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Foundations of Materials
Science and EngineeringSixth Edition
William F. Smith
Javad Hashemi
© 2019 McGraw-Hill Education. All rights reserved. Authorized only for instructor use in the classroom. No reproduction or further distribution permitted without the prior written consent of McGraw-Hill Education.
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CHAPTER 2
Atomic Structure and
Bonding
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History of Atom
Siglo XVII: Robert Boyle afirmó que los elementos están formados por "cuerpos simples" que a su vez no están formados por ningún otro cuerpo.
Siglo XIX: John Dalton declaró que la materia está compuesta de pequeñas partículas llamadas átomos.
Siglo XIX: Henri Becquerel y Marie yPierre Curie en Francia, presentó laconcepto de radiactividad.
Thompson encontró electrones.
En 1910 Ernest Rutherford encontró protones.
En 1932, James Chadwick encontró neutrones.
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Rutherford Experiment
Experimento Rutherford: Animación.
Para ver la animación:https://www.youtube.com/watch?v=Pc0LWkUWPI8
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EXPERIMENTO DE RUTHERFORDErnest Rutherford bombardeó una lámina muy delgada de oro con una carga positiva de una partícula. Se dio cuenta de que muchas de las partículas pasan a través de la lámina sin desviación, algunas están ligeramente desviadas, y algunas son en gran parte desviadas o rebotan completamente. Concluyó que:
1) la mayor parte del átomo debe estar formado por un espacio vacío (así la mayoría de las partículas pasan a través sin desviación) y
2) 2) un pequeño vecindario en el centro del átomo, el núcleo,alberga partículas cargadas positivamente propias.
Sugirió que las partículas alfa que se desviaron intensamente o se recuperaron deben haber interactuado estrechamente con el núcleo cargado positivamente del átomo. Las partículas cargadas positivamente en el núcleo se llamaban protones. Más tarde se determinó que el protón lleva la misma cantidad de carga que un electrón pero opuesto en signo y tiene una masa de 1.672 X 10-24 g (1840 veces la masa del electrón). Para un protón esta cantidad de carga está representada por +1. Además, dado que los átomos son eléctricamente neutros, deben tener un número igual de electrones y protones.
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Structure of Atoms
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Atomic Number and Atomic MassNúmero atómico: número de protones en el núcleo
Unico para un elemento
Ejemplo :- Hidrógeno n.o 1, Uranio 9223Relative atomic mass Mass in grams of 6.023 10
( ) Atoms.=
Avogadro Numbers
El número de masa (A) es la suma de protones y neutrones en un núcleo de un átomo. Ejemplo :- El carbono tiene 6 protones y 6 neutrones. A 12.Una unidad de masa atómica es 1/12 de masa de átomo de carbono.
Un gramo de lunares: masa atómica de gramo de un elemento.Isótopo: Variaciones de elemento con el mismo número atómico pero número de masa diferente.
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Ejemplo 1
Una aleación de 100 gramos de níquel y cobre consiste en 75 wt% Cu y 25 wt% Ni. ¿Cuáles son el porcentaje de átomos De Cu y Ni en esta aleación?
P): 75g Cu Peso Atómico 63.54
25g Ni Peso Atómico 58.69
( )
75 gNumber of gram moles of Cu 1.1803 mol
63.54 g/mol
25 gNumber of gram moles of Ni 0.4260 mol
58.69 g/mol
1.1803Atomic Percentage of Cu 100 73.5%
1.1803 0.4260
0.4260Atomic Percentage of Ni
1.1803 0.42
= =
= =
= =+
=+( )
100 25.5%60
=
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Example Problem 2
Un compuesto intermetálico tiene la fórmula química NixAly, donde x e y son enteros simples, y consta de 42,04 wt% de níquel y 57,96 wt% de aluminio. ¿Cuál es la fórmula más simple de este aluminida de níquel?
No. of moles of Ni 42.04 g Ni 1 mol Ni 58.71 g Ni
No. of moles of Al 57.96 g Al 1 mol Al 26.98 g Al
mole fraction of Ni 0.7160 2.864 0.25
mole fraction of Al 2.148 2.864 0.7
= =
= =
=
= =
= =
0.7160 mol
2.148 mol
total 2.864 mol
0.25 0.75 3
5
The simplest formula is Ni Al . or NiAl .
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Planck’s Quantum Theory
Max Planck, descubrió que los átomos y moléculas emiten energía sólo en ciertas cantidades discretas, llamadas quanta (h, constante de Planck).
James Clerk Maxwell propuso que la naturaleza de la luz visible es en forma de radiación electromagnética.
