REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA

MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA EDUCACIÓN UNIVERSITARIA

INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITÉCNICO “SANTIAGO MARIÑO”

CÁTEDRA: CIENCIAS DE LOS MATERIALES

ATOMOS Y SU

ESTRUCTURAS

ELABORADO POR:

ALFREDO AMAYA.

C.I. V-20.864.621 – COD.: 46

PROFESOR: JULIAN CARNEIRO

MARACAIBO, MAYO DE 2016

INTRODUCCION

Desde la antigüedad el hombre ha creado ideas y teorías filosóficas sobre el átomo, específicamente sobre la composición, estructura, naturaleza de sus partes y concepto; a tal grado que hoy en día existen estudios serios y profundos sobre tales temas, los que a continuación se abordan de forma breve.a. Concepto de átomo.La palabra átomo proviene del Latín atomus, y, básicamente, del griego átomos, asía = sin; no; negativotomo = división; partirpor lo que átomo significa indivisible (sin dividir; que no se puede partir); aunque hoy en día se sabe que el átomo si se puede dividir en partículas más pequeñas (sub-partículas),como el electrón, protón y neutrón.En la época antigua (460 a.C.), el griego Leucipo fue el primer hombre en preguntar se de que está formada la materia, y desde entonces muchos lo han hecho y han presentadosus respuestas al mundo; hoy sabemos que la materia si está formada por átomos, los cuales constituyen la unidad básica estructural de toda la materia. Sin embargo, recordemos queexisten materia pura (elementos químicos) y materia compuesta (aire, alcohol, agua, sales, etc.), y que el átomo representa a la primera clase de materia y la molécula a la segunda,por lo que el concepto correcto de átomo es el siguiente:

ES LA PARTICULA MAS PEQUEÑA Y REPRESENTATIVA DE UN ELEMENTO QUIMICO, Y PUEDE TENER ACTIVIDAD QUIMICA

DESARROLLO

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.

MODELO ATOMICO

Desde la Antigüedad, el ser humano se ha cuestionado de qué estaba hecha la materia.Unos 400 años antes de Cristo, el filósofo griego Demócrito consideró que la materia estaba constituida por pequeñísimas partículas que no podían ser divididas en otras más pequeñas. Por ello, llamó a estas partículas átomos, que en griego quiere decir "indivisible". Demócrito atribuyó a los átomos las cualidades de ser eternos, inmutables e indivisibles.Sin embargo las ideas de Demócrito sobre la materia no fueron aceptadas por los filósofos de su época y hubieron de transcurrir cerca de 2200 años para que la idea de los átomos fuera tomada de nuevo en consideración.

Año Científico Descubrimientos experimentales Modelo atómico

1808

John Dalton

Durante el s.XVIII y principios del XIX algunos científicos habían investigado distintos aspectos de las reacciones químicas, obteniendo las llamadas leyes clásicas de la Química.

La imagen del átomo expuesta por Dalton en su teoría atómica, para explicar estas leyes, es la de minúsculas partículas esféricas, indivisibles e inmutables,iguales entre sí en cada elemento químico.

1897

Demostró que dentro de los átomos hay unas partículas diminutas, con carga eléctrica negativa, a las que se llamó electrones.

De este descubrimiento dedujo que el átomo debía de ser una esfera de materia cargada positivamente, en cuyo interior estaban incrustados los electrones.

J.J. Thomson

(Modelo atómico de Thomson.)

1911

E. Rutherford

Demostró que los átomos no eran macizos, como se creía, sino que están vacíos en su mayor parte y en su centro hay un diminuto núcleo.

Dedujo que el átomo debía estar formado por una corteza con los electrones girando alrededor de un núcleo central cargado positivamente.(Modelo atómico de Rutherford.)

1913

Niels Bohr

Espectros atómicos discontinuos originados por la radiación emitida por los átomos excitados de los elementos en estado gaseoso.

Propuso un nuevo modelo atómico, según el cual los electrones giran alrededor del núcleo en unos niveles bien definidos.(Modelo atómico de Bohr.)

