Estructura átomica de los materiales

1. Describa la importancia del conocimiento de la estructura atómica de los materiales para el uso y aprovechamiento de la tecnología del procesamiento.

• La estructura atómica de un elemento indica cuántos protones (carga positiva), neutrones (carga neutra) y cuántos electrones (carga negativa) posee cualquier material en su núcleo y en su corteza, entonces es importante conocer las distintas propiedades que pueden presentar un material, como conductividad, volatilidad, ductivilidad, etc.; para poder evaluar que material puede emplearse en la fabricación de ciertos objetos y/o estructuras; y estas determinaciones solo pueden conseguirse con el conocimiento de la estructura atómica de cada material evaluado, el uso de un material desconociendo cómo reaccionan bajo ciertas temperaturas o condiciones físicas, pueden ocurrir accidentes o fracasos en el intento de fabricar algo, para evitar esta situaciones es importante el conocimiento de su estructura atómica.

2. Significado del número Cuántico principal y número cuántico azimutal.

• El número cuántico principal, siempre tiene como valor números enteros y positivos y nos permite conocer el nivel energético del orbital así como su tamaño. N determina la medida del orbital, por lo que cuanto mayor sea n la probabilidad de encontrar un electrón cerca del núcleo de un átono disminuye y la energía del orbital se incrementa. A todos aquellos grupos de orbitales que comparten el mismo valor de N se les conoce con el nombre de nivel o capa. Los valores que puede adoptar el número cuántico principal (n) pueden ser número enteros positivos como: n = 1, 2, 3, 4, 5, 6. Para poner un ejemplo sobre el número cuántico principal, si disponemos de un elemento químico donde su último nivel o capa es el 4s, el valor de N o número cuántico principal es de 4.
• El número azimutal, también es conocido como el número cuántico del momento angular orbital o número cuántico secundario y que se representa con letra L minúscula (ℓ), nos facilita la información sobre la forma geométrica que tiene el orbital. Los valores que puede adoptar ℓ van muy de la mano del valor de n. Esto significa que dependiendo del valor que tiene el número cuántico principal (n), ℓ podrá adoptar unos números enteros determinados y que van desde el cero hasta n-1 (ℓ = n – 1). Para poner un ejemplo sobre el número cuántico secundario, si el valor de n es igual a 4 (n=4), los valores que puede tener ℓ pueden ser 0, 1, 2, 3.

3. Cuál es el proceso de ordenamiento de los niveles de energía bajo el Principio de Aufbau con el método de la lluvia, de las capas cuánticas y distribución electrónica.

• El principio de Aufbau o principio de construcción, ayuda a establecer cuál es el orden en que los electrones deben adicionarse a la nube electrónica; de este modo, es posible asignar una configuración electrónica propia de un determinado elemento químico.  El principio declara que a medida que se van incorporando los electrones al núcleo del átomo, lo mismo sucederá con los electrones de manera que se pueda mantener un equilibrio en la carga del elemento. De esta manera, se establecen ciertas normas para poder ubicarlos en los orbitales del átomo. Si el átomo se considerara como una cebolla, habría un número finito de capas dentro de él, determinado por el número cuántico principal n.

Más allá de éstas están las subcapas, cuyas formas dependen del número cuántico azimutal l y del número magnético m.

Los orbitales se identifican por los tres primeros números cuánticos, mientras que el cuarto, el espín s, termina indicando en qué orbital se ubicará el electrón. Es entonces en estas regiones del átomo donde los electrones giran, desde la capa más interna a la más externa: la capa de valencia, la más energética de todas.

Entonces, ¿en qué orden deberían los electrones llenar las órbitas? De acuerdo con el principio de Aufbau, deberían asignarse según el valor creciente (n+l).

Asimismo, dentro de las subcapas (n+l) los electrones deben ocupar la subcapa de menor valor energético, es decir, ocupan la de menor valor de n.

[pic 1]

4. Importancia del significado de la valencia de un átomo en función del nivel de energía y la formación de los enlaces atómicos.

• La valencia es el número de electrones que le faltan o debe ceder un elemento químico para completar su último nivel de energía. Es una medida relacionada con la cantidad de enlaces químicos establecidos por los átomos de un elemento químico.

Son especialmente importantes porque son responsables de los enlaces covalentes (co-valentes: comparten valencia) y participan en las reacciones químicas.  Así, por ejemplo, el átomo de hidrógeno tiene valencia 1, lo que significa que puede compartir un electrón en su última envoltura; el átomo de carbono, en cambio, tiene valencia 2 o 4, es decir, puede ofrecer dos o cuatro electrones. Por lo tanto, el número de valencia representa la capacidad del elemento de ganar o perder electrones durante una reacción o enlace químico.

