Este documento trata sobre la estructura atómica de los materiales. Explica los modelos atómicos históricos como los de Dalton, Thomson, Rutherford, Bohr y Schrodinger. Luego describe las partículas subatómicas como protones, neutrones y electrones. Finalmente, cubre temas como la estructura electrónica de los átomos, la tabla periódica, los enlaces atómicos y cómo estos determinan las propiedades de los materiales.

1. Estructura Atómica
de los Materiales
MSc Luis Alberto Laguado Villamizar
Ciencia de los Materiales

2. CONTENIDO
• Modelos Atómicos
• Partículas Subatómicas
• Masa atómica
• Estructura electrónica del átomo
• La tabla periódica
• Enlaces atómicos
• Energía de enlace y distancia interatómica

3. MODELOS ATÓMICOS
● Teoría atómica de Dalton
● Modelo atómico de Thomson
● Modelo atómico de Rutherfor
● Teoría Cuántica
● Modelo atómico de Bohr
● Modelo atómico de Schrodinger
http://q1cetac2.blogspot.com/2010/10/los-modelos-atomicos.html

4. TEORÍA ATÓMICA DE DALTON
Primera teoría científica que considera que la materia
está dividida en unas partículas indivisibles e
inalterables, que se denominan átomos
https://infograph.venngage.com/p/200253/history-of-the-atom

5. MODELO ATÓMICO DE THOMSON
► Dentro de los átomos hay unas
partículas diminutas, con carga
eléctrica negativa, a las que se
llamó electrones
► El átomo debía ser una esfera
de materia cargada
positivamente, en cuyo interior
estaban incrustados los
electrones

6. MODELO ATÓMICO DE RUTHERFORD
El átomo está formado por dos partes: núcleo y
corteza.
► Un núcleo central, que contiene los protones y
neutrones (y por tanto allí se concentra toda la
carga positiva y casi toda la masa del átomo).
► Una corteza, formada por los electrones, que giran
alrededor del núcleo en órbitas circulares, es casi
un espacio vacío, inmenso en relación con las
dimensiones del núcleo.
► los electrones son una masa muy pequeña y carga
de negativa
https://infograph.venngage.com/p/200253/hi
story-of-the-atom

7. TEORÍA CUÁNTICA
La Teoría Cuántica es una
teoría netamente
probabilística: describe la
probabilidad de que un
suceso dado se presente en
un momento determinado,
sin especificar cuándo
ocurrirá.
https://www.tendencias21.net/La-Teoria-Cuantica-
una-aproximacion-al-universo-probable_a992.html

8. MODELO ATÓMICO DE BOHR
• Los electrones solo pueden
girar en ciertas órbitas de
radios determinados, ya que
solo pueden tener ciertos
niveles de energía
definidos.

9. MODELO DE SHRODINGER
• Dentro de un mismo nivel
energético existen subniveles.
• Describe a los electrones por
medio de una función la cual
representa la probabilidad de
presencia en una región
delimitada del espacio. Esta
zona de probabilidad se
conoce como orbital.

10. PARTÍCULAS SUB ATÓMICAS

11. ISÓTOPOS DEL CARBONO
C
Z=6
Carbono
A=12
Partícula Carga Cantidad Masa (gr)
Neutrones 0 6 1.67 x 10^-24
Protones + 6 1.67 x 10^-24
Electrones - 6 9.11 x 10 ^ -28
C
Z=6
Carbono 14
A=14
Partículas Carga Cantidad Masa (gr)
Neutrones 0 8 1.67 x 10^-24
Protones + 6 1.67 x 10^-24
Electrones - 6 9.11 x 10 ^ -28
C
Z=6
Carbono 14
A=16
Partículas Carga Cantidad Masa (gr)
Neutrones 0 10 1.67 x 10^-24
Protones + 6 1.67 x 10^-24
Electrones - 6 9.11 x 10 ^ -28

12. ISÓTOPOS DEL HIDRÓGENO
H
Z =1
Hidrógeno (Protio)
A=1
Partícula Carga Cantidad
Neutrones 0 0
Protones + 1
Electrones - 1
H
Z =1
Deuterio
A = 2
Partículas Carga Cantidad
Neutrones 0 1
Protones + 1
Electrones - 1
H
Z =1
Tritio
A = 3
Partículas Carga Cantidad
Neutrones 0 2
Protones + 1
Electrones - 1

