“ATOMOS Y ESTRUCTURA CRISTALINA”

Trabajo

Sección: Virtual

Realizado Por:

Daniel Guerra C.I: 21539693

Febrero del 2017

Tecnología de los Materiales

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

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.

¿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.

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.

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. 

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)

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.

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

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.

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 esta 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

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

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.

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.