Atomos y estructura cristalina - Adrian Suarez

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República Bolivariana de Venezuela Ministerio del Poder Popular para la Educación Universitaria, Ciencia y Tecnología I.U.P. “Santiago Mariño” – Ampliación Maracaibo Cátedra: Ciencia de los Materiales Realizado por: Adrian José Suarez – C.I. 19.938.901 Maracaibo, Mayo 2016 INTRODUCCION Cada sustancia del universo está formada por pequeñas partículas llamadas átomos; son estudiados por ATOMOS Y ESTRUC TURA CRISTA LINA

Transcript of Atomos y estructura cristalina - Adrian Suarez

República Bolivariana de Venezuela

Ministerio del Poder Popular para la Educación Universitaria, Ciencia y Tecnología

I.U.P. “Santiago Mariño” – Ampliación Maracaibo

Cátedra: Ciencia de los Materiales

Realizado por:

Adrian José Suarez – C.I. 19.938.901

Maracaibo, Mayo 2016

INTRODUCCION

Cada sustancia del universo está formada por pequeñas partículas llamadas átomos; son estudiados por la química, que surgió en la edad media y que estudia la materia. Para comprender los átomos, cientos de científicos han anunciado una serie de teorías que nos ayudan a comprender su complejidad. Durante el renacimiento, la química fue evolucionando; a finales del siglo XVIII se descubren los elementos y en el siglo XIX se establecen leyes de la combinación y la clasificación periódica de los elementos y se potencia el estudio de la constitución de los átomos.

ATOMOS Y

ESTRUCTURA CRISTALINA

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 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.

DESARROLLO

ATOMO

Un átomo es la unidad constituyente más pequeña de la materia que tiene las propiedades de un elemento químico. Cada sólido, líquido, gas y plasma se compone de átomos neutros o ionizados. Los átomos son muy pequeños; los tamaños típicos son alrededor de 100 pm (diez mil millonésima parte de un metro). No obstante, los átomos no tienen límites bien definidos y hay diferentes formas

de definir su tamaño que dan valores diferentes pero cercanos. Los átomos son lo suficientemente pequeños para que la física clásica dé resultados notablemente incorrectos. A través del desarrollo de la física, los modelos atómicos han incorporado principios cuánticos para explicar y predecir mejor su comportamiento.

Cada átomo se compone de un núcleo y uno o más electrones unidos al núcleo. El núcleo está compuesto de uno o más protones y típicamente un número similar de neutrones (ninguno en el hidrógeno-1). Los protones y los neutrones son llamados nucleones. Más del 99,94 % de la masa del átomo está en el núcleo. Los protones tienen una carga eléctrica positiva, los electrones tienen una carga eléctrica negativa y los neutrones tienen ambas cargas eléctricas, haciéndolos neutros. Si el número de protones y electrones son iguales, ese átomo es eléctricamente neutro. Si un átomo tiene más o menos electrones que protones, entonces tiene una carga global negativa o positiva, respectivamente, y se denomina ion.

MODELO ATOMICO

EL MODELO DE THOMSON

Joseph John Thomson (1856-1940) fue un físico británico; nació cerca de Manchester, estudio en Owens College y en el Trinity College de la universidad de Cambridge, aquí enseño matemática y física, fue profesor de física experimental en el laboratorio de Cavendish y rector de Trinity College. También fue presidente de la sociedad Real y profesor de filosofía natural de la institución regia de Gran Bretaña.

Cuando Thomson planteó su modelo atómico se conocía que los átomos eran neutros. Ciertos experimentos lograron comprobar que los átomos estaban formados por partículas positivas y partículas negativas.

Thomson expuso un modelo atómico que tomaba en cuenta la existencia del electrón, descubierto por él en 1897, y puede describirse diciendo que: "El átomo se encuentra constituido por una esfera de carga positiva en la cual se encuentran incrustadas las cargas negativas (electrones) de forma similar a como se encuentran las pasas de uva en un pastel. Además, como el átomo es neutro la cantidad de cargas positivas es igual a la cantidad de cargas negativas".