13. MASA ATÓMICA
• La masa atómica es igual a la cantidad promedio de
Protones y Neutrones en un átomo
• La masa atómica también es la masa en gramos de
Na átomos.
• Na = Número de Avogadro
• Unidad de Masa Atómica (UMA) equivale a la
masa medida en gramos/mol

14. • Cual es la cantidad de Protones y Neutrones que
tiene un átomo de Carbono?
Según la tabla periódica, la masa atómica del
Carbono, es de 12.01g/mol. N = 6
A=12 6 Protones, 6 Neutrones, 6 Electrones
• Cuántos Neutrones tiene un átomo de Titanio?
N=22, A = 47.88gr/mol. 22 Protones y 25
Neutrones
• Cuántas partículas subatómicas se encuentran en el
núcleo de un átomo de Francio, N = 87?
Masa atómica = 223gr/mol,
87 Protones y 136Neutrones
Ejemplo 1

15. • Calcule la cantidad de átomos en 100gr de Plata (Ag)
La masa atómica de la plata es 107.868gr/mol
EJEMPLO 2

16. ESTRUCTURA ELECTRÓNICA
• Números cuánticos: determinan el nivel
de energía al cual pertenece cada
electrón. Son cuatro números cuánticos:
• Número cuántico principal n
• Número cuántico azimutal l
• Número cuántico magnético ml
• Número cuántico Espín o de giro ms

17. NÚMERO CUÁNTICO PRINCIPAL N
s
.
• Se le asignan valores enteros: 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6, 7
o una letra a partir de la K: K , L , M , N , O , P ,
Q
• Indican la capa cuántica
a la cual pertenece el electrón
• Una capa cuántica es un conjunto
de niveles de energía fijo
• A cada electrón de la capa
se le designa con cuatro
números cuánticos.

18. NÚMERO CUÁNTICO AZIMUTAL L
• Determina la cantidad de niveles de energía en cada
capa cuántica, así como el número cuántico magnético
• Se le asignan números: 0 , 1 , 2 , 3 , 4, 5
• Y también se representan con letras minúsculas:
0 = s , 1 = p , 2 = d , 3 = f , 4 = g , 5 = h
• Cada nivel de energía recibe un determinado
número de electrones:
S→2, p → 6,d → 10, f → 14, g → 18,
h → 22

19. NÚMERO CUÁNTICO MAGNÉTICO ML
• Expresa la cantidad de niveles de energía u
orbitales para cada número cuántico azimutal
• La cantidad total de ml, para
cada l, es igual a 2 l +1
• Se les asignan números
enteros entre – l y l
• Por ejemplo:
para l=2, ml=(2)(2)+1=5
-2 , -1 , 0 , +1 , +2

20. ORBITALES
s p
d f

21. NÚMERO CUÁNTICO ESPÍN MS
• El principio de exclusión de Pauli indica que en un
orbital no pueden estar presentes más de dos
electrones, con giros electrónicos opuestos
1 / 2 , -1 / 2

22. NÚMEROS CUÁNTICOS DEL Na
3s1 Electrón 11 n = 3 l = 0 ml = 0 ms = +1/2 o
-1/2
2p6 Electrón 10 n = 2 l = 1 ml = +1 ms = -1/2
Electrón 9 n = 2 l = 1 ml = +1 ms = +1/2
Electrón 8 n = 2 l = 1 ml = 0 ms = -1/2
Electrón 7 n = 2 l = 1 ml = 0 ms = +1/2
Electrón 6 n = 2 l = 1 ml = -1 ms = -1/2
Electrón 5 n = 2 l = 1 ml = -1 ms = +1/2
2s2 Electrón 4 n = 2 l = 0 ml = 0 ms = -1/2
Electrón 3 n = 2 l = 0 ml = 0 ms = +1/2
1s2 Electrón 2 n = 1 l = 0 ml = 0 ms = -1/2
Electrón 1 n = 1 l = 0 ml = 0 ms = +1/2

23. CONFIGURACIÓN ELECTRÓNICA
Diagrama de
Pauling:

24. Nivel Capa Subnivel Electrones
1 K s 2
2 L s p 8
3 M s p d 18
4 N s p d f 32
5 O s p d f 32
6 P s p d f 32
7 Q s p d f 32
Subnivel Número de
obitales
Número de
electrones
s 1 2
p 3 6
d 5 10
f 7 14

25. VALENCIA DE UN ÁTOMO
• Es la cantidad de electrones de un átomo q u
e participan en el enlace o reacciones
químicas
• Es la cantidad de electrones en la capa externa, en
los niveles de energía s p
• La valencia de un átomo se relaciona con su habilidad
para participar en una combinación química con otros
elementos
• Ejemplos:

