2. I n t r o d u c c i n a l a Ciencia e Ingeniera de los
Materiales W I L L Ik M D . C A L L I S T E R , J r Departm ent of
Materials Science and Engineering The University of Utah. E D I T O
R I A L R E V E R T , S . A . B a r c e l o n a B o g o t B u e n o
s A i r e s C a r a c a s M x i c o www.FreeLibros.org
3. NDICE ANALTICO ISTA DE SIMBOLOS XV ' aptulo 1 INTRODUCCIN 1
1.1 Perspectiva histrica 2 1.2 Ciencia e ingeniera de los
materiales 2 1.3 Clasificacin de los materiales 4 1.4 Necesidad de
materiales modernos 5 Bibliografa 6 ..iptulo-2 ESTRUCTURA ATMICA Y
ENLACES INTERATMICOS 7 2.1 Introduccin 8 ESTRUCTURA ATMICA 8 2.2
Conceptos fundamentales 8 2.3 Los electrones en los tomos 9 2.4 La
tabla peridica 15 NLACES ATMICOS EN LOS SLIDOS 17 2.5 Fuerzas y
energas de enlace 17 2.6 Enlaces interatmicos primarios 19 2 7
Enlace secundario o enlace de van der Waals 23 2 8 Molculas 25
rt-'Umen 26 . .rminos y conceptos importantes 27 Bibliografa 27
Problemas y cuestiones 27 m tulo 3 LA ESTRUCTURA DE LOS SLIDOS
CRISTALINOS 31 3.1 Introduccin 32 STRUCTURA CRISTALINA 32 3 2
Conceptos fundamentales 32 3.3 Celdilla unidad 33 3.4 Estructuras
cristalinas de los metales 34 3 5 Clculo de la densidad 38 3.6
Polimorfismo y alotropa 39 3 7 Sistemas cristalinos 39 DIRECCIONES
Y PLANOS CRISTALOGRFICOS 40 3 8 Direcciones cristalogrficas 40 3 9
Planos cristalogrficos 45 3.10 Densidades atmicas lineal y planar
48 3.11 Estructuras cristalinas compactas 51 MATERIALES CRISTALINOS
Y NO CRISTALINOS 53 3.12 Monocristales 53 3.13 Materiales
policristalinos 53 3.14 Anisotropa 54 3.15 Difraccin de rayos X:
determinacin de estructuras cristalinas 55 3.16 Slidos no
cristalinos 60 Resumen 61 Trminos y conceptos importantes 62
Bibliografa 62 Problemas y cuestiones 63 Captulo 4 IMPERFECCIONES
EN SLIDOS 71 4.1 Introduccin 72 DEFECTOS DE PUNTO 72 4.2 Vacantes y
autointersticiales 72 4.3 Impurezas en slidos 74 IMPERFECCIONES 76
4.4 Dislocaciones. Defectos lineales 76 4.5 Defectos interfaciales
80 4.6 Defectos de volumen 84 4.7 Vibraciones atmicas 84 OBSERVACIN
MICROSCPICA 84 4.8 General 84 .4.9 Microscopa 85 4.10 Determinacin
del tamao del grano 89 Resumen 89 Trminos y conceptos importantes
90 ^ Bibliografa 91 Problemas y cuestiones 91 Captulo 5 DIFUSIN 95
5.1 Introduccin 96 5.2 Mecanismos de difusin 97 5.3 Difusin en
estado estacionario 98 5.4 Difusin en estado no estacionario 100
5.5 Factores de la difusin 104 5.6 Otros tipos de difusin 107 5.7
Difusin y tratamientos de los materiales 107 Resumen 107 Trminos y
conceptos importantes 107 !/' Bibliografa 108 Problemas y
cuestiones 108 XI www.FreeLibros.org
4. XII ND ICE ANALTICO Captulo 6 PROPIEDADES MECNICAS DE LOS
METALES 113 6.1 Introduccin 114 6.2 Conceptos de esfuerzo y
deformacin 114 DEFORMACIN ELSTICA 118 6.3 Comportamiento bajo
cargas uniaxiales , 118 6.4 Ajielasticidad 121 6.5 Propiedades
elsticas de los materiales 122 DEFORMACIN PLSTICA 125 6.6
Propiedades de traccin 125 6.7 Tensin y deformacin reales 132 6.8
Recuperacin elstica durante la deformacin plstica 135 6.9
Deformacin por compresin, por cizalladura y torsional 135 6.10
Dureza 136 6.11 Variabiliad de las propiedades de los materiales
142 6.12 Factores de seguridad 144 Resumen 145 Trminos y conceptos
importantes 146 l / Bibliografa 146 Problemas y cuestiones 146
Captulo 7 DISLOCACIONES Y MECANISMOS DE ENDURECIMIENTO 157 7.1
Introduccin 158 DISLOCACIONES Y DEFORMACIN PLSTICA 158 7.2
Conceptos bsicos 158 7.3 Caractersticas de las dislocaciones 161
7.4 Sistemas de deslizamiento 163 7.5 El deslizamiento en
monocristales 164 7.6 Deformacin plstica de materiales
policristalinos 7.7 Deformacin por maclado 169 MECANISMOS DE
ENDURECIMIENTO DE LOS METALES 170 7.8 Endurecimiento por reduccin
del tamao de grano 171 7.9 Endurecimiento por disolucin slida 173
7.10 Endurecimiento por deformacin 175 RECUPERACIN, RECRISTALIZACIN
Y CRECIMIENTO DEL GRANO 178 7.11 Recuperacin 179 7.12
Recristalizacin 179 7.13 Crecimiento del grano 184 Resumen 185
Trminos y conceptos importantes 186 Bibliografa 186 Problemas y
cuestiones 187 Captulo 8 ROTURA 193 8.1 Introduccin 194 FRACTURA
194 8.2 Fundamentos de fractura 194 8.3 Fractura dctil 195 8.4
Fractura frgil 198 8.5 Principios de mecnica de la fractura 199 8.6
Ensayos de fractura por impacto 210 FATIGA 215 8.7 Tensiones
cclicas 216 8.8 La curva S-N 217 8.9 Iniciacin y propagacin de la
grieta 220 8.10 Velocidad de propagacin de la grieta 223 8.11
Factores que afectan a la vida a fatiga 229 8.12 Influencia del
medio 231 FLUENCIA EN CALIENTE 232 8.13 Comportamiento bajo
fluencia en caliente 233 8.14 Influencia de la tensin y de la
temperatura 234 8.15 Mtodos de extrapolacin de los resultados 236
8.16 Aleaciones para utilizacin a temperaturas elevadas 238 Resumen
238 Trminos y conceptos importantes 241 Bibliografa 241 Problemas y
cuestiones 242 Captulo 9 DIAGRAMAS DE FASES 251 9.1 Introduccin 252
DEFINICIONES Y CONCEPTOS FUNDAMENTALES 252 9.2 Lmite de solubilidad
252 9.3 Fases 253 168 9.4 Microestructura 254 9.5 Equilibrio de
fases 254 DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO DE FASES 255 9.6 Sistemas
isomrficos binarios 256 9.7 Sistemas eutcticos binarios 264 9.8
Diagramas de equilibrio con fases o compuestos intermedios 274 9.9
Reacciones eutectoide y peritctica 277 9.10 Transformaciones de
fases congruentes 277 9.11 Cermica y diagramas de fases ternarios
279 9.12 La regla de las fases de Gibbs 279 EL SISTEMA
HIERRO-CARBONO 281 9.13 Diagrama de fases hierro-carburo de hierro
(Fe-Fe3C) 281 9.14 Desarrollo de microestructuras en aleaciones
hierro-carbono 285 9.15 Influencia de otros elementos de aleacin
292 www.FreeLibros.org
5. NDICE ANALTICO Resumen 293 ^ Trminos y conceptos importantes
294 Bibliografa 295 Problemas y cuestiones 295 C aptulo 10
TRANSFORMACIONES DE FASE EN LOS METALES 303 10.1 Introduccin 304
TRANSFORMACIONES DE FASES 304 10.2 Conceptos fundamentales 304 10.3
Cintica de reacciones en estado slido 304 10.4 Transformaciones
multifase 306 CAMBIOS MICROESTRUCTURALES Y DE PROPIE DADES EN
ALEACIONES HIERRO-CARBONO 307 10.5 Diagramas de transformacin
isotrmica 307 10.6 Diagramas de transformacin por enfriamiento
continuo 320 10.7 Comportamiento mecnico de los aceros al carbono
323 10.8 Martensita revenida 326 10.9 Revisin de las
transformaciones de fase de los aceros 329 Resumen 330 Bibliografa
330 ^ Trminos y conceptos importantes 331 Problemas y cuestiones
331 Captulo 1 TRATAMIENTOS TRMICOS DE ALEACIONES METLICAS 337 11.1
Introduccin 338 RECOCIDO 338 11.2 Proceso de recocido 338 11.3
Eliminacin de tensiones 339 11.4 Recocido de aleaciones frreas 339
TRATAMIENTOS TRMICOS DE LOS ACEROS 340 11.5 Templabilidad 341 11.6
Influencia del medio de temple, tamao y geometra de la muestra 346
ENDURECIMIENTO POR PRECIPITACIN 349 11.7 Tratamientos trmicos 350
11.8 Mecanismos de endurecimiento 353 11.9 Otras consideraciones
355 Resumen 355 Trminos y conceptos importantes 356 ^ Bibliografa
356 Problemas y cuestiones 356 Captulo 12 ALEACIONES METLICAS 359
12.1 Introduccin 360 CONFORMACIN METLICA 360 12.2 Hechurado 361
12.3 Moldeo 362 12.4 Otras tcnicas 363 ALEACIONES FRREAS 364 12.5
Aceros 364 12.6 Fundicin 370 ALEACIONES NO FRREAS 375 12.7 Cobre y
sus aleaciones 376 12.8 Aluminio y sus aleaciones 378 12.9 Magnesio
y sus aleaciones 378 12.10 Titanio y sus aleaciones 380 12.11
Metales refractarios 380 12.12 Superaleaciones 381 12.13 Metales
nobles 382 12.14 Otras aleaciones no frreas 382 Resumen 383 ,,
Trminos y conceptos importantes 384 Bibliografa 384 Problemas y
cuestiones 384 Captulo 13 ESTRUCTURA Y PROPIEDADES DE LAS CERMICAS
13.1 Introduccin 388 ESTRUCTURAS CERMICAS 388 13.2 Estructuras
cristalinas ,3_88~ 13.3 Cermicas formadas por silicatos 399 13.4
Carbono 404 13.5 Imperfecciones de las cermicas 408 13.6 Diagramas
de fases cermicos 412 PROPIEDADES MECNICAS 416 13.7 La fractura
frgil de las cermicas 416 13.8 Comportamiento tensin-deformacin 418
13.9 Mecanismos de deformacin plstica 420 13.10 Otras
consideraciones mecnicas 422 Resumen 424 Trminos y conceptos
importantes 425 Bibliografa 425 Problemas y cuestiones 426 Captulo
14 APLICACIONES Y CONFORMADO DE LAS CERMICAS 14.1 Introduccin 432
