Atomo y estructura cristalina ciencias de los materiales

Tema 1Republica Bolivariana de Venezuela
Instituto Universitario Politecnico
¨Santiago Mariño¨
Realizado por:
Gabriel Gallardo
CI:25907596
Maracaibo. Estado Zulia

Un átomo es la unidad constituyente más pequeña de la materia ordinaria
que tiene las propiedades de un elemento
químico. Cadasólido, 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 no tienen
carga eléctrica. 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,

A) Partículas subatómicas
A pesar de que átomo significa ‘indivisible’, en realidad está formado por
varias partículas subatómicas. El átomo
contiene protones, neutrones y electrones, con la excepción del hidrógeno-
1, que no contiene neutrones, y del catión hidrógeno o hidrón, que no
contiene electrones. Los protones y neutrones del átomo se
denominan nucleones, por formar parte del núcleo atómico.
El electrón es la partícula más ligera de cuantas componen el átomo, con
una masa de 9,11 · 10−31 kg. Tiene una carga eléctrica negativa, cuya
magnitud se define como la carga eléctrica elemental, y se ignora si posee
subestructura, por lo que se lo considera una partícula elemental. Los
protones tienen una masa de 1,67 · 10−27 kg, 1836 veces la del electrón, y
una carga positiva opuesta a la de este. Los neutrones tienen un masa de
1,69 · 10−27 kg, 1839 veces la del electrón, y no poseen carga eléctrica. Las
masas de ambos nucleones son ligeramente inferiores dentro del núcleo,
debido a la energía potencial del mismo; y sus tamaños son similares, con
un radio del orden de 8 · 10−16 m o 0,8 femtómetros (fm).

B) El núcleo atómico
El núcleo atómico és la pequeña parte central del átomo, con carga
eléctrica positiva y en la que se concentra la mayor parte de la masa
del átomo.
Las principales partículas subatómicas de los núcleos de los átomos són los
protones y los neutrones o los nucleones (excepto el del hidrógeno
ordinario o protio, que contiene únicamente un protón). Un mismo
elemento químico está caracterizado por el el número de protones del
núcleo que determina la carga positiva total. Éste número se
denomina número atómico. El número másico es el total de protones
y neutrones.
El núcleo atómico és la pequeña parte central del átomo, con carga
eléctrica positiva y en la que se concentra la mayor parte de la masa
del átomo.
Las principales partículas subatómicas de los núcleos de los átomos són los
protones y losneutrones o los nucleones (excepto el del hidrógeno
ordinario o protio, que contiene únicamente un protón). Un mismo
elemento químico está caracterizado por el el número de protones del
núcleo que determina la carga positiva total. Éste número se
denomina número atómico. El número másico es el total de protones
y neutrones.

C) Nube de electrones
Los electrones en el átomo son atraídos por los protones a través de la
fuerza electromagnética. Esta fuerza los atrapa en unpozo de
potencial electrostático alrededor del núcleo, lo que hace necesaria una
fuente de energía externa para liberarlos. Cuanto más cerca está un
electrón del núcleo, mayor es la fuerza atractiva, y mayor por tanto la
energía necesaria para que escape.
Los electrones, como otras partículas, presentan simultáneamente
propiedades de partícula puntual y de onda, y tienden a formar un cierto
tipo de onda estacionaria alrededor del núcleo, en reposo respecto de
este. Cada una de estas ondas está caracterizada por un orbital atómico,
una función matemática que describe la probabilidad de encontrar al
electrón en cada punto del espacio. El conjunto de estos orbitales es
discreto, es decir, puede enumerarse, como es propio en todo sistema
cuántico. La nube de electrones es la región ocupada por estas ondas,
visualizada como una densidad de carga negativa alrededor del núcleo.

A) Masa
La mayor parte de la masa del átomo viene de los nucleones, los
protones y neutrones del núcleo. También contribuyen en una pequeña
parte la masa de los electrones, y la energía de ligadura de los nucleones,
en virtud de la equivalencia entre masa y energía. La unidad de masa que
se utiliza habitualmente para expresarla es la unidad de masa atómica (u).
Esta se define como la doceava parte de la masa de un átomo neutro
de carbono-12 libre, cuyo núcleo contiene 6 protones y 6 neutrones, y
equivale a 1,66 · 10−27 kg aproximadamente. En comparación el protón y
el neutrón libres tienen una masa de 1,007 y 1,009 u. La masa de un átomo
es entonces aproximadamente igual al número de nucleones en su núcleo
—el número másico— multiplicado por la unidad de masa atómica. El
átomo estable más pesado es el plomo-208, con una masa de 207,98 u.
En química se utiliza también el mol como unidad de masa. Un mol de
átomos de cualquier elemento equivale siempre al mismo número de estos
(6,022 · 1023), lo cual implica que un mol de átomos de un elemento con
masa atómica de 1 u pesa aproximadamente 1 gramo. En general, un mol
de átomos de un cierto elemento pesa de forma aproximada tantos
gramos como la masa atómica de dicho elemento.

