El documento describe la estructura atómica y cristalina. Explica que los átomos están compuestos de un núcleo central con carga positiva rodeado por electrones. Los modelos atómicos han evolucionado para reflejar mejor las propiedades ondulatorias de los electrones. La estructura cristalina se refiere al ordenamiento de los átomos en patrones que se repiten en 3D, dando lugar a materiales puros y homogéneos.

1. República Bolivariana de Venezuela
Ministerio del Poder Popular para la Educación
Instituto Universitario Politécnico Santiago Mariño
Ingeniería en Mantenimiento Mecánico
Extensión Maracaibo
Átomos y Estructura Cristalina
Realizado por:
Ericson Pérez
C.I: 20.148.963
Maracaibo, Septiembre de 2015

2. Que son átomos:
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. Estructura atómica
El núcleo atómico: El
núcleo atómico puede verse
alterado por procesos muy
energéticos en comparación
con las reacciones químicas.
Los núcleos inestables
sufren desintegraciones que
pueden cambiar su número
de protones y neutrones
emitiendo radiación.
Un núcleo pesado
puede fisionarse en otros
más ligeros en una reacción
nuclear o espontáneamente.
Mediante una cantidad
suficiente de energía, dos o
más núcleos
pueden fusionarse en otro
más pesado.
Partículas subatómicas: Es
una partícula más pequeña que
el átomo. Puede ser
una partícula elemental o
una compuesta, a su vez, por
otras partículas subatómicas,
como son los quarks, que
componen
los protones neutrones.
No obstante, existen otras
partículas subatómicas, tanto
compuestas como elementales,
que no son parte del átomo,
como es el caso de
los neutrinos y bosones.

4. Nube de electrones: Se denomina nube de electrones o nube
atómica o corteza atómica a la parte externa de un átomo, región que rodea
al núcleo atómico, y en la cual orbitan los electrones.
Los electrones poseen carga eléctrica negativa y están unidos al núcleo del
átomo por la interacción electromagnética. Los electrones al orbitar alrededor
del núcleo desprenden una pequeña porción de carga negativa y de esta se
forma la nube de electrones. Posee un tamaño unas 50.000 veces superior al
del núcleo sin embargo apenas posee masa.
El radio del núcleo atómico es por lo menos 10.000 veces menor que
el radio atómico, y en éste se encuentra casi la totalidad de la masa atómica.
La nube atómica está constituida por capas electrónicas, cuyo número puede
variar de 1 a 7, y que se designan con las letras K, L, M, N, O, P y Q.

5. Propiedades atómicas:
Masa: La mayor parte de la masa del átomo viene de los nucleones, los protones y
neutrones del núcleo. También contribuyen en una pequeña parte la masa de los
electrones, y la energía de ligadura de los nucleones, en virtud de la equivalencia
entre masa y energía. La unidad de masa que se utiliza habitualmente para
expresarla es la unidad de masa atómica (u). Esta se define como la doceava parte
de la masa de un átomo neutro de carbono-12 libre, cuyo núcleo contiene 6
protones y 6 neutrones, y equivale a 1,66 · 10−27 kg aproximadamente. En
comparación el protón y el neutrón libres tienen una masa de 1,007 y 1,009 u. La
masa de un átomo es entonces aproximadamente igual al número de nucleones en
su núcleo el número másico multiplicado por la unidad de masa atómica. El átomo
estable más pesado es el plomo-208, con una masa de 207,98 u
Tamaño: Los átomos no están delimitados por una frontera clara, por lo que su
tamaño se equipara con el de su nube electrónica. Sin embargo, tampoco puede
establecerse una medida de esta, debido a las propiedades ondulatorias de los
electrones. En la práctica, se define el radio atómico estimándolo en función de
algún fenómeno físico, como la cantidad y densidad de átomos en un volumen
dado, o la distancia entre dos núcleos en una molécula. Los diversos métodos
existentes arrojan valores para el radio atómico de entre 0,5 y 5 Å. Dentro de
la tabla periódica de los elementos, el tamaño de los átomos tiende a disminuir a lo
largo de un periodo una fila, para aumentar súbitamente al comienzo de uno nuevo,
a medida que los electrones ocupan niveles de energía más altos.