VIDRIOS 432 14.2 Propiedades de los vidrios 432 14.3 Conformado del
vidrio 436 14.4 Vidrios tratados trmicamente 438 14.5 Cermicas
vitreas 439 PRODUCTOS DE ARCILLA 440 14.6 Caractersticas de la
arcilla 440 14.7 Composiciones de los productos de arcilla 441 XIII
387 431 www.FreeLibros.org
6. XIV ND ICE ANALTICO 14.8 Tcnicas de fabricacin 441 14.9
Secado y cocido 443 REFRACTARIOS 444 14.10 Refractarios de arcilla
446 14.11 Refractarios de slice 446 14.12 Refractarios bsicos 447
14.13 Refractarios especiales 447 OTRAS APLICACIONES Y MTODOS DE
PROCESADO 447 14.14 Abrasivos 447 14.15 Prensado de polvo 449 14.16
Cementos 450 14.17 Cermicas avanzadas 452 Resumen 455 Trminos y
conceptos importantes 456 ^ Bibliografa 456 Cuestiones y problemas
457 Apndice A SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES (SI) A-t Apndice B
CONFIGURACIONES ELECTRNICAS DE LOS ELEMENTOS A-3 Apndice C
PROPIEDADES DE MATERIALES PARA INGENIERA SELECCIONADOS A-7
RESPUESTAS A LOS PROBLEMAS R-1 NDICE ALFABTICO 1-1
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7. LISTA DE SMBOLOS E ntre parntesis se indica el nm ero de la
seccin donde se introduce un smbolo A = rea = unidad angstrom A t =
peso atmico del elem ento i (2.2) % A R = ductilidad, en porcentaje
de reduccin de rea (6.6) a - parm etro de red: longitud de la
arista del ejex de la celdilla unidad (3.4) a = longitud de una
grieta superficial (8.5) % at = porcentaje atmico (4.3) B =
densidad de flujo magntico (induccin) (21.2) B r = rem anencia
magntica (21.7) BCC = estructura cristalina cbica centrada en el
cuerpo (3.4) b = parm etro de red: longitud de la arista del ejey
de la celdilla unidad (3.7) b = vector de Burgers C = capacidad
(19.17) C = concentracin del com ponente i Cv, Cp = capacidad
calorfica a volumen constante , capacidad calorfica a presin
constante (20.2) VPC = velocidad de penetracin de la corrosin
(18.3) CVN = ensayo Charpy con entalla en forma de V (8.6) % CW =
porcentaje de trabajo en fro (7.10)
8. XVI LISTA DE SM BO LO S c = parm etro de red: longitud de la
arista del ejez de la celdilla unidad (3.7) c = velocidad de la
radiacin electromagntica en el vaco (22.2) D = coeficiente de
difusin (5.3) D = desplazam iento dielctrico (19.18) d = dim etro d
= dim etro medio de grano (7.8) dm = distancia interplanar entre
planos de ndices de Miller h, k y / (3.15) E = energa (2.5) E =
mdulo de elasticidad o mdulo de Young (6.3) % = intensidad del cam
po elctrico (19.3) Ef= energa de Fermi (19.5) Eg = intervalo de
energa prohibida (19.6) E r(t) = mdulo de relajacin (16.6) % E L =
ductilidad, en porcentaje de elongacin (6.6) e - carga elctrica del
electrn (19.7) e~ = electrn (18.2) % en peso = porcentaje en peso
(3.4) exp = e, la base de los logaritmos naturales F = fuerza
interatm ica o mecnica (2.5, 6.2) % = constante de Faraday (18.2)
FCC = estructura cristalina cbica centrada en las caras (3.4) FE A
= factor de em paquetam iento atmico (3.4) fer = funcin de error
gausiano (5.4) G = mdulo de cizallamiento (6.3) H = campo magntico
(21.2) H c = coerctividad magntica (21.7) HB = dureza Brinell
(6.10) H C = estructura cristalina hexagonal compacta (3.4) HK =
dureza Knoop (6.10) HRB, H RC, H R F = dureza Rockwell: escalas B,
C y F (6.10) HR15N, HR30T, HR45W = dureza superficial Rockwell:
escalas 15N, 30T y 45W (6.10) H V = dureza Vickers (6.10) h =
constante de Planck (22.2) (hkl) = ndices de Miller de un plano
cristalogrfico (3.9) I = corriente elctrica (19.2) / = intensidad
de radiacin electromagntica (22.3) i = densidad de corriente (18.3)
ic - densidad de corriente de corrosin (18.4) J = flujo de difusin
(5.3) J = densidad de corriente elctrica (19.3) K = factor de
intensidad de tensiones (8.5) K c = tenacidad de fractura
(8.5)
9. Kc- tenacidad de fractura en deformacin plana para el modo I
de desplazam iento superficial de grieta (8.5) k = constante de
Boltznann (4.2) k = conductividad trmica (20.4) / = longitud lc =
longitud de fibra crtica (17.4) ln = logaritm o natural log =
logaritmo base 10 M = magnetizacin (21.2) M n= peso m olecular
medio numrico de un polm ero (15.5) M w= peso m olecular medio
msico de un polm ero (15.5) % mol = porcentaje de moles N = nm ero
de ciclos de fatiga (8.8) N a = nm ero de Avogadro (3.5) N f= vida
a la fatiga (8.8) n = nm ero cuntico principal (2.3) n = nm ero de
tomos por celdilla unidad (3.5) n = exponente de endurecim iento
por deformacin (6.7) n =nm ero de electrones en una reaccin
electroqumica (18.2) n = nm ero de electrones de conduccin por m
etro cbico (19.7) n = ndice de refraccin (22.5) n ' = en cermicas,
nm ero de unidades-frmula por m etro cbi co (13.2) nn = grado de
polimerizacin m edio numrico (15.5) n w = grado de polimerizacin
medio msico (15.5) P = polarizacin de un dielctrico (19.18) relacin
(P-B) = relacin de Pilling-Bedworth (18.10) p = nm ero de huecos
por m etro cbico (19.10) Q - energa de activacin Q = magnitud de
carga alm acenada (19.17) R = radio atmico (3.4) R = constante de
los gases r = distancia interatm ica (2.5) r = velocidad de reaccin
(10.3,18.3) rA, rc = radios inicos del anin y del catin (13.2) S =
amplitud del esfuerzo de fatiga (8.8) SEM = microscopa o
microscopio electrnico de barrido T = tem peratura Tc = tem
peratura de Curie (21.6) Tc = tem peratura crtica de un
superconductor (23.11) Tg = tem peratura de transicin vitrea (14.2)
Tm = tem peratura de fusin TEM = microscopa o microscopio
electrnico de transicin TS = resistencia a la traccin (6.6) t =
tiempo tr = tiem po a la ruptura (8.13) Ur = mdulo de resilencia
(6.6) [uvw = ndices de las direcciones cristalogrficas (3.8) xv USA
DE SMBOLOS
10. XVIII LISTA DE SM BO LO S V = diferencia de potencial
elctrico (voltaje) (18.2) Vc = volumen de la celdilla unidad (3.4)
V c = potencial de corrosin (18.4) VH = voltaje Hall (19.13) V =
fraccin volumtrica de la fase i (9.7) v = velocidad % vol =
porcentaje de volumen W = fraccin msica de la fase i (9.7) x =
longitud x = coordenada del espacio Y = parm etro adimensional en
las expresiones de tenacidad de fractura (8.5) y = coordenada del
espacio z = coordenada del espacio a= parm etro de red: ngulo de
los ejes^-z de la celdilla unidad (3.7) a, P, y= designaciones de
fases a = coeficiente de dilatacin lineal (20.3) /3 = parm etro de
red: ngulo de los ejes x-z de la celdilla unidad (3.7) y - parm
etro de red: ngulo de los ejes;e-y de la celdilla unidad (3.7) 7 =
deformacin por cizalladura (6.2) A = cambios finitos en los parm
etros a cuyos smbolos precede e = deformacin nominal (6.2) e =
permitividad dielctrica (19.17) er = constante dielctrica o
permitividad relativa (19.17) j = velocidad de fluencia
estacionaria (8.13) eT = deformacin real (6.7) rj = viscosidad
(13.9) j? = sobrevoltaje (18.4) 9 = ngulo de difraccin de Bragg
(3.15) 9q = tem peratura de Debye (20.2) A = longitud de onda de
radiacin electrom agntica (3.15) H = perm eabilidad magntica (21.2)
jUB = magnetn de Bohr (21.2) /i r = perm eabilidad magntica
relativa (21.2) fie = movilidad electrnica (19.7) lh = movilidad de
huecos (19.10) v = relacin de Poisson (6.5) v = frecuencia de
radiacin electrom agntica (22.2) p = densidad (3.5) p =
resistividad elctrica (19.2) p, = radio de curvatura del frente de
la grieta (8.5) cr= esfuerzo o tensin nominal en traccin o en
compresin (6.2) o= conductividad elctrica (19.3) oc = tensin crtica
para la propagacin de una grieta (8.5)
11. oT = esfuerzo o tensin real (6.7) ___ _____________ xix aw
= esfuerzo de seguridad o de trabajo (6.12) LISTA Dr s m b o l o s
oy = lmite elstico (6.6) r = esfuerzo de cizalladura (6.2) tc =
resistencia del enlace fibra-matriz (17.4) Tcrss = tensin o
esfuerzo de cizalladura resuelto crtico (7.5) %m = susceptibilidad
magntica (21.2) SUBINDICES c = m aterial com puesto / = final / = a
rotura / = fibra i = instantneo m = matriz m, mx. = mximo mn. =
mnimo 0 = origen 0 = en el equilibrio 0 = en el vaco
12. 1 Una popular bebida refrescante se envasa en recipientes
fabricados con tres tipos de materiales. Los envases de arriba son
metlicos; las botellas del centro son de vidrio (cermica); y las
botellas de abajo son de plstico (polmero). (Fotografas
reproducidas con la autorizacin de la compaa Coca-Cola.)
