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Materiales I
Átomo de Bohr
Átomo de helio (He)
núcleo
electrón
electrón
Modelo cuántico
Modelo de Bohr
Modelo de Bohr
Modelo cuántico
Forma de los orbitales
Orbital s (ℓ=0)
1 estado permitido con hasta 2 e-
Número de estados permitidos: 2 ℓ + 1
Máxima cantidad de electrones: 2 * n° de estados
Corte
transversal
Orbital p (ℓ=1): 3 estados con 2 e- cada uno (6 e- en total)
Orbital p completo
Orbital d (ℓ=2): 5 estados con 2 e- cada uno (10 e- en total)
Orbital d completo
Orbital f (ℓ=3): 7 estados con 2 e- cada uno (14 e- en total)
vacío
Carbono
(Z=6)
aumenta la energía de los electrones de valencia
Los radios atómicos en la tabla periódica
aumenta el número de protones en el núcleo
Electronegatividad de Pauling
Electronegatividad
creciente
Radios Iónicos
Los cationes son siempre más
pequeños que el átomo neutro ya
que pierden los electrones de su
última capa.
Los aniones son siempre más
grandes que el átomo neutro ya
que
ganan
electrones
para
completar su última capa.
Enlaces Atómicos
Capa externa (puede tener hasta 8 electrones)
1° capa (puede tener hasta 2 electrones)
Los átomos tienden a ganar, perder o compartir electrones en su capa
externa para quedar en configuración de gas noble
H tiende a
C tiende a
N tiende a
O tiende a
ganar 1 electrón y pasa a configuración de He
ganar 4 electrones
ganar 3 electrones
y pasa a configuración de Ne
ganar 2 electrones
Enlace iónico
Enlace Iónico:
Cloruro de Sodio NaCl
Entre átomos con electronegatividades muy diferentes
Enlace Iónico:
Cloruro de Sodio NaCl
Entre átomos con electronegatividades muy diferentes
Reglas de Pauling para formar un compuesto iónico
Primera regla:
En la estructura, alrededor de cada catión, se forma un poliedro de aniones.
Cada configuración es estable para una cierta relación entre los radios de los
iones.
número de coordinación
(radio catión/radio anión)
Lineal
número de coordinación
(radio catión/radio anión)
Octaedro
Triángular
Cubo
Tetraedro
Segunda regla:
Para que la estructura sea estable, tiene que ser electricamente neutra.
Definimos la fuerza de ligadura de un compuesto iónico como la carga del
catión dividida el número de coordinación. La suma de todas las fuerzas de los
enlaces que llegan a un anión desde los cationes que lo rodean debe ser igual
a la carga del anión.
TiO2
El Ti (rojo) está con coordinación 6
y valencia 4. Cada enlace tiene
una fuerza de 2/3.
Entonces, cada oxigeno tiene que
estar ligado a 3 Ti.
Tercera regla:
Se refiere a como se conectan los poliedros en la estructura. La separación
entre los cationes disminuye sucesivamente si los poliedros se conectan por
una esquina, por un lado o por una cara. Al disminuir la distancia, se acortan
los lados y aumenta la energía de repulsión.
Algunas estructuras sencillas:
Comparten vértices
Comparten lados
Comparten caras en
las columnas
Cuarta regla:
En una estructura cristalina con diferentes cationes, aquellos de mayor
valencia y bajo número de coordinación tienden a no compartir caras entre sí
(la repulsión entre un par de cationes aumenta como el cuadrado de su carga
y la separación entre cationes disminuye a medida que el número de
coordinación decrece).
Perovskita CaTiO3
Poliédros de CaO12 comparten caras
Octaédros de TiO6 comparten solo vértices
Quinta regla:
El número de elementos de diferente constitución que componen una
estructura cristalina tiende a ser pequeño (es difícil lograr un empaquetamiento
eficiente de poliédros de diferentes tamaños).