6. Evolución del modelo atómico: La concepción del
átomo que se ha tenido a lo largo de la historia ha
variado de acuerdo a los descubrimientos realizados en el
campo de la física y la química. A continuación se hará
una exposición de los modelos atómicos propuestos por
los científicos de diferentes épocas. Algunos de ellos son
completamente obsoletos para explicar los fenómenos
observados actualmente, pero se incluyen a manera de
reseña histórica

7. Modelo de Dalton: El modelo atómico de Dalton surgido en el
contexto de la química, fue el primer modelo atómico con bases
científicas, propuesto entre 1803 y 1807 por John Dalton, aunque
el autor lo denominó más propiamente "teoría atómica" o
"postulados atómicos". El modelo permitió aclarar por primera vez
por qué las sustancias químicas reaccionaban en proporciones
este quilométricas fijas (Ley de las proporciones constantes), y por
qué cuando dos sustancias reaccionan para formar dos o más
compuestos diferentes, entonces las proporciones de estas
relaciones son números enteros (Ley de las proporciones
múltiples). Por ejemplo 12 g de carbono (C), pueden reaccionar
con 16 g de oxígeno (O2) para formar monóxido de carbono (CO) o
pueden reaccionar con 32 g de oxígeno para formar dióxido de
carbono (CO2). Además el modelo aclaraba que aún existiendo
una gran variedad de sustancias diferentes, estas podían ser
explicadas en términos de una cantidad más bien pequeña de
constituyentes elementales o elementos. En esencia, el modelo
explicaba la mayor parte de la química de fines del siglo XVIII y
principios del siglo XIX, reduciendo una serie de hechos complejos
a una teoría combinatoria realmente simple.

8. Modelo de Thomson: El modelo atómico de Thomson es una
teoría sobre la estructura atómica propuesta en 1904 por Joseph
John Thomson, quien descubrió el electrón en 1897, mucho antes
del descubrimiento del protón y del neutrón. En dicho modelo,
el átomo está compuesto por electrones de carga negativa en un
átomo positivo, incrustados en este al igual que las pasas de un
budín. A partir de esta comparación, fue que el supuesto se
denominó "Modelo del budín de pasas". Postulaba que los
electrones se distribuían uniformemente en el interior del átomo
suspendidos en una nube de carga positiva. El átomo se
consideraba como una esfera con carga positiva con electrones
repartidos como pequeños gránulos. La herramienta principal con
la que contó Thomson para su modelo atómico fue la electricidad.
El nuevo modelo atómico usó la amplia evidencia obtenida gracias
al estudio de los rayos catódicos a lo largo de la segunda mitad
del siglo XIX. Si bien el modelo atómico de Dalton daba debida
cuenta de la formación de los procesos químicos, postulando
átomos indivisibles, la evidencia adicional suministrada por los
rayos catódicos sugería que esos átomos contenían partículas
eléctricas de carga negativa. El modelo de Dalton ignoraba la
estructura interna, pero el modelo de Thomson aunaba las virtudes
del modelo de Dalton y simultáneamente podía explicar los hechos
de los rayos catódicos.

9. Modelo de Rutherford: El modelo atómico de Rutherford es
un modelo atómico o teoría sobre la estructura interna
del átomo propuesto por el químico y físico británico-
neozelandés Ernest Rutherford para explicar los resultados
de su "experimento de la lámina de oro", realizado en 1911. El
modelo de Rutherford fue el primer modelo atómico que
consideró al átomo formado por dos partes: la "corteza"
(luego denominada periferia), constituida por todos sus
electrones, girando a gran velocidad alrededor de un "núcleo"
muy pequeño; que concentra toda la carga eléctrica positiva y
casi toda la masa del átomo. Rutherford llegó a la conclusión
de que la masa del átomo se concentraba en una región
pequeña de cargas positivas que impedían el paso de las
partículas alfa. Sugirió un nuevo modelo en el cual el átomo
poseía un núcleo o centro en el cual se concentra la masa y
la carga positiva, y que en la zona extra nuclear se
encuentran los electrones de carga negativa.

