Estructura atomica y cristalina de los materiales

Instituto Tecnológico de Mérida

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Capítulo 1
1. Estructura atómica y cristalina de los materiales.
Introducción. En el capítulo anterior se definieron los cuatro niveles estructurales de los cuales dependen las propiedades de los materiales. Sin embargo, puesto que el objetivo que se persigue en este tema de estudio, es el de comprender y controlar los niveles de la micro ymacroestuctura de los diversos materiales, con el fin de mejorar sus propiedades y hacerlos útiles en ciertas aplicaciones especiales; resulta necesario conocer en principio, la estructura atómica y la cristalina ya que ambas influyen en la forma en que los átomos se enlazan y se arreglan; permitiendo así clasificarlos en metales, cerámicos y polímeros. Estructura atómica. En teoría el átomo puede serconsiderado como un pequeño cuerpo esférico; el cual esta constituido por un núcleo que contiene pequeñas partículas denominadas protones y neutrones. El núcleo esta rodeado por partículas más diminutas llamadas electrones, los cuales se encuentran alrededor del núcleo, ocupando niveles energéticos distintos. Por ser el átomo en su conjunto eléctricamente neutro, la carga de cada protón y electróntiene el mismo valor y es igual a 1.6 x 1019 C. El número atómico de un átomo en particular, se define como el número de protones o de electrones contenidos en él. Además, toda la masa del átomo (M), se encuentra en el núcleo y es un valor promedio entre los protones y neutrones; y tiene como unidad al (gm/gm.mol). La figura 1.1 muestra el caso de la estructura atómica del aluminio, el cual según latabla periódica tiene un número atómico de 13; es decir, contiene 13 protones y 13 electrones. Y cuya masa atómica es de 26.98 gm/gm.mol.

Figura 1.1 Estructura atómica del aluminio mostrando los electrones en las capas K, L, M

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Propiedades de los Materiales I

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Según la figura anterior la configuración electrónica del aluminio puedeser escrita como: 1s22s22p63s23p1, por lo tanto la valencia de este elemento es +3; y tiene la capacidad de ceder sus 3 electrones de valencia. Cuando un átomo presenta la tendencia de ganar electrones, es decir completar su nivel externo de energía, se dice que es electronegativo. Por el contrario, si tiene la tendencia de ceder sus electrones y con ello dejar su nivel externo de energía vacío eselectropositivo. Si su nivel externo esta completo, es decir tiene 8 electrones, su valencia es cero y el elemento es inerte o químicamente estable. 1.1 Enlace atómico de sólidos. Existen cuatro mecanismos por medio de los cuales se enlazan o unen los átomos. En los tres primeros la unión se logra cuando los átomos llenan sus niveles externos s y p. Estos son: 1.1.1 Unión metálica: Los elementosmetálicos que exhiben una valencia baja, puede ceder con facilidad sus electrones para formar un mar o nube de electrones que rodea a los centros de átomos. El aluminio es un ejemplo típico de esta clase de elementos, pues al liberar sus tres electrones de valencia; deja un cuerpo central o nódulo constituido por el núcleo y los electrones internos.

Figura 1.1.1 Unión metálica del aluminio.Dicho cuerpo central se convierte en un ión con carga positiva igual a 3. Los electrones de valencia que forman la nube, se ligan a diversos nódulos de átomos, manteniéndolos unidos por atracción mutua, produciéndose así la fuerte unión metálica. La figura 1.1.1 muestra la unión entre los átomos del aluminio. Los enlaces metálicos son no direccionales, los electrones que mantienen unidos a losnódulos no están fijos en una posición. Cuando se dobla un metal y los átomos intentan cambiar su relación entre ellos; la dirección del enlace se desliza en lugar de romperse. Esto permite que estos materiales sean conformados en configuraciones útiles. Además al ceder con facilidad sus electrones, permite también que sean buenos conductores eléctricos. 1.1.2 Enlace covalente: Este tipo de enlace es...