13. 2 1.1 PERSPECTIVA HISTRICA INTRODUCCIN Probablem ente, la
im portancia de los m ateriales en nuestra cultura es mayor que lo
que habitualm ente se cree. Prcticam ente cada segmento de nuestra
vida cotidiana est influido en m ayor o m enor grado por los
materiales, como por ejemplo transporte, vivienda, vestim enta,
comunicacin, recrea cin y alimentacin. H istricam ente, el
desarrollo y la evolucin de las so ciedades han estado ntim am ente
vinculados a la capacidad de sus miembros para producir y conform
ar los m ateriales necesarios para satisfacer sus nece sidades. En
efecto, las prim eras civilizaciones se conocen con el nom bre del
material que alcanz mayor grado de desarrollo (p.ej., Edad de
Piedra, Edad de Bronce). El hom bre primitivo slo tuvo acceso a un
nm ero muy limitado de m a teriales, que encontr en la naturaleza:
piedras, m adera, arcilla, cuero y po cos ms. Con el transcurso del
tiem po, el hom bre descubri tcnicas para producir materiales con
propiedades superiores a las de los naturales; entre estos nuevos m
ateriales se encontraban la cermica y algunos metales. A de ms, se
descubri que las propiedades de un m aterial se podan modificar por
tratam iento trm ico o por adicin de otras substancias. En este
aspecto, la utilizacin de los m ateriales era totalm ente un
proceso de seleccin; esto es, de un conjunto limitado de m
ateriales se decida cul era, en virtud de sus caractersticas, el ms
idneo para una aplicacin particular. H ace relativa m ente poco
tiem po que los cientficos llegaron a com prender la relacin en tre
elementos estructurales de los m ateriales y sus propiedades. Este
conocimiento, adquirido en los ltimos 50 aos aproxim adam ente, los
ha ca pacitado, en alto grado, para modificar o adaptar las
caractersticas de los materiales. Se han desarrollado decenas de
miles de m ateriales distintos con caractersticas muy especiales
para satisfacer las necesidades de nuestra m o derna y compleja
sociedad; se trata de metales, plsticos, vidrios y fibras. El
progreso de muchas tecnologas, que aum entan la confortabilidad de
nuestra existencia, va asociado a la disponibilidad de m ateriales
adecuados. El avance en la comprensin de un tipo de m aterial suele
ser el precursor del progreso de una tecnologa. Por ejemplo, la
fabricacin de automviles fue posible por la aparicin de un acero
idneo y barato o de algn sustituto comparable. A ctualm ente los
adelantos electrnicos ms sofisticados se ba san en com ponentes
denom inados materiales semiconductores. 1.2 CIENCIA E INGENIERA DE
LOS MATERIALES La disclipina ciencia de los materiales implica
investigar la relacin entre la estruc tura y las propiedades de los
materiales. Por el contrario, la ingeniera de los mate riales se
fundamenta en las relaciones propiedades-estructura y disea o
proyecta la estructura de un material para conseguir un conjunto
predeterminado de pro piedades. En este texto se hace hincapi en
las relaciones existentes entre las pro piedades de los materiales
y sus elementos estructurales. "Estructura" es un trm ino confuso
que necesita alguna explicacin. Norm alm ente la estructura de un m
aterial se relaciona con la disposicin de sus com ponentes
internos. La estructura subatmica implica a los electrones dentro
de los tomos individuales y a las interacciones con su ncleo. A
nivel atmico, la estructura se refiere a la organizacin de tomos o
molculas en tre s. El prximo gran dominio estructural, que contiene
grandes grupos de
14. tomos enlazados entre s, se denom ina "microscpico" y
significa que se puede observar utilizando algn tipo de
microscopio. Finalm ente, los ele mentos estructurales susceptibles
de apreciarse a simple vista se denom inan "macroscpicos". La nocin
de "propiedad" necesita cierta elaboracin. U n m aterial en
servicio est expuesto a estmulos externos que provocan algn tipo de
res puesta. Por ejemplo, una m uestra sometida a esfuerzos experim
enta defor macin; o un metal pulido refleja la luz. Las propiedades
de un m aterial se expresan en trm inos del tipo y magnitud de la
respuesta a un estmulo es pecfico impuesto. Las definiciones de las
propiedades suelen ser indepen dientes de la forma y del tam ao del
material. Todas las propiedades im portantes de los m ateriales
slidos se agrupan en seis categoras: mecnicas, elctricas, trmicas,
magnticas, pticas y qu micas. Para cada categora existe un tipo
caracterstico de estmulos capaz de provocar respuestas diferentes;
Las propiedades mecnicas relacionan la de- formacin con la carga o
fuerza aplicada; ejemplos de ellas son el mdulo elstico y la
resistencia. En las propiedades elctricas, tales como conducti
vidad elctrica y constante dielctrica, el estmulo es un campo
elctrico. El com portam iento trmico de los slidos se representa en
funcin de la capa cidad calorfica y de la conductividad trmica. Las
propiedades magnticas se refieren a la respuesta de un m aterial
frente a la influencia de un campo magntico. Para las propiedades
pticas, el estmulo es la radiacin electro magntica o lumnica; el
ndice de refraccin y la reflectividad son propieda des pticas
representativas. Finalm ente, las propiedades qumicas indican la
reactividad qumica de un material. En los siguientes captulos se
tratarn las propiedades incluidas en cada una de estas seis
clasificaciones. Por qu se estudian los m ateriales? Muchos
cientficos tcnicos o inge nieros, sean mecnicos, civiles, qumicos o
elctricos, en alguna ocasin se encontrarn con un problem a de diseo
en el cual intervengan materiales. El engranaje de una transmisin,
la superestructura de un edificio, el com ponente de una refinera
de petrleo o el "chip" de un circuito integrado son algunos
ejemplos. Por descontado, el ingeniero y el cientfico de materiales
son especialistas totalm ente involucrados en la investigacin y en
el diseo de materiales. A m enudo el problem a que se presenta es
la eleccin del m aterial ms idneo de entre los muchos miles de m
ateriales disponibles. Existen varios criterios en los cuales se
basa norm alm ente la decisin final. En prim er lugar, deben
caracterizarse las condiciones en que el m aterial prestar
servicio, y se anotarn las propiedades requeridas por el material
para dicho servicio. En raras ocasiones un m aterial rene una
combinacin ideal de propiedades, por lo que, muchas veces, habr que
reducir una en beneficio de otra. El ejemplo clsico lo constituyen
la resistencia y la ductilidad; generalm ente, un material con alta
resistencia tiene ductilidad limitada. En estas circuns tancias
habr que establecer un compromiso razonable entre dos o ms pro
piedades. La segunda consideracin se refiere a la degradacin que el
m aterial ex perim enta en servicio. Por ejemplo, las elevadas tem
peraturas y los am bien tes corrosivos disminuyen considerablem
ente la resistencia mecnica. Finalm ente, la consideracin ms
convincente es probablem ente la eco nmica. Cul es el coste del
producto acabado? Un material puede que rena un conjunto idneo de
propiedades pero resulte caro. D e nuevo se es- 1.2 CIENCIA E
INGENIERA DE LOS MATERIALES 3 www.FreeLibros.org
15. INTRODUCCIN 4 tablece un inevitable compromiso. El coste de
la pieza acabada tam bin in cluye los gastos de los procedim ientos
de conformacin para conseguir la forma final. Cuanto ms
familiarizados estn los ingenieros o los cientficos con las di
ferentes caractersticas y relaciones propiedad-estructura de los
materiales, as como con las tcnicas de su procesado, mayor ser su
habilidad y confian za para hacer elecciones sensatas basadas en
estos criterios. 1.3 CLASIFICACIN DE LOS MATERIALES Los m ateriales
slidos se clasifican en tres grupos: metales, cermicas y po lmeros.
Este esquema se basa en la composicin qumica y en la estructura
atmica. Por lo general, la mayora de los m ateriales encajan en un
grupo u otro, aunque hay m ateriales intermedios. Adem s, existen
otros dos grupos de im portantes m ateriales tcnicos: m ateriales
compuestos (composite) y semiconductores. Los m ateriales
compuestos constan de combinaciones de dos o ms m ateriales
diferentes, m ientras que los semiconductores se utili zan por sus
extraordinarias caractersticas elctricas. A continuacin se des
criben brevem ente los tipos de m ateriales y sus caractersticas ms
representativas. En los captulos siguientes se estudian con algn
detalle los elementos estructurales y las propiedades de cada uno.
1.3.1 Metales N orm alm ente los m ateriales metlicos son com
binaciones de elem entos metlicos. Tienen gran nm ero de electrones
deslocalizados, que no perte necen a ningn tom o en concreto. La m
ayora de las propiedades de los m etales se atribuyen a estos
electrones. Los m etales conducen perfecta m ente el calor y la
electricidad y son opacos a la luz visible; la superficie m etlica
pulida tiene apariencia lustrosa. A dem s, los m etales son resis
tentes, aunque deform ables, lo que contribuye a su utilizacin en
aplicacio nes estructurales. 1.3.2 Cermicas Los compuestos qumicos
constituidos por m etales y no metales (xidos, ni- truros y
carburos) pertenecen al grupo de las cermicas, que incluye m ine
rales de arcilla, cemento y vidrio. Por lo general se trata de m
ateriales que son aislantes elctricos y trmicos y que a elevada tem
peratura y en am bien tes agresivos son ms resistentes que los m
etales y los polmeros. D esde el punto de vista mecnico, las
cermicas son duras y muy frgiles. 1.3.3 Polmeros Los polmeros com
prenden m ateriales que van desde los familiares plsticos al
caucho. Se trata de compuestos orgnicos, basados en el carbono,
hidr geno y otros elem entos no metlicos, caracterizados por la
gran longitud de las estructuras moleculares. Los polmeros poseen
densidades bajas y ex traordinaria flexibilidad.
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16. 1.3.4 Materiales compuestos 5 Se han diseado materiales
compuestos form ados por ms de un tipo de m a terial. La fibra de
vidrio, que es vidrio en forma filamentosa em bebido den tro de un
m aterial polimrico, es un ejemplo familiar. Los materiales
compuestos estn diseados para alcanzar la m ejor combinacin de las
ca ractersticas de cada com ponente. La fibra de vidrio es mecnicam
ente re sistente debido al vidrio, y flexible debido al polmero. La
mayora de los m ateriales desarrollados ltim am ente son materiales
compuestos. 1.3.5 Semiconductores Los semiconductores tienen
propiedades elctricas intermedias entre los conductores y los
aislantes elctricos. Las caractersticas elctricas de los se m
iconductores son extrem adam ente sensibles a la presencia de
diminutas concentraciones de tom os de impurezas. Estas
concentraciones se deben controlar en regiones espaciales muy
pequeas. Los semiconductores posi bilitan la fabricacin de los
circuitos integrados que han revolucionado, en las ltimas dcadas,
las industrias electrnica y de ordenadores. 1.4 NECESIDAD DE
MATERIALES MODERNOS A pesar de los espectaculares progresos en el
conocimiento y en el desarrollo de los m ateriales en los ltimos
aos, el perm anente desafo tecnolgico re quiere m ateriales cada
vez ms sofisticados y especializados. D esde la pers pectiva de los
m ateriales se pueden com entar algunos extremos. La energa
constituye una preocupacin constante. Se reconoce la nece sidad de
nuevas y econmicas fuentes de energa y el uso ms racional de las
actuales fuentes. Los m ateriales desem pean un papel preponderante
en esta cuestin. Por ejemplo, se ha dem ostrado la conversin
directa de la energa solar en energa elctrica, pero las clulas
solares emplean algunos de los m ateriales ms complejos y caros. La
viabilidad tecnolgica de esta conversin se asegurara si se
desarrollaran m ateriales baratos y de alta efi ciencia para este
proceso. La energa nuclear tiene futuro, pero la solucin a los
muchos problemas que quedan por resolver est relacionada con los
materiales: desde el com bustible a la estructura de los
recipientes para controlar los residuos radiac tivos. La calidad m
edioam biental depende de nuestra habilidad para controlar la
contaminacin del aire y del agua. Las tcnicas de control de la
contam i nacin emplean diversos materiales. Adems, los procedim
ientos de fabrica cin de los materiales deben producir mnima
degradacin ambiental, esto es, mnima contaminacin y mnima
destruccin del paisaje en aquellos lu gares de donde se extraen las
m aterias primas. Los transportes consumen cantidades
significativas de energa. La dismi nucin del peso de los vehculos
de transporte (automviles, aviones, trenes, etc.) y el aum ento de
la tem peratura de funcionam iento de los m otores m e joran el
rendim iento del combustible. Es necesario desarrollar nuevos m a
teriales con elevada resistencia y baja densidad, as como m
ateriales capaces de soportar elevadas tem peraturas, para fabricar
componentes de motores. 1.4 NECESIDAD DE MATERIALES MODERNOS
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17. La mayora de los m ateriales que utilizamos proceden de
fuentes no re novables; es decir, no son capaces de regenerarse. E
ntre ellos se encuentran los polmeros, cuya principal fuente es el
petrleo, y algunos metales. Estas fuentes no renovables se em
pobrecen paulatinam ente, por lo que es necesa rio descubrir nuevas
reservas o desarrollar nuevos m ateriales con propieda des
comparables y con menos impacto m edioam biental. Esta ltima
alternativa constituye el m ayor reto para los ingenieros y
cientficos de m a teriales. BIBLIOGRAFA El nmero de Octubre de 1986
de la revista Scientific American, Vol. 255, N4 est dedicado
enteramente a varios materiales tcnicamente avanzados y a sus usos.