Un modelo atómico es una representación estructural de un átomo, que trata de explicar su comportamiento y propiedades. A lo largo del tiempo existieron varios modelos atómicos y algunos más elaborados que otros:

Modelo atómico de Demócrito, el primer modelo atómico, postulado por el filósofo griego Demócrito.(450 a.C)

Modelo atómico de Dalton, que surgió en el contexto de la química, el primero con bases científicas.(1803)

Modelo atómico de Thomson, o modelo del pudín, donde los electrones son como las "frutas" dentro de una "masa" positiva.(1904)

Modelo del átomo cúbico de Lewis, donde los electrones están dispuestos según los vértices de un cubo, que explica la teoría de la valencia.(1902)

Modelo atómico de Rutherford, el primero que distingue entre el núcleo central y una nube de electrones a su alrededor.(1911)

Modelo atómico de Bohr, un modelo cuantizado del átomo, con electrones girando en órbitas circulares.(1913)

Modelo atómico de Sommerfeld, una versión relativista del modelo de Rutherford-Bohr.(1916)

Modelo atómico de Schrödinger, un modelo cuántico no relativista donde los electrones se consideran ondas de materia existente.(1924)

ESTRUCTRA DE UN ATOMO

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.

IsótoposLa 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.Llamamos isótopos a las formas atómicas de un mismo elemento que se diferencian en su número másico.

PARTICULAS SUBATOMICAS

Una partícula subatómica  es una partícula más pequeña que el átomo. Puede ser una partícula elemental o una compuesta, a su vez, por otras partículas subatómicas, como son los quarks, que componen los protones y neutrones. No obstante, existen otros tipos de partículas subatómicas, tanto compuestas como elementales, que no son parte del átomo, como es el caso de los neutrinos y bosones.

La mayoría de las partículas elementales que se han descubierto y estudiado no pueden encontrarse en condiciones normales en la  Tierra, generalmente porque son inestables (se descomponen en partículas ya conocidas), o bien, son difíciles de producir de todas maneras. Estas partículas, tanto estables como inestables, se producen al azar por la acción de los rayos cósmicos al chocar con átomos de la atmósfera, y en los procesos que se dan en los aceleradores de partículas, los cuales imitan un proceso similar al primero, pero en condiciones controladas. De esta manera, se han descubierto docenas de partículas subatómicas, y se teorizan cientos de otras más. Ejemplos de partícula teórica es el gravitón; sin embargo, esta y muchas otras no han sido observadas en aceleradores de partículas modernos, ni en condiciones naturales en la atmósfera (por la acción de rayos cósmicos).

Esquema de principios de siglo XX para un átomo de helio, mostrando dos protones(en rojo), dos neutrones (en verde) y dos electrones (en amarillo).

Formación de iones:

  Si un átomo neutro pierde electrones de su capa externa, quedara con un numero mayor de cargas positivas, convirtiéndose en un ion positivo o catión.Un ejemplo de catión es el litio (Li):

   Si un átomo neutro gana electrones, quedara con un numero mayor de cargas negativas, convirtiéndose en un ion negativo o anión.Un ejemplo de anión es el flúor (F):                                                      

Enlace iónico   Un enlace iónico se forma al unirse un ion positivo (catión) con un ion negativo, (anión), a través de una transferencia de electrones.

Formación de moléculas

Una molécula esta formada por un numero fijo de átomos iguales o diferentes, unido por un enlace químico.

    Según la cantidad de átomos que se unan, se pueden distinguir dos tipos de moléculas: diatónicas o poli atómicas.

 Las moléculas diatónicas están formadas solo por dos átomos. Por ejemplo, la molécula de oxigeno que esta formada por dos átomos iguales .

TIPOS DE ATOMOS:

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.

La palabra isótopo(delgriego: ἴσος isos 'igual, mismo'; τόπος tópos'lugar', "en mismo sitio") 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 osodio) 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 de caer  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 (del griego: ἴσος, isos = mismo; βαρύς, barýs = pesado) 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 si.

ISOTONOS:Dos átomos son isótonos si tienen el mismo número   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 físicosLa 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 20NUCLEIDOS: 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.

ESTRUCTURA CRISTALINA:

La 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.

