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Ciencia de los materiales (atomo y estructura cristalina)

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Ciencia de los materiales (atomo y estructura cristalina)

  1. 1. Ministerio del Poder Popular para la Educación Universitaria Instituto Universitario Politécnico Santiago Mariño Escuela Ingeniería Química Lapso 2015-2 Sección “S” Realizado por: Chirino Vidaluz C.I.19415560 Maracaibo, Septiembre de 2015 Profesor: Carneiro Julián
  2. 2.  Origen del átomo (Teoría atómica de la materia)  Modelos de Atómicos  Partes de un átomo  Estructura cristalina
  3. 3. Teoría atómica de la materia Definimos “átomo” como la partícula más pequeña en que un elemento puede ser dividido sin perder sus propiedades químicas. Aunque el origen de la palabra átomo proviene del griego, que significa indivisible, los átomos están formados por partículas aún más pequeñas, las partículas subatómica
  4. 4. Modelo Atómicos Modelo atómico de John Dalton, publicada entre los años (1.808 y 1.810) John Dalton (1766-1844). Químico y físico británico. Creó una importante teoría atómica de la materia. En 1803 formuló la ley que lleva su nombre y que resume las leyes cuantitativas de la química (ley de la conservación de la masa, realizada por Lavoisier; ley de las proporciones definidas, realizada por Louis Proust; ley de las proporciones múltiples, realizada por él mismo). Su teoría se puede resumir en:  Los elementos químicos están formados por partículas muy pequeñas e indivisibles llamadas átomos.  Todos los átomos de un elemento químico dado son idénticos en su masa y demás propiedades.  Los átomos de diferentes elementos químicos son distintos, en particular sus masas son diferentes.  Los átomos son indestructibles y retienen su identidad en los cambios químicos.  Los compuestos se forman cuando átomos de diferentes elementos se combinan entre sí, en una relación de números enteros sencilla, formando entidades definidas (hoy llamadas moléculas)
  5. 5. (Modelo atómico de J. J. Thomson , publicada entre los años 1.898 y 1.904) Joseph Thomson (1.856-1.940) partiendo de las informaciones que se tenían hasta ese momento presentó algunas hipótesis en 1898 y 1.904, intentando justificar dos hechos: La materia es eléctricamente neutra, lo que hace pensar que, además de electrones, debe de haber partículas con cargas positivas. Los electrones pueden extraerse de los átomos, pero no así las cargas positivas. Propuso entonces un modelo para el átomo en el que la mayoría de la masa aparecía asociada con la carga positiva (dada la poca masa del electrón en comparación con la de los átomos) y suponiendo que había un cierto número de electrones distribuidos uniformemente dentro de esa masa de carga positiva (como una especie de pastel o calabaza en la que los electrones estuviesen incrustados como si fueran trocitos de fruta o pepitas).
  6. 6. Fue un primer modelo realmente atómico, referido a la constitución de los átomos, pero muy limitado y pronto fue sustituido por otros. Thomson, sir Joseph john (1856-1940). Físico británico. Según el modelo de Thomson el átomo consistía en una esfera uniforme de materia cargada positivamente en la que se hallaban incrustados los electrones de un modo parecido a como lo están las semillas en una sandía. Este sencillo modelo explicaba el hecho de que la materia fuese eléctricamente neutra, pues en los átomos de Thomson la carga positiva era neutralizada por la negativa. Además los electrones podrían ser arrancados de la esfera si la energía en juego era suficientemente importante como sucedía en los tubos de descarga. J. J. Thomson demostró en 1897 que estos rayos se desviaban también en un campo eléctrico y eran atraídos por el polo positivo, lo que probaba que eran cargas eléctricas negativas. Calculó también la relación entre la carga y la masa de estas partículas. Para este cálculo realizó un experimento: hizo pasar un haz de rayos catódicos por un campo eléctrico y uno magnético. Cada uno de estos campos, actuando aisladamente, desviaba el haz de rayos en sentidos opuestos. Si se dejaba fijo el campo eléctrico, el campo magnético podía variarse hasta conseguir que el haz de rayos siguiera la trayectoria horizontal original; en este momento las fuerzas eléctricas y magnética eran iguales y, por ser de sentido contrario se anulaban. El segundo paso consistía en eliminar el campo magnético y medir la desviación sufrida por el haz debido al campo eléctrico. Resulta que los rayos catódicos tienen una relación carga a masa más de 1.000 veces superior a la de cualquier ion. Esta constatación llevó a Thomson a suponer que las partículas que forman los rayos catódicos no eran átomos cargados si no fragmentos, es decir, partículas subatómicas a las que llamo “electrones”.