Pero esta regla es la que menos se cumple…
Celda unidad del Bi-2212
Estructura cristalina
Constante de Madelung
NaCl
CsCl
Zinc blend
Wurtzite
Fluorite
Rutile
1.748
1.763
1.638
1.641
2.519
2.408
Enlace covalente
Enlace entre átomos idénticos:
Molécula de hidrógeno (H2)
Enlace entre dos no metales:
Metano CH4
Diamante (C-C)
Polímeros: polietileno
Entre átomos con electronegatividades similares
átomos
átomos
se transfiere
un electrón
comparten
electrones
molécula
enlace covalente
direccional
ión positivo
(catión)
ión negativo
(anión)
enlace iónico
no direccional
Enlaces mixtos covalentes e iónicos
Enlaces
covalentes
Enlaces
iónicos
Todos los elementos del grupo IA y IIA y todos los metales
Polarización: enlace Van der Waals
• Aunque los átomos sean electricamente NEUTROS, como los
electrones están en constante movimiento pueden formar
MOMENTANEAMENTE pequeños DIPOLOS eléctrico.
DIPOLE
FORMS
+e
-e
Un dipolo consiste
en dos cargas iguales y opuestas
separadas cierta distancia
+
-
Un dipolo eléctrico se puede formar en
forma espontánea en un átomo neutro debido al
movimiento de los electrones alrededor
del núcleo
La dirección y magnitud de este dipolo fluctúa CONSTANTEMENTE,
pero puede INDUCIR dipolos fluctuantes similares en otros átomos.
Polarización: enlace Van der Waals
Esta interacción DÉBIL entre dipolos es el origen de los enlaces del
tipo Van der Waals. Se caracterizan por una ENERGÍA de cohesión
BAJA y bajas temperatura de fusión.
La formación de un dipolo espontáneo en un átomo induce un dipolo igual y opuesto
en otro átomo vecino causando que se atraigan. Esto es el enlace Van der Waals
En los planos, los 3 átomos de carbono están ligado con un enlace covalente.
La ligadura entre capas es más débil (Van der Waals)
Puente de hidrógeno: Otro tipo de enlace se observa en moléculas
POLARES, que tienen un momento dipolar PERMANENTE.
El H del HCL es ligeramente positivo y el Cl ligeramente negativo y por
eso se atraen entre moléculas.
Enlace de puente de hidrogeno
Cuando un átomo de H en enlace covalente se junta con otro átomo
muy electronegativo.
Mas débil que el enlace iónico o covalente pero más fuerte que el
Van der Waals
Enlace entre moléculas de
agua
Propiedades
Propiedad
Explicación
Temperatura
de fusión
Para que el sólido pase al estado líquido se tienen
que romper los enlaces por la energía térmica. Alta
energía de cohesión implica alta temperatura de
fusión.
Conductividad
eléctrica
Los electrones se tienen que poder mover
libremente por el material, o sea no estar
fuertemente ligados al enlace.
Dureza y
expansión
térmica
Hay que ver cuanta fuerza/energía se necesita
para desplazar los átomos de su posición de
equilibrio en el cristal.
Propiedades
Enlaces
Estructurales
Mecánicas
Eléctricas
Iónico
covalente
metálico
Van der Waals
Alta coordinación
Baja coordinación
Alta coordinación
Alta coordinación
No-direccional
Direccional
No-direccional
No-direccional
Fuerte
Fuerte
Fuerza variable
Débil
cristales duros y
frágiles
cristales muy duros
Maleabilidad
cristales blandos y
frágiles
Aislantes
Aislantes en estado
sólido y líquido
Conductores
Aislantes
Muy Alta
Temperatura de
Fusión
Temperatura de
Fusión variable
Baja Temperatura
de Fusión
Alta conducción
térmica
Alto coeficiente de
expansión térmica
(conducción iónica a
alta temperatura)
ó semiconductores
Superconductores de
alta Tc
Alta Temperatura de
Fusión
Térmicas
Bajo coeficiente
expansión
Bajo coeficiente
expansión