B) Tamaño
Los átomos no están delimitados por una frontera clara, por lo que su
tamaño se equipara con el de su nube electrónica. Sin embargo, tampoco
puede establecerse una medida de esta, debido a las propiedades
ondulatorias de los electrones. En la práctica, se define el radio
atómico estimándolo en función de algún fenómeno físico, como la
cantidad y densidad de átomos en un volumen dado, o la distancia entre
dos núcleos en una molécula.
Los diversos métodos existentes arrojan valores para el radio atómico de
entre 0,5 y 5 Å. Dentro de la tabla periódica de los elementos, el tamaño
de los átomos tiende a disminuir a lo largo de un periodo —una fila—, para
aumentar súbitamente al comienzo de uno nuevo, a medida que los
electrones ocupan niveles de energía más altos.
Las dimensiones del átomo son miles de veces más pequeñas que
la longitud de onda de la luz (400-700 nm) por lo que estos no pueden ser
observados utilizando instrumentos ópticos. En comparación, el grosor de
un cabello humano es equivalente a un millón de átomos de carbono. Si
una manzana fuera del tamaño de la Tierra, los átomos en ella serían tan
grandes como la manzana original.

C) Niveles de energía
Un electrón ligado en el átomo posee una energía potencial inversamente
proporcional a su distancia al núcleo y de signo negativo, lo que quiere
decir que esta aumenta con la distancia. La magnitud de esta energía es
la cantidad necesaria para desligarlo, y la unidad usada habitualmente
para expresarla es el electrónvoltio (eV). En el modelo mecanocuántico
solo hay un conjunto discreto de estados o niveles en los que un electrón
ligado puede encontrarse, es decir, enumerables, cada uno con un cierto
valor de la energía. El nivel con el valor más bajo se denomina el estado
fundamental, mientras que el resto se denominan estados excitados.
Cuando un electrón efectúa una transición entre dos estados distintos,
absorbe o emite un fotón, cuya energía es precisamente la diferencia entre
los dos niveles. La energía de un fotón es proporcional a su frecuencia, así
que cada transición se corresponde con una banda estrecha del espectro
electromagnético denominada línea espectral.

Antes del experimento de Rutherford la comunidad científica aceptaba
el modelo atómico de Thomson, situación que varió después de la
experiencia de Ernest Rutherford. Los modelos posteriores se basan en
una estructura de los átomos con una masa central cargada
positivamente rodeada de una nube de carga negativa.
Este tipo de estructura del átomo llevó a Rutherford a proponer su
modelo en que los electrones se moverían alrededor del núcleo en
órbitas. Este modelo tiene una dificultad proveniente del hecho de que
una partícula cargada acelerada, como sería necesario para
mantenerse en órbita, radiaría radiación electromagnética, perdiendo
energía. Lasleyes de Newton, junto con las ecuaciones de Maxwell del
electromagnetismo aplicadas al átomo de Rutherford llevan a que en un
tiempo del orden de 10−10 s, toda la energía del átomo se habría radiado,
con la consiguiente caída de los electrones sobre el núcleo.

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 no se realizó hasta que en 1773 el
químico francés Antoine-Laurent de Lavoisier postuló su enunciado: «La
materia no se crea ni se destruye, simplemente se transforma». La ley de
conservación de la masa o ley de conservación de la materia; 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.

Luego en 1811, el físico italiano Amedeo Avogadro, postuló que a una
temperatura, presión y volumen dados, un gas contiene siempre el mismo
número de partículas, sean átomos o moléculas, independientemente de
la naturaleza del gas, haciendo al mismo tiempo la hipótesis de que los
gases son moléculas poliatómicas con lo que se comenzó a distinguir entre
átomos y moléculas.
El químico ruso Dmítri Ivánovich Mendeléyev creó en 1869 una clasificación
de los elementos químicos en orden creciente de su masa atómica,
remarcando que existía una periodicidad en las propiedades químicas.
Este trabajo fue el precursor de la tabla periódica de los elementos como la
conocemos actualmente.
La visión moderna de su estructura interna tuvo que esperar hasta
el experimento de Rutherford en 1911. Este experimento llevó al modelo
atómico de Rutherford que no podía explicar adecuadamente
la estabilidad de los átomos ni los espectros atómicos, por lo que Niels
Bohr formuló su modelo atómico de Bohr en términos heurísticos, que daba
cuenta de esos hechos sin explicarlos convemientemente. Posteriores
descubrimientos científicos, como la teoría cuántica, y avances
tecnológicos, como el microscopio electrónico, han permitido conocer con
mayor detalle las propiedades físicas y químicas de los átomos.

