómico:
El factor de empaque:
a=4⋅R/√ 2
Actividades
● 5.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 (NºAvogadro: 6,023·1023
).
● 6. 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
● Red hexagonal compacta. (HCP)
Esta red tiene los siguientes parámetros:
Indice de coordinación: i = 12
Número de átomos en la celda unitaria:
N = 2 (1/2) + 2·6(1/6)+3 = 4
Relación entre las aristas y el radio atómico: a=2·R y
c= 1,633· a
El factor de empaque:
S= superfice del hexagono
FEA=
N⋅4⋅π⋅R3
/3
(S⋅C)
=0,74=74%porciento
Actividad
● 7 . El titanio tiene a temperatura ambiente una
estructura HCP donde la constante reticular a
vale a= 0,2956 nm.
a) El valor de la constante c.
b) indice de coordinación.
c) numero de átomos en la celda unidad.
d) calculo del factor de empaquetamiento.
e) si sufre un cambio alotrópico a una red cc
como cambia el volumen.
5. Defectos de red
● La red cristalina perfecta sin defectos o
impurezas no
5.1 Defecto puntual por la existencia
de una vacante.
● Vacante. Son puntos de red vacíos en la
estructura del material. Estos lugares deberían
idealmente estar ocupados por átomos, sin
embargo se encuentran vacíos.
5.2 Defecto puntual por la existencia
de una sustitución atómica
● En teoría un material puro está formado exclusivamente
por el mismo tipo de átomos. Los materiales reales no
son 100% puros sino que poseen impurezas, las cuales se
definen como átomos diferentes a los átomos del material
original. Cuando uno de esos átomos diferentes sustituye
a un átomo original ocupando su punto de red, recibe el
nombre de átomo sustitucional.
5.2 Defecto puntual por la existencia
de un atómo en un intersticio
● Los atomos intersticiales. Son átomos que ocupan
lugares que no están definidos en la estructura
cristalina. En otras palabras, son átomos cuya
posición no está definida por un punto de red.
Normalmente estos átomos se colocan en los
intersticios que se forman entre los átomos originales.

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Tema 1

  • 1. Tema 1. La estructura de la materia
  • 2. 1. Introducción ● Las propiedades de un material y el comportamiento que éste tendrá al ser sometido a diferentes técnicas o procesos dependen básicamente de su constitución o estructura interna. ● La composición o constitución de la materia comprende las partículas elementales, átomos y moléculas, así como la manera en que éstos se unen (enlaces)
  • 3. 2. Composición de la materia Toda la materia está compuesta por átomos y éstos por partículas más pequeñas. El núcleo del átomo está integrado por neutrones y protones , y en la corteza se encuentran los electrones. Los electrones tienen carga negativa, los protones carga positiva y los neutrones carecen de carga .
  • 4. ● La carga eléctrica negativa de la corteza neutraliza a aquella positiva del núcleo y se dice que el átomo es eléctricamente neutro. Es precisamente el número de electrones de un átomo lo que define su número atómico (Z) y la estructura electrónica de la corteza define las propiedades químicas, esencialmente los electrones del nivel más externo. Electrones de valencia La suma del número de protones (Z) y el de neutrones que se encuentran en el núcleo define el llamado número másico (A)
  • 6. 3. Tipos de enlace ● 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. 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.
  • 7. ● 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 . Propiedades - Alta energía de enlace, y elevada temperatura de fusión. - Duros y frágiles. - Aislantes en estado sólido y líquido - Solubilidad muy baja
  • 8. ● Enlace metálico: se forma entre los metales. Se produce una atracción de sus 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. Propiedades: - Energía de enlace variable y punto de fusión variable.. - Dúctiles y maleables. - Buenos conductores - Insolubles en general - Brillo metálico
  • 9. ● Enlaces por fuerzas de Van der Waals y puentes de hidrógeno. Son enlaces intermoleculares debiles entre moleculas. Propiedades - 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 (enlaces de Van der Waals).
  • 10. 4. Estructura cristalina La estructura física de los sólidos es consecuencia de la disposición de los átomos, moléculas o iones en el espacio, así como de las fuerzas de interconexión de laspartículas: ● Estado amorfo: Las partículas componentes del sólido se agrupan al azar. ● Estado cristalino: Los átomos (moléculas o iones) que componen el sólido se disponen según un orden regular. Las partículas se sitúan ocupando los nudos o puntos singulares de una red espacial geométrica tridimensional.
  • 11. 4.1 Red cristalina ● Al analizar la ordenación de los átomos en un cristal , se observa la repitición de un patrón a lo largo del cristal, a este patron se le llama celda unitaria o elemental. Esta celda unitaria se caracteriza por varios valores, entre los cuales tenemos la longitud de las aristas o constante reticular y los ángulos entre dichas aristas.