/= =E h hc La energía siempre se libera en múltiplos enteros de hu
©kravka/Shutterstock
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Estructura electrónica de los átomos: Teoría de Bohr
El electrón gira a niveles de energía definidos.
La energía se absorbe para pasar a un nivel de energía más alto.
La energía se emite durante la transición al nivel inferior.
Energy change due to transitionhc
E
= =
Absorb Energy
(Photon)
Emit Energy
(Photon)
34
h Planks Constant
6.63 10 J.s
c Speed of light
Wavelength of light
−
=
=
=
=
https://www.youtube.com/watch?v=_RUAuoj8Ha4
https://www.youtube.com/watch?v=xIGDkFRqGEQ
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Energía en el átomo de hidrógeno
El átomo de hidrógeno tiene un protón y un electrón
La energía de los átomos de hidrógeno para diferentes niveles de energía es dada por
2
13.6(n 1,2 ) E ev principal quantum numbers
n= =
Ejemplo:- Si un electrón sufre la transición del estado n-3 al estado n-2, la energía del fotón emitido es
2 2
13.6 13.61.89
3 2E ev = − =
La energía necesaria para eliminar completamente un electrón del átomo de hidrógeno se conoce como energía de ionización
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Espectro de emisión de hidrógeno
F.M. Miller, Chemistry: Structure and Dynamics, McGraw-Hill, 1984, p. 141.
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Espectros de emisiones
Espectros de emisión de hidrógeno: animación.
Para ver esta animación: https://www.youtube.com/watch?v=htw88Q2qNjs
https://www.youtube.com/watch?v=DE2_sES1Ozk
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Principio de Incertidumbre y Funciones de Onda de Schrodinger
El modelo de Bohr no explica átomos complejos.
Louis de Broglie: Las partículas de materia como los electrones podrían tratarse en términos de partículas y ondas.
= h mv
Werner Heisenberg (principio de incertidumbre): Es imposible determinar simultáneamente la posición exacta y el impulso exacto de un cuerpo.
4x m u h • Δx es la incertidumbre en la posición,y Δu es la incertidumbre en la velocidad.
Sólo podemos proporcionar la probabilidad de encontrar un electrón con una energía dada dentro de un espacio dado (densidad de electrones).
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Densidad de Electrones
La solución de la ecuación de onda es en términos de una función de onda, ψ (orbitals).
El cuadrado de la olafunción representadensidad de electrones.
Superficie límiteRepresentación.
Probabilidad total
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Números cuánticos de electrones de átomos 1
Número cuántico principal (n)
Representa los principales niveles de energía.
Alcance 1 a 7.
Cuanto mayor sea la 'n' mayor será la energía.
Número de quantum i4 Subsidiario
Representa los niveles de energíasub (orbital).
Rango 0... n-1.
Representado por letras s,p,d y f.
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S, p and d Orbitals
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Hibridización
Hibridación: Animación.
Para ver esta animación: https://www.youtube.com/watch?v=k68L4jjnd4A
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Números cuánticos de electrones de átomos 2
Número cuántico magnético ml.
Representa la orientación espacial de un solo orbital atómico.
Los valores permisibles son de l a +l.
Ejemplo:- si l es 1,ml 1,0,+1.
Es decir, 2l+1 valores permitidos.
No hay efecto sobre la energía.
Número cuántico de giro de electrones ms.
Especifica dos direcciones de giro de electrones.
Las indicaciones son en el sentido de las agujas del reloj o en el sentido
contrario a las agujas del reloj.
Los valores son +1/2 o 1/2.
Dos electrones en el mismo orbital tienen giros opuestos.
No hay efecto sobre la energía.
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Estructura electrónica del átomo multielectrónico
El número máximo de electrones en cada caparazón atómico es dado por 2n2.
El tamaño atómico (radio) aumenta con la adición de vaciados.
Configuración de electrones enumera la disposición de electrones en orbital.
Ejemplo :-
• Para el hierro, (Z-26), la configuración electrónica es 1s2 2s2 sp6 3s2 3p6
3d6 4s2
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Átomos multielectrones
Efecto de carga del núcleo: Cuanto mayor sea la carga del núcleo, mayor será la fuerza de atracción de un electrón y menor será la energía del electrón.
Efecto de protección: Los electrones se protegen unos a otros de toda la fuerza del núcleo.
Los electrones internos protegen los electrones externos y lo hacen más eficazmente.
En una cáscara principal dada, n, cuanto menor sea el valor de l, menor será la energía de la subconcha; s < p < d <f.
Figure 2.9
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El modelo cuántico-mecánico y la tabla periódica
Los elementos se clasifican según su configuración de electrones en el estado del suelo.
