2. INTRODUCCION
El mundo actual y nuestra vida cotidiana están marcados por un sinnúmero de
productos de síntesis, desde los materiales más diversos en forma de fibras, plásticos o
colorantes, hasta los medicamentos, los plaguicidas o los fertilizantes. Gran parte de la
"cultura del bienestar" se fundamenta en la puesta a disposición del hombre de estos
productos que son fruto, entre otras cosas, de un profundo conocimiento de la estructura
atómica y molecular. Los entes objeto de estudio por parte de la Química, las moléculas,
son átomos enlazados entre sí para formar un edificio más complejo y con propiedades
completamente distintas de las de sus constituyentes.
Está constituida de partículas elementales minúsculas, discretas e indivisibles
denominadas átomos. La palabra átomo tenía el significado de no divisible. Sus ideas
fueron rechazadas durante 2000 años hasta que John Dalton en 1808, estableció su Teoría
Atómica para justificar las leyes de la combinación química. Sus postulados pueden
resumirse así:
1 Un elemento está formado por partículas pequeñas e indivisible llamadas átomos.
2 Todos los átomos de un elemento tienen propiedades idénticas y distintas de los
átomos de otro elemento.
3 Los átomos se combinan entre sí para formar moléculas de compuestos en
proporciones fijas para cada compuesto.
Parece lógico que una de las primeras inquietudes de los científicos fuera conocer
las características de esos constituyentes, en un primer intento para entender cómo se unen
entre sí para formar nuevos sistemas que van desde la simplicidad de una molécula de
hidrógeno a la complejidad de una proteína. Por otra parte, de nada serviría el esfuerzo de
sintetizar nuevas moléculas si no fuésemos capaces de entender y explicar sus estructuras y
propiedades y por ende predecir su posible comportamiento y aplicaciones. La mayoría de
los materiales sólidos no metálicos con los que uno a diario está en contacto, encuentra que
3. no hay diferencia característica entre su forma externa y la de casi todos los objetos
metálicos. De aquí que resulte bastante sorprendente para la mayoría de la gente saber que
los materiales metálicos poseen una estructura cristalina, mientras que materiales como la
madera, plásticos, papel, vidrio y otros no la poseen, éste tipo de materiales tienen un
arreglo al azar en sus partículas de manera que logran rigidez a la temperatura ambiente.
Los sólidos se pueden clasificar teniendo en cuenta el arreglo interno de sus
partículas, en amorfos y cristalinos. Se puede decir que un sólido es un material que posee
forma y volumen definidos y que es una sustancia constituida por átomos metálicos,
átomos no metálicos, iones ó moléculas. Muchas de las propiedades de los metales tales
como la densidad, dureza, punto de fusión, conductividad eléctrica y calorífica están
relacionadas con la estructura cristalina y también con el enlace metálico. Sin embargo,
ninguna depende tanto de la estructura cristalina como las propiedades mecánicas tales
como la maleabilidad, ductilidad, resistencia a la tensión, temple y capacidad de hacer
aleaciones.
4. ¿QUE SON LOS ÁTOMOS?
Los átomos son la unidad básica de toda la materia, la estructura que define a todos
los elementos y tiene propiedades químicas bien definidas. Todos los elementos químicos
de la tabla periódica están compuestos por átomos con exactamente la misma estructura y a
su vez, éstos se componen de tres tipos de partículas, como los protones, los neutrones y los
electrones.
SU ESTRUCTURA
Los átomos están formados por unas partículas más pequeñas: protones, electrones
y neutrones. Un átomo se diferenciará de otro según estén dispuestas estas partículas.
- Los Electrones: Tiene carga negativa, es la partícula más ligera de las tres.
- Los Protones: Tienen carga positiva y es mucho más pesado que los Electrones
- Los Neutrones: Los neutrones no tienen carga, pero son aproximadamente igual de
pesados que los Protones.
Dentro del átomo los protones y los neutrones se concentran en el centro, formando
lo que se denomina núcleo del átomo o núcleo atómico. Los electrones, sin embargo, se
encuentran girando alrededor del del núcleo del átomo, en lo que se ha llamado corteza.
