Tema 1. La estructura de la materia

1. Introduccin

Las propiedades de un material y el comportamiento que ste tendr al ser sometido a diferentes tcnicas o procesos dependen bsicamente de su constitucin o estructura interna.

La composicin o constitucin de la materia comprende las partculas elementales, tomos y molculas, as como la manera en que stos se unen (enlaces)

2. Composicin de la materia

Toda la materia est compuesta por tomos y stos por partculas ms pequeas. El ncleo del tomo est integrado por neutrones y protones , y en la corteza se encuentran los electrones.Los electrones tienen carga negativa, los protones carga positiva y los neutrones carecen de carga .

La carga elctrica negativa de la corteza neutraliza a aquella positiva del ncleo y se dice que el tomo es elctricamente neutro. Es precisamente el nmero de electrones de un tomo lo que define su nmero atmico (Z) y la estructura electrnica de la corteza define las propiedades qumicas, esencialmente los electrones del nivel ms externo. Electrones de valenciaLa suma del nmero de protones (Z) y el de neutrones que se encuentran en el ncleo define el llamado nmero msico (A)

Tabla periodica

3. Tipos de enlace

Enlace inico: se forma entre tomos muy electropositivos y muy electronegativos (metales y no metales), consiste en la transferencia de electrones desde los tomos electropositivos a los electronegativos.Ejemplo: NaCl (sal comn) , HF, KCl, LiF...Propiedades:- Alta energa de enlace, y elevada temperatura de fusin.- Duros y frgiles.- Aislantes en estado slido y conductores en disolucin.

Enlace covalente: se forma entre tomos con pequea diferencia de electronegatividad. Los tomos comparten sus electrones externos con otros tomos. Se pueden formar enlaces mltiples de pares de electrones.Ejemplo: F2, O2, N2.Propiedades - Alta energa de enlace, y elevada temperatura de fusin.- Duros y frgiles.- Aislantes en estado slido y lquido- Solubilidad muy baja

Enlace metlico: se forma entre los metales. Se produce una atraccin de sus nucleos (iones +) y los electrones de la ltima capa (electrones de valencia) se colocan dispersos en forma de nube electrnica cubriendo un espacio y rodeando a los nucleos.Los electrones de valencia pueden moverse a lo largo de toda la red. Esto explica la alta conductividad elctrica y trmica. Tambin explica que la mayora de los metales puedan deformarse considerablemente sin fracturas, ya que los enlaces se deslizan en lugar de romperse.Propiedades:- Energa de enlacevariable y punto de fusin variable..- Dctiles y maleables.- Buenos conductores- Insolubles en general- Brillo metlico

Enlaces por fuerzas de Van der Waals y puentes de hidrgeno.Son enlaces intermoleculares debiles entre moleculas.Propiedades- Baja energa de enlace, y baja temperatura de fusin.- Blandos y con propiedades de plasticidad.- Aislantes en estado slido y lquido-Solubles en disolventes orgnicos (enlaces de Van der Waals).

4. Estructura cristalina

La estructura fsica de los slidos es consecuencia de la disposicin de los tomos,molculas o iones en el espacio, as como de las fuerzas de interconexin de laspartculas:Estado amorfo: Las partculas componentes del slido se agrupan al azar.

Estado cristalino: Los tomos (molculas o iones) que componen el slido se disponen segn un orden regular. Las partculas se sitan ocupando los nudos o puntos singulares de una red espacial geomtrica tridimensional.

4.1 Red cristalina

Al analizar la ordenacin de los tomos en un cristal , se observa la repiticin de un patrn a lo largo del cristal, a este patron se le llama celda unitaria o elemental. Esta celda unitaria se caracteriza por varios valores, entre los cuales tenemos la longitud de las aristas o constante reticular y los ngulos entre dichas aristas.

4.2 Redes cristalinas segn el tipo de enlace

Segn el tipo de enlace atmico, los cristales pueden ser de tres tipos:a) Cristales inicos: punto de fusin elevado, duros y muy frgiles, conductividad elctrica baja y presentan cierta elasticidad. Ej: NaCl (sal comn)b) Cristales covalentes: Gran dureza y elevada temperatura de fusin. Suelen ser transparentes quebradizos y malos conductores de la electricidad. No sufren deformacin plstica (es decir, al intentar deformarlos se fracturan). Ej: Diamantec) Cristales metlicos: Opacos y buenos conductores trmicos y elctricos. No sontan duros como los anteriores, aunque si maleables y dctiles. Hierro, estao, cobre,

4.3 Redes cristalinas segn la forma de la celda unitaria

Existen 14 redes cristalinas o redes de Bravais. Pero los metales responden mayoritariamente a tres tipos de redes.

4.4 Redes metalicas

a) Redes cbicas centradas en el cuerpo (BCC): Los tomos, adems de ocupar losvrtices, ocupan el centro de la celda. En este caso cristalizan el hierro y el cromo.

b) Redes cbicas centradas en las caras (FCC): Los tomos, adems de ocupar los vrtices, ocupan el centro de cada cara de la celda. Cristalizan en este tipo de redes el oro, cobre, aluminio, plata,...

c) Redes hexagonales compactas (HC): La celda unitaria es un prisma hexagonal contomos en los vrtices y cuyas bases tiene un tomo en el centro. En el centro de lacelda hay tres tomos ms. En este caso cristalizan metales como cinc, titanio y magnesio

4.5 Alotropa

Indica el cambio que puede sufrir la estructura cristalina de un elemento o compuesto quimico al variar la presin y la temperaEjemplo: El hierro a temperatura ambiente cristaliza en el sistema BCC, pero cuando est a temperaturas entre 912C y 1394C cristaliza n el FCC.El carbono puede cristalizar formando estructuras tetragonales (diamante) o colocarse en capas superpuestas formando hexgonos regulares (grafito)

Actividades

1.PAU Septiembre 2005/2006Defina brevemente los siguientes conceptos.a) Isomorfismob) polimorfismoc) Alotropad) Enlace inico y enlace metlicoe) Determine el tipo de enlace que tienen los siguientes compuestos H2O , NaCl y Cu.