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Periodic Table
Davis, M. and Davis, R., Fundamentals of Chemical Reaction Engineering, McGraw-Hill, 2003.
https://www.ptable.com/?lang=es#Writeup/Wikipedia
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Variaciones periódicas en el tamaño atómico
Tamaño atómico: la mitad de la distancia entre los núcleos de dos átomos adyacentes (radio metálico) O idénticos (radio covalente).
Afectado por el número cuántico principal y el tamaño del núcleo.
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Radio atómico
Radio atómico: animación.
Para ver esta animación: https://es.khanacademy.org/science/chemistry/periodic-table/periodic-table-trends-bonding/v/atomic-radius-trend
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Tendencias en Ionización Energía
Energía necesaria para eliminar un electrón de su átomo.
La primera energía de ionización juegael papel clave en el producto químicoReactividad.
A medida que el tamaño atómico disminuyese necesita más energía para remover un electrón.
como el primer núcleo exterior se elimina el electrón,se necesita más energía para eliminar un segundo exterior
núcleo de electrones
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Número de oxidaciónNúmero de oxidación positivo: El número de electrones externos que un átomo puede renunciar a través del proceso de ionización.
R.E. Davis, K.D. Gailey, and K.W. Whitten, Principles of Chemistry, Saunders College Publishing, 1984, p. 299.
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Estructura electrónica y actividad química 1
Excepto el helio, la mayoría de los gases nobles (Ne, Ar, Kr, Xe,
Rn) son químicamente muy estables
Todos tienen configuración s2 p6 para el vaciado más externo.
El helio tiene 1s2 configuración
Los elementos electropositivos dan electrones durante las reacciones químicas para formar cationes.
Las cationes están indicadas por números positivos de oxidación
Ejemplo:-2 2 6 2 6 6 2
2+ 2 2 6 2 6 6
3+ 2 2 6 2 6 5
Fe : 1s 2s sp 3s 3p 3d 4s
Fe : 1s 2s sp 3s 3p 3d
Fe : 1s 2s sp 3s 3p 3d
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Estructura electrónica y actividad química 2
Los elementos electronegativos aceptan electrones durante la reacción química.
Algunos elementos se comportan como electronegativos y electropositivos.
La electronegatividad es el grado en que el átomo atrae a los electrones a sí mismo
Medido en una escala de 0 a 4.1
Ejemplo :- La electronegatividad del flúor es 4.1La electronegatividad del sodio es 1.
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Tendencias en la afinidad de electrones
Afinidad con los electrones: Tendencia a aceptar uno o más electrones y liberar energía.
La afinidad de electrones aumenta (más energía se libera después de aceptar un electrón) a medida que nos movemos a la derecha a través de un período y disminuye a medida que nos movemos hacia abajo en un grupo.
Los grupos 6A y 7A tienen en general las afinidades de electrones más altas.
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Metales, Metaloides y NoMetálicos
Metales reactivos: (o simplemente metales): Materiales electropositivos, tienen la tendencia natural de perder electrones y en la forma de proceso catión.
No metálicos reactivos (o simplemente no metálicos): Electronegativos, tienen la tendencia natural de aceptar electrones y en el proceso forman aniones.
Metaloides: Pueden comportarse de forma metálica o no metálica.
Ejemplos:
En el grupo 4A, el carbono y los dos miembros siguientes, el silicio y el germanio, son metaloides, mientras que el estano y el plomo, son metales.
En el grupo 5A, el nitrógeno y el fósforo son no metálicos, el arsénico y el antimonio son metaloides, y finalmente el bismuto es un metal.
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Enlaces primarios
La unión con otros átomos, la energía potencial de cada átomo de unión se reduce dando como resultado un estado más estable.
Tres combinaciones de unión primaria: 1) metal-no metálico, 2) no metálico-no metálico, y 3) metal-metal.
Enlaces iónicos :- Fuertes enlaces atómicos debido a la transferencia de electrones
Enlaces covalentes :- Gran fuerza interactiva debido al intercambio de electrones
Enlaces metálicos :- Enlaces no direccionales formados por la compartición de electrones
Enlaces dipolo permanentes :- Enlaces intermoleculares débiles debido a la atracción entre los extremos de los dipolos permanentes.
Enlaces dipolo fluctuantes :- Enlaces dipolo eléctricos muy débiles debido a la distribución asimétrica de densidades de electrones.
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Unión iónicaLa unión iónica se debe a la fuerza electrostática de atracción entre cationes y aniones.
Puede formarse entre elementos metálicos y no metálicos.
Los electrones se transfieren de átomos electropositivos a electronegativos
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Enlaces iónicos
Gran diferencia en electronegatividad.
