Ciencia de los Materiales

1. Instituto Universitario Politécnico Santiago Mariño
Extensión Porlamar
Sede 4 de Mayo.
ÁTOMOS Y ESTRUCTURAS CRISTALINAS
Realizado por:
Rosandry Tineo
CI: 24.689.543
Ing. Industrial
Porlamar, Enero del 2017

2. Introducción
El concepto de átomo como bloque básico e indivisible que compone la materia
del universo fue postulado por la escuela atomista en la Antigua Grecia. Sin
embargo, no fueron considerados seriamente por los científicos hasta el siglo XIX,
cuando fueron introducidos para explicar ciertas leyes químicas. Con el desarrollo
de la física nuclear en el siglo XX se comprobó que el átomo puede subdividirse
en partículas más pequeñas.
Los átomos son objetos muy pequeños con masas igualmente minúsculas: su
diámetro y masa son del orden de la billonésima parte de un metro y
cuatrillonésima parte de un gramo. Solo pueden ser observados mediante
instrumentos especiales tales como un microscopio de efecto túnel. Más de un
99,94 % de la masa del átomo está concentrada en su núcleo, en general
repartida de manera aproximadamente equitativa entre protones y neutrones. El
núcleo de un átomo puede ser inestable y sufrir una transmutación mediante
desintegración radioactiva. Los electrones en la nube del átomo están repartidos
en distintos niveles de energía u orbitales, y determinan las propiedades químicas
del mismo. Las transiciones entre los distintos niveles dan lugar a la emisión o
absorción de radiación electromagnética en forma de fotones, y son la base de la
espectroscopia.

3. ÁTOMO
Un átomo es la cantidad menor de un elemento químico que tiene existencia
propia y que está considerada como indivisible. El átomo está formado por un
núcleo con protones y neutrones y por varios electrones orbitales, cuyo número
varía según el elemento químico. No obstante, además de los elementos que lo
componen, es importante subrayar que todo átomo cuenta con una serie de
propiedades que son fundamentales tener en cuenta a la hora de trabajar con él.
En este caso, nos encontramos con el hecho de que las mismas son el tamaño, la
masa, las interacciones eléctricas que se establecen entre electrones y protones o
los niveles de energía.
El átomo también es denominado como la partícula fundamental, gracias a su
característica de no poder ser dividido mediante procesos químicos. A partir de los
siglos XVI y XVII, con el desarrollo de la química, la teoría atómica comenzó a
avanzar con certezas que, hasta entonces, eran imposibles de obtener.
No toda la materia del universo está compuesta de átomos. La materia oscura
constituye más del universo que la materia y no se compone de átomos, sino de
partículas de un tipo actualmente desconocido.

4. Reseña Histórica
Los filósofos griegos discutieron mucho acerca de la naturaleza de la materia y
concluyeron que el mundo era más simple de lo que parecía. Algunas de sus
ideas de mayor relevancia fueron:
 En el siglo V a.c., Leucipo sostenía que había un sólo tipo de materia y
pensaba que si dividíamos la materia en partes cada vez más pequeñas,
obtendríamos un trozo que no se podría cortar más. Demócrito llamó a estos
trozos átomos ("sin división"). La filosofía atomista de Leucipo y Demócrito
podía resumirse en:
1) Los átomos son eternos, indivisibles, homogéneos e invisibles.
2) Los átomos se diferencian en su forma y tamaño.
3) Las propiedades de la materia varían según el agrupamiento de los
átomos.
 En el siglo IV a. C., Empédocles postuló que la materia estaba formada por 4
elementos: tierra, aire, agua y fuego.
 Aristóteles, posteriormente, postula que la materia estaba formada por esos 4
elementos pero niega la idea de átomo, hecho que se mantuvo hasta 200
años después en el pensamiento de la humanidad.

5. Modelos Atómicos
En Ciencia, un modelo intenta explicar una teoría mediante una comparación. Un
modelo será tanto más perfecto cuanto más claramente explique los hechos
experimentales. El modelo es válido mientras explica lo que ocurre en los
experimentos; en el momento en que falla, hay que modificarlo.
1) Modelo de Dalton
Fue el primer modelo atómico con bases científicas, fue formulado en 1803 por
John Dalton, quien imaginaba a los átomos como diminutas esferas. 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.
 Sin embargo desapareció ante el modelo de Thomson ya que no explica los
rayos catódicos, la radioactividad ni la presencia de los electrones (e-) o
protones(p+).

