Tema no 02. Estructura electrónica y arreglos atómicos

1. UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL
FRANCISCO DE MIRANDA
ÁREA DE TECNOLOGÍA
DEPARTAMENTO
MECÁNICA Y TECNOLOGÍA DE LA PRODUCCIÓN
MATERIA CS. DE LOS MATERIALES
PROF. ING. FRANCISCO J. HERNANDEZ
TEMA No 02 ESTRUCTURA ELECTRÓNICA Y ARREGLOS ATÓMICOS
DEFINICIÓN DE ÁTOMO
Es una unidad estructural básica de todos los materiales de ingeniería, esta formado por el núcleo y los
electrones, en el núcleo se encuentran los protones (carga +) y loa neutrones (carga neutra) y rodeándolo
al núcleo se encuentran los electrones (carga -).
ENLACES
Fuerza de atracción que mantienen unidos a los átomos en sus formas combinadas, se clasifican en
primarios y secundarios.
ENLACES PRIMARIOS
Enlaces que desarrollan grandes fuerzas interatómicas, entre ellos tenemos: enlace iónico,
enlace covalente y enlace metálico.
ENLACE IÓNICO
Se produce cuando un átomo cede sus electrones de valencia a otro; el átomo que cede
se transforma en catión (ion positivo) y el que recibe se transforma en un anión (ion negativo), la atracción
electrostática une a los iones. Los materiales con este tipo de enlace presentan mala conductividad
eléctrica y un punto de fusión muy alto. Ejemplo el cloruro de sodio (NaCl)
NaCl
Cl
Na
l
C
Na ⇒
+
⇒
+ −
+
M
&
M
*
ENLACE COVALENTE
Se forma por la compartición de uno o varios pares de electrones entre los átomos. La
fuerza de los enlaces proviene de la atracción entre los electrones compartidos y los núcleos positivos.
Los metales que presentan este tipo de enlace tienen mala conductividad eléctrica y térmica.
Ejemplo: el metano

2. 4
*
*
.
*
.
*
*
.
.
4
:
: CH
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
H
H
⇒
−
−
⇒
⇒
+
ENLACE METÁLICO
Se produce por que los elementos metálicos ceden sus electrones de valencia para
formar un conjunto de electrones que rodea a los átomos. La atracción electrostática une los electrones
de valencia y los núcleos positivos. Los materiales que presentan este tipo de enlace poseen buena
conductividad eléctrica y térmica y por lo general son muy duros.
ENLACE SECUNDARIO
Enlace relativamente débil que típicamente une moléculas entre si.
ENLACE DE VAN DER WAALS
Algunas moléculas están permanentemente polarizados, es decir, que algunas porciones de las
moléculas están cargadas positivamente y otras negativamente. La atracción electrostática entre regiones
de carga positiva de una molécula y negativa de otra molécula unen de manera débil ambas moléculas.
Ejemplo: el agua, muchos polímeros y cerámicos.
ARREGLOS ATÓMICOS
Se refiere a la disposición espacial de los átomos en un material; si no se consideran las imperfecciones
que aparecen en los materiales, entonces existen tres niveles de arreglo atómico: sin orden, orden de
corto alcance y orden de largo alcance
SIN ORDEN
En este tipo de arreglo atómico, los átomos no tienen orden y llenan de materia aleatoria el
espacio en el cual esta confinado el gas.
ORDEN DE CORTO ALCANCE
En este tipo, el arreglo espacial de los átomos se extiende solo a sus átomos vecinos más
cercanos.
ORDEN DE LARGO ALCANCE
El arreglo atómico espacial se extiende por todo el material, los metales, semiconductores y
muchos cerámicos e incluso algunos polímeros tienen una estructura cristalina en la cual los átomos
forman un patrón repetitivo regular en forma de rejilla o de red.