5. Como en el núcleo del átomo sólo está compuesto por los protones y neutrones y hemos
dicho que los neutrones no tienen carga, el núcleo del átomo tendrá por lo tanto, carga
positiva, la del protón.
Para que la carga sea neutra, se tendrán que equilibrar el núcleo positivo del átomo,
donde se encuentra la mayor parte de su masa, con los electrones que rodean al núcleo
atómico, donde la carga positiva del núcleo del átomo sea igual que la carga negativa de
los electrones que rodean al núcleo. Pero las últimas investigación en el campo de la
mecánica cuántica, han llegado a la conclusión de que los electrones no se encuentran
girando alrededor del núcleo, aunque si se ha encontrado un incremento de presencia de
electrones a una cierta distancia del núcleo.
MODELOS
Modelo atómico de John Dalton: este fue formulado en el año 1808 por John Dalton y fue
el primer modelo con soporte científico. Dalton consideraba a los átomos indivisibles e
indestructibles, siendo estos los elementos componentes de la materia. Además de esto,
consideraba que los átomos de un mismo elemento son iguales entre sí, teniendo cualidades
y peso propio, diferentes al de otros elementos. Por otro lado, afirmó que los átomos de
distintos elementos pueden combinarse entre sí y formar diversos compuestos. Dalton
describió a los átomos como minúsculas partículas con forma esférica, inmutables e
indivisibles.
6. Modelo atómico de Thomson: formulado en 1904 por Joseph Thomson, quien descubrió a
los electrones. Este modelo describe a los átomos como esferas de materia con carga
positiva la cual contiene electrones incrustados en su interior.
Modelo de John Dalton Modelo de Thomson
Modelo atómico de Rutherford: Ernest Rutherford rebatió el modelo anterior ya que fue
quien demostró que los átomos, a diferencia de lo que se creía, poseen partes vacías y un
núcleo en su centro. El modelo atómico que diseño en el año 1911 representaba a los
átomos compuestos por una corteza de electrones que giraban alrededor del núcleo, el cual
posee carga positiva y la mayor parte de la materia.
Modelo atómico de Bohr: este modelo, creado por Niels Bohr en 1913, buscó demostrar
cómo los electrones tienen órbitas estables ubicadas alrededor del núcleo. Además de esto,
muestra porqué los átomos presentan espectros con emisiones características. Este modelo
incluye ideas del efecto fotoeléctrico, estudiado por Albert Einstein.
Modelo atómico de Sommerfeld: este modelo fue diseñado en 1916 por Arnold
Sommerfeld, quien se basó en el diseñado por Bohr pero corrigiéndole dos errores. Lo que
introdujo fue la idea de órbitas elípticas y no circulares como las de Bohr y una velocidad
relativista. Lo que postuló fue que el núcleo no permanece quieto sino que junto con el
electrón se mueven alrededor del centro de masas propias del sistema.
7. Modelo atómico de Rutherford Modelo atómico de Bohr Modelo atómico de Sommerfeld
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 las partículas:
• 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.
Los metales, las aleaciones y determinados materiales cerámicos tienen estructuras
cristalinas. Los átomos que pertenecen a un sólido cristalino se pueden representar
situándolos en una red tridimensional, que se denomina retículo espacial o cristalino. Este
retículo espacial se puede definir como una repetición en el espacio de celdas unitarias. La
celda unitaria de la mayoría de las estructuras cristalinas son paralelepípedos o prismas con
tres conjuntos de caras paralelas Según el tipo de enlace atómico, los cristales pueden ser de
tres tipos:
a) Cristales iónicos: punto de fusión elevado, duro y muy frágil, conductividad eléctrica
baja y presentan cierta elasticidad. Ej: NaCl (sal común)
8. 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 son tan
duros como los anteriores, aunque si maleables y dúctiles. Hierro, estaño, cobre,
Según la posición de los átomos en los vértices de la celda unitaria de la red
cristalina existen:
a) Redes cúbicas sencillas: Los átomos ocupan sólo los vértices de la celda unidad.
b) Redes cúbicas centradas en el cuerpo (BCC): Los átomos, además de ocupar los
vértices, ocupan el centro de la celda. En este caso cristalizan el hierro y el cromo.
c) 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.
d) Redes hexagonales compactas (HC): La celda unitaria es un prisma hexagonal con
átomos en los vértices y cuyas bases tiene un átomo en el centro. En el centro de la celda
hay tres átomos más. En este caso cristalizan metales como cinc, titanio y magnesio.