Las restantes referencias bibliogrficas del Captulo 1 son libros de
texto que tratan los conceptos fundamentales de la ciencia e
ingeniera de los materiales. A s k e l a n d , D. R., The Science
and Engineering o f Materials, 2nd edition, PWS-Kent Publishing
Co., Boston, 1989. Funn, R. A. and P. K. T r o ja n , Engineering
Materials and Their Applications, 4th edition, Houghton Mifflin
Co., Boston 1990. Sh a c k e l d f o r d , J. F., Introduction to
Materials Science for Engineers, 3rd edition, Macmillan Publishing
Company, New York, 1992. Sm it h , C. O., The Science of
Engineering Materials, 3rd edition, Prentice-Hall, Inc., Englewood
Cliffs, NJ, 1986. Sm it h , W. F., Foundations of Materials Science
and Engineering, 2nd edition, McGaw-Hill Book Co., New York, 1993.
T h o r t o n , P. A . and V . J. C o l a n g e l o , Fundamentis
of Engineering Materials, Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliffs,
NJ, 1985. V a n V l a c k , L. H., Elements of Materials Science
and Engineering, Addison-Wesley Publishing Co., Reading, MA, 1989.
INTRODUCCIN 6
18. 2 Estas cuatro fotografas se han obtenido en la misma regin
de una probeta de silicio mediante un microscopio de efecto tnel
(STM) muy sofisticado. Las zonas claras corresponden a (a)
posiciones de tomos superficiales ; (/) enlaces inco nexos
(danglin>) asociados a los tomos de la capa superficial; (c)
enlaces inco nexos que se proyectan desde la segunda capa atmica a
la superficial; (t) enlaces de los tomos de la segunda capa que
actan lateralmente. El rombo que se ha dibujado en cada fotografa
corresponde a la celdilla unidad del silicio. [Fotogra fa cedida
por R. |. Hamers, IBM Corporation. De R. |. Hamers, R. M. Tromp y
J. E. Demuth, "Surface Electronic Structure of Si (111 )-(7 x 7).
Resolved in Real Space", Phvs. Rev. Lett. 56, 18 (1986). Copyright
1986 American Physical Socie- ty|. Nota: Las imgenes en color de la
superficie de metales y polmeros obtenidas mediante STM se muestran
en la lminas en color 4 y 5. www.FreeLibros.org
19. 2.1 INTRODUCCIN ESTRUCTURA ATO M ICA Y ENLACES INTERATM
ICOS Algunas de las propiedades ms im portantes de los m ateriales
slidos de penden de la disposicin geomtrica de los tomos y de las
interacciones que existen entre los tomos y las molculas
constituyentes. A fin de preparar al lector para temas posteriores,
en este captulo se considerarn conceptos fundam entales tales como
estructura atmica, configuracin electrnica en tomos, tabla
peridica, y varios tipos de enlaces primarios y secundarios que m
antienen unidos a los tomos que forman los slidos. Estos temas se
tratarn con brevedad, ya que los lectores los suelen conocer.
ESTRUCTURA ATMICA 2.2 CONCEPTOS FUNDAMENTALES Los tomos constan de
ncleos muy pequeos que, a su vez, estn compues tos de protones y
neutrones. Este conjunto est rodeado de electrones en movimiento.
Tanto los electrones como los protones estn elctricam ente
cargados. El valor de esta carga es del orden de 1,60 x 10-19 C ade
signo ne gativo para el caso de los electrones y positivo para los
protones. Los neu trones son elctricam ente neutros. Las masas de
estas partculas subatmicas son infinitamente pequeas; protones y
neutrones tienen aproxim adam ente la misma masa, 1,67 x 10~11 kg,
que es significativamente mayor que la de un electrn, 9,11 x 1031
kg. Cada elem ento qumico se caracteriza por el nm ero de protones
del n cleo o nmero atmico (Z ).' Para un tom o elctricam ente
neutro, el nm e ro atmico coincide con el nmero de electrones. Los
valores del nmero atmico, para los elem entos que se encuentran en
la naturaleza, van desde 1 para el hidrgeno a 94 para el plutonio.
La masa atmica (A ) de un tomo especfico se puede expresar como la
suma de las masas de los protones y los neutrones del ncleo. A
unque el n mero de protones es igual en todos los tomos de un mismo
elem ento, el n m ero de neutrones puede variar. As, los tom os de
un mismo elem ento que tienen dos o ms masas atmicas se denom inan
isttopos. El peso atmico corresponde al peso ponderado de las masas
atmicas de los istopos, de acuerdo a Ja abundancia relativa de cada
istopo en la naturaleza. Para cal cular el peso atmico se utiliza
el concepto de unidad de masa atmica (urna). Se ha establecido una
escala, donde 1 urna se define como 1/12 de la masa atmica del
istopo ms corriente y abundante del carbono, el carbo no 12 ( 12C )
( A = 12,00000). De acuerdo con esta escala las masas del protn y
del neutrn son algo mayores que la unidad, y A = Z + N (2.1) El
peso atmico de un elem ento o el peso m olecular de un compuesto se
puede expresar en urna por tomo (molcula) o en masa por mol de m
ate ria. En un mol de una substancia hay 6,023 x 1023 (nm ero de
Avogadro) tomos o molculas. Estas dos formas de expresar los pesos
atmicos estn relacionadas segn la siguiente ecuacin: 1 uma/tom o (o
molcula) = 1 g/mol 'Las palabras escritas en negrita se definen en
el Glosario, que sigue al Apndice C
20. 23 LOS ELECTRONES EN LOS TOMOS Figura 2.1 Representacin
esquem tica del tomo de Bohr. Por ejemplo, el peso atmico del
hierro es 55,85 uma/tom o, o 55,85 g/mol. A veces se utiliza urna
por tom o o molcula; en otras ocasiones se prefiere g (o kg)/mol.
La ltima es la empleada en este libro. 2.3 LOS ELECTRONES EN LOS
TOMOS 2.3.1 Modelo atmico de Bohr A finales del siglo XIX se
constat que muchos fenmenos que implicaban electrones en los slidos
no se podan explicar en trminos de la mecnica clsica. Por este
motivo, para explicar el com portam iento de entidades at micas y
subatmicas, se estableci un conjunto de principios y leyes conoci
do como mecnica cuntica. La comprensin del com portam iento de los
electrones en tomos y slidos cristalinos implica necesariam ente la
discu sin de conceptos de la mecnica cuntica. Sin embargo, la
explicacin deta llada de estos principios se escapa del propsito de
este libro, donde se da un tratam iento superficial y simplificado.
Una primera consecuencia de la mecnica cuntica fue el modelo atmi
co de Bohr simplificado, donde se supone que los electrones giran
alrededor del ncleo atmico en orbitales discretos, y la posicin de
un electrn parti cular se define, con m ayor o m enor precisin, en
trminos de su orbital. Este modelo atmico est representado en la
Figura 2.1. O tro im portante principio de la mecnica cuntica
estipula que las ener gas de los electrones estn cuantizadas; es
decir, los electrones slo pueden tener valores especficos de
energa. Un electrn puede cambiar de energa, pero al hacerlo deber
realizar un salto cuntico a valores de energa perm i tidos, bien
superiores (con absorcin de energa), bien inferiores (con em i sin
de energa). Suele ser conveniente pensar que estas energas
permitidas al electrn estn asociadas con niveles o estados
energticos. Estos estados no varan continuam ente con la energa,
sino que los estados contiguos estn separados por valores finitos
de energa. Por ejemplo, los estados de energa permitidos para el
tomo de hidrgeno de Bohr estn representados en la Fi-
21. INTERATOMICOS io gura 2.2a. Estas energas son negativas ya
que el cero de referencia corres- e s t r u c t u r a a t m ic a Y
en la c es ponde al electrn libre. Desde luego, el nico electrn
asociado con el tomo de hidrgeno slo llenar uno de estos estados.
As, el modelo de Bohr representa el prim er intento para describir
los electrones de un tomo en trminos de posicin (orbitales
electrnicos) y de energa (niveles de energa cuantizados). 2.3.2
Modelo atmico de la mecnica ondulatoria El modelo atmico de Bohr
presentaba algunas limitaciones significativas a causa de su
incapacidad para explicar varios fenmenos relacionados con los
electrones. La solucin a estas deficiencias apareci con el
desarrollo de la mecnica ondulatoria (una subdivisin de la mecnica
cuntica) y un m ode lo ms adecuado del tomo. En el modelo de la
mecnica ondulatoria, se considera que el electrn presenta la
dualidad onda-corpsculo, y el movi miento de un electrn se describe
m ediante los principios m atemticos que rigen el movimiento de las
ondas. Una consecuencia im portante de la mecnica ondulatoria es
que los elec trones no son tratados como partculas que se mueven en
orbitales discretos, sino que la posicin de un electrn se considera
como la probabilidad de en contrarlo en una zona alrededor del
ncleo. En otras palabras, la posicin se describe como una
distribucin de probabilidades o nube electrnica. La Fi gura 2.3
compara el modelo de Bohr con el de la mecnica ondulatoria re
ferido al tomo de hidrgeno. Ambos modelos se utilizan a lo largo de
este libro; la eleccin depende del m odelo que simplifique ms la
explicacin. Figura 2.2 (a) Los tres primeros esta dos energticos de
los electrones segn el modelo de Bohr para el tomo de hidrgeno, (b)
Los tres primeros niveles energticos de los electrones segn el
modelo mecnico-ondulatorio para el tomo de hidrgeno. (Adaptado de
W. G. Moffatt, G. W. Pearsa11 y ). Wulff, The Structure and
Properties o Mate rials, Vol. I, Structure, p. 10. Copyright 1964
John Wiley and Sons, Inc.) I x 10 2x10
22. 2.3 LOS ELECTRONES EN LOS 1,0 __ ' TOMOS 11 Electrn orbital
Distancia al ncleo Figura 2.3 Comparacin de los modelos atmicos
segn Bohr (a) y segn la mecnica ondulatoria (6) en funcin de la
distribucin electrnica. (Adaptado de Z. D. Jastrzebski, The Nature
and Properties of Engineering Materials, 3a edicin, p.4. Copyright
1987 John Wiley and Sons, Nueva York. Autorizada la reproduccin por
John Wiley and Sons, Inc.) 2.3.3 Nmeros cunticos Em pleando la
mecnica ondulatoria, cada electrn de un tomo se caracte riza por
cuatro parm etros, llamados nmeros cunticos. El tamao, la for ma y
la orientacin espacial de la densidad de probabilidades de un
electrn estn determ inados por tres de estos nmeros cunticos.