3. RED
Es el conjunto de puntos, conocidos como puntos de red, que están organizados siguiendo un
patrón periódico de forma que el entorno de cada punto en la red es idéntico, uno o más átomos quedan
asociados a cada punto de la red.
ESTRUCTURA CRISTALINA:
Se refiere al tamaño, forma y la organización atómica dentro de la red. Es un modelo regular
tridimensional de átomo, iones y moléculas en el espacio.
CELDA UNITÁRIA O REDES DE BRAVAIS:
Es la subdivisión de la red cristalina que sigue conservando las características generales de toda
la red. Las celdas unitarias se pueden definir de forma muy simple a partir de dos (2D) o tres vectores
(3D). La construcción de la celda se realiza trazando las paralelas de estos vectores desde sus extremos
hasta el punto en el que se cruzan. Existe un tipo de celda unitaria que se construye de un modo distinto
y que presenta ciertas ventajas en la visualización de la red ya que posee la misma simetría que la red,
es la celda de Wigner-Seitz. Una celda unitaria se caracteriza principalmente por contener un único nodo
de la red de ahí el adjetivo de "unitaria". Si bien en muchos casos existen distintas formas para las celdas
unitarias de una determinada red el volumen de toda celda unitaria es siempre el mismo. En ocasiones
resulta más sencillo construir otro tipo de celdas que sin ser unitarias describen mejor la estructura de la
red que tratamos. Este tipo de celdas se denominan celdas convencionales. Éstas tienen, a su vez, sus
propios parámetros de red y un volumen determinado.
Todas estas celdas se consideran celdas primitivas ya que son capaces de cubrir todo el espacio
mediante traslaciones sin que queden huecos ni solapamientos.

4. Se identifican:
• Cúbica
• Tetragonal
• Ortorrómbica
• Hexagonal
• Romboédrica
• Monoclínica
• Triclínica
SISTEMAS CRISTALINOS

5. ESTRUCTURA CÚBICA CENTRADA EN EL CUERPO ( body centered cubic BCC)
Formada por un átomo del metal en cada uno de los vértices de un cubo y un átomo en el centro.
Los metales que cristalizan en esta estructura son: hierro alfa, titanio, tungsteno, molibdeno, niobio,
vanadio, cromo, circonio, talio, sodio y potasio.
Algunos metales con estructuras cristalinas bcc a Temperatura ambiente (20ºc), sus constantes reticulares y sus
Radios atómicos.
ESTRUCTURA CÚBICA CENTRADA EN LAS CARAS ( face centered cubic FCC)
Además de haber un átomo en cada esquina del cubo, hay uno en el centro de cada cara, pero
ninguno en el centro del cubo.
Cada átomo está rodeado por doce átomos adyacentes y los átomos de las caras están en
contacto. Está constituida por un átomo en cada vértice y un átomo en cada cara del cubo. Los metales
que cristalizan en esta estructura son: hierro gama, cobre, plata, platino, oro, plomo y níquel.

6. Algunos metales con estructuras fcc a temperatura Ambiente (20ºc), sus constantes de red y sus radios atómicos.
ESTRUCTURA HEXAGONAL COMPACTA (hexagonal close packed HCP)
Esta estructura está determinada por un átomo en cada uno de los vértices de un prisma
hexagonal, un átomo en las bases del prisma y tres átomos dentro de la celda unitaria.
Cada átomo está rodeado por doce átomos y estos están en contacto según los lados de los
hexágonos bases del prisma hexagonal.
La figura usual de la red hexagonal compacta muestra dos planos básales en forma de
hexágonos regulares, con un átomo tanto en cada esquina del hexágono como en el centro. Además hay
tres átomos en forma de triangulo a la mitad de la distancia entre los dos planos básales.
Si el plano basal se divide en seis triángulos equiláteros, los tres átomos adicionales están
anidados en el centro de los triángulos equiláteros alternos, por tanto, el prisma hexagonal contiene dos
celdas unitarias completas y dos mitades.
Como cada átomo en la esquina de la celda unitaria lo comparten ocho celdas adjuntas y un
átomo dentro de la celda no puede compartirse, la celda unitaria HCP (hexagonal compacta) contiene dos
átomos.
Magnesio, berilio, zinc, cadmio y hafnio son ejemplos de metales que se cristalizan con este tipo
de estructura.

