Estructura Atómica y Enlaces Químicos en Materiales
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Estructura Interna de los Materiales
La Tabla Periódica
Todos los elementos han sido clasificados en la tabla periódica de acuerdo con la configuración electrónica. En dicha tabla, los elementos se sitúan, según una disposición de números atómicos crecientes, en siete hileras horizontales denominadas períodos. La disposición es tal que todos los elementos que coinciden en una columna o grupo tienen estructuras electrónicas de valencia similares. Los elementos metálicos son electropositivos, pueden perder los electrones de valencia y cargarse positivamente ionizándose. Los elementos situados a la derecha son electronegativos, tienen tendencia a ganar electrones ya que tienen casi llena la capa de valencia.
Fuerzas Interatómicas
Los materiales en estado sólido son agregados de átomos. La unión entre los átomos es posible por la existencia de fuerzas interatómicas que son en función de las afinidades químicas entre los elementos. Estas fuerzas son de dos tipos: atractivas y repulsivas. Análogamente, las energías potenciales de atracción y repulsión varían en función de la distancia interatómica. Ambas fuerzas son inversamente proporcionales al cuadrado de la distancia interatómica. A grandes distancias esas interacciones son despreciables, pero a medida que se van acercando entre sí dos átomos, las fuerzas atractivas y repulsivas varían en función de la distancia interatómica. La separación entre dos átomos cuando se alcanza el equilibrio define su distancia interatómica de equilibrio. El índice de coordinación es el número de átomos que equidistan de uno que se considera central y está relacionado con la distancia interatómica. El radio atómico es la mitad de la distancia interatómica de equilibrio. El valor de Uo es lo que se llama la energía de enlace y representa la energía para separar entre sí dos átomos a una distancia infinita. La energía de enlace varía de un material a otro y depende del tipo de enlace atómico. Propiedades como la temperatura de fusión y dureza dependen de la energía de enlace. Las condiciones externas pueden alterar el equilibrio.
Tipos de Enlace
Enlaces Primarios
- Iónico
- Covalente
- Metálico
Enlaces Secundarios
- Fuerzas de Van der Waals
Enlace Iónico
Se da entre dos elementos diferentes, uno electropositivo y otro electronegativo, de forma que ambos consiguen la capa más externa completa. Este tipo de enlace predomina en los materiales cerámicos. Es un enlace no direccional. La energía de enlace es muy elevada, lo que se traduce en altas temperaturas de fusión y elevada dureza, y se comportan como aislantes.
Enlace Covalente
Se consigue compartiendo electrones entre átomos vecinos que pueden ser iguales o diferentes. Estos electrones compartidos pertenecen a ambos átomos. Moléculas de elementos no metálicos (H2) o formadas por átomos diferentes (CH4) tienen este tipo de enlace. Es el enlace característico de los polímeros, aunque existen otro tipo de materiales como el diamante, silicio o carburo de silicio que también lo presentan. El enlace covalente es direccional, existe solo en la dirección en la que hay electrones compartidos. Es un enlace que puede ser muy fuerte (diamante) pero también muy débil (bismuto). La energía de enlace crece con la multiplicidad de enlaces.
Enlace Metálico
Es el típico de los elementos electropositivos que poseen menos de 4 electrones en la capa de valencia. Los electrones están deslocalizados formando la nube electrónica que rodea a todos los átomos. El enlace no es direccional. La energía de enlace depende del número de electrones cedidos a la nube electrónica, por eso los metales de transición que ceden más electrones tienen mayores energías de enlace que los alcalinos. Las energías de enlace pueden ser muy fuertes o muy débiles.
Enlaces Secundarios
Los enlaces o fuerzas de Van der Waals se basan en la atracción dipolar entre átomos neutros. Su presencia es importante en los polímeros porque sirven de unión entre las cadenas unidas por enlaces covalentes. Son mucho más débiles que los enlaces primarios.