Adems, los nm e ros cunticos separan los niveles energticos de Bohr
en subniveles e indican el nmero de estados de cada subnivel. Los
niveles estn determ inados por el nmero cuntico principal n, que
toma valores enteros empezando por la unidad. A veces, los niveles
se designan con las letras K, L, M, N, O , etc., que corresponden,
respectivamente, a n = 1, 2, 3, 4, 5, etc., tal como indica la T a
bla 2.1. Cabe sealar que este nmero cuntico, y slo ste, tambin est
aso ciado al tomo de Bohr. El segundo nm ero cuntico, /, significa
el subnivel y se designa m edian te una letra minscula: s, p, d, o
/.E l nm ero de estos subniveles est restrin gido por el valor de
n. Los subniveles permitidos para varios valores de n tam bin
figuran en la Tabla 2.1. El nm ero de estados energticos para cada
subnivel est determ inado por el tercer nmero cuntico, m. Para un
subni vel 5 slo existe un estado energtico, m ientras que para los
subniveles/?, d y/existen, respectivam ente, tres, cinco y siete
estados (Tabla 2.1). En ausen cia de una campo m agntico exterior,
los estados dentro de cada subnivel
23. ESTRUCTURA ATOMICA Y ENLACES INTERATMiCOS 12 Figura 2.4
Representacin esque mtica de las energas relativas de los
electrones para varios niveles y subni veles. (De K. M. Ralis, T.
H. Courtney y J. Wulff, Introduction lo Materials Science and
Engineering, p. 22. 1976 John Wiley and Sons, Nueva York.
Autorizada la reproduccin por )ohn Wiley and Sons, Inc.) Tabla 2.1
Nmero permitido de electrones en algunos niveles y subniveles
electrnicos Nmero de electrones Nmero cuntico Designacin Nmero de
Por principal n del nivel Subnivel estados subnivel Por nivel 1 K s
1 2 2 s 1 2 2 L 8 . P 3 6 s 1 2 3 M P 3 6 18 5 10 s 1 2 p 3 6 4 N d
5 10 32 f 7 14 son idnticos. Sin embargo, al aplicar un campo
magntico los estados de es tos subniveles adquieren valores
energticos algo diferentes. Cada electrn tiene asociado un mom ento
de espn, que puede estar orientado hacia arriba o hacia abajo. El
cuarto nm ero cuntico m s, est relacionado con esle m om ento de
espn y tiene dos valores posibles y -i), uno para cada orientacin
del espn. De este modo, el modelo de Bohr se perfeccion m ediante
la mecnica ondulatoria, la cual, al introducir tres nuevos nm eros
cunticos, da lugar a subniveles dentro de cada nivel. En las
Figuras 2.2c/ y 2.2b se comparan es tos dos modelos para el tom o
de hidrgeno. En la Figura 2.4 se muestra un diagrama de niveles de
energa completo para varios niveles y subniveles segn el modelo de
la mecnica ondulatoria. Conviene destacar varios aspectos de este
diagrama: en prim er lugar, el n- 0 q3c LUI 1 2 3 4 5 6 7 Nmero
cuntico principal, n --
24. mero cuntico m enor corresponde al nivel energtico ms bajo;
la energa _________________________ 13 de un estado ls es m enor
que la de un estado 2s y sta, a su vez, es m enor 23 lo s electron
es en lo s que la de un estado 3s. En segundo lugar, en cada nivel,
la energa de un sub- t o m o s nivel se increm enta con el valor
del nm ero cuntico /. Por ejemplo, la ener ga de un estado 3d es m
ayor que la del 3p, que, a su vez, es mayor que la del 3s. Finalm
ente, los valores de energa correspondientes a un estado de un ni
vel pueden superponerse a los valores correspondientes a estados de
los ni veles adyacentes; esto se da especialmente en los estados d
y./. As, por ejemplo, la energa del estado de 3d es mayor que la
del 4?. 2.3.4 Configuraciones electrnicas En la discusin precedente
hemos hablado bsicamente de los estados elec trnicos: los valores
de energa perm itidos para los electrones. Para deter m inar cmo se
llenan estos estados con electrones se utiliza el principio de
exclusin de Pauli, otro concepto mecnico-cuntico. Este principio
estable ce que cada estado electrnico slo puede estar ocupado por
dos electrones que deben tener espines opuestos. As, los
subniveles^, p, d y /p u e d e n aco m odar un total de 2, 6, 10 y
14 electrones, respectivamente. La Tabla 2.1 in dica el nmero mximo
de electrones que puede ocupar cada uno de los cuatro prim eros
niveles. No obstante, no todos los estados posibles de un tomo estn
llenos de electrones. En la mayora de los tomos los electrones
llenan los estados de m enor energa de los niveles y subniveles
electrnicos: dos electrones con espines opuestos por estado. La
estructura energtica del tom o de sodio est esquematizada en la
Figura 2.5. Cuando todos los electrones ocupan las energas ms bajas
de todas las posibles y de acuerdo con las anteriores
restricciones, se dice que el tomo se encuentra en su estado
fundamental. Sin embargo, como se discute en los captulos 19 y 22,
son posibles las tran siciones del electrn a estados energticos
superiores. La configuracin electrnica o estructura de un tomo
representa el modo como se van ocu pando estos estados. En la
notacin convencional, el nm ero de electrones de cada subnivel se
indica m ediante un superndice despus del nivel o sub nivel
designado. Por ejemplo, las configuraciones electrnicas de los
tomos Figura 2.5 Esquema de los estados energticos llenos para un
tomo de sodio.
25. 14 ESTRUCTURA AT M ICA Y ENLACES INTERATM ICOS de hidrgeno,
helio y sodio son l j 1, 1s2y 1s2 Ts2 2p 23i 1, respectivam ente.
En la Tabla 2.2 se dan las configuraciones electrnicas de algunos
de los ele m entos ms corrientes. E n el apndice B aparecen
tabulados todos los ele mentos. Conviene hacer algunas
consideraciones sobre las configuraciones elec trnicas. Prim ero,
los electrones de valencia ocupan los niveles ms exter nos. Estos
electrones son extraordinariam ente im portantes, puesto que
participan en el enlace entre tomos de los agregados atmicos y m
olecula res. Adems, muchas de las propiedades fsicas y qumicas de
los slidos tie nen su explicacin en los electrones de valencia.
Algunos tomos que tienen la denom inada "configuracin electrnica
estable" presentan los estados de los niveles ms externos o de los
electrones Tabla 2.2 Configuraciones electrnicas de los elementos
ms comunes Elemento Smbolo Nmero atmico Configuracin electrnica
Hidrgeno H 1 lsl Helio He 2 1s2 Litio Li 3 ish s1 Berilio Be 4
1s^ls2 Boro B 5 ls^Zsh.p1 Carbono C 6 sh sh p 2 Nitrgeno N 7 i
shshp* Oxgeno O 8 ls22s22p4 Flor F 9 ish sh p 5 Nen Ne 10 l s ^ ^ p
6 Sodio Na 11 1s^ls^p^s1 Magnesio Mg 12 s22s22p63s2 Aluminio Al 13
1s22s22p63i23p1 Silicio Si 14 Ish sh p ^ sh p 2 Fsforo P 15
ls22s22p63s23p3 Azufre S 16 ls22s22p63s23p4 Cloro C1 17 1sh s h p ^
& p 5 Argn Ar 18 s22s22p^3s23p(> Potasio K 19
l522522p63523p641 Calcio Ca 20 ls22sz2p63s23p64s2 Escandio Se 21
1s22s2lp 63s23p63dl4s2 Titanio Ti 22 ls22s22p63s23p63d24s2 Vanadio
V 23 1sh sh p^ sh p^ dM s2 Cromo Cr 24 s22s2/lp (,3sL3p('3d54s]-
Manganeso Mn 25 s22s22p63s23p63d54s2 Hierro Fe 26
s22s22p('3s23p63cfi4s2 Cobalto Co 27 ls22s22p63s23p63d74s2 Nquel Ni
28 Ish sh p^ sh p^ dH s2 Cobre Cu 29 ls22s22p(,3s23p(,dw4sl Zinc Zn
30 l22s22p63i23p6d104s2 Galio Ga 31 ls22s22p63s23s63d104s24p1
Germanio Ge 32 s22sl2p63s23s(,3dm4s24p2 Arsnico As 33
l522s22p63i23s63d104s24p3 Selenio Se 34 1s22s22p633s63dlQ4i?'4p*
Bromo Br 35 ls22s22p63s23s63dw4s24pi Criptn Kr 36
ls22s22p63s23s63dl04s24p6
26. de valencia com pletam ente llenos. N orm alm ente, esto
corresponde a la ocu pacin de los estados 5 y p de los niveles ms
externos por ocho electrones, como en el nen, argn y criptn; el
helio es una excepcin ya que slo con tiene dos electrones ( b ).