5. Efectos de la estabilidad atómica y electronegatividad de un elemento.

• Por una parte un núcleo es estable cuando existe un equilibrio entre las fuerzas que actúan, o las fuerzas atractivas son mayores que las repulsivas, es decir, la interacción nuclear fuerte que experimentan los neutrones y protones son mayores que las fuerzas de repulsión eléctrica de los protones, de lo contrario el núcleo sufrirá alguna transformación con el fin de estabilizarse. Por otra parte la electronegatividad es la capacidad de un átomo o mejor dicho de su núcleo de atraer o "captar" electrones en una unión química.  La electronegatividad de un átomo determinado está afectada fundamentalmente por dos magnitudes: su masa atómica y la distancia promedio de los electrones de valencia con respecto al núcleo atómico, en un elemento de puede decir que a mayor electronegatividad mayor estabilidad para el elemento.

6. Importancia del ordenamiento de los elemento en la tabla periódica en cuanto a las capas cuánticas, numero cuánticos principales, grupos de electrones en su nivel de energía externo, valencia, comportamiento del material en función de sus propiedades.

• La relevancia de la tabla periódica estriba en el hecho de presentar a los elementos conocidos de una manera ordenada que sean fácilmente comprensibles. Este orden puede ser de gran utilidad desde el punto de vista pedagógico en la medida en que ofrece mucha información en lo que respecta a los constitutivos básicos de la materia.  En la tabla periódica veremos a cada uno de estos elementos representados por un determinado símbolo, símbolo que tendrá a su costado dos pequeños números, uno arriba de otro: el de abajo remitirá al número atómico, a la susodicha cantidad de protones, mientras que el de arriba hará referencia al número másico, a la suma de protones y de neutrones que exista en el núcleo del átomo en cuestión.

En su distribución a cada columna se la suele llamar grupo, mientras que al las filas horizontales se las llama períodos. Por otro lado, veremos que a los distintos elementos se los agrupa con distintos colores. Cada una de estas características tiene una razón fundamentada en las características que presentan los elementos. Su ordenamiento constituye una gran herramienta de aprendizaje, que permite analizar muchas temáticas científicas

Entonces la tabla periódica es una representación gráfica de información sobre los elementos químicos, como el símbolo o el número atómico, en columnas y filas, es decir, en una disposición tabular. Si se lee de izquierda a derecha y de arriba a abajo, el número atómico es creciente. La masa atómica también es creciente en este sentido, salvo algunas excepciones.  Las filas de la tabla periódica se conocen como períodos. Se numeran del 1 al 7 en sentido descendente; el período 1 es el período superior y el período 7 es el inferior. A mayor período, es decir, al descender por la tabla periódica, aumenta el número de niveles energéticos del átomo en estado fundamental (no excitado). Cada columna de la tabla periódica es un grupo y hay un total de 18. Los grupos se unen para formar 4 bloques en función del último orbital ocupado: s, p, d y f.

[pic 2]

7. Relación entre los enlaces atómicos, el arreglo atómico y las propiedades, físicas, químicas, mecánicas en los enlaces de los materiales.

• La manera en que los átomos se enlazan ejerce un efecto profundo sobre las propiedades físicas y químicas de los materiales. Ya que el enlace se define como la fuerza que mantiene juntos a grupos de dos o más átomos y hace que funcionen como unidad. Por ejemplo en el agua la unidad fundamental es la molécula H-O-H cuyos átomos se mantienen juntos por dos enlaces O-H. Se obtiene información acerca de la fuerza del enlace midiendo la energía necesaria para romperlo, o sea la energía de enlace.  

Ahora si los enlaces químicos se pueden definir cómo la atracción entre átomos, iones o moléculas, y son los responsables de la formación de los compuestos químicos, mientras que los enlaces químicos son los responsables de la conformación y las propiedades de la materia a nivel macroscópico, entonces Los enlaces se pueden formar entre átomos semejantes o entre átomos distintos, inclusive pueden existir enlaces entre moléculas diferentes, como en el caso de los compuestos de coordinación, afectando las propiedades mecánicas de los materiales, aunque no existe una correspondencia exacta de esta relación, ya que dependiendo el tipo de material, la relación cambia, por ejemplo, los materiales metálicos poseen, enlace metálico.  

...