26. ELECTRONEGATIVIDAD
• Describe la tendencia de un átomo para ganar o
aceptar un electrón.
• Los átomos con los niveles de energía externos casi
totalmente llenos, son altamente electronegativos, reciben
electrones con facilidad, como el Fluor, Cloro, Bromo,
Yodo, Astato.
• Los átomos con niveles externos casi vacíos, ceden
electrones fácilmente, tienen baja electronegatividad, como
el Litio, Sodio, Potasio, Calcio.
• Los átomos grandes tienen baja electronegatividad
porque los electrones externos están alejados del
núcleo y no son atraídos fuertemente.

27. EJEMPLO 3
• Use la configuración electrónica para comparar las
Electronegatividades del Calcio y del Bromo
Ca: 20
B r: 35
1s²2s²2p63s²3p63d10 4s²
1s²2s²2p63s²3p63d10 4s²4p5

28. ESTABILIDAD ATÓMICA

29. TABLA PERIÓDICA
http://proyectofinaldeinformaticayquimica.blogspot.com/2016/11/clasificacion-delos-elementos-en.html
IIIB IVB VB VIB VIIB -----VIIIB----- IB IIB
IA
IIA IIIA IVA VA VIA VIIA
VIIIA

30. CARACTERÍSTICAS DE LA
TABLA PERIODICA
• Contiene información valiosa acerca de elementos
específicos.
• Puede ayudar a identificar tendencias en tamaño de
los átomos, puntos de fusión, reactividad química,
masa atómica, número atómico y otras propiedades.
• Los números de las filas corresponden a las capas
cuánticas o números cuánticos principales.
• Las columnas indican la cantidad de electrones en los
niveles externos de energía s p

31. MATERIALES EN LA TABLA
• Polímeros: a base principalmente de Carbono,
grupo 4A
• Cerámicos: normalmente basados en combinaciones de
elementos de los grupos 1 a 7A, Calcio, Oxígeno,
Carbono, Nitrógeno,
• Materiales metálicos: basados comúnmente en
elementos de los grupos 1A, 2A y en los elementos
metálicos de transición 1B a 8B
• Metales de transición: Ti, V, Fe, Ni, Co, materiales
magnéticos y ópticos, por sus múltiples valencias.
• Semiconductores: grupo 4A, Carbono, Silicio,
Germanio, o combinaciones de elementos de los
grupos 2A a 7A

32. ENLACES ATÓMICOS
Los enlaces determinan el
comportamiento de los
materiales, formando
estructuras básicas que
pueden ser de corto alcance
como en los materiales
amorfos, o de largo alcance
como en los materiales
cristalinos.

33. ENLACES PRIMARIOS
Los enlaces fuertes o
primarios se establecen
cuando los átomos
transfieren o comparten
electrones, llenando
completamente sus
niveles externos, estos
enlaces son: Metálico,
Iónico y Covalente.

34. ENLACES SECUNDARIOS
Los enlaces secundarios
son enlaces débiles que
se forman como resultado
de la atracción de cargas,
pero sin transferir o
compartir electrones.
Como los enlaces de
Vander Wallsy los
puentes de Hidrógeno
.

35. ENLACE METÁLICO
• Los elementos metálicos
transfieren sus electrones de
valencia para formar una
nube de electrones que
rodea a los átomos.
• Materiales con alto punto de
fusión y módulo de
elasticidad relativamente alto,
porque los enlaces son
fuertes.

36. • Los metales tienen buena
ductilidad porque los enlaces
metálicos NO son
direccionales.
• La eficiencia del enlace se
determina a través de los
números de coordinación, los
cuales determinan el número
de átomos en contacto directo
que tiene cada uno en su
estructura cristalina.
ENLACE METÁLICO

37. ENLACE COVALENTE
• Se caracterizan por enlaces
que se forman por medio de
la compartición de los
electrones de valencia entre
dos o más átomos.
• Estos enlaces tienen una
relación direccional fija entre
sí, según el ángulo formado
entre ellos al configurar
estructuras cristalinas de un
material.
ASKELAND,2007

38. • Estos enlaces son
muy fuertes, en
consecuencia se
forman materiales
muy resistentes, de
alta dureza y con
alto punto de
fusión.
ENLACE COVALENTE