2.PAU Junio 2011/2012a) Razone cmo es la conductividad de los materiales formados por enlaces covalentes. b) Razone cmo es la fragilidad de los materiales formados por enlaces inicos. c) Razone cmo es la resistencia mecnica de los materiales formados por enlaces metlicos. d) Justifique qu tipo de enlace presentan los materiales ClNa, NH3.

4.6 Constantes en las estructuras cristalinas

Los datos ms importantes de cada una de las estructuras cristalinas son:- Nmero de tomos por celda unidad: es el nmero de tomos completos que le pertenecen, contando en cada tomo slo la parte o fraccin que le corresponde.- Constante reticular: es la arista a de la celda unitaria. Se expresa en funcin del radio atmico.- ndice de coordinacin (I.C): que es el nmero de tomos a igual distancia de uno dado- Factor de empaque (FPA), que es la relacin entre el volumen ocupado por los tomos de la celda unitaria y el volumen total de esa celda.- Masa de una celda unitaria (en gramos) (m): se obtiene como el nmero de tomos de la celda multiplicado por la masa atmica de cada tomo y dividido por el nmero de Avogadro (NA= 6,023 . 1023 atomos/mol)

4.7. calculo de las constantes en las distintas estructuras

Red cbica centrada en el cuerpo (BCC)Este cristal es poco compacto y permite la vibracin de los tomos. Tiene los siguientes parmetros:Indice de coordinacin: i = 8Nmero de tomos en la celda unitaria: n = 1 + 8 (1/8) = 2Relacin entre la arista y el radio atmico:El factor de empaque:

Actividades

3.PAU Junio 2013/2014Los tomos de un determinado metal cristalizan en el sistema cbico centrado en el cuerpo y tienen un radio de 0,112 nm, determine:a) El ndice de coordinacin y el nmero de tomos de cada celdilla. b) El volumen que ocupan los tomos de la celdilla unitaria. c) La constante de la red cristalina. d) El volumen de la celdilla unitaria y el factor de empaquetamiento.

4. PAU Septiembre 2009/2010 El Fe a temperatura ambiente tiene estructura Cbica Centrada en el Cuerpo:a) Cuntos tomos rodean a cada tomo (ndice de coordinacin)?b) Cuntos tomos hay en cada celda unitariac) Cul es el lado de la arista de la celda si el radio atmico del Fe es 0,124 nm?d) Qu significa que el Fe presenta estados alotrpicos a altas temperaturas?

Red cubica centrada en las caras. (FCC)Esta red tiene los siguientes parmetros:Indice de coordinacin: i = 12Nmero de tomos en la celda unitaria: N = 8 (1/8) + 6(1/2) = 4Relacin entre la arista y el radio atmico:

El factor de empaque:

Actividades

5.PAU Septiembre 2011/2012El aluminio cristaliza en el sistema cbico centrado en las caras, tiene un radio atmico de 1,4310-10m y una masa atmica de 27.a) Determine el nmero de tomos que contiene su celda unitaria. b) Calcule el volumen de dicha celda unitaria. c) Calcule la densidad del aluminio (NAvogadro: 6,0231023).

6. PAU Septiembre 2010/2011Para los sistemas de cristalizacin Cbico Centrado en las Caras y Cbico Centrado en el Cuerpo, indique en los dos casos:a) Nmero de tomos que rodean cada tomo (ndice de coordinacin).b) Nmero de tomos presente en cada celda unitaria.c) Lado de la arista de la celda para un elemento de radio atmico 0,13 nm

Red hexagonal compacta. (HCP)Esta red tiene los siguientes parmetros:Indice de coordinacin: i = 12Nmero de tomos en la celda unitaria: N = 2 (1/2) + 26(1/6)+3 = 4Relacin entre las aristas y el radio atmico: a=2R y c= 1,633 aEl factor de empaque: S= superfice del hexagono

Actividad

7 . El titanio tiene a temperatura ambiente una estructura HCP donde la constante reticular a vale a= 0,2956 nm.a) El valor de la constante c.b) indice de coordinacin.c) numero de tomos en la celda unidad.d) calculo del factor de empaquetamiento.e) si sufre un cambio alotrpico a una red cc como cambia el volumen.

5. Defectos de red

La red cristalina perfecta sin defectos o impurezas no

5.1 Defecto puntual por la existencia de una vacante.

Vacante. Son puntos de red vacos en la estructura del material. Estos lugares deberan idealmente estar ocupados por tomos, sin embargo se encuentran vacos.

5.2 Defecto puntual por la existencia de una sustitucin atmica

En teora un material puro est formado exclusivamente por el mismo tipo de tomos. Los materiales reales no son 100% puros sino que poseen impurezas, las cuales se definen como tomos diferentes a los tomos del material original. Cuando uno de esos tomos diferentes sustituye a un tomo original ocupando su punto de red, recibe el nombre de tomo sustitucional.

5.2 Defecto puntual por la existencia de un atmo en un intersticio

Los atomos intersticiales. Son tomos que ocupan lugares que no estn definidos en la estructura cristalina. En otras palabras, son tomos cuya posicin no est definida por un punto de red. Normalmente estos tomos se colocan en los intersticios que se forman entre los tomos originales.