Estos elem entos (Ne, Ar, Kr y He) son gases iner tes o nobles,
potencialm ente no reactivos. Algunos tomos de los elementos que
tienen niveles de valencia no llenos adquieren la configuracin
electr nica estable ionizndose, ganando o perdiendo electrones o
com partiendo electrones con otros tomos. Este es el fundam ento de
algunas reacciones qumicas y del enlace atmico de los slidos, como
se explica en la Seccin 2.6. 15 2.4 LA TABLA PERIODICA 2.4 LA TABLA
PERIODICA Todos los elementos han sido clasificados en la tabla
peridica (Figura 2.6) de acuerdo con la configuracin electrnica. En
dicha tabla, los elementos se sitan, segn una disposicin de nmeros
atmicos crecientes, en siete hile ras horizontales denom inadas
perodos. La disposicin es tal que todos los elem entos que
coinciden en una columna o grupo tienen estructuras electr nicas de
valencia similares, as como propiedades fsicas y qumicas tambin ia
Clave :: "* M etal No m etal 1 II 1,0080 IIA 29 Cu 63.54 Numere
Smbolc M asa at atm icc mica V1IB lm erm e dio IB 11IA IVA VA V IA
V il A 2. ; H e , 4,0!>2(i; 3 l.i 6,939 4 Be 9,0122 IIIB IVB VB
VIB VIII A IIB 5 B: 10,811 i 6 C 12 0U 7 N 14,007 8 O 15,999 9 F
18,WR 10 N 20,1K3 11 Na 22,990 12 Mg 24,312 1,1 Al 26.982 14 Si
2S;i)N6 15 P 30,974 16 S 32J064 17 d -35,453 is ; A r ; 39,948/ 19
20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 f- K Ca Se T V Cr
Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga ( It As Se B r Kr .19,102 40,08 44,956 47.90
50,942 51,996 54,938 55,847 58,933 58,71 63,54 65.37 69.72 72,59
74,922 7 8 .il 79,H 83,80 : .17 38 39 40 41 42 43 4-1 45 46 47 48
49 50 51 52 53 54 Rb Sr Y Z r Nb Mo Tc Ru Rh Pd A g Cd ln Sn Sb Te
I X e 85.47 87,62 88.91 91,22 92,91 95,94 (99) 101,07 102,91 106,4
107,87 112,40 .114,82 118.69 121,75 127,60 126,90 131,30 55 56 L an
t 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 m 86 Cs Ba nidos Mf Ta W
Re Os Ir Pt Au Ha TI Pb Bi Po m Rii 132,91 137,34 178,49 180,95
183,85 186,2 190,2 192,2 195,09 196.97 200,59 204.37 207,19 208.98
(210) (210) (2m 87 88 Actni- Fr Ra dos (223) (226) Lantnidos 57 58
59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 I.i Ce Pr Nd Pm Srn Fu C.d
Tb Dy lio Er Tin Yb Lu 138.91 140.12 140,91 144,24 (145) 150,35
151,96 157.25 158.92 162.50 164.93 167,26 168.93 173,04 174,97
Aclnidos . 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 Ac Th
Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Fs Fm Md No Lw (227) 232,04 (231) 238,03
(237) (234) (243) (247) (247) (249) (254) (253) (256) (254) (257)
Figura '.b La tabla peridica de los elementos. Los nmeros entre
parntesis indican el peso atmico del istopo ms estable.
27. 16____________ similares. Estas propiedades varan gradual y
sistemticamente, desplazn- e s t r u c t u r a a t m ic a y en la c
es dose longitudinalm ente a travs de cada perodo. n t e r a t o m
ic o s j^os eiem entos colocados en el G rupo 0, el grupo ms a la
derecha, son los gases inertes, que tienen los niveles llenos de
electrones y por lo tanto po seen una configuracin electrnica
estable. A los elem entos del G rupo VIIA y Va les faltan uno y dos
electrones en la capa de valencia, respectivamente, para tener
estructuras electrnicas estables. Los elem entos del G rupo VIIA
(F, Cl, Br, I y A t) se denominan halgenos. Los metales alcalinos y
alcalino- trreos (Li, Na, K, Be, Mg, Ca, etc.) estn clasificados
como G rupo IA y IIA y tienen, respectivam ente, uno y dos
electrones en exceso, respecto de las es-' tructuras estables. Los
elem entos de los tres perodos largos, G rupos 1IIB a IIB, se
denominan metales de transicin y tienen los estados electrnicos d
parcialm ente llenos y, en algunos casos, uno o dos electrones en
el nivel energtico superior. Los Grupos IIIA, IVA y VA (B, Si, Ge,
As, etc.) pre sentan, en virtud de la estructura de electrones de
valencia, caractersticas intermedias entre metales y no metales. Al
observar la tabla peridica se aprecia que la mayora de los
elementos se clasifican como metales. Estos elem entos se denom
inan electropositivos, porque pueden perder electrones y cargarse
positivamente, ionizndose. Los elementos situados a la derecha de
la tabla son electronegativos, ya que pueden aceptar fcilmente
electrones y cargarse negativamente, ionizndo se, o, a veces,
pueden com partir electrones con otros tomos. La Figura 2.7 muestra
los valores de electronegatividades asignados a los elem entos orde
nados en la tabla peridica. G eneralm ente la electronegatividad
aumenta de izquierda a derecha y de abajo a arriba. I H 2,1 11A
IIIA IVA VA VIA VIIA 1 lie 3 Li 1,0 4 Be 1.5 5 B 2,0 6 C 2,5 7 N
3.0 8 O 3,5 9 F 4.0 10 Ne II Na o.y 12 Mg 1.2 111B 1VB VB VIB VIII!
VIII A IB IIB 13 Al 14 Si 15 P 16 s 17 Cl 18 A r > 1.5 1.8 2.1
2,5 3.0 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 K Ca
Se Ti V Cr Mil Fe Co Ni Cu / n G a G e As Se Br Kr o.x 1.0 1.3 1.5
l.h 1,6 1.5 1.8 1,8 1.8 1.9 1.6 1,6 1.8 2.0 2.4 2.X 37 38 39 40 41
42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 Rb Sr Y Z r Nb Mo Tc Ru Rh
Pd A e C d l/i Sn Sb Te I Xe 0.X 1,0 1.2 1.4 1.6 1.X 1.9 2,2 2,2
2.2 1.9- 1.7 1.7 1,8 1.9 2,1 2.5 55 . 56 57-71 72 73 74 75 76 77 78
79 80 81 82 83 84 85 86 Cs Ba l.a-l.u i ir la W Re Os Ir 1*1 A ll
Ug TI Pb Di Po At Rn 0.7 0,9 1.1-1.2 1.3 1,5 1.7 1.9 2.2 2,2 2.2
2,4 1.9 1.8 1.8 1,9 2.0 2 2 87 I r 0,7 88 Ra o.y 89-102 Ac- No
1.1-1.7 Figura 2.7 Valores de elcctronegatividad de los elementos.
(Adaptado de L. Rauling, The Nature of Ihc Chemical Bond, 3-
edicin. Copyright 1939 y 1940. Copyright 1960 Cornell University.
Con autorizacin de Cornell University Press.
28. ENLACES ATMICOS EN LOS SLIDOS 17 2.5 .FUERZAS Y ENERGAS DE
ENI ACE 2.5 FUERZAS Y ENERGIAS DE ENLACE La comprensin de muchas
propiedades fsicas de los m ateriales se basa en el conocimiento de
las fuerzas interatmicas que enlazan los tomos. Los principios del
enlace atmico se pueden ilustrar m ejor considerando la inte raccin
entre dos tomos aislados que se van aproxim ando desde una distan
cia de separacin infinita. A grandes distancias, las interacciones
son despreciables, pero al aproximarse, cada tomo ejerce fuerzas
sobre el otro. Estas fuerzas son de dos tipos, atractivas y
repulsivas; la magnitud de cada una de estas fuerzas vara en funcin
de la separacin o distancia interatm i ca. El origen de la fuerza
atractiva FA depende del tipo de enlace particular que existe entre
los dos tomos. Esta magnitud, como se esquematiza en la Figura
2.8a, vara con la distancia interatmica. Finalmente, los niveles-ms
externos de los tomos empiezan a solaparse y aparece una fuerza
repulsiva Fr elevada. La fuerza resultante Fn entre los dos tomos
es la suma de los com ponentes repulsivo y atractivo : f N = f A+ f
R (2-2) que tambin es una funcin de la separacin interatmica, como
se repre senta en la Figura 2.8a. Cuando los com ponentes de ambas
fuerzas son igua les, la resultante es nula : Fa + Fr = 0 (2.3)
Entonces se alcanza el equilibrio. Los centros de los dos tomos
perm anece rn separados por la distancia de equilibrio r0, como
indica la Figura 2.8a. Para muchos tomos, r0 es aproxim adam ente
0,3 nm (3 ). Una vez que al canzan esta posicin, los tomos
contrarrestarn cualquier intento de alejarse o aproximarse m
ediante fuerzas de atraccin o repulsin, respectivamente. A veces es
ms conveniente trabajar con las energas potenciales entre dos tom
os en vez de hacerlo con fuerzas. M atem ticam ente, la energa () y
la fuerza (F ) se relacionan de la siguiente forma: - J F dr (2.4)
En sistemas atm icos: E n = dr (2-5) =l FAdr + rj R dr (2-6) . = E
a + Er (2.7) donde E N, EA y E R son las energas resultante,
atractiva y repulsiva para dos tom os vecinos aislados.
29. li ESTRUCTURA ATMICA Y ENLACES INTERATMICOS Figura 2.8 (a)
Dependencia de Ias fuerzas repulsiva, atractiva y resultante con la
distancia interatmica entre dos tomos aislados. (6) Dependencia de
las energas repulsiva, atractiva y potencial resultante con la
distancia interatmic a entre dos tomos aislados. La Figura 2.8b
representa las energas potenciales atractiva, repulsiva y
resultante en funcin de la separacin interatm ica para dos tomos.
La gr fica de la resultante, que de nuevo es la suma de las otras
dos, presenta un mnimo de energa potencial. En este caso la
distancia de equilibrio, r0, co rresponde a la distancia entre
tomos en que la grfica de la energa poten cial es mnima. La enefga
de enlace de estos dos tomos, 0, corresponde a la energa en este
punto mnimo (tambin m ostrada en la Figura 2.86) y re presenta la
energa necesaria para separar estos dos tomos una distancia in
finita. El tratam iento anterior corresponde a una situacin ideal
referida slo a dos tomos, pero en los materiales concurren
condiciones similares aunque ms complejas, puesto que deben
considerarse interacciones con muchos tomos que originan fuerzas y
energas. No obstante, una energa de enlace, anloga a la anterior
E0, puede asociarse a cada tomo. La magnitud de esta energa de
enlace y la forma de la grfica de la energa frente a la separacin
interatmica varan de un material a otro, y ambas variables dependen
del tipo de enlace atmico. Las substancias slidas se caracterizan
por poseer va lores elevados de energa de enlace, mientras que en
el estado gaseoso estos
30. valores son bajos; en el estado lquido las energas de
enlace tienen valores intermedios. G eneralm ente la tem peratura
de fusin y las propiedades co hesivas reflejan la magnitud de la
energa de enlace de los materiales slidos. En los slidos existen
tres tipos de enlace qumico o primario: inico, co- valente y
metlico. En todos ellos, el enlace implica a los electrones de va
lencia; por otra parte, la naturaleza del enlace depende de la
estructura electrnica de los tomos constituyentes. Cada uno de
estos tres tipos de en lace surge de la tendencia de los tom os a
adquirir la configuracin electr nica estable, correspondiente al
gas inerte, llenando com pletam ente de electrones el nivel
energtico ms externo, tambin llamado nivel de valencia. En muchos m
ateriales slidos existen energas y fuerzas fsicas o secun darias,
que son ms dbiles que las primarias, pero que no influyen en las
propiedades fsicas de algunos materiales. Las siguientes secciones
explican varios tipos de enlaces interatm icos primarios y
secundarios. 2.6 ENLACES INTERATMICOS PRIMARIOS 2.6.1 Enlace inico
Quiz el enlace inico sea el ms fcil de describir y de visualizar.
Siempre existe en compuestos formados por elementos metlicos y no
metlicos, o sea, entre elementos situados en los extremos
horizontales de la tabla peri dica. Los tomos de un elem ento
metlico dan fcilmente sus electrones de valencia a tomos de un no
metal, que es, a su vez, un buen aceptor de elec trones. En este
proceso todos los tomos adquieren la configuracin estable del gas
inerte, para ello se han de ionizar, cargndose elctricamente. El
clo ruro sdico (NaCl) es el material inico clsico. El tomo de sodio
adquiere la configuracin del nen (y una carga positiva, Na+)
cediendo el nico elec trn de valencia 3s a un tomo de cloro. Despus
de esta transferencia elec trnica, el ion cloro tiene una carga
negativa, Cl", y una configuracin electrnica idntica a la del argn.