10. Modelo de Bohr: El modelo atómico de Bohr o de Bohr-
Rutherford es un modelo clásico del átomo, pero fue el
primer modelo atómico en el que se introduce una cuantización a
partir de ciertos postulados. Fue propuesto en 1913 por el físico
danés Niels Bohr, para explicar cómo los electrones pueden
tener órbitas estables alrededor del núcleo y por qué los átomos
presentaban espectros de emisión característicos (dos problemas
que eran ignorados en el modelo previo de Rutherford). Además el
modelo de Bohr incorporaba ideas tomadas del efecto
fotoeléctrico, explicado por Albert Einstein en 1905.
El mayor éxito de Bohr fue dar la explicación al espectro de
emisión del hidrógeno. Pero solo la luz de este elemento.
Proporciona una base para el carácter cuántico de la luz, el fotón
es emitido cuando un electrón cae de una órbita a otra, siendo un
pulso de energía radiada. Bohr no pudo explicar la existencia de
órbitas estables y para la condición de cuantización. Bohr encontró
que el momento angular del electrón es h/2π por un método que
no puede justificar.

11. Modelo de Schrödinger: En el modelo de Schrödinger se
abandona la concepción de los electrones como esferas diminutas
con carga que giran en torno al núcleo, que es una extrapolación de
la experiencia a nivel macroscópico hacia las diminutas dimensiones
del átomo. En vez de esto, Schrödinger describe a los electrones por
medio de una función de onda, el cuadrado de la cual representa
la probabilidad de presencia en una región delimitada del espacio.
Esta zona de probabilidad se conoce como orbital. La gráfica
siguiente muestra los orbitales para los primeros niveles de energía
disponibles en el átomo de hidrógeno. El modelo de Bohr funcionaba
muy bien para el átomo de hidrógeno. En los espectros realizados
para otros átomos se observaba que electrones de un mismo nivel
energético tenían energías ligeramente diferentes. Esto no tenía
explicación en el modelo de Bohr, y sugería que se necesitaba
alguna corrección. La propuesta fue que dentro de un mismo nivel
energético existían subniveles. La forma concreta en que surgieron
de manera natural estos subniveles, fue incorporando órbitas
elípticas y correcciones relativistas. Así, en 1916, Arnold
Sommerfeld modificó el modelo atómico de Bohr, en el cual los
electrones solo giraban en órbitas circulares, al decir que también
podían girar en órbitas elípticas más complejas y calculó los efectos
relativistas.

12. Modelo de Dirac: El modelo de Dirac usa supuestos muy
similares al modelo de Schrödinger aunque su punto de partida es
una ecuación relativista para la función de onda, la ecuación de
Dirac. El modelo de Dirac permite incorporar de manera más natural
el espín del electrón.
Predice niveles energéticos similares al modelo de Schrödinger
proporcionando las correcciones relativistas adecuadas, 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.

14. 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. 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 antrópicas 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.
Cuarzo incoloro.
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.Estructura del Diamante.

15. En ocasiones la repetitividad se rompe o no es exacta, y esto
diferencia los vidrios y los cristales, los vidrios generalmente se
denominan materiales amorfos (desordenados o poco ordenados). No
obstante, la materia no es totalmente ordenada o desordenada
(cristalina o no cristalina) y nos encontramos una graduación continua
del orden en que está organizada esta materia (grados de
cristalinidad), en donde los extremos serían materiales con estructura
atómica perfectamente ordenada (cristalinos) y completamente
desordenada (amorfos).
Diferencia entre vidrios y cristales

16. Estructura
Los cristales, átomos, iones o moléculas se
empaquetan y dan lugar a motivos que se repiten del
orden de 1 Ángstrom = 10-8 cm; a esta repetitividad,
en tres dimensiones, la denominamos red cristalina. El
conjunto que se repite, por translación ordenada, genera
toda la red (todo el cristal) y la denominamos unidad
elemental o celda unidad.

17. Estructura cristalina ordenada
En la estructura cristalina (ordenada) de los compuestos
inorgánicos, los elementos que se repiten
son átomos o iones enlazados entre sí, de manera que
generalmente no se distinguen unidades aisladas; estos
enlaces proporcionan la estabilidad y dureza del material.
En los compuestos orgánicos se distinguen claramente
unidades moleculares aisladas, caracterizadas por uniones
atómicas muy débiles, dentro del cristal. Son materiales
más blandos e inestables que los inorgánicos.

18. Tipos de estructuras cristalinas