Su modelo era estático, ya que suponía que los electrones estaban en reposo dentro del átomo y que el conjunto era eléctricamente neutro. Con este modelo se

podían explicar una gran cantidad de fenómenos atómicos conocidos hasta ese momento.

EL MODELO ATOMICO DE RUTHERFORD

Ernest Rutherford (1871-1937) nació el 30 de agosto en Nelson, Nueva Zelanda y estudio en la universidad de Nueva Zelanda y en la de Cambridge. Fue profesor de física en la universidad de McGill de Montreal, Canadá, y en la de Manchester en Inglaterra. Se convirtió en director del laboratorio Cavendish en la universidad de Cambridge y mantuvo una cátedra en la institución real de Gran Bretaña en Londres.

En 1919 obtuvo el premio nobel de química.

El experimento consistía en bombardear una fina lámina de oro con rayos alfa. Para observar el resultado del bombardeo, alrededor de la lámina de oro puso una pantalla fluorescente.

La mayoría de los rayos alfa atravesaba la lámina sin desviarse, porque igual que si tratamos de tirar pequeños bollitos de papel a través de una reja, la mayor parte del espacio de un átomo es espacio vacío

Algunos rayos se desviaban, porque pasan muy cerca de centros con carga eléctrica del mismo tipo que los rayos alfa (que poseen carga positiva).

Muy pocos rebotan, porque chocan frontalmente contra esos centros de carga positiva

A lo que concluyó al siguiente modelo atómico

Fundamentado en los efectos de su trabajo que presentó la existencia del núcleo atómico, Rutherford mantiene que casi la totalidad de la masa del átomo se concentra en un núcleo central muy diminuto de carga eléctrica positiva. Los electrones giran alrededor del núcleo describiendo órbitas circulares. Estos poseen una masa muy menor y tienen carga eléctrica negativa. La carga eléctrica del núcleo y de los electrones se neutraliza entre sí, provocando que el átomo sea eléctricamente neutro.

EL MODELO ATOMICO DE BOHR

Niels Bohr (1885-1962) nació en Copenhague el 7 de octubre; era hijo de un profesor de fisiología, y estudio en la universidad de Copenhague donde alcanzo el doctorado en 1911 donde ese mismo año fue a la universidad de Cambridge para estudiar física nuclear con J.J Thomson pero pronto se trasladó a la universidad de Manchester para trabajar con E. Rutherford.

Niels Bohr, dijo que los electrones giran a grandes velocidades alrededor del núcleo atómico. En ese caso, los electrones se ubican en diversas órbitas circulares, las cuales determinan diferentes niveles de energía.

Para realizar su modelo atómico utilizó el átomo de hidrógeno. Representó el átomo de hidrógeno con un protón en el núcleo, y girando a su alrededor un electrón.

En éste modelo los electrones giran en órbitas circulares alrededor del núcleo; ocupando la órbita de menor energía posible, o sea la órbita más cercana posible al núcleo.

Cada órbita se corresponde con un nivel energético que recibe el nombre de número cuántico principal, se representa con la letra "n" y toma valores desde 1 hasta 7.

TEORÍA CUANTICA

Se inicia con los estudios del físico francés Luis De Broglie, quién recibió el Premio Nobel de Física en 1929. Según De Broglie, una partícula con cierta cantidad

de movimiento se comporta como una onda. En tal sentido, el electrón tiene un comportamiento dual de onda y corpúsculo, pues tiene masa y se mueve a velocidades elevadas. Esta propuesta constituyó la base de la "MECÁNICA CUÁNTICA".

A consecuencia de este comportamiento dual de los electrones (como onda y como partícula), surgió el principio enunciado por WERNER HEISENBERG, conocido también como "PRINCIPIO DE INCERTIDUMBRE", que dice:

"Es imposible determinar simultáneamente y con exactitud, la posición y la velocidad del electrón"

Pero, ¿por qué?

Si queremos observar la posición de un electrón deberíamos usar una luz que posee mucha energía, con lo cual la velocidad del electrón cambiaría mucho.