  • 12. 4.2 Redes cristalinas según el tipo de enlace ● Según el tipo de enlace atómico, los cristales pueden ser de tres tipos: a) Cristales iónicos: punto de fusión elevado, duros y muy frágiles, conductividad eléctrica baja y presentan cierta elasticidad. Ej: NaCl (sal común) b) Cristales covalentes: Gran dureza y elevada temperatura de fusión. Suelen ser transparentes quebradizos y malos conductores de la electricidad. No sufren deformación plástica (es decir, al intentar deformarlos se fracturan). Ej: Diamante c) Cristales metálicos: Opacos y buenos conductores térmicos y eléctricos. No sontan duros como los anteriores, aunque si maleables y dúctiles. Hierro, estaño, cobre,
  • 13. 4.3 Redes cristalinas según la forma de la celda unitaria ● Existen 14 redes cristalinas o redes de Bravais. Pero los metales responden mayoritariamente a tres tipos de redes.
  • 14. 4.4 Redes metalicas ● a) Redes cúbicas centradas en el cuerpo (BCC): Los átomos, además de ocupar losvértices, ocupan el centro de la celda. En este caso cristalizan el hierro y el cromo. ● b) Redes cúbicas centradas en las caras (FCC): Los átomos, además de ocupar los vértices, ocupan el centro de cada cara de la celda. Cristalizan en este tipo de redes el oro, cobre, aluminio, plata,... ● c) Redes hexagonales compactas (HC): La celda unitaria es un prisma hexagonal conátomos en los vértices y cuyas bases tiene un átomo en el centro. En el centro de lacelda hay tres átomos más. En este caso cristalizan metales como cinc, titanio y magnesio
  • 15. 4.5 Alotropía Indica el cambio que puede sufrir la estructura cristalina de un elemento o compuesto quimico al variar la presión y la tempera 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)
  • 16. Actividades ● 1.PAU Septiembre 2005/2006 Defina brevemente los siguientes conceptos. a) Isomorfismo b) polimorfismo c) Alotropía d) Enlace iónico y enlace metálico e) Determine el tipo de enlace que tienen los siguientes compuestos H2O , NaCl y Cu. ● 2.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.
  • 17. 4.6 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): que es el número de átomos a igual distancia de uno dado - Factor de empaque (FPA), que es la relación entre el volumen ocupado por los átomos de la celda unitaria y el volumen total de esa celda. - 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 atomos/mol) m= N o ⋅matomica N A
  • 18. 4.7. calculo de las constantes en las distintas estructuras ● Red cúbica centrada en el cuerpo (BCC) Este cristal es poco compacto y permite la vibración de los átomos. Tiene los siguientes parámetros: Indice de coordinación: i = 8 Número de átomos en la celda unitaria: n = 1 + 8 (1/8) = 2 Relación entre la arista y el radio atómico: El factor de empaque: a=4⋅R/√ 3
  • 19. Actividades ● 3.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. ● 4. 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?
  • 20. ● Red cubica centrada en las caras. (FCC) Esta red tiene los siguientes parámetros: Indice de coordinación: i = 12 Número de átomos en la celda unitaria: N = 8 (1/8) + 6(1/2) = 4 Relación entre la arista y el radio atómico: El factor de empaque: a=4⋅R/√ 2
  • 21. Actividades ● 5.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 (NºAvogadro: 6,023·1023 ). ● 6. 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
  • 22. ● Red hexagonal compacta. (HCP) Esta red tiene los siguientes parámetros: Indice de coordinación: i = 12 Número de átomos en la celda unitaria: N = 2 (1/2) + 2·6(1/6)+3 = 4 Relación entre las aristas y el radio atómico: a=2·R y c= 1,633· a El factor de empaque: S= superfice del hexagono FEA= N⋅4⋅π⋅R3 /3 (S⋅C) =0,74=74%porciento
  • 23. Actividad ● 7 . El titanio tiene a temperatura ambiente una estructura HCP donde la constante reticular a vale a= 0,2956 nm. a) El valor de la constante c. b) indice de coordinación. c) numero de átomos en la celda unidad. d) calculo del factor de empaquetamiento. e) si sufre un cambio alotrópico a una red cc como cambia el volumen.
  • 24. 5. Defectos de red ● La red cristalina perfecta sin defectos o impurezas no
  • 25. 5.1 Defecto puntual por la existencia de una vacante. ● Vacante. Son puntos de red vacíos en la estructura del material. Estos lugares deberían idealmente estar ocupados por átomos, sin embargo se encuentran vacíos.
  • 26. 5.2 Defecto puntual por la existencia de una sustitución atómica ● En teoría un material puro está formado exclusivamente por el mismo tipo de átomos. Los materiales reales no son 100% puros sino que poseen impurezas, las cuales se definen como átomos diferentes a los átomos del material original. Cuando uno de esos átomos diferentes sustituye a un átomo original ocupando su punto de red, recibe el nombre de átomo sustitucional.
  • 27. 5.2 Defecto puntual por la existencia de un atómo en un intersticio ● Los atomos intersticiales. Son átomos que ocupan lugares que no están definidos en la estructura cristalina. En otras palabras, son átomos cuya posición no está definida por un punto de red. Normalmente estos átomos se colocan en los intersticios que se forman entre los átomos originales.