La concepción del átomo que se ha tenido a lo largo de la historia ha
variado de acuerdo a los descubrimientos realizados en el campo de la
física y la química. A continuación se hará una exposición de los modelos
atómicos propuestos por los científicos de diferentes épocas. Algunos de
ellos son completamente obsoletos para explicar los fenómenos observados
actualmente, pero se incluyen a manera de reseña histórica.

Modelo de Dalton
Fue el primer modelo atómico con bases científicas, fue formulado
en 1803 por John Dalton, quien imaginaba a los átomos como diminutas
esferas.22 Este primer modelo atómico postulaba:
La materia está formada por partículas muy pequeñas llamadas átomos,
que son indivisibles y no se pueden destruir.
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.
Los átomos permanecen sin división, aun cuando se combinen en las
reacciones químicas.
Los átomos, al combinarse para formar compuestos guardan relaciones
simples.
Los átomos de elementos diferentes se pueden combinar en proporciones
distintas y formar más de un compuesto.
Los compuestos químicos se forman al unirse átomos de dos o más
elementos distintos.
Sin embargo desapareció ante el modelo de Thomson ya que no explica
los rayos catódicos, la radioactividad ni la presencia de los electrones (e-)
o protones(p+).

Modelo de Thomson
Luego del descubrimiento del electrón en 1897 por Joseph John Thomson,
se determinó que la materia se componía de dos partes, una negativa y
una positiva. La parte negativa estaba constituida por electrones, los
cuales se encontraban según este modelo inmersos en una masa de carga
positiva a manera de pasas en un pastel (de la analogía del inglés plum-
pudding model) o uvas en gelatina. PosteriormenteJean Perrin propuso un
modelo modificado a partir del de Thomson donde las «pasas» (electrones)
se situaban en la parte exterior del «pastel» (la carga positiva).

Modelo de Rutherford
Este modelo fue desarrollado por el físico Ernest Rutherford a partir de los
resultados obtenidos en lo que hoy se conoce como el experimento de
Rutherford en 1911. Representa un avance sobre el modelo de Thomson,
ya que mantiene que el átomo se compone de una parte positiva y una
negativa, sin embargo, a diferencia del anterior, postula que la parte
positiva se concentra en un núcleo, el cual también contiene
virtualmente toda la masa del átomo, mientras que los electrones se
ubican en una corteza orbitando al núcleo en órbitas circulares o
elípticas con un espacio vacío entre ellos. A pesar de ser un modelo
obsoleto, es la percepción más común del átomo del público no
científico.
Rutherford predijo la existencia del neutrón en el año 1920, por esa razón
en el modelo anterior (Thomson), no se habla de este.

Modelo de Bohr
Este modelo es estrictamente un modelo del átomo
de hidrógeno tomando como punto de partida el
modelo de Rutherford, Niels Bohr trata de incorporar
los fenómenos de absorción y emisión de los gases,
así como la nueva teoría de la cuantización de la
energía desarrollada por Max Planck y el fenómeno
del efecto fotoeléctrico observado por Albert Einstein.
«El átomo es un pequeño sistema solar con un núcleo
en el centro y electrones moviéndose alrededor del
núcleo en órbitas bien definidas». Las órbitas están
cuantizadas (los e- pueden estar solo en ciertas
órbitas)
Cada órbita tiene una energía asociada. La más
externa es la de mayor energía.
Los electrones no irradian energía (luz) mientras
permanezcan en órbitas estables.
Los electrones pueden saltar de una a otra órbita. Si
lo hace desde una de menor energía a una de
mayor energía absorbe un cuanto de energía (una
cantidad) igual a la diferencia de energía asociada
a cada órbita. Si pasa de una de mayor a una de
menor, pierde energía en forma de radiación (luz).

Modelo de Schrödinger
Después de que Louis-Victor de Broglie propuso la naturaleza ondulatoria
de la materia en 1924, la cual fue generalizada por Erwin
Schrödinger en 1926, se actualizó nuevamente el modelo del átomo.
En el modelo de Schrödinger se abandona la concepción de los
electrones como esferas diminutas con carga que giran en torno al
núcleo, que es una extrapolación de la experiencia a nivel macroscópico
hacia las diminutas dimensiones del átomo. En vez de esto, Schrödinger
describe a los electrones por medio de una función de onda, el
cuadrado de la cual representa la probabilidad de presenciaen una
región delimitada del espacio. Esta zona de probabilidad se conoce
como orbital. La gráfica siguiente muestra los orbitales para los primeros
niveles de energía disponibles en el átomo de hidrógeno.
Densidad de probabilidad de
ubicación de un electrón para los
primeros niveles de energía.

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.
Cuarzo incoloro

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.
Estructura de un cristal decloruro de
sodio, un típico ejemplo de
un compuesto iónico. Las esferas
púrpuras son cationes desodio, y las
esferas verdes sonaniones de cloruro.

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).

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