En cambio, si la luz utilizada no posee la energía citada en el caso anterior, la velocidad del electrón no cambaría mucho, y podría medirse, pero no podríamos observar la posición del electrón.

ORBITAL ATÓMICO: es la región del espacio en la cual existe mayor probabilidad de encontrar al electrón (debido a su comportamiento como onda, es difícil conocer en forma simultánea su posición exacta y su velocidad), por lo tanto, sólo existe la probabilidad de encontrarlo en cierto momento y en una región dada en el átomo.

TEORÍA DE DALTON

John Dalton continuó con la hipótesis acerca de los átomos, y el 21 de octubre de 1803 dio una conferencia en la "Sociedad Literaria y Filosófica de Manchester, Inglaterra" en la que expuso su Teoría Atómica, así como algunas de sus leyes, pero, no es hasta 1808 en que aparece su obra Un nuevo Sistema de Filosofía Química en la habló su teoría atómica; a lo que concluyó con la siguiente teoría atómica:

1-.La materia está formada por partículas muy pequeñas llamadas átomos, que son indivisibles y no se pueden destruir.

2-.Los átomos de un mismo elemento son iguales entre sí, tienen su propio peso y cualidades propias. Los átomos de los diferentes elementos tienen pesos diferentes.

3.-Los átomos permanecen sin división, aún cuando se combinen en las reacciones químicas.

4.-Los átomos, al combinarse para formar compuestos guardan relaciones simples.

5.- Los átomos de elementos diferentes se pueden combinar en proporciones distintas y formar más de un compuesto.

6.-Los compuestos químicos se forman al unirse átomos de dos o más elementos distintos.

La hipótesis de Dalton, tuvo vigencia durante mucho tiempo, la cual manejó que el átomo era indivisible; sin embargo, los átomos permanecen indivisibles en los fenómenos químicos simples.

John Dalton murió un 27 de julio de 1844 en Manchester, Inglaterra.

MODELO ATÓMICO DE DALTON

ATOMO: Es la parte más pequeña en que se puede dividir una molécula.

MOLÉCULA: Es la parte más pequeña en que se puede dividir la materia, sin cambiar sus propiedades naturales.

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 (véase ley de Avogadro). 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.

TIPOS DE ATOMOS

ISOTOPO

Se denomina isótopos a los átomos de un mismo elemento, cuyos núcleos tienen una cantidad diferente de neutrones, y por lo tanto, difieren en número másico.

Se usa para indicar que todos los tipos de átomos de un mismo elemento químico (isótopos) se encuentran en el mismo sitio de la tabla periódica. Los átomos que son isótopos entre sí son los que tienen igual número atómico (número de protones en el núcleo), pero diferente número másico (suma del número de neutrones y el de protones en el núcleo). Los distintos isótopos de un elemento difieren, pues, en el número de neutrones.

La mayoría de los elementos químicos tienen más de un isótopo. Solamente 21 elementos (por ejemplo berilio o sodio) poseen un solo isótopo natural. En contraste, el estaño es el elemento con más isótopos estables, 10.

Otros elementos tienen isótopos naturales, pero inestables, como el uranio, cuyos isótopos pueden transformarse o decaer en otros isótopos más estables, emitiendo en el proceso radiación, por lo que decimos que son radiactivos.

Los isótopos inestables son útiles para estimar la edad de variedad de muestras naturales, como rocas y materia orgánica. Esto es posible, siempre y cuando, se conozca el ritmo promedio de desintegración de determinado isótopo, en relación a los que ya han decaído. Gracias a este método de datación, se conoce la edad de la Tierra.

ISOBAROS

Se denominan isóbaros a los distintos núcleos atómicos con el mismo número de masa (A), pero diferente número atómico (Z). Las especies químicas son distintas (a diferencia de los isótopos), ya que el número de protones y por consiguiente el número de electrones difieren entre sí.