6. 2) Modelo atómico de Thomson
Por ser tan pequeña la masa de los electrones, el físico inglés J. J.
Thomson supuso, en 1904, que la mayor parte de la masa del
átomo correspondía a la carga positiva, que, por tanto, debía
ocupar la mayor parte del volumen atómico. Thomson imaginó el
átomo como una especie de esfera positiva continua en la que se
encuentran incrustados los electrones (como las pasas en un pudin).
3) Modelo atómico de Rutherford
Este modelo fue desarrollado por el físico Ernest Rutherford a partir de los
resultados obtenidos en lo que hoy se conoce como el experimento de Rutherford
en 1911. Representa un avance sobre el modelo de Thomson, ya que
mantiene que el átomo se compone de una parte positiva y una
negativa. Sin embargo, a diferencia del anterior, postula que la parte
positiva se concentra en un núcleo, el cual también contiene
virtualmente toda la masa del átomo, mientras que los electrones se
ubican en una corteza orbitando al núcleo en órbitas circulares o
elípticas con un espacio vacío entre ellos. A pesar de ser un
modelo obsoleto, es la percepción más común del átomo del público
no científico.
4) Modelo atómico de Bohr
Este modelo es estrictamente un modelo del átomo de hidrógeno tomando como
punto de partida el modelo de Rutherford. Niels Bohr trata de incorporar los
fenómenos de absorción y emisión de los gases, así como la nueva teoría de la
cuantización de la energía desarrollada por Max Planck y el fenómeno del efecto
fotoeléctrico observado por Albert Einstein.

7. 5) Modelo atómico de Sommerfeld
El modelo atómico de Bohr funcionaba muy bien para el átomo de hidrógeno, sin
embargo, en los espectros realizados para átomos de otros elementos se
observaba que electrones de un mismo nivel energético tenían distinta energía,
mostrando que existía un error en el modelo. Su conclusión fue que dentro de un
mismo nivel energético existían subniveles, es decir, energías ligeramente
diferentes. Además desde el punto de vista teórico, Sommerfeld había encontrado
que en ciertos átomos las velocidades de los electrones alcanzaban una fracción
apreciable de la velocidad de la luz. Sommerfeld estudió la cuestión para
electrones relativistas. El físico alemán finalmente Arnold Sommerfeld, con la
ayuda de la teoría de la relatividad de Albert Einstein, hizo las siguientes
modificaciones del modelo de Bohr:
 Los electrones se mueven alrededor del núcleo, en órbitas circulares o
elípticas.
 A partir del segundo nivel energético existen dos o más subniveles en el
mismo nivel.
 El electrón es una corriente eléctrica minúscula.
6) Modelos posteriores
Tras el establecimiento de la ecuación de Dirac, la teoría cuántica evolucionó
hasta convertirse propiamente en una teoría cuántica de campos. Los modelos
surgidos a partir de los años 1960 y 1970 permitieron construir teorías de las
interacciones de los nucleones. La vieja teoría atómica quedó confinada a la
explicación de la estructura electrónica que sigue siendo explicada de manera
adecuada mediante el modelo de Dirac complementado con correcciones surgidas
de la electrodinámica cuántica. Debido a la complicación de las interacciones
fuertes solo existen modelos aproximados de la estructura del núcleo atómico.
Entre los modelos que tratan de dar cuenta de la estructura del núcleo atómico
están el modelo de la gota líquida y el modelo de capas.

8. Estructura Atómica
Estas partículas subatómicas con las que están formados los átomos son tres: los
electrones, los protones y los neutrones. Lo que diferencia a un átomo de otro es
la relación que se establecen entre ellas.
Los electrones tienen una carga negativa y son las partículas subatómicas más
ligeras. La carga de los protones es positiva y pesan unas 1.836 veces más que
los electrones. Los únicos que no tienen carga eléctrica son los neutrones que
pesan aproximadamente lo mismo que los protones.
Los protones y neutrones se encuentran agrupados en el centro del átomo
formado el núcleo atómico. Por este motivo también se les llama nucleones. Los
electrones aparecen orbitando alrededor del núcleo atómico.
De este modo, la parte central del átomo, el núcleo atómico, tiene una carga
positiva en la que se concentra casi toda su masa, mientras que en el escorzo a,
alrededor del núcleo atómico, hay un cierto número de electrones, cargados
negativamente. La carga total del núcleo atómico (positiva) es igual a la carga
negativa de los electrones, de modo que la carga eléctrica total del átomo sea
neutra.