  7. 7. E. Rutherford realiza en 1911 Rutheford realizó un experimento crucial con el que se trataba de comprobar la validez del modelo atómico de Thomson. Las partículas alfa (a), procedentes de un material radiactivo, se aceleran y se hacen incidir sobre una lámina de oro muy delgada. Tras atravesar la lámina las partículas a chocan contra una pantalla recubierta interiormente de sulfuro de zinc, produciéndose un chispazo. De esta forma era posible observar si las partículas sufrían alguna desviación al atravesar la lámina. Las llamadas "partículas alfa" son núcleos de helio (por tanto sumamente pequeñas, invisibles a la observación directa) y cuyas características principales son: (1871-1937)  Su masa es, aproximadamente, 8.000 veces la de un electrón.  Tienen carga eléctrica positiva.
  8. 8. Modelo atómico de Bohr El modelo de Bohr es muy simple es parecido al modelo planetario de Copérnico, los planetas describiendo órbitas circulares alrededor del Sol. El electrón de un átomo o ión hidrogenoide describe también órbitas circulares, pero los radios de estas órbitas no pueden tener cualquier valor. Consideremos un átomo o ión con un solo electrón. El núcleo de carga “Z” es suficientemente pesado para considerarlo inmóvil En el modelo de Bohr, solamente están permitidas aquellas órbitas cuyo momento angular está cuantizado La evolución de los modelos físicos del átomo se vio impulsada por los datos experimentales. El modelo de Rutherford, en el que los electrones se mueven alrededor de un núcleo positivo muy denso, explicaba los resultados de experimentos de dispersión, pero no el motivo de que los átomos sólo emitan luz de determinadas longitudes de onda (emisión discreta). Bohr partió del modelo de Rutherford pero postuló además que los electrones sólo pueden moverse en determinadas órbitas; su modelo explicaba ciertas características de la emisión discreta del átomo de hidrógeno, pero fallaba en otros elementos.
  9. 9. El modelo atómico de Schrödinger define al principio los electrones como ondas de materia (dualidad onda-partícula), describiendo de este modo la ecuación ondulatoria que explicaba el desarrollo en el tiempo y el espacio de la onda material en cuestión. El electrón con su carácter ondulatorio venía definido por una función de ondas (Ψ), usando una ecuación de ondas sencilla que no era más que una ecuación diferencial de segundo grado, donde aparecían derivadas segundas de Ψ. Cuando se resuelve esta ecuación , se observa que la ecuación depende de unos parámetros que son los números cuánticos Modelo de Erwin Schrödinger 1926 el modelo de Schrödinger, nos hace abandonar por completo el concepto anterior de los electrones, que venían definidos como pequeñísimas esferas cargadas que daban vueltas en torno al núcleo, para dar paso a ver los electrones como una función de onda, y añadiéndonos un útil concepto, el de orbital El modelo atómico de Schrödinger no se trata de un modelo relativista, sino cuántico, que está basado en la ecuación que este físico austríaco realizó en 1925.
  10. 10. Thomson (1904). Cargas (+) y (-) Rutherford (1911) El núcleo Bohr (1913) Niveles de energía Schrödinger (1926) Modelo de nubes electrónicas Dalton (1803) Crea postulaciones del átomo Evolución del Átomo Siguiendo los modelos atómicos
  11. 11. Estructura del átomo 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. 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. NOTA: 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.
  12. 12. Partes de un Átomo Corteza Protones Neutrones Núcleo Electrones (Electrón en movimiento)
  13. 13. 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. Estado de la materia: sólidos: Tienen forma y volumen constantes. Se caracterizan por la rigidez y regularidad de sus estructuras. Líquidos: No tienen forma fija pero sí volumen. La variabilidad de forma y el presentar unas propiedades muy específicas son características de los líquidos. Gaseoso: No tienen forma ni volumen fijos. En ellos es muy característica la gran variación de volumen que experimentan al cambiar las condiciones de temperatura y presión.
