atomo y estructura cristalina
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REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA
EDUCACION SUPERIOR CIENCIA Y TECNOLOGIA
INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITECNICO
SANTIAGO MARIÑO
EXTENSION MATURIN
ESCUELA 45
ATOMO Y ESTRUCTURA CRISTALINA
Asesor:
Ing. Manuel Rodriguez
Febrero 2017
Realizado por:
Guerrero Valentina CI:22.225.693
Sección: “V”
INTRODUCCION
El concepto de átomo existe desde la Antigua Grecia propuesto por los filósofos
griegos Demócrito, Leucipo y Epicuro, sin embargo, no se generó el concepto por
medio de la experimentación sino como una necesidad filosófica que explicara la
realidad, ya que, como proponían estos pensadores, la materia no podía dividirse
indefinidamente, por lo que debía existir una unidad o bloque indivisible e
indestructible que al combinarse de diferentes formas creara todos los cuerpos
macroscópicos que nos rodean. El siguiente avance significativo se realizó hasta
en 1773 el químico francés Antoine-Laurent de Lavoisier postuló su enunciado: "La
materia no se crea ni se destruye, simplemente se transforma."; demostrado más tarde
por los experimentos del químico inglés John Dalton quien en 1804, luego de medir
la masa de los reactivos y productos de una reacción, y concluyó que las sustancias
están compuestas de átomos esféricos idénticos para cada elemento, pero diferentes
de un elemento a otro.
ATOMO
Es la partícula más pequeña en que un elemento puede ser dividido sin perder sus
propiedades químicas. El origen de la palabra átomo proviene del griego, que
significa indivisible. En el momento que se bautizaron estas partículas se creía que
efectivamente no se podían dividir, aunque hoy en día sabemos que los átomos están
formados por partículas aún más pequeñas, las llamadas partículas subatómicas.
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 exáctamente la
misma estructura y a su vez, éstos se componen de tres tipos de partículas, como los
protones, los neutrones y los electrones.
CARACTERÍSTICAS DEL ÁTOMO
1. Partícula Indivisible
El átomo es una partícula indivisible; es la fracción más pequeña en la que se puede
dividir la materia de forma estable; de hecho, en griego la palabra átomo significa “no
divisible”.
2. Estructura
El átomo está constituido por un núcleo central y una corteza. El núcleo contiene
partículas con carga positiva llamadas protones y también partículas sin carga
eléctrica conocidas como neutrones. La corteza se compone de una nube de
electrones, de carga negativa, organizados como orbitales.
3. Partícula infinitamente liviana
La masa aproximada de los protones y de los neutrones de 1,675 x 10-24; la de los
electrones es aún menor: 9,1 x 10-28. Esto hace que los átomos sean sumamente
livianos.
4. Forma moléculas
Los átomos se agrupan formando moléculas. Cada tipo de molécula es la
combinación de un cierto número de átomos enlazados entre ellos de una manera
específica, y una molécula puede contener átomos de diferentes elementos o del
mismo.
5. Inalterable
Cada átomo conserva sus características estructurales, más allá de que formen parte
de diferentes moléculas, porque durante las reacciones químicas los átomos no se
crean ni se destruyen, pero se organizan de manera diferente creando enlaces entre un
átomo y otro.
6. Cantidad de protones fija
Lo que distingue a los elementos químicos entre sí (entre muchas otras
características) es el número de protones que tienen sus átomos en el núcleo. Dicho
número se representa con la letra Z y recibe el nombre de número atómico, que
coincide con la de electrones. Generalmente aparece en la tabla periódica de los
elementos, ubicado arriba del símbolo químico, a la izquierda.
7. Masa del átomo
La masa de un átomo está dada por la suma de los protones y los neutrones de su
núcleo (ya que la de los electrones es infinitamente pequeña y por ende despreciable).
Este parámetro se llama número másico, y se representa con la letra A.
Sucede que aunque el número de protones es idéntico para todos los átomos de un
elemento dado, el número de neutrones puede variar en algunos de esos elementos;
eso pasa con el carbono o el nitrógeno, que son elementos que presentan isótopos más
pesados, como el llamado carbono 14 o el nitrógeno 15. Sus números másicos en la
tabla periódica son 12 y 14, respectivamente.
8. Reactividad química
Aunque los protones y los neutrones son importantes en términos de masa, son los
electrones, sobre todo los de la última capa de la nube electrónica, los responsables de
la reactividad química de los átomos, que en última instancia, van a permitir que se
produzcan y degraden todo el tiempo infinidad de compuestos químicos.
9. Tendencia a la estabilidad
La tendencia normal de la gran mayoría de los átomos es a unirse con otros átomos,
de su mismo tipo o diferentes, para formar agrupaciones estables, es decir, moléculas,
porque al hacerlo se llega a una situación de mínima energía, lo que equivale a decir
de máxima estabilidad. Al formar los enlaces, ganan, pierden o comparten electrones.
