PRÁCTICA Nº 1: ESTRUCTURA ATÓMICA

OBJETIVOS

1. Analizar la estructura atómica de los materiales conducente a explicar algunas propiedades de los mismos

2. Lograr que algo tan abstracto como es el número de Avogadro sea más concreto y accesible para los estudiantes que tienen dificultades en imaginar un número tan enorme.

FUNDAMENTOS TEÓRICOS

La estructura de un material puede ser examinada en cuatro niveles: estructura atómica, arreglo de los átomos, microestructura y macroestructura. Aunque la intención principal de este curso es que se comprenda y se pueda controlar la microestructura y la macroestructura de los diversos materiales, primero debemos entender las estructuras atómica y cristalina.

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 a ciertas conclusiones generales en relación con las propiedades mecánicas y el comportamiento físico de estas cuatro clases de materiales.

Estructura de un Átomo: Un átomo está compuesto de un núcleo rodeado por electrones. El núcleo contiene neutrones y pro¬tones de carga positiva y tiene una carga positiva neta. Los electrones, de carga negativa, están sujetos al núcleo por atracción electrostática. La carga eléctrica que llevan cada electrón y cada protón es de 1.60 x 10-19 coulomb (C). Dado que el número de electrones y protones en el átomo es el mismo, en su conjunto el átomo es eléctricamente neutro.

El número atómico de un elemento es igual al número de electrones o protones en cada átomo. Por tanto, un átomo de hierro, que contiene 26 electrones y 26 protones, tiene un número atómico de 26.

La mayor parte de la masa del átomo se encuentra en el núcleo. La masa de cada protón y cada neutrón es 1.67 x 10-24 g, pero la de cada electrón es de únicamente 9.11 x 10-28 g. La masa atómica M, que corresponde al número promedio de protones y neutrones en el

átomo es la masa de una cantidad de átomos igual al número de Avogadro, NA= 6.023 x 1023 mol-1 es el número de átomos o moléculas en un mol o molécula gramo. Por tanto, la masa atómica tiene unidades de g/mol. Una unidad alterna para la masa atómica es la unidad de masa atómica, es decir urna, que es 1/12 de la masa del carbono 12. Como un ejemplo, un mol de hierro con¬tiene 6.023 x 1023 átomos y tiene una masa de 55.847 g, es decir 55.847 uma.

A menudo la masa atómica se llama peso atómico.

Los átomos son la unidad básica estructural de todos los materiales de ingeniería. Los átomos constan principalmente de tres partículas subatómicas básicas, protones neutrones y electrones. El modelo común consta de un pequeño núcleo de alrededor de 10-14 m de diámetro rodeado de una nube de electrones relativamente poco dispersa y de densidad variable de modo que el diámetro del átomo es del orden de 10-10 m. El Núcleo aglutina casi toda la masa del átomo y contiene protones y neutrones, el protón tiene una masa de 1.673x10-24g, y una carga unitaria de 1.602 x 10-19C. El neutrón es ligeramente más pesado que el protón con una masa de 1.675 x 10-24 g, pero no tiene carga. El electrón tiene una masa relativamente pequeña de 9.79 x 10-28 g. (1/1836 veces la del protón) y una carga de –1.602x10-19 C. (igual en carga pero de signo opuesto a la del protón). La nube de carga electrónica constituye de este modo casi todo el volumen del átomo, pero, sólo representa un pequeña parte de su masa. Los electrones, particularmente la masa externa (electrones de valencia) determinan la mayoría de las propiedades mecánicas, eléctrica, químicas, etc., de los átomos, y así, un conocimiento básico de estructura atómica es importante en el estudio básico de los materiales de ingeniería.

Número Atómico: El número atómico de un átomo, indica el número de protones (partículas cargadas positivamente) que están en su núcleo, y en un átomo neutro, el número atómico es también igual al número de electrones. Cada elemento tiene su propio número atómico característico y, de este modo, el número atómico define el elemento. Los números atómicos, desde el Hidrógeno, que tiene por número atómico (1) hasta el Hahnio que tiene como número atómico 105 están localizados en la parte superior de los símbolos de los elementos de la tabla periódica.

Masa atómica: La masa atómica relativa de un elemento, es la masa en gramos de 6.02x1023 átomos (número de Avogadro, NA) de ese elemento, la masa relativa de los elementos de la tabla periódica desde el 1 hasta el 105 esta situada en la parte inferior de los símbolos de dichos elementos. El átomo de carbono, con 6 protones y 6 neutrones, es el átomo de carbono 12 y es la masa de referencia para las masas atómicas. Una unidad de masa atómica (u.m.a), se define exactamente como 1/12 de la mas de un átomo de carbono que tiene una masa 12 u.m.a. una masa atómica relativa molar de carbono 12 tiene una masa de 12 g en esta escala. Un mol de gramo (abreviado, mol) de un elemento se define como el numero en gramos de ese elemento igual al número que expresa su masa relativa molar. Así, por ejemplo, un mol gramo de aluminio tiene una masa de 26.98 g y contiene 6.023x1023 átomos.

Cuando todos los átomos son iguales, podemos calcular fácilmente el número de átomos que están presentes por centímetro cúbico (o cualquier otro volumen). Para hacer esto debemos recordar que el peso atómico de un átomo en uma (tabla periódica), es igual a la masa en gramos de 6x1023 átomos. Este número, como se dijo anteriormente, se llama número de Avogadro, NA y se usa frecuentemente en las discusiones y cálculos de estructura atómica de los materiales. Como ejemplos, en la tabla periódica observamos que para tener 6,023x1023 átomos de cobre se requieren 63.54g del material; y 55.85g de hierro para obtener dicho número. De esta manera si 1cm3 de cobre pesa 8.96g, podemos calcular y determinar que cada cm3 tiene (8.96g/cm3)/ (63.54g/6x1023 átomos), o 0.85 x1023 átomos de cobre.

Problema 1: ¿Cuál es la masa en gramos de 1 átomo de cobre?

La masa atómica del cobre (tablas) es de 63,54 g/mol. Teniendo en cuenta que en 63,54 g de cobre hay 6,023 x 1023 átomos el número de gramos en 1 átomo de cobre es:

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