7. Algunos metales con estructura hcp a temperatura Ambiente (20ºc), sus constantes de red, sus radios atómicos
Realacionales c/a.
¿DONDE SE ENCUENTRAN LOCALIZADOS LOS PUNTOS DE LA RED?
Se encuentran localizados en las esquinas de la celda unitaria y en algunos casos en cualquiera de las
caras o en el centro de la celda unitaria.
¿CUALES CARACTERÍSTICAS SE IDENTIFICAN EN LAS CELDAS UNITARIAS?
Se identifican los Parámetros de la red, número de átomos por celda unitaria, relación entre la arista del
cubo y el radio atómico, numero de coordinación, factor de empaquetamiento atómico.
PARÁMETROS DE LA RED
Son aquellos que permiten describir el tamaño y la forma de la celda unitaria, incluye las
dimensiones de los costados de la celda unitaria y los ángulos. Medidas de longitud: nanometro (nm) y
Ángstrom (Ǻ). Es la longitud de los lados de la celda unitaria. Puede haber tan solo uno, dos o hasta tres
parámetros de red distintos dependiendo del tipo de red de bravais que tratemos. En las estructuras más
comunes se representa con la letra a y en con la c en caso de haber dos.
NÚMERO DE ÁTOMOS POR CELDA UNITÁRIA
Es el producto del número de átomos por punto de red multiplicado por el número de puntos de
red existentes por celda unitaria. Por tanto, el número de puntos de red proviene de todas las porciones
de esquinas en una celda unitaria. CS= 1, BCC= 2, FCC= 4, HCP= 2.
Tal y como dice el nombre es el número de nodos o átomos que posee cada celda. Una celda
cuadrada, por ejemplo, poseerá un nodo por celda ya que cada esquina la comparte con cuatro celdas
más. De hecho si una celda posee más de un nodo de red es que no es unitaria, en cambio si posee más
de un átomo por celda pudiera ser que estuviésemos en una celda unitaria pero con una base atómica de
más de un átomo.

8. RELACIÓN ENTRE LA ARISTA DEL CUBO Y EL RADIO ATÓMICO
Permite calcular el tamaño aparente del átomo y el tamaño de la celda unitaria, tomando en
cuenta la longitud de la arista y el diámetro del átomo.
Celda unidad BCC que muestra la relación
entre la constante
de red y el radio atómico.
Celda unidad FCC que muestra la relación
entre la constante de red y el radio
Atómico.
NUMERO DE COORDINACIÓN
El número de átomos que toca a otro en particular, es decir, el número de vecinos más cercanos;
permite identificar que tan cerca se encuentran empaquetados los átomos. CS= 6, BCC= 8, FCC= 12,
HCP= 12.
Es el número de puntos de la red más cercanos, los primeros vecinos, de un nodo de la red. Si
se trata de una estructura con empaquetamiento compacto el número de coordinación será el número de
átomos en contacto con otro.
FACTOR DE EMPAQUETAMIENTO ATÓMICO
Es la fracción de espacio ocupada por átomos en la celda unitaria, suponiendo que los átomos
son esferas sólidas.
celda
Vol
atomos
Vol
x
Atomos
FEA
.
)
.
(
)
(#
=
CS= 0.52, BCC= 0.68, FCC= 0.74, HCP= 0.74.

9. Estructura a (r)
Número de
coordinación
Factor de
empaquetamiento
Ejemplos
Cúbica simple (CS) a = 2r 6 0,52 ---
Cúbica centrada en el cuerpo (BCC) a = 4r/√3 8 0,68 Fe, Ti, W, Mo, Nb, Ta, K, Na, V, Cr, Zr
Cúbica centrada en las caras (FCC) a = 4r/√2 12 0,74 Fe, Cu, Al, Au, Ag, Pb, Ni, Pt
Hexagonal compacta (HCP)
a = 2r
c/a = 1,633 a
12 0,74 Ti, Mg, Zn, Be, Co, Zr, Cd
ALOTROPÍA
Característica de un material que es capaz de existir con más de una estructura cristalina,
dependiendo de la temperatura y de la presión.
DENSIDAD VOLUMÉTRICA
La densidad teórica de un metal se puede calcular utilizando las propiedades de la estructura
cristalina. La formula general es
)
)(
.
(
)
(
)
(#
deavogadro
N
celda
Vol
a
Masaatomic
x
Atomos
°
=
ρ