+ =

Los conceptos de red espacial, base y estructura cristalina, particularizados para una estructura cúbica simple tomada como ejemplo.Nota: (Pulse en las imágenes para ver los modelos vrml)

Tipos de cristales:

Cristales sólidos

Aparte del vidrio y las sustancias amorfas, cuya estructura no aparece ordenada sino corrida, toda la materia sólida se encuentra en estado cristalino. En general, se presenta en forma de agregado de pequeños cristales (o policristalinos) como en el hielo, las rocas muy duras, los ladrillos, el hormigón, los plásticos, los metales muy proporcionales, los huesos, etc., o mal cristalizados como las fibras de madera corridas.

También pueden constituir cristales únicos de dimensiones minúsculas como el azúcar o la sal, las piedras preciosas y la mayoría de los minerales, de los cuales algunos se utilizan en tecnología moderna por sus sofisticadas aplicaciones, como el  cuarzo de los osciladores o los semiconductores de los dispositivos electrónicos.

Cristales luminosos:

Algunos líquidos anisótropos (ver anisotropía), denominados a veces "cristales líquidos", han de considerarse en realidad como cuerpos mesomorfos, es decir, estados de la materia intermedios entre el estado amorfo y el estado cristalino.

Los cristales líquidos se usan en pantallas (displays) de aparatos electrónicos. Su diseño más corriente consta de dos láminas de vidrio metalizado que emparedan una fina película de sustancia mesomorfa. La aplicación de una tensión eléctrica a la película provoca una intensa turbulencia que comporta una difusión local de la luz, con la cual la zona cargada se vuelve opaca . Al desaparecer la excitación, el cristal líquido recupera su transparencia .

Cristal de rubí  antes de ser pulido y resanado.

Las propiedades de los cristales, como su punto de fusión, densidad y dureza están determinadas por el tipo de fuerzas que mantienen unidas a las partículas. Se clasifican en: iónico, covalente, molecular o metálico.

Cristales iónicos

Los cristales iónicos tienen dos características importantes: están formados de enlaces cargados y los aniones y cationes suelen ser de distinto tamaño. Son duros y a la vez quebradizos. La fuerza que los mantiene unidos es electrostática. Ejemplos: KCl, CsCl, ZnS y CF 2. La mayoría de los cristales iónicos tienen puntos de fusión altos, lo cual refleja la gran fuerza de cohesión que mantiene juntos a los iones. Su estabilidad depende en parte de su energía reticular; cuanto mayor sea esta energía, más estable será el compuesto.

Cristales covalentes:

Los átomos de los cristales covalentes se mantienen unidos en una red tridimensional únicamente por enlaces covalentes. El grafito y el diamante, alótropos del carbono, son buenos ejemplos. Debido a sus enlaces covalentes fuertes en tres dimensiones, el diamante presenta una dureza particular y un elevado punto de fusión. El cuarzo es otro ejemplo de cristal covalente. La distribución de los átomos de silicio en el cuarzo es semejante a la del carbono en el diamante, pero en el cuarzo hay un átomo de oxígeno entre cada par de átomos de silicio.

Cristales moleculares:

En un cristal molecular, los puntos reticulares están ocupados por moléculas que se mantienen unidas por fuerzas de van der Waals  y/o de enlaces de hidrógeno. El dióxido de azufre (SO 2) sólido es un ejemplo de un cristal molecular al igual que los cristales de I 2, P4 y S8. Con excepción del hielo, los cristales moleculares suelen empaquetarse tan juntos como su forma y tamaño lo permitan. Debido a que las fuerzas de van der Waals y los enlaces de hidrógeno son más débiles que los enlaces iónicos o covalentes, los cristales moleculares suelen ser quebradizos y la mayoría funden a temperaturas menores de 100 °C.

Cristales metálicos:

La estructura de los cristales metálicos es más simple porque cada punto reticular del cristal está ocupado por un átomo del mismo metal. Los cristales metálicos por lo regular tienen una estructura cúbica centrada en el cuerpo o en las caras; también pueden ser hexagonales de empaquetamiento compacto, por lo que suelen ser muy densos. Sus propiedades varían de acuerdo a la especie y van desde blandos a duros y de puntos de fusión bajos a altos, pero todos en general son buenos conductores de calor y electricidad.

Muchas gracias…