9. IMPERFECCIONES EN LAS REDES CRISTALINAS
Las imperfecciones se encuentran dentro de la zona de ordenamiento de largo
alcance (grano) y se clasifican de la siguiente manera:
DEFECTOS PUNTUALES
Defectos puntuales: Los defectos puntuales son discontinuidades de la red que
involucran uno o quizá varios átomos. Estos defectos o imperfecciones,, pueden ser
generados en el material mediante el movimiento de los átomos al ganar energía por
calentamiento; durante el procesamiento del material; mediante la introducción de
impurezas; o intencionalmente a través de las aleaciones.
Huecos: Un Hueco se produce cuando falta un átomo en un sitio normal. Las
vacancias se crean en el cristal durante la solidificación a altas temperaturas o como
consecuencia de daños por radiación. A temperatura ambiente aparecen muy pocas
vacancias, pero éstas se incrementan de manera exponencial conforme se aumenta
la temperatura.
Defectos intersticiales: Se forma un defecto intersticial cuando se inserta un átomo
adicional en una posición normalmente desocupada dentro de la estructura
cristalina. Los átomos intersticiales, aunque mucho más pequeños que los átomos
localizados en los puntos de la red, aun así son mayores que los sitios intersticiales
que ocupan; en consecuencia, la red circundante aparece comprimida y
distorsionada. Los átomos intersticiales como el hidrógeno a menudo están
presentes en forma de impurezas; los átomos de carbono se agregan al hierro para
producir acero. Una vez dentro del material, el número de átomos intersticiales en la
estructura se mantiene casi constante, incluso al cambiar la temperatura.
Defectos sustituciones: Se crea un defecto sustitucional cuando se remplaza un
átomo por otro de un tipo distinto. El átomo sustitucional permanece en la posición
10. original. Cuando estos átomos son mayores que los normales de la red, los átomos
circundantes se comprimen; si son más pequeños, los átomos circundantes quedan
en tensión. En cualquier caso, el defecto sustitucional distorsiona la red circundante.
Igualmente, se puede encontrar el defecto sustitucional como una impureza o como
un elemento aleante agregado deliberadamente y, una vez introducido, el número de
defectos es relativamente independiente de la temperatura.
IMPORTANCIA DE LOS DEFECTOS PUNTUALES
Los defectos puntuales alteran el arreglo perfecto de los átomos circundantes,
distorsionando la red a lo largo de quizás cientos de espaciamientos atómicos, a partir del
defecto. Una dislocación que se mueva a través de las cercanías generales de un defecto
puntual encuentra una red en la cual los átomos no están en sus posiciones de equilibrio.
Esta alteración requiere que se aplique un esfuerzo más alto para obligar a que la
dislocación venza al defecto, incrementándose así la resistencia del material.
PRINCIPALES ESTRUCTURAS CRISTALINAS METÁLICAS
La mayoría de los metales elementales (90%) cristalizan en tres estructuras
cristalinas densamente empaquetadas: cúbica centrada en las caras FCC, hexagonal
compacta HCP y cúbica centrada en el cuerpo BCC debido a que se libera energía a medida
que los átomos se aproximan y se enlazan cada vez más estrechamente entre sí. Por lo tanto
dichas estructuras densamente empaquetadas se encuentran en disposiciones u
ordenamientos de energía cada vez más baja y estable.
11. Estructura Cristalina Cúbica Centrada en el Cuerpo BCC
En esta celda unidad las esferas sólidas representan los centros donde los átomos
están localizados e indican sus posiciones relativas. En esta celda unidad el átomo central
esta rodeado de 8 vecinos más cercanos y se dice que tiene por lo tanto un número de
coordinación de 8. Cada una de estas celdas unidad tiene el equivalente de 2 átomos por
celda unidad. Un átomo completo está localizado en el centro de la celda unidad, y un
octavo de esfera está localizado en cada vértice de la celda unidad, haciendo el equivalente
de otro átomo. De este modo, hay un total de 1 (en el centro) + 8 x 1/8 (en los vértices) = 2
átomos por celda unidad.