9. Propiedades De Los Átomos
Las unidades básicas de la química son los átomos. Durante las reacciones
químicas los átomos se conservan como tales, no se crean ni se destruyen, pero
se organizan de manera diferente creando enlaces diferentes entre un átomo y
otro. Los átomos se agrupan formando moléculas y otros tipos de materiales.
Cada tipo de molécula es la combinación de un cierto número de átomos
enlazados entre ellos de una manera específica. Según la composición de cada
átomo se diferencian los distintos elementos químicos representados en la tabla
periódica de los elementos químicos. En esta tabla podemos encontrar el número
atómico y el número másico de cada elemento:
 Número atómico, se representa con la letra Z, indica la cantidad de
protones que presenta un átomo, que es igual a la de electrones. Todos los
átomos con un mismo número de protones pertenecen al mismo elemento y
tienen las mismas propiedades químicas. Por ejemplo todos los átomos con
un protón serán de hidrógeno (Z = 1), todos los átomos con dos protones
serán de helio (Z = 2).
 Número másico, se representa con la letra A, y hace referencia a la suma
de protones y neutrones que contiene el elemento. Los isótopos son dos
átomos con el mismo número de protones, pero diferente número de
neutrones. Los isótopos de un mismo elemento, tienen unas propiedades
químicas y físicas muy parecidas entre sí.

10. ESTRUCTURA CRISTALINA
Estructura de un cristal de cloruro de sodio, un típico ejemplo de un compuesto
iónico. Las esferas púrpuras son cationes de sodio, y las esferas verdes son
aniones de cloruro. 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.
La estructura cristalina (3D) del hielo (c) consiste en bases de moléculas de hielo
de H2O (b) situadas en los puntos de una red cristalina dentro del espacio de la
red hexagonal (2D). Los valores para el ángulo H-O-H y la distancia O-H han
venido de Physics of Ice con un rango de valores de ± 1,5 ° y ± 0,005 Å,
respectivamente. La caja blanca en (c) es la celda unitaria definida por Bernal y
Fowler. 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
anisótropas 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.
El grupo más pequeño de partículas en el material que constituye el patrón
repetitivo es la celda unitaria de la estructura. La célula unitaria define
completamente la simetría y la estructura de toda la red cristalina, que se
construye mediante la traducción repetitiva de la celda unitaria a lo largo de sus
ejes principales. Se dice que los patrones de repetición están situados en los
puntos de la red de Bravais. Las longitudes de los ejes principales o bordes de la
celda unitaria y los ángulos entre ellos son las constantes de la red, también
llamadas parámetros de la red.

11. Los nudos de las distintas celdillas, señalados por bolitas negras en las figuras de
las redes de Bravais, son todos equivalentes y no están ocupados necesariamente
por un único átomo. En determinados materiales cada nudo puede tener asociado
una molécula, un grupo de átomos, o incluso, un grupo de moléculas. Esto es
particularmente frecuente en el caso de materiales cerámicos y poliméricos.
Al átomo, molécula o grupo de átomos o de moléculas que se debe asociar a cada
nudo de la red para reproducir todo el cristal se lo denomina base o motivo. Así
pues, una estructura cristalina real —un cristal— se construye colocando una base
en cada una de las posiciones marcadas por la red de Bravais correspondiente (o
sea en sus nudos). Es decir, los términos «red» y «estructura» no son sinónimos y
no deberían confundirse, aunque es relativamente frecuente verlos empleados de
modo incorrecto. Esquemáticamente, podemos resumir esta idea diciendo que
estructura cristalina = red espacial + base.
Estructura
Los cristales, átomos, iones o moléculas se empaquetan y dan lugar a motivos
que se repiten del orden de 1 ångström = 10-8 cm; a esta repetitividad, en tres
dimensiones, la denominamos red cristalina.
El grupo más pequeño de partículas en el material que constituye el patrón
repetitivo es la celda unitaria o unidad elemental la cual genera toda la red (todo el
cristal). La celda unitaria define completamente la simetría y la estructura de toda
la red cristalina, que se construye mediante la traducción repetitiva de la celda
unitaria a lo largo de sus ejes principales. Se dice que los patrones de repetición
están situados en los puntos de la red de Bravais.
La estructura cristalina y la simetría juegan un papel en la determinación de
muchas propiedades físicas, tales como escisión, estructura de banda electrónica
y transparencia óptica.