ISOTONO

Dos átomos son isótonos si tienen el mismo número N de neutrones. Por ejemplo, Boro-12 y Carbono-13, ambos tienen 7 neutrones. Esto se contrasta con:

El mismo número de masa, por ejemplo: suma de protones más neutrones; carbono-12 y boro-12.

Isómeros nucleares son diferentes estados del mismo tipo de núcleos. Una transición de una isómero a otro es acompañado por la emisión o absorción de rayos gamma, o por el proceso de conversión interna. (No deben ser confundidos con los isómeros químicos y físicos

La palabra isótono proviene del griego "Misma extensión", pero actualmente es isótopo con "p" de protón y reemplazado por "n" de neutrón.

ISÓTONOS: Son átomos diferentes, por lo tanto, tienen DIFERENTE n° atómico, también tienen DIFERENTE n° másico, pero, tienen el MISMO n° de neutrones.

Ejemplo: 37 40 Cl, Ca 17 20

NUCLEIDOS: En la actualidad, se designa con este nombre a cada configuración atómica caracterizada por un número másico A y un número atómico Z o en ambos. Con esto, podemos concluir que los nucleidos de IGUAL Z son ISÓTOPOS entre sí, y los nucleidos que tienen IGUAL A son ISÓBAROS entre sí.

MASA ATOMICA

Es la masa de un átomo, más frecuentemente expresada en unidades de masa atómica unificada. La masa atómica puede ser considerada como la masa total de protones y neutrones (pues la masa de los electrones en el átomo es prácticamente despreciable) en un solo átomo (cuando el átomo no tiene movimiento). La masa atómica es algunas veces usada incorrectamente como un sinónimo de masa atómica relativa, masa atómica media y peso atómico; estos últimos difieren sutilmente de la masa atómica. La masa atómica está definida como la masa de un átomo, que sólo puede ser de un isótopo a la vez, y no es un promedio ponderado en las abundancias de los isótopos. En el caso de muchos elementos que tienen un isótopo dominante, la similitud/diferencia numérica real entre la masa atómica del isótopo más común y la masa atómica relativa o peso atómico estándar puede ser muy pequeña, tal que no afecta muchos cálculos bastos, pero tal error puede ser crítico cuando se consideran átomos individuales. Para elementos con más de un isótopo común, la diferencia puede llegar a ser de

media unidad o más (por ejemplo, cloro). La masa atómica de un isótopo raro puede diferir de la masa atómica relativa o peso atómico estándar en varias unidades de masa.

PESO ATÓMICO ESTÁNDAR

Se refiere a la media de las masas atómicas relativas de un elemento en el medio local de la corteza terrestre y la atmósfera terrestre, como está determinado por la Commission on Atomic Weights and Isotopic Abundances (Comisión de Pesos Atómicos y Abundancias Isotópicas) de la IUPAC. Estos valores son los que están incluidos en una tabla periódica estándar, y es lo que es más usado para los cálculos ordinarios. Se incluye una incertidumbre en paréntesis que frecuentemente refleja la variabilidad natural en la distribución isotópica, en vez de la incertidumbre en la medida. Para los elementos sintéticos, el isótopo formado depende de los medios de síntesis, por lo que el concepto de abundancia isotópica natural no tiene sentido. En consecuencia, para elementos sintéticos, el conteo total de nucleones del isótopo más estable (esto es, el isótopo con la vida media más larga) está listado en paréntesis en el lugar del peso atómico estándar. El litio representa un caso único, donde la abundancia natural de los isótopos ha sido perturbada por las actividades humanas al punto de afectar la incertidumbre en su peso atómico estándar, incluso en muestras obtenidas de fuentes naturales, como los ríos.

MASA ATÓMICA RELATIVA

Es un sinónimo para peso atómico y está cercanamente relacionado a masa atómica promedio (pero no es un sinónimo de masa atómica), la media ponderada de las masas atómicas de todos los átomos de un elemento químico encontrados en una muestra particular, ponderados por abundancia isotópica. Esto es usado frecuentemente como sinónimo para peso atómico relativo, y no es incorrecto hacer así, dado que los pesos atómicos estándar son masas atómicas relativas, aunque es menos específico. La masa atómica relativa también se refiere a

ambientes no terrestres y ambientes terrestres altamente específicos que se desvían de la media o tienen diferentes certidumbres (número de cifras significativas) que los pesos atómicos estándar.