Los átomos en este tipo de celdas contactan entre sí a través de la diagonal del cubo, y la
relación entre la longitud de la cara del cubo a y el radio atómico R es:
Si los átomos en la celda BCC se consideran esféricos, el factor de
empaquetamiento atómico (APF) puede hallarse empleando la siguiente expresión:
El APF de esta celda es 0.68, es decir, el 68% del volumen de la celda está ocupado
por átomos y el 32% restante en espacio vacío. El cristal BCC no es una estructura
totalmente compacta, ya que los átomos aún podrían situarse más juntos. Muchos metales
como el Cromo, Hierro, Wolframio, Molibdeno y Vanadio tienen estructura cristalina BCC.
Estructura Cristalina Cúbica Centrada en las Caras FCC. En esta celda hay un punto
reticular en cada vértice del cubo y otro en el centro de cada cara del cubo. El modelo de
12. esferas sólidas indica que los átomos de esta estructura están unidos del modo más
compacto posible. El APF de esta estructura de empaquetamiento compacto es 0.74.
Esta celda tiene el equivalente a cuatro átomos por celda unidad. Un octavo de átomo en
cada vértice (8 x 1/8=1) y seis medios átomos en el medio (1/2 x 6= 3).
Los átomos en la celda FCC contactan entre sí a lo largo de la diagonal de la cara
del cubo, de tal forma que la relación entre la longitud de la cara del cubo y el radio
atómico es:
Metales como el Aluminio, el Cobre, el Plomo, el Níquel y el Hierro a temperaturas
elevadas (912 a 1394°C) cristalizan según la estructura FCC
ESTRUCTURA CRISTALINA HEXAGONAL COMPACTA HCP
Los metales no cristalizan en la estructura hexagonal sencilla porque el APF es
demasiado bajo. El APF es 0.74 ya que los átomos están empaquetados de un modo lo más
cercano posible. Cada átomo está rodeado de otros 12 átomos y por tanto su número de
coordinación es 12.
La celda HCP posee 6 átomos, tres forman un triángulo en la capa intermedia,
existen 6*1/6 secciones de átomos localizados en las capas de arriba y de abajo, haciendo
un equivalente a 2 átomos más, finalmente existen 2 mitades de átomo en el centro de
ambas capas superior e inferior, haciendo el equivalente de un átomo más. La relación c/a
de una estructura cristalina HCP ideal es de 1.633 que indica esferas uniformes tan
próximas como sea posible. Los metales Cinc, Cadmio poseen una relación c/a más alta que
13. la ideal, lo que indica que los átomos en estas estructuras están ligeramente elongados a lo
largo del eje c en la celda unidad HCP. Los metales como el Titanio, Berilio, Magnesio Y
Circonio entre otros tienen relaciones c/a menores que la ideal. Por tanto en estos metales
los átomos están comprimidos a lo largo de la dirección del eje c.
14. CONCLUSION
Se puede decir que con los diferentes modelos que dieron los científicos, se trató de
dar una explicación al átomo, que con el tiempo se fueron mejorando, hasta que la actual,
que una de ellas es la cuántica. Pero en definitiva, en casi todos los modelos, se dice que el
átomo está formando por electrones que estos tiene carga negativa y un núcleo, en su
mayoría. Esto modelos nos dan las bases de saber cómo son los átomos, o lo que quisieron
decir a través de sus modelos, y como lo hicieron. Por otra parte tratan de explicar el
significado de las cosas, de todo lo que está hecho en nuestro planeta, tratando de decir que
todas las cosas que nos rodean están hechas por átomos Con esto se ve en definitiva, que
todos los científicos que estudiaron el átomo, tenían sus razones, sus principios y hacían sus
experimentos para comprobar su teoría.
Esto modelos atómicos han servido con el tiempo, para definir como es el átomo al
cual ayudan a los científicos a explicar esto. La materia cristalina es materia sólida cuyos
átomos se disponen ordenadamente. Un mineral es un sólido homogéneo e inorgánico de
origen natural que tiene una composición química y una estructura cristalina determinadas.
Las propiedades de los minerales dependen de su estructura y de su composición. Los
minerales y las rocas son muy útiles para el ser humano. Las rocas se clasifican según su
origen.