En el cloruro sdico, el cloro y el sodio existen como iones. Este
tipo de enlace est esquem atizado en la Figura 2.9. Las fuerzas
atractivas del enlace son fuerzas de Coulomb: las cargas po sitivas
y negativas se atraen entre s. La energa atractiva, E, entre dos
iones aislados, en funcin de la distancia interatmica est dada
segn:1 A E* = ~ ~ w M H H B m w Anloga ecuacin se establece para la
energa repulsiva : U = - (2.9) r" En estas expresiones, A, B y n
son constantes que dependen del tipo de iones. El valor de n se
aproxima a 8. *La constante A de la Ecuacin 2.8 es igual a: - j (Z
e) (Z^e) 2.6 ENLACES INTERATMICOS PRIMARIOS 19 donde eues la
permitividad del vaco (8,85 x 10 12F/m), Z, y Z2son las valencias
de los dos tipos de iones y e es la carga del electrn (1,6 x 10
|gC).
31. 20 ESTRUCTURA ATM ICA Y ENLACES INTER AT M ICO S Figura 2.9
Representacin esque mtica del enlace inico en el cloruro sdico
(NaCI). Na+ La magnitud del enlace inico es igual en todas las
direcciones alrededor de un ion y se denomina no direccional. Para
que un material inico sea es table es necesario que todos los iones
positivos tengan como vecinos ms prximos, en un esquema
tridimensional, iones cargados negativamente, y viceversa. El
enlace predom inante en los m ateriales cermicos es inico. A l
gunas disposiciones de los iones para estos m ateriales se discuten
en el Ca ptulo 13. Las energas de enlace suelen valer de 600 a 1500
kJ/mol (de 3 a 8 eV x tom o) y esta elevada cuanta se refleja en
las altas tem peraturas de fusin.1 La Tabla 2.3 da las energas de
enlace y las tem peraturas de fusin de varios materiales inicos.
Los materiales inicos se caracterizan por la dureza, fra gilidad y
por ser tanto elctrica como trm icam ente aislantes. Como se dis
cute en los captulos siguientes, estas propiedades tienen su origen
en la configuracin electrnica y/o en la naturaleza del enlace
inico. 2.6.2 Enlace covalente La configuracin electrnica estable
del enlace covalente se consigue com partiendo electrones entre
tomos vecinos. D os tom os unidos covalente- m ente contribuyen
cada uno al enlace con al menos un electrn; los electrones
compartidos se consideran de ambos tomos. En la Figura 2.10 est
esquematizado el enlace covalente de una molcula de m etano (CHL,).
El tomo de carbono tiene cuatro electrones de valencia, m ientras
que cada uno de los cuatro tomos de hidrgeno, tiene un solo electrn
de valencia. Cada tomo de hidrgeno adquiere la configuracin
electrnica del He (dos electrones de valencia ls), ya que com parte
un electrn con el tomo de car bono. As, el carbono tiene ocho
electrones, cuatro de los cuales son los elec trones adicionales
compartidos, uno de cada hidrgeno, y la configuracin electrnica del
nen. El enlace covalente es direccional: existe entre tomos
especficos y slo en la direccin que hay electrones compartidos.
Muchas molculas de elem entos no metlicos (H2, Cl2, F2, etc.), as
como muchas molculas que contienen tomos diferentes (CH4, H 2Q, H N
Q 3, HF, 'A veces las energas de enlace se expresan por tomo o por
ion. En estas condiciones el electronvoltio (eV) es una unidad de
energa de un electrn acelerado a travs de un potencial de un
voltio. La equivalencia con el julio es la siguiente: 1,602 x
]0^llJJ =1eV. www.FreeLibros.org
32. Tabla 2.3 Energas de enlace y temperaturas de fusin para
varias sustancias Tipo de enlace Tipo de sustancia . Energa de
enlace Temperatura de fusin (C) kJ/mol (kcal(mol) eV/tomo, ion,
molcula Inico NaCl 640 (153) 3,3 801 MgO 1000 (239) 5,2 2800
Covalente Si C (diamante) 450 (108) 713(170) 4,7 7,4 1410 >3550
Hg 0,7 -39 Metlico Al 68 (16) 3,4 660 Fe 324 (77) 4,2 1538 W 406
(97) 8,8 3410 849 (203) 0,08 -189Van der Ar Waals Cl2 7,7 (1.8)
0,32 -101 Hidrgeno NHt 31 (7.4) 0,36 -78 h 2o 0,52 0 35 (8.4) 51
(12.2) 21_______ s 2.6 FNLACtS INIFRATMICOS PRIMARIOS etc.) tienen
enlaces covalentes. Adems, este tipo de enlace aparece en sli dos
elementales, tales, como diam ante (carbono), silicio, germanio, y
en compuestos slidos form ados por elem entos localizados a la
derecha de la tabla peridica, tales como arseniuro de galio (GaAs),
antim oniuro de iridio (IrSb) y carburo de silicio (SiC). El nm ero
de enlaces covalentes posibles para un tomo particular de pende del
nm ero de electrones de valencia. -Para /V' electrones de valencia,
un tom o puede enlazarse covalentem ente, como mximo, con 8 - N '
to-
33. 22 ESTRUCTURA A O M IC A Y ENLACES INTER AT M ICO S mos.
Por ejemplo, para el cloro N'= 7, y, por tanto, 8 - N'= 1; esto
significa que un tom o de cloro puede enlazarse con un solo tomo,
como en la m o lcula de Cl2. A nlogam ente, para el carbono N'= 4,
por lo que 8 - N'= 4 y as cada tomo de carbono tiene cuatro
electrones para compartir. El dia m ante es la estructura del
carbono interconectada en tres dimensiones, don de cada tomo de
carbono se une covalentem ente con otros cuatro tomos de carbono.
Esta disposicin est representada en la Figura 13.15. Los enlaces
covalentes pueden ser muy fuertes, como en el caso del dia mante,
que es un material muy duro y tiene una tem peratura de fusin muy
elevada, 7} > 3550C (6400F), pero tambin pueden ser muy dbiles,
como es el caso de los enlaces del bismuto, que funde a 270C
(518F). En la Tabla 2.3 se dan las energas de enlace y las tem
peraturas de fusin de algunos m a teriales que poseen enlaces
covalentes. Este tipo de enlace es caracterstico de los m ateriales
polimricos, en los cuales la estructura molecular funda mental es
una larga cadena de tomos de carbono enlazados covalentem en te
entre s mediante dos de los cuatro enlaces disponibles por tomo.
Los dos enlaces restantes norm alm ente participan en la unin
covalente con otros tomos. Las estructuras moleculares de los
polmeros se discuten con detalle en el Captulo 15. En realidad, muy
pocos compuestos tienen enlaces inicos o covalentes puros, sino que
tienen enlaces interatm icos parcialm ente inicos y parcial m ente
covalentes. En un compuesto, el grado de participacin de cada uno
de estos dos tipos de enlace depende de las posiciones relativas
que ocupen los tomos constituyentes en la tabla peridica (Figura
2.6). El mayor grado de carcter inico lo poseen los enlaces entre
tom os de la parte superior de recha de la tabla peridica con tomos
de la parte inferior izquierda. El m a yor grado de carcter
covalente lo presentan los tomos no metlicos unidos entre s. 2.6.3
Enlace metlico Los metales y aleaciones presentan enlace metlico.
Se ha propuesto un m o delo muy sencillo que se aproxima bastante
al esquem a de este enlace. Los materiales metlicos tienen uno, dos
o, a lo sumo, tres electrones de valencia. En este modelo, los
electrones de valencia del slido no pertenecen a ningn tomo en
particular y son ms o menos libres de circular a travs de todo el
metal. Se puede interpretar que pertenecen al metal, formando un
"mar de electrones" o una,"nube de electrones". El ncleo y los
electrones que no son de valencia forman cationes, que poseen una
carga positiva igual al total de electrones de valencia por tomo.
La Figura 2.11 es una ilustracin esque mtica del enlace metlico.
Los electrones libres contrarrestan las fuerzas repulsivas
generadas entre cationes (cargados positivamente). En conse cuencia
el enlace metlico tiene carcter no direccional. Los electrones li
bres actan como elem ento de unin de los iones cargados
positivamente. La Tabla 2.3 muestra las energas de enlace y tem
peraturas de fusin de va rios metales. El enlace generado puede ser
fuerte o dbil; los valores de energa van desde 68 kJ/mol (0,7
eV/tom o) para el mercurio a 850 kJ/mol (8,8 eV/tom o) para el
tungsteno. Las tem peraturas de fusin son -39 y 3410C (-38 y
6170F), respectivamente. Este tipo de enlace es caracterstico de
los metales de los grupos IA y HA del sistema peridico y de todos
los elem entos metlicos. Estos materiales,
34. debido a los electrones libres, son buenos conductores de
la electricidad y del calor. 2.7 ENLACE SECUNDARIO O ENLACE DE VAN
DER WAALS Los enlaces secundarios, de Van der Waals, o fsicos son
dbiles en com pa racin con los prim arios o qumicos. Las energas de
enlace caractersticas son del orden de 10 kJ/mol (0,1 eV/tomo). En
realidad, existen enlaces se cundarios entre todos los tom os de
las molculas, pero su presencia puede pasar desapercibida si
concurre alguno de los tres tipos de enlaces primarios. Este tipo
de enlace, el secundario o fsico, es evidente en los gases inertes,
que tienen configuracin electrnica estable, y, adems, entre
molculas cu yos tom os estn unidos covalentem ente. Las fuerzas de
enlace secundario surgen de los dipolos atmicos o m ole culares. En
esencia, un dipolo aparece si hay alguna separacin entre las re
giones positiva y negativa de un tomo o molcula. El enlace es el
resultado de la atraccin entre el extrem o positivo de un dipolo y
la regin negativa del vecino, como indica la Figura 2.12.