Cuando un metal forma un catión, su radio se reduce y cuando un no metálico forma un anión, su radio aumenta.
The electronegativity variations
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Unión iónica - Ejemplo
Ionic bonding in NaCl
Figure 2.10
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Fuerza iónica para el par de iones
El núcleo de un ion atrae el electrón de otro ion.
Las nubes de electrones de iones se rechazan entre sí cuando están lo suficientemente cerca.
Estas dos fuerzas se equilibrarán entre sí cuando se alcance la distancia interiónica de equilibrio, a0, y se forme un vínculo
Fuerza versus distancia de separación para un par de iones cargados de forma opuesta
Figure 2.11
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Ion Force for Ion Pair( ) ( )
( ) ( )
2
1 2 1 2
2 2
0 04 4
attractive
e eZ Z eZ ZF
a a = =
Z1,Z2 = Número de electrones eliminados oañadido durante la formación de iones
e = Carga electrónica, a = Distancia de separación interiónica
ε = Permeabilidad del espacio libre ( )12 2 28.85 10 c /Nm−
(n and b are constants)
1nrepulsive
nbF
a+
= −
( )
2
1 2
12
04
nnet
nbeZ ZF
aa+
= −
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Fuerza interiónica - Ejemplo
Fuerza de atracción entre los iones Na+ y Cl+
1 2
19 12 2 2
0
0
10
Z 1 for Na , Z 1 for Cl
e 1 .60 10 C, ε 8.85 10 C /Nm
a Sum of Radii of Na and Cl ions
0.095 nm 0.181 nm 2.76 10 m
−
− −
+ −
−
= + = −
= =
=
= + =
( )( ) ( ) ( )
( ) ( )
22 19
91 2
2 12 2 2 10
0
1 1 1.60 10 C3.02 10 N
4 8.85 10 C /Nm 2.76 10 m4attraction
eZ ZF
a
−
−
− −
+ − = = = +
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Energías interiónicas para pares de iones
Energía potencial neta para un par de iones cargados en sentido opuesto =
Enet es mínimo cuando los iones están en la distancia de separación de equilibrio a0
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Arreglos de iones en sólidos iónicos
Los enlaces iónicos son no direccionales
Los arreglos geométricos están presentes en los sólidos para mantener la neutralidad eléctrica.
Example:- in NaCl, six Cl− ions pack around central Na+ Ions
CsCl NaCl
Ionic packing In NaCl and CsCl
Figure 2.13
A medida que disminuye la relación entre catión y radio de anión, menos aniones rodean la catión central.
C.R. Barrett, W.D. Nix, and A.S. Tetelman, The Principles of Engineering Materials, Prentice-Hall, 1973, p. 27.
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Energías de uniónLas energías en celosía y los puntos de fusión de sólidos iónicamente unidos son altos.
La energía de la celosía disminuye cuando aumenta el tamaño del ion.
Los electrones de unión múltiple aumentan la energía de la celosía.
Ejemplo :-NaCl Lattice energy = 766 KJ/mol
Melting point = 801°C
CsCl Lattice energy = 649 KJ/mol
Melting Point = 646°C
BaO Lattice energy = 3127 KJ/mol
Melting point = 1923°C
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Energía de unión
Considere la producción de LiF: resultado en el lanzamiento de aproximadamente 617 kJ/mole.
Paso 1. Convertir Li sólido en Li gaseoso (1s22s1): 161 kJ/mole de energía.
Paso 2. Conversión de la molécula F2 a átomos F: 79,5 kJ/mole.
Paso 3. Extracción del electrón 2s1 de Li para formar un catión, Li+: 520 kJ/mole.
Paso 4. Transferencia o adición de un electrón al átomo F para formar un anión, F-: 328 kJ/mole.
Paso 5. Formación de un sólido iónico a partir de iones gaseosos: energía de celosía, desconocida a 617 kJ a [161 kJ + 79,5 kJ + 520 kJ a 328 kJ] a 1050 kJ
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Energía de celosía, propiedades de materiales
Los sólidos iónicos son duros, rígidos y fuertes y quebradizos.
Excelentes aisladores.
Table 2.7 Bonding energies, electron configurations, and melting points of the fourth-period metals of the periodic table.