12. Ordenamientos
Los niveles del arreglo atómico en los materiales: (a) los gases inertes no tienen
un orden regular en sus átomos. (b, c) Algunos materiales, incluyendo el vapor de
agua y el vidrio, tienen orden en una distancia muy corta. (d) Los metales y
muchos otros sólidos tienen un orden regular de los átomos que se extiende por
todo del material.
Red: Conjunto de puntos, conocidos como puntos de red, que están ordenados de
acuerdo a un patrón que se repite en forma idéntica.
Puntos de Red: Puntos que conforman la red cristalina. Lo que rodea a cada
punto de red es idéntico en cualquier otra parte del material.
Celda Unitaria: es la subdivisión de la red cristalina que sigue conservando las
características generales de toda la red.

13. Redes espaciales de Bravais
14 celdas unidad estándar pueden describir todas las unidades reticulares
posibles de puntos equivalentes en una red tridimensional. La estructura cristalina
se especifica indicando la adecuada malla de Bravais y las posiciones de los
átomos en la celda unitaria.
Parámetro de Red: Longitudes de los lados de las celdas unitarias y los ángulos
entre estos lados.
Número de Coordinación: el número de átomos que tocan a otro en particular, es
decir el número de vecinos más cercanos, indica que tan estrechamente están
empaquetados los átomos.

14. Conclusión
Se puede definir al átomo como la unidad más pequeña posible de un elemento
químico. En la filosofía de la antigua Grecia, la palabra "átomo" se empleaba para
referirse a la parte de materia más pequeño que podía concebirse. Esa "partícula
fundamental", por emplear el término moderno para ese concepto, se consideraba
indestructible. De hecho, átomo significa en griego "no divisible". El conocimiento
del tamaño y la naturaleza del átomo avanzaron muy lentamente a lo largo de los
siglos ya que la gente se limitaba a especular sobre él. Con la llegada de la ciencia
experimental en los siglos XVI y XVII (véase química), los avances en la teoría
atómica se hicieron más rápidos. Los químicos se dieron cuenta muy pronto de
que todos los líquidos, gases y sólidos pueden descomponerse en sus
constituyentes últimos, o elementos. Por ejemplo, se descubrió que la sal se
componía de dos elementos diferentes, el sodio y el cloro, ligados en una unión
íntima conocida como compuesto químico. El aire, en cambio, resultó ser una
mezcla de los gases nitrógeno y oxígeno. Decíamos al comienzo de esta
definición que el núcleo atómico está compuesto por protones y neutrones. Los
protones tienen una carga energética positiva, mientras que los neutrones no
presentan carga. La diferencia entre los distintos elementos químicos está dada
por la cantidad de protones y neutrones de sus átomos. Por otra parte, la cantidad
de protones que contiene el núcleo de un átomo recibe el nombre de número
atómico.

15. Bibliografía
o https://es.wikipedia.org/wiki/%C3%81tomo
o http://www.quimicaweb.net/grupo_trabajo_fyq3/tema4/index4.htm
o https://energia-nuclear.net/definiciones/atomo.html
o http://conceptodefinicion.de/atomo/
o http://definicion.de/atomo/
o http://www.monografias.com/trabajos/atomo/atomo.shtml
o http://comofuncionaque.com/que-es-un-atomo-y-un-electron/
o http://www.tiposde.org/ciencias-naturales/279-tipos-de-atomos/
o https://es.wikipedia.org/wiki/Estructura_cristalina
o http://www.mim-
us.es/estructuras_cristalinas/estructura_cristalina2.html
o http://descom.jmc.utfsm.cl/proi/materiales/ESTRUCTURAS.htm