39. • Materiales con puntos de fusión muy altos, útiles en
aplicaciones de alta temperatura.
• Materiales con baja ductilidad debido a la
direccionalidad de los enlaces.
• Baja conductividad eléctrica, debido a que los
electrones de valencia se encuentran fijos en el
enlace.
ENLACE COVALENTE

40. ENLACE IÓNICO
• Se da entre dos
clases diferentes de
átomos: unos pueden
donar sus electrones
de valencia y los
otros reciben estos
electrones para llenar
su capa externa.
ASKELAND,2007

41. • Los dos átomos han adquirido
una carga eléctrica adicional y
se comportan como iones. El
átomo que aporta electrones
queda con una carga positiva y
se llama Catión. El átomo
receptor se llama Anión.
• Los iones con carga opuesta
son atraídos entre sí y producen
el enlace iónico.
• Este enlace es resultado de la
atracción de cargas, fuerza de
atracción electrostática: Ley de
Coulomb.
ENLACE IÓNICO

42. FUERZAS DE VAN DER WAALS
• Entre dos cargas opuestas que
se encuentran cercanas existe un
momento dipolar igual a la carga
multiplicada por la distancia.
• Estas fuerzas existen en todos
los materiales, pueden ser
permanentes o inducidas.

43. • Hay tres clases de fuerzas de Van
der Waals: fuerzas de London, de
Keesom y de Debye.
• Fuerzas de London: entre dos
dipolos inducidos.
• Interacciones de Debye:un
dipolo uncluido con uno
permanente.
• Interacciones de Keesom: entre
dipolos permanentes
(Puentes de H)
FUERZAS DE VAN DER WAALS

44. TIPO DE ENLACE
Energía de
enlace
[kCal/Mol]
Iónico 150 – 370
Covalente 125 – 300
Metálico 25 – 200
Puentes de Hidrógeno 5 – 12
Fuerzas de Keesom 3 - 5
Van der Waals en CH4 2 - 4
ENERGÍA DE ENLACES

45. • Los materiales con enlace Iónico tienen alta
energía de enlace debido a la diferencia de
Electronegatividades
• Los metales tienen menor energía de enlace
porque las electronegatividades son muy
cercanas.
ENERGÍA DE ENLACES

46. ENLACES MIXTOS
• En algunos materiales, el enlace entre sus átomos es
una mezcla de dos o más tipos de enlaces.
• El Hierro está constituido por una combinación de
enlaces metálicos y covalentes.
• Los compuestos formados por dos o más metales,
llamados compuestos intermetálicos, se pueden unir
con enlaces metálicos y iónicos, aprovechando la
diferencia de electronegatividades entre los elementos.
• Por ejemplo, LiAl, el Litio tiene electronegatividad de 1.0
y el Aluminio 1.5.
• El Al3V está unido solo por enlaces metálicos porque
las electronegatividades son iguales.

47. ENERGÍA DE ENLACE
Y DISTANCIA INTERATÓMICA
• La distancia de equilibrio
entre dos átomos se debe
aun balance entre fuerzas
de repulsión y de atracción.
Energíadeenlace
Distancia

48. ENERGÍA DE ENLACE
Y DISTANCIA INTERATÓMICA
• Estadistancia es aproximadamente igual al diámetro atómico
en enlaces del mismo elemento, o a la suma de los dos
radios en enlaces de diferentes elementos.
• Energía de enlace: es la energía necesaria para formar o
romper el enlace.
• Los materiales con energía de enlace alta, tienen alta
resistencia, así como alto punto de fusión.

49. BIBLIOGRAFÍA
⮚ ASHBY Michael, SHERCLIFF Hugh, CEBON David. MATERIALS: engineering,
science, processing and design. University of Cambridge, UK Butterworth-Heinemann,
first edition 2007.
http://the-eye.eu/public/WorldTracker.org/Physics/Materials%20Engineering%20%20-
%20Science%2C%20Processing%20and%20Design%20-
%20M.%20Ashby%2C%20et%20al.%2C%20%28B-H%2C%202007%29%20WW.pdf
⮚ ASKELAND Donald, PHULÉ Pradeep. Ciencia e Ingeniería de los Materiales. Séptima
edición,Sexta edición, Thomson, México, 2007.
⮚ OZOLS Andres, Enlaces Atómicos, Laboratorio de sólidos amorfos, Grupo de
Biomateriales para Prótesis, Instituto de Ingeniería Biomédica, Universidad de Buenos
Aires, Argentina, 2006
http://materias.fi.uba.ar/6210/Enlaces%20At%C3%B3micos%20doc