  14. 14. Arreglo atómicos  Sin Orden: los átomos y moléculas carecen de una arreglo ordenado .
  15. 15. Ordenamiento de corto enlace: es el arreglo espacial de los átomos o moléculas que se extiende solo a los vecinos mas cercano de éstos, a estas estructura s se le denomina “estructura no cristalina”. Vapor de agua
  16. 16. Orden de largo enlace: El arreglo atómico de largo alcance (LRO) abarca escalas de longitud mucho mayores de 100 nanómetro . Los átomos o iones en estos materiales forman un patrón regular y repetitivo semejante a una red en 3 dimensiones. Grafeno (compuesto de carbono densamente empaquetado)
  17. 17. Modelo de las esferas rígidas: se consideran los átomos (o iones) como esferas sólidas con diámetros muy bien definidos. Las esferas representan átomos macizos en contacto Cristal: conjunto de átomos ordenados según un arreglo periódico en tres dimensiones
  18. 18.  Red cristalina: disposición tridimensional de puntos coincidentes con las posiciones de los átomos (o centro de las esferas). Los átomos están ordenados en un patrón periódico, de tal modo que los alrededores de cada punto de la red son idénticos Un sólido cristalino Es un conjunto de átomos estáticos que ocupan una posición determinada
  19. 19.  Celda unitarias: Es el agrupamiento más pequeño de átomos que conserva la geometría de la estructura cristalina, y que al apilarse en unidades repetitivas forma un cristal con dicha estructura (subdivisión de una red que conserva las características generales de toda la red). Estructura cristalina cúbica de cara centrada: a) representación de la celda unidad mediante esferas rígida b) celda unidad representada mediante esferas reducidas
  20. 20.  Parámetros de red: describen el tamaño y la forma de la celda unitaria, incluyen las dimensiones de las aristas de la celda unitaria y los ángulos entre estas. En función de los parámetros de la celda unitaria las longitudes de sus lados y ángulos que forman, se distinguen 7 sistemas cristalinos que definen la forma geométrica de la red.
  21. 21. Sistemas Cristalinos (Redes de Bravais)
  22. 22. Estructuras cristalinas de elementos metálicos a 25ºC y 1atm
  23. 23. PROCESO DE CRISTALIZACIÓN En los metales y aleaciones líquidas, calentados considerablemente por encima de su punto de fusión, los átomos se agrupan a azar, de modo irregular y son portadores de elevada energía y movimiento. A medida que el líquido se enfría y se acerca al punto de solidificación, la energía de algunos átomos puede haber disminuido y con ello su movilidad dentro de la masa, de tal forma que pueden ocupar, respecto a los otros, una posición más orientada, lo que se asemeja a su disposición en el metal sólido. Una vez alcanzada la temperatura de solidificación, estos grupos aislados de átomos pueden haber quedado ya orientados y enlazados como el cristal elemental, adquiriendo una estructura rígida de orientación los unos respecto a los otros. Los átomos vecinos pueden, una vez perdida la energía térmica necesaria, irse agregando al cristal elemental formado, formando nuevos cristales elementales unidos y comenzar dentro de la masa líquida a formar redes cristalinas en crecimiento. Estos cristales en crecimiento, cuando alcanzan cierto tamaño se convierten en núcleos de cristalización, y a su alrededor comienza a tejerse la red cristalina, a medida que mas y mas átomos van perdiendo energía con el enfriamiento. Como la formación de los núcleos de cristalización puede comenzar indistintamente en cualquier parte de la masa líquida, los cristales pueden comenzar a crecer en múltiples lugares simultáneamente
  24. 24.  http://descom.jmc.utfsm.cl/proi/materiales/ESTRUCTURAS.htm (consultado septiembre de 2015)  http://ingivanfuentes.es.tl/ESTRUCTURA-CRISTALINA-DE-LOS-METALES.htm (consultado septiembre de 2015)

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