Dichas uniones albergan energía que, eventualmente, se libera como calor o luz.
10. Cumple con la regla del octeto
Lo que justifica la reactividad y formación de enlaces es que los átomos cumplen con
la regla del octeto de Lewis, que indica que los enlaces responden a la necesidad de
adquirir la configuración electrónica que caracteriza a los gases nobles o “inertes”,
con ocho electrones girando en su capa más externa.
TIPOS DE ENLACES ATÓMICOS
A) Enlace iónico: Las fuerzas de interacción entre dos átomos son altas debido a
la transferencia de electrón de un átomo a otro. Este hecho produce iones que
se mantienen unidos por fuerzas eléctricas. Para que exista tal enlace un
átomo debe ser altamente electronegativo y el otro altamente electropositivo.
El caso más clásico se refiere a la sal común (NaCl).
B) Enlace covalente: Las fuerzas de interacción son relativamente altas. Este
enlace se crea por la compartición de electrones. Las moléculas orgánicas (a
base de carbono) emplean este enlace.
C) Enlace metálico: Se da solo entre elementos metálicos, los cuales tienden a
ceder sus electrones y transformarse en iones positivos. Los electrones
cedidos forman una nube electrónica alrededor de los iones y pueden
desplazarse a lo largo de las estructuras cuando son obligados por alguna
causa externa que suele ser un campo eléctrico generado por la tensión de un
generador eléctrico (pila).
NÚCLEO
Es el centro del átomo, es la parte más pequeña del átomo y allí se conservan todas
sus propiedades químicas. Casi que toda la masa del átomo reside en el núcleo.
PROTONES
Son uno de los tipos de partículas que se encuentran en el núcleo de un átomo y
tienen carga positiva (masa = 1.673 x 10-24 gramos). Fueron descubiertos por Ernest
Rutherford entre 1911 y 1919.
ELECTRONES
Éstas son las partículas que orbitan alrededor del núcleo de un átomo, tienen carga
negativa y son atraídos eléctricamente a los protones de carga positiva (masa = 9.10 x
10-28 gramos).
NEUTRONES
Los neutrones son partículas ubicadas en el núcleo y tienen una carga neutra (masa =
1.675 x 10-24 gramos). La masa de un neutrón es ligeramente más grande que la de
un protón y al igual que éstos, los neutrones también se componen de quarks.
TEORÍA DE DALTON
John Dalton, profesor y químico británico, estaba fascinado por el rompecabezas de
los elementos. A principios del siglo XIX estudió la forma en que los diversos
elementos se combinan entre sí para formar compuestos químicos. Aunque muchos
otros científicos, empezando por los antiguos griegos, habían afirmado ya que las
unidades más pequeñas de una sustancia eran los átomos, se considera a Dalton como
una de las figuras más significativas de la teoría atómica porque la convirtió en algo
cuantitativo. Dalton mostró que los átomos se unían entre sí en proporciones
definidas. Las investigaciones demostraron que los átomos suelen formar grupos
llamados moléculas. Cada molécula de agua, por ejemplo, está formada por un único
átomo de oxígeno (O) y dos átomos de hidrógeno (H) unidos por una fuerza eléctrica
denominada enlace químico, por lo que el agua se simboliza como HOH o H2O.
Todos los átomos de un determinado elemento tienen las mismas propiedades
químicas. Por tanto, desde un punto de vista químico, el átomo es la entidad más
pequeña que hay que considerar. Las propiedades químicas de los elementos son muy
distintas entre sí; sus átomos se combinan de formas muy variadas para formar
numerosísimos compuestos químicos diferentes. Algunos elementos, como los gases
nobles helio y argón, son inertes; es decir, no reaccionan con otros elementos salvo en
condiciones especiales. Al contrario que el oxígeno, cuyas moléculas son diatómicas
(formadas por dos átomos), el helio y otros gases inertes son elementos
monoatómicos, con un único átomo por molécula.
LEY DE AVOGADRO
El estudio de los gases atrajo la atención del físico italiano Amedeo Avogadro, que en
1811 formuló una importante ley que lleva su nombre. Esta ley afirma que dos
volúmenes iguales de gases diferentes contienen el mismo número de moléculas si
sus condiciones de temperatura y presión son las mismas. Si se dan esas condiciones,
dos botellas idénticas, una llena de oxígeno y otra de helio, contendrán exactamente
el mismo número de moléculas. Sin embargo, el número de átomos de oxígeno será
dos veces mayor puesto que el oxígeno es diatómico.
