ESTRUCTURA ATÓMICA

Estructura atómica 

Estructura del átomo.

El átomo está formado por un núcleo, que contiene neutrones y protones, el que a su vez esta rodeado por electrones. La carga eléctrica de un átomo es nula.

• Número atómico:

Es el número de electrones o protones de un átomo. 

• Masa atómica:

 (peso atómico) M, es la masa de una cantidad de átomos igual al número de Avogadro, NA=6.023 x 1023 mol-1 ( el cual es el número de atómos o moléculas en un mol o molécula gramo), la cual se expresa en unidades de g/mol. Una unidad alterna es la unidad de masa atómica uma, que es la masa de un átomo tomando como referencia a la del isótopo natural de carbono más ligero C12. Por ejemplo un mol de hierro contiene átomos y tiene una masa de 55.847 g, es decir 55.847 uma.

• Isótopo.

Es el átomo de un mismo elemento pero con diferente masa atómica por tener diferente número de neutrones pero igual número atómico.

Estructura electrónica del átomo:

Cada electrón de un átomo posee una energía en partícular; en un átomo no existen más de dos electrones con una misma energía. Números Cuánticos.- denotan el nivel de energía al cual corresponde cada electrón. Se han definido cuatro números cuánticos, que son:

 1) Número cuántico principal n.- se refiere a la capa cuántica a la cual pertenece el electrón. Se le asignan valores enteros 1, 2, 3, 4,…, pero tambien se le asignan letras: si n = 1 se le llama K, n = 2 es L y así sucesivamente. 

2) Número cuántico acimutal l.- este número cuántico denota el momento angular del electrón, tomando los siguientes valores: si n = 1→ l = 0, si n = 2→ l = 0 y 1, mientras que si n = 4→ l = 0, 1, 2, 3.

 3) Número cuántico magnético m.- este número cuántico determina las posibles orientaciones cuantizadas espaciales del momento angular orbital y pueden considerarse como un desdoblamiento de cada subcapa en niveles más finos, que difieren ligeramente entre sí en energía. Los valores de este número están determinados por los valores de l, y oscilan desde -l →0 →+l, es decir, un total de (2l+1) valores de m por cada uno de l.

 4) Número cuántico de spin s.- se refiere a la rotación que puede tener un electrón alrededor de su propio eje. Tal spin contribuirá al momento angular del electrón y modificará así las relaciones de energía. Este número tiene solamente dos valores s = +1/2 o s = -1/2, dependiendo de si el electrón gira sobre sí mismo en una u otra dirección.

Resumen de Números Cuánticos:

1) Principal: n = 1, 2, 3, 4,…; si n = 1 —> K, n = 2 →L,… 

2) Acimutal: l = 0, 1, 2, …(n-1)

3) Magnético: m = 0, ±1, ±2,... ±l

4) Spin: s = +1/2 o s = -1/2, para cada valor de l.

Al especificar sus cuatro números, la "dirección" de un electrón particular en un átomo dado se define completamente; es decir, los cuatro números cuánticos sitúan a cada electrón en el nivel de energía (n), la subcapa (l), la sub-subcapa (m) y la dirección de su spin (s). Principio de exclusión de Pauli.- en un átomo estable no más de dos electrones son capaces de ocupar el mismo nivel de energía.

Enlaces atómicos:

Cuando átomos con orbitales incompletos están en un estado inestable e interaccionan con otros átomos de manera controlada, tal que comparten o intercambian electrones entre ellos para lograr un estado estable de los orbitales incompletos, se forma así un enlace. 

Enlace Metálico:

 Este tipo de enlace se denomina también enlace electrónico por el hecho de que los electrones de valencia (electrones de niveles incompletos) son compartidos libremente por todos los átomos en la estructura. La mayoría de los metales puros tienen estructuras compactas, las que pueden tener muchos planos de deslizamiento. Esto se refleja en las altas ductilidades que se pueden obtener (40 a 60%). Cuando se trabaja con aleaciones la diferencia en tamaño entre átomos causa alteraciones en el deslizamiento por lo que la ductilidad decrese (5 a 20%). Otra cualidad importante del enlace metálico es que permite una fácil conducción de la electricidad.