Interacciones dipolares ocurren entre dipolos inducidos y dipolos
perm anentes (que poseen las molculas pola res). El enlace por
puentes de hidrgeno, un tipo especial de enlace secun dario,
aparece entre molculas que tienen tom os de hidrgeno en su
constitucin. Seguidamente se discuten los mecanismos de estos
enlaces. Dipolos atmicos o moleculares 2.7 ENLACE SECUNDARIO O
ENLACE DE VAN DER WAALS 23 Figura 2.11 Ilustracin esquemtica del
enlace metlico. Figura 2.12 Ilustracin esquemtica del enlace de
tipo Van der Waals entre dos dipolos www.FreeLibros.org
35. 24 ESTRUCTURA ATOMICA Y ENLACES INTERATMICOS 0 Nube de
electrones Ncleo atmico (a) Ncleo atmico Nube de electrones Figura
2.13 Representacin esque mtica de: (a) tomo elctricamente simtrico
y (b) dipolo atmico indu cido. 2.7.1 Enlace dipolo inducido
fluctuante En una molcula que norm alm ente es simtrica elctricam
ente se puede crear un dipolo inducido por la distribucin espacial
de los electrones res pecto a los ncleos cargados positivamente,
como se m uestra en la Figura 2.13a. Todos los tomos estn vibrando
constantem ente y pueden causar distorsiones instantneas en la
simetra elctrica de los tomos y molculas, creando pequeos dipolos
elctricos, como se m uestra en la Figura 2.136. A su vez, los
dipolos suelen desplazar la distribucin electrnica de tomos o
molculas prximas y generar otro dipolo que luego se enlaza dbilm
ente al primero: este es un enlace de tipo Van der Waals. Estas
fuerzas atractivas que se originan entre gran nm ero de tomos o
molculas son tem porales y su magnitud flucta con el tiempo. Este
tipo de enlace es el responsable de la condensacin y, a veces, de
la solidificacin de los gases inertes y de otras molculas elctricam
ente neu tras y simtricas, tales como H2 y Cl2. En aquellos m
ateriales en los cuales predom inan enlaces debidos a dipolos
inducidos, las tem peraturas de fusin y ebullicin son extrem adam
ente bajas; son los enlaces interm oleculares ms dbiles. Las
energas de enlace y las tem peraturas de fusin del argn y del cloro
tambin estn anotadas en la Tabla 2.3. 2.7.2 Enlace dipolo
inducido-molcula polar En algunas molculas existen dipolos perm
anentes como consecuencia de la distribucin asimtrica de regiones
cargadas positiva y negativam ente, son las denom inadas molculas
polares. La Figura 2.14 es la representacin es quemtica de una
molcula de cloruro de hidrgeno, en la cual el m om ento dipolar
perm anente se origina a partir de las cargas positiva y negativa
aso ciada a los extremos del hidrgeno y del cloro en la molcula de
HC1. Las molculas polares tambin pueden inducir dipolos en las
molculas apolares prximas, y el enlace es la resultante de las
fuerzas de atraccin en tre dos molculas. Adems, la magnitud de este
enlace aum enta con los di polos inducidos fluctuantes.
36. 25 2.7.3 Enlace con dipolos permanentes Tam bin existen
fuerzas de Van der W aals entre molculas polares adyacen tes. Las
energas de enlace asociadas son significativamente mayores que las
de los enlaces entre dipolos inducidos. El tipo de enlace
secundario ms fuerte, el enlace por puente de hidrge no, es un caso
particular del enlace de molcula polar. Tiene lugar entre m o
lculas con el hidrgeno unido covalentem ente al flor (como en el
HF), al oxgeno (como en el H 20 ) y al nitrgeno (como en el N H 3).
Para cada enlace H -F , H -O o N -H , el electrn solitario del
hidrgeno es com partido con otro tomo. D e este modo, el extrem o
hidrgeno del enlace es esencialm ente un simple protn cargado
positivam ente, sin electrones que lo apantallen. Este extrem o de
la m olcula cargado ms positivam ente es capaz de generar una
elevada fuerza de atraccin con el extrem o negativo de una molcula
adya cente, como se m uestra en la Figura 2.15 para el HF. En
esencia, este simple protn forma un puente entre dos tomos cargados
negativamente. La m ag nitud del enlace por puente de hidrgeno es
generalm ente m ayor que la aso ciada a otros tipos de enlaces
secundarios y puede llegar hasta 51 kJ/mol (0,52 eV/molcula), como
se indica en la Tabla 2.3. A consecuencia del en lace por puente de
hidrgeno, las tem peraturas de fusin y ebullicin del fluoruro de
hidrgeno (HF) y del agua H20 son norm alm ente altas, compa radas
con sus pesos moleculares. 2.8 MOLCULAS Para term inar este captulo
tratarem os brevem ente el concepto de molcula en trminos de los m
ateriales slidos. U na molcula puede definirse como 2.8 MOLCULAS
Figura 2.14 Representacin esque mtica de una molcula polar de clo
ruro de hidrgeno (HCI). Figura 2.15 Representacin esque mtica del
enlace de hidrgeno en el fluoruro de hidrgeno (HF).
37. 26 ESTRUCTURA ATM ICA Y ENLACcS INTERATM ICOS un grupo de
tomos unidos entre s por fuertes enlaces primarios. En este
contexto, las probetas slidas con slo enlaces inicos y metlicos se
pueden considerar como una molcula simple. Sin embargo, este
concepto no es v lido para las substancias en las cuales predom ina
el enlace covalente, como molculas elem entales diatmicas (F2, 0 2,
H 2, etc.) y un sin nm ero de com puestos (H 20 , C 0 2, H N 0 3,
C6H 6, CH4, etc.). En los estados slido y lquido condensado, los
enlaces entre molculas son secundarios dbiles. Por consi guiente,
los materiales moleculares tienen tem peraturas de fusin y de ebu
llicin relativam ente bajas. Muchos de ellos, los que estn
constituidos por pequeas molculas de pocos tomos, son gases a tem
peratura y presin am biental. Por otro lado, muchos de los m
odernos polmeros, m ateriales m ole culares compuestos de molculas
extrem adam ente grandes, existen como slidos; algunas de sus
propiedades dependen fuertem ente de la presencia de enlaces
secundarios de Van der W aals y enlaces por puente de hidrgeno.
RESUMEN Este captulo comienza con un repaso de los fundam entos de
la estructura atmica y con una exposicin de los modelos electrnicos
de los tom os de Bohr y de la Mecnica Ondulatoria. M ientras que en
el modelo de Bohr se considera que los electrones son partculas o
corpsculos que giran en rbi tas discretas alrededor de los ncleos,
la mecnica ondulatoria los considera como ondas y su posicin se
describe en trminos de una distribucin de pro babilidades. Los
estados energticos del electrn se especifican m ediante nmeros
cunticos que indican la colocacin de los electrones en niveles y
subniveles. La configuracin electrnica de un tomo corresponde a la
m anera de lle narse los niveles y subniveles cumpliendo el
principio de exclusin de Pauli. La tabla peridica de los elementos,
se forma ordenando los distintos ele mentos de acuerdo con su
configuracin electrnica de valencia. En los slidos, el enlace
atmico puede considerarse en trminos de las fuerzas y energas
atractivas y repulsivas. En los slidos, los tres tipos de en lace
prim ario son el inico, el covalente y el metlico. Para los enlaces
at micos, los iones se cargan elctricam ente por la transferencia
de electrones de valencia de un tipo de tom o a otro; las fuerzas
son culmbicas. En el en lace covalente existe comparticin de
electrones de valencia entre tomos contiguos. En el enlace metlico,
los electrones de valencia forman un "mar de electrones" uniform em
ente distribuidos en torno a los iones metlicos y actan de cem ento
de unin entre ellos. Los enlaces de Van der Waals y por puente de
hidrgeno, denom inados ambos enlaces secundarios, son dbiles com
parados con los primarios. Estos enlaces se originan por las
fuerzas de atraccin entre dipolos electrnicos, que pueden ser
inducidos o perm anentes. En el enlace por puente de hidr geno se
forman molculas altam ente polares al unirse covalentem ente al hi
drgeno o elem entos no metlicos tales como el flor.
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38. TRMINOS Y CONCEPTOS IMPORTANTES1 Configuracin electrnica
Enlace primario Modelo mecnico Dipolo (elctrico) Enlace secundario
ondulatorio Electrn de valencia Enlace de Van der Waals Mol
Electronegativo Estado electrnico Molcula polar Electropositivo
Estado fundamental Nmero cuntico Energa de enlace Fuerza de Coulomb
Peso atmico Enlace covalente Istopo Principio exclusin Pauli Enlace
de hidrgeno Mecnica cuntica Tabla peridica Enlace inico . Modelo
atmico de Bohr Unidad de masa atmica Enlace metlico BIBLIOGRAFA
(urna) La mayora de los conceptos de este captulo figura en los
libros de texto de qumica a nivel universitario. A continuacin se
hace referencia a dos libros K o l t z , J. C. and K. F. P u r c e
l l , Chemistry and Chemical Reactivity, 2nd edition, Saunders
College Publishing, Philadelphia, 1991. M a s t e r t o n , W. L.
and C. N. H u r l e y , Chemistry, Principies and Reactions,
Saunders College Publishing, Philadelphia, 1989. PROBLEMAS Y
CUESTIONES 2.1 (a) Qu es un istopo? (b) Por qu los pesos atmicos de
los elementos no son nmeros enteros? Citar dos razones. 2.2
Diferencia entre masa atmica y peso atmico. 2.3 (a) Cuntos gramos
hay en 1 urna de un material? (b) El mol, en este libro, . se toma
en unidades de mol-gramo. En este contexto, cuntos tomos hay en un
mol-peso de una sustancia? 2.4 (a) Citar dos importantes conceptos
mecnico-cunticos relacionados con el modelo atmico de Bohr. (b)
Citar dos importantes perfeccionamientos introducidos por el modelo
atmico de la mecnica ondulatoria. 2.5 Significado de cada uno de
los cuatro nmeros cunticos referente a los electrones y a los
estados electrnicos. 2.6 Los valores asignados a los nmeros
cunticos son los siguientes: = 1 ,2 ,3 ,... / = 0,1,2,3........, n
- l m = 0, 1, +2, 3,___,l ms = +1/2 1En cada captulo, la mayora de
los trminos que se indican en Trminos y conceptos importantes se
definen en el Glosario qu sigue al Apndice C. Los trminos que no
aparecen en el Glosario son*lo suficientemente importantes como
para ser tratados en una seccin entera del texto, por lo que pueden
buscarse mediante el ndice analtico o el ndice alfabtico. 27
PROBLEMAS Y CUFSTIONES
39. 28 ESTRUCTURA ATOM ICA Y ENLACES INTERATM ICOS Las
relaciones entre ti y las designaciones de nivel estn anotadas en
la Tabla 2.1. En relacin a los subniveles, I =0 corresponde a un
subnivel s / = 1corresponde a un subnivel p I = 2 corresponde a un
subnivel d / = 3 corresponde a un subnivel / En el nivel K, los
cuatro nmeros cunticos para cada uno de los dos electrones en el
estado b en el orden nlmms, son I0()(^) y ICK)[- . Escribir los
cuatro nmeros cunticos para todos los electrones de los niveles L y
M e indicar cules corresponden a los subniveles s, p y d. 2.7
Escribir la configuracin electrnica para los siguientes iones :
Ps+, P^, Sn4+, Se2~, r y Ni2+. 2.8 El xido clcico (C'aO) presenta
predominantemente enlace inico. Cules son los dos gases inertes que
tienen idnticas configuraciones electrnicas a los iones Ca2+ y O2?
2.9 Con respecto a la configuracin electrnica, qu tienen en comn
todos los elementos del grupo IA de la tabla peridica? 2.10 Sin
consultar la Figura 2.6 ni la Tabla 2.2, indicar si las
configuraciones electrnicas siguientes corresponden a un gas
inerte, a un halgeno, a un metal alcalino, a un metal alcalinotrreo
o a un metal de transicin. Justificar la respuesta. (a)
ls22s22p63s23p (b) b 22s22/?63s23/j63