Materiales, estructura atómica y enlaces

Tema 2. Estructura atómica:
La estructura de un material puede ser examinada en cuatro niveles: estructura atómica, arreglo de los átomos, microestructura y macroestructura.
La estructura atómica influye en la forma en que los átomos se unen entre sí, esta comprensión a su vez nos ayuda a clasificar los materiales como metales, semiconductores, cerámicos y polímeros, y nos permite llegar aciertas conclusiones generales en relación con las propiedades mecánicas y el comportamiento físico de estas cuatro clases de materiales.
2.1. Estructura del átomo:
El núcleo contiene neutrones y protones de carga positiva y tiene una carga positiva neta. La carga eléctrica q que llevan cada electrón y cada protón es de 1.60 x coulomb (C).
El número atómico de un elemento es igual al número deelectrones o protones en cada átomo.
2.2. Estructura electrónica del átomo:
Los electrones ocupan niveles de energía discontinuos dentro del átomo.
Números cuánticos:
Al número cuántico principal n se le asignan valores enteros 1, 2, 3, 4, 5,… que se refieren a la capa cuántica a la cual pertenece el electrón.

El número de niveles de energía en cada capa cuántica está determinado por elnúmero cuántico acimutal l y por el número cuántico magnético ml. los números cuánticos acimutales también tienen asignados números l = 0, 1, 2, 3, n-1. Si n = 2 entonces también existen dos números cuánticos acimutales l =0 y l = 1. Los números acimutales cuánticos se simbolizan mediante minúsculas:
s para l = 0 d para l = 2
p para l = 1 f para l = 3

El principio de exclusión de Pauli estableceque no puede haber más de dos electrones con giros propios opuestos en cada orbital. Al número cuántico de espín ms se le asignan los valores +1/2 y -1/2 para representar los distintos giros.
2.2.1. Valencia:
La valencia de un átomo se relaciona con la capacidad del mismo para entrar en combinación química con otros elementos y a menudo queda determinado por el número de electrones en losniveles combinados sp más externos.
La valencia también depende de la naturaleza de la reacción química. El fosforo tiene una valencia cinco al combinarse con el oxígeno, pero la valencia del fósforo es solo tres al reaccionar con el hidrógeno.
2.2.2. Estabilidad atómica:
Si un átomo tiene una valencia cero, el elemento es inerte. Como por ejemplo los gases nobles.
Otros átomos se comportan como sisus niveles exteriores sp estuvieran totalmente llenos son ocho electrones o totalmente vacíos. El aluminio tiene tres electrones en su nivel externo sp. Un átomo de aluminio con facilidad cede sus tres electrones externos para vaciar el nivel 3sp. Los enlaces atómicos y el comportamiento químico del aluminio quedan determinados con el mecanismo mediante el cual estos tres electrones interactúancon los átomos circundantes.
2.2.3. Electronegatividad
Es la tendencia de un átomo a ganar un electrón. Átomos con los niveles externos de energía casi llenos (como el Cl) son fuertemente electronegativos y aceptan electrones con facilidad; con los niveles de energía externos casi vacíos con facilidad ceden electrones y son fuertemente electropositivos. Elementos con número atómico alto tambiéntienen baja electronegatividad; como sus electrones externos están alejados del núcleo positivo, estos no permanecen tan fuertemente atraídos hacia el mismo.
2.3. Tipo de enlace:
Existen cuatro mecanismos importantes mediante los cuales los átomos se enlazan o unen formando sólidos. En tres de los cuatro el enlace se consigue cuando los átomos llenan sus niveles externos s y p.
2.3.1. Enlacemetálico:
Los elementos metálicos, que tienen una electronegatividad baja, ceden sus electrones de valencia para formar un “mar” de electrones que rodea a los átomos. Loes electrones de valencia se mueven libremente dentro del mar de electrones y se asocian con varios centros atómicos. Los centros atómicos cargados positivamente se mantienen unidos mediante la atracción mutua con los electrones,...