ESTRUCTURA ATOMICA

En el átomo distinguimos dos partes: el núcleo y la corteza.

El núcleo es la parte central del átomo y contiene partículas con carga positiva, los protones, y partículas que no poseen carga eléctrica, es decir son neutras, los neutrones. La masa de un protón es aproximadamente igual a la de un neutrón.

Todos los átomos de un elemento químico tienen en el núcleo el mismo número de protones. Este número, que caracteriza a cada elemento y lo distingue de los demás, es el número atómico y se representa con la letra Z.

La corteza es la parte exterior del átomo. En ella se encuentran los electrones, con carga negativa. Éstos, ordenados en distintos niveles, giran alrededor del núcleo. La masa de un electrón es unas 2000 veces menor que la de un protón.

Los átomos son eléctricamente neutros, debido a que tienen igual número de protones que de electrones. Así, el número atómico también coincide con el número de electrones.

Isótopos

La suma del número de protones y el número de neutrones de un átomo recibe el nombre de número másico y se representa con la letra A. Aunque todos los átomos de un mismo elemento se caracterizan por tener el mismo número atómico, pueden tener distinto número de neutrones.

ESTRUCTURA SUB ATOMICA

En el contexto de la química, las partículas son fragmentos muy reducidos de materia que, pese a sus diminutas dimensiones, mantienen intactas las propiedades químicas de una sustancia. El adjetivo subatómico, por otra parte, menciona al nivel de una estructura que resulta más pequeño que el del átomo.

Si tenemos en cuenta estas definiciones, podemos afirmar que las partículas subatómicas son aquellas más chicas que un átomo. Es posible que se trate de una partícula elemental, aunque también hay partículas subatómicas compuestas.

Los electrones, los protones y los neutrones son algunos ejemplos de partículas subatómicas. Estos, a su vez, están compuestos por partículas fundamentales que se conocen como quarks.

Es importante destacar que resulta muy difícil hallar las partículas subatómicas elementales en estado natural en nuestro planeta: debido a su inestabilidad, suelen descomponerse y dar lugar a otro tipo de partículas. Los aceleradores de partículas son dispositivos creados por el hombre para generar partículas subatómicas imitando el comportamiento de la naturaleza.

Más allá de los neutrones, los electrones y los protones, que son las partículas subatómicas más conocidas, existen otros tipos de elementos que comparten la misma condición. Los neutrinos, por ejemplo, son partículas subatómicas cuya existencia pudo comprobarse recién a mediados de la década de 1950. Otras partículas subatómicas son los hadrones y los piones.

El pion, en concreto, es una partícula subatómica que cuenta con una serie de características básicas, tales como estas:

-Cuenta con espín cero.

-Fue descubierta en el año 1935 por Hideki Yukawa.

-Posee una masa intermedia entre la que tiene el protón y la que cuenta el electrón.

-Es difícil de detectar. ¿Por qué? Porque dispone de una duración muy breve. En concreto, se establece que un pión cargo dura como máximo una cienmillonésima de segundo.

-Se considera que este tipo de partícula es fundamental. Tanto es así que se considera que sin esta la materia como tal no podría existir. En concreto, es la clave de que existan los núcleos atómicos.

Este tipo de partícula subatómica así como el resto se convierten en importantes ejes de estudio por parte de la llamada teoría cuántica de los campos.

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.

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.

DIFERENCIA ENTRE VIDRIOS Y CRISTALES

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).

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.

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

Cuarzo incoloro

BIBLIOGRAFIA

http://html.rincondelvago.com/atomos_1.html

http://html.rincondelvago.com/atomos_modelos-atomicos.html

http://definicion.de/particula-subatomica/#ixzz49mUALZth

https://es.wikipedia.org/wiki/Estructura_cristalina