Enlace Iónico:

 Éste ocurre cuando un átomo cede uno o más electrones a otro u otros átomos, de tal manera que la neutralidad electrostática se mantiene y cada átomo logra su estabilidad, por ejemplo el NaCl. La estructura cristalina de un compuesto con enlaces iónicos está determinada por el número de átomos de cada elemento requeridos para lograr la neutralidad eléctrica y el empaquetamiento óptimo, basado en el tamaño relativo de los iones.

El tamaño del ión se denomina radio iónico y depende en cierto grado de los iones que lo rodean. 

La mayoría de los cristales iónicos tienen estructuras compactas. 

El enlace iónico esta asociado con los electrones del orbital s (el cual tiene una distribución de probabilidad esférica), por lo que sería un enlace no direccional si fuera puramente iónico. Sin embargo, hay una tendencia hacia una concentración de electrones entre los centros de los átomos, lo que produce cierto grado de carácter no-iónico. 

El grado de carácter iónico puede estimarse usando la escala de electronegatividad. A mayor diferencia de electronegatividad entre los átomos de un compuesto mayor es el carácter iónico.

 El tamaño relativo de los iones puede ser una buena referencia para determinar el número de coordinación de éstos dentro de una red cristalina. 

A/X = 0.155 - 0.225 [n] = 3 

A/X = 0.225 - 0.414 [n] = 4 

A/X = 0.414 - 0.732 [n] = 6

A/X > 0.732 [n] = 8 

Los compuestos formados con elementos de los grupos IA (Li, Na, K, Rb, Cs y Fr) y VIIA (F, Cl, Br, I, At) son altamente iónicos, pero tienen una resistencia relativamente baja, punto de fusión bajo y dureza baja; en cambio los compuestos formados con elementos con una carga mayor (o valencia), tal como Mg2+, Al3+ y Zr4+ tienen enlaces más fuertes y por consiguiente mayor resistencia, altos puntos de fusión y durezas mayores.

Enlace Covalente:

 Éste ocurre cuando uno o más átomos comparten electrones de tal manera que logran su estabilidad. Al contrario del enlace metálico y iónico, el enlace covalente es direccional. Cada enlace covalente consiste de un par de electrones compartidos entre dos átomos, tal que la distribución de probabilidad se asemeja a una campana. El enlace entre átomos de carbono para producir diamante es un buen ejemplo de esto.

La periodicidad continua del enlace covalente entre átomos de carbono resulta en una dureza alta, punto de fusión alto y conductividad eléctrica baja a temperatura baja. El carburo de silicio se comporta de forma similar.

Espaciamiento interatómico y energía de enlace:

Espaciamiento interatómico:

Es la distancia de equilibrio entre átomos que se debe a un equilibrio entre las fuerzas de repulsión y atracción. El espaciamiento de equilibrio ocurre cuando la energía total de un par de átomos llega a un mínimo o cuando la fuerza neta (para atraer o repeler) es nula.

El espaciamiento interatómico entre los átomos de un metal sólido se asume igual al diámetro atómico. Note que esto no se aplica a sólidos con enlaces iónicos.

Energía de enlace:

Es la energía requerida para crear o romper un enlace. Materiales con enlaces de una energía elevada tendrán una resistencia alta y una temperatura de fusión elevada.

Existen otras propiedades que se pueden relacionar con las curvas fuerza-distancia y energía- separación.

El módulo de Young se puede correlacionar con la curva fuerza-distancia. Un enlace fuerte resulta en un módulo alto. Una expansión térmica baja está asociada con un enlace fuerte y un mínimo de energía de unión grande.