LA TABLA PERIÓDICA
A mediados del siglo XIX, varios químicos se dieron cuenta de que las similitudes en
las propiedades químicas de diferentes elementos suponían una regularidad que podía
ilustrarse ordenando los elementos de forma tabular o periódica. El químico ruso
Dmitri Mendeléiev propuso una tabla de elementos llamada tabla periódica, en la que
los elementos están ordenados en filas y columnas de forma que los elementos con
propiedades químicas similares queden agrupados. Según este orden, a cada elemento
se le asigna un número (número atómico) de acuerdo con su posición en la tabla, que
va desde el 1 para el hidrógeno hasta el 92 para el uranio, que tiene el átomo más
pesado de todos los elementos que existen de forma natural en nuestro planeta. Como
en la época de Mendeléiev no se conocían todos los elementos, se dejaron espacios en
blanco en la tabla periódica correspondientes a elementos que faltaban. Las
posteriores investigaciones, facilitadas por el orden que los elementos conocidos
ocupaban en la tabla, llevaron al descubrimiento de los elementos restantes. Los
elementos con mayor número atómico tienen masas atómicas mayores, y la masa
atómica de cada isótopo se aproxima a un número entero, de acuerdo con la hipótesis
de Prout.
EL TAMAÑO DEL ÁTOMO
La curiosidad acerca del tamaño y masa del átomo atrajo a cientos de científicos
durante un largo periodo en el que la falta de instrumentos y técnicas apropiadas
impidió lograr respuestas satisfactorias. Posteriormente se diseñaron numerosos
experimentos ingeniosos para determinar el tamaño y peso de los diferentes átomos.
El átomo más ligero, el de hidrógeno, tiene un diámetro de aproximadamente 10-10
m (0,0000000001 m) y una masa alrededor de 1,7 × 10-27 kg. (la fracción de un
kilogramo representada por 17 precedido de 26 ceros y una coma decimal). Un átomo
es tan pequeño que una sola gota de agua contiene más de mil trillones de átomos.
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.
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) Red cubica centrada de cuerpo (BCC): Es una red sencilla y tiene un atomo
centrado. En este caso cristalizan el hierro y el cromo.
b) Red cubica centrada de caras (FCC): Es la que en cada cara tiene un atomo.
Cristalizan en este tipo de redes el oro, cobre, aluminio, plata.
c) Red hexagonal compacta: 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.
DEFECTOS CRISTALINOS
1) DEFECTOS PUNTUALES: En algunos nodos de la red cristalina debido al
contacto entre los critales en crecimiento se impide la formación del enlace
correcto, los atomos pueden faltar y en consecuencia el cristal queda
deformado. Este defecto es conocido como vacancia. En los metales se
encuentran impurezas que influyen sobre el proceso de cristalización y
deforman la red espacial del cristal. Estos defectos puntuales al deformar la
red cristalina del material modifican las propiedades.
2) DEFECTOS LINEALES: Dentro del metal solidificado se producen zonas
de resistencia y estabilidad reducida que comúnmente voltean los granos del
material. Estas zonas se conocen como dislocaciones. La presencia de las
dislocaciones en la estructura cristalográfica está directamente relacionada
con la capacidad de resistir deformaciones plásticas sin romperse. Se
convierten en planos de deslizamientos en los límites de los cristales. Si se
obtuviera un cristal metálico libre de dislocaciones la deformación plástica se
dificultaría porque tendría que deformarse la estructura atómica muy estable
del cristal que tiene la máxima resistencia. Probablemente se produciría la
rotura del material.
PROCESOS DE CRISTALIZACION
La solidificación comienza con una etapa llamada nucleación, en las cuales se forman
pequeñas partículas en estado sólido ordenadas según la estructura cristalina del
material. A estas partículas se les llama núcleo y se forman una gran cantidad de ellos
al unirse.
Gradualmente los átomos en estado líquido van adhiriéndose a los núcleos cercanos.
El núcleo crece, aumenta la cantidad de fase sólida y la de líquido disminuye. Al final
del proceso todos los átomos se han adherido a un núcleo cercano y el material es
completamente sólido. Cada núcleo a formado un cristal dentro del material debido a
que la orientación de estos cristales durante la nucleación fue aleatoria, los cristales
no coinciden entre sí, no pudiendo unirse para formar un solo cristal. A cada una de
esas porciones del material se les llama grano, que presentaran una interfase o
superficie entre ellos definida por los enlaces químicos incompletos de los átomos
que lo forman que se denominan límite de grano.
CONCLUSION
Se puede concluir con que, la llegada de la ciencia experimental en los siglos XVI y
XVII (véase química), los avances en la teoría atómica se hicieron más rápidos. Los
químicos se dieron cuenta muy pronto de que todos los líquidos, gases y sólidos
pueden descomponerse en sus constituyentes últimos, o elementos. Por ejemplo, se
descubrió que la sal se componía de dos elementos diferentes, el sodio y el cloro,
ligados en una unión íntima conocida como compuesto químico. El aire, en cambio,
resultó ser una mezcla de los gases nitrógeno y oxígeno.
BIBLIOGRAFIA
http://www.vix.com/es/btg/curiosidades/4442/que-es-un-atomo
http://www.caracteristicas.co/atomo/
http://www.monografias.com/trabajos/atomo/atomo.shtml