Element ElectronConfiguration
Bonding Energy kJ/mol
Bonding Energy kcal/mol
MeltingPoint (°C)
K 4s1 89.6 21.4 63.5
Ca 4s2 177 42.2 851
Sc 3d14s2 342 82 1397
Ti 3d24s2 473 113 1660
V 3d34s2 515 123 1730
Cr 3d54s1 398 95 1903
Mn 3d54s2 279 66.7 1244
Fe 3d64s2 418 99.8 1535
Co 3d74s2 383 91.4 1490
Ni 3d84s2 423 101 1455
Cu 3d104s1 339 81.1 1083
Zn 4s2 131 31.2 419
Ga 4s24p1 272 65 29.8
Ge 4s24p2 377 90 960
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Vinculación covalente
En la unión covalente, los electrones s y p externos se comparten entre dos átomos para obtener una configuración de gas noble.
Tiene lugar entre elementos conpequeñas diferencias en la electronegatividady cerca en tabla periódica.
En hidrógeno, se forma un vínculoentre 2 átomos compartiendo sus1s1 electrones
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Vinculación covalente - Ejemplos
En caso de F2, O2 and N2, la unión covalente se forma compartiendo electrones p
Gas fluorado (orbital externo – 2s2 2p5) compartir un electrón p para lograr una configuración de gas noble.
Oxygen (Outer orbital - 2s2 2p4) atoms share two p electrons
Nitrogen (Outer orbital - 2s2 2p3) atoms share three p electrons
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Longitud, orden y energía del enlace
Para un par dado de átomos, con una orden de unión más alta, la longitud del enlace disminuirá; a medida que disminuya la longitud del enlace, la energía del enlace aumentará (H2, F2, N2)
Bonos no polares: reparto de laelectrones de unión es igualentre los átomos y los enlaces.
Bono covalente polar: Compartirlos electrones de unión es desigual(HF, NaF).
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Vinculación covalente en carbono
El carbono tiene configuración electrónica 1s2 2s2 2p2
La hibridación causa uno de los 2s orbitales promovidos a 2p orbital. Resultado: cuatro orbitales sp3.
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Estructura del diamante
Cuatro orbitales sp3 se dirigen simétricamente hacia las esquinas del tetraedro regular.
Esta estructura proporciona alta dureza, alta resistencia a la unión (711KJ/mol) y alta temperatura de fusión (3550 oC).
Carbon Atom Tetrahedral arrangement in diamond
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Moléculas que contienen carbono
En el metano, el carbono forma cuatro enlaces covalentes con el hidrógeno.
Las moléculas están muy semanalmente unidasjuntos resultando en un bajo derretimientotemperatura (183oC).
El carbono también se une a sí mismo.
Las moléculas con múltiples enlaces de carbono son más reactivas.
Examples:-
Methane molecule
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Vinculación covalente en benceno
La composición química del benceno es C6H6.
Los átomos de carbono están dispuestos en anillo hexagonal.
Los enlaces simples y dobles alternan entre los átomos.
Structure of Benzene Simplified Notations
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Enlace iónico VS Covalente
Enlace iónicos contra covalentes: Animación.
Para ver esta animación:https://www.youtube.com/watch?v=EGRllaEUkQU
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Unión metálica 1
Los átomos en los metales están estrechamente embalados en estructura cristalina.
Los electrones de valencia de limitados sueltos se atraen hacia el núcleo de otros átomos.
Los electrones se extienden entreátomos formando nubes de electrones.
Estos electrones libres sonrazón de la electricidadconductividad y ductilidad
Dado que los electrones exteriores soncompartido por muchos átomos,los bonos metálicos sonNo direccional
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Unión metálica 2La energía general de los átomos individuales se reduce mediante enlaces metálicos
La energía mínima entre átomos existe a la distancia de equilibrio a0
Menos el número de electrones de valencia involucrados, más metálico es el enlace.
Example:- Na Bonding energy 108KJ/mol, Melting temperature 97.7°C
Cuanto mayor sea el número de electrones de valencia involucrados, mayor es la energía de unión.
Example:- Ca Bonding energy 177KJ/mol, Melting temperature 851°C
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Enlaces metálicos y propiedades de materiales 1
Las energías de unión y el punto de fusión de los metales varían en gran medida dependiendo del número de electrones de valencia y el porcentaje de unión metálica.
Table 2.7 Energías de unión, configuraciones de electrones y puntos de fusión de los metales del cuarto período de la tabla periódica.
Element ElectronConfiguration
Bonding Energy kJ/mol
Bonding Energy kcal/mol
MeltingPoint (°C)
K 4s1 89.6 21.4 63.5
Ca 4s2 177 42.2 851
Sc 3d14s2 342 82 1397
Ti 3d24s2 473 113 1660
V 3d34s2 515 123 1730
Cr 3d54s1 398 95 1903
Mn 3d54s2 279 66.7 1244
Fe 3d64s2 418 99.8 1535
Co 3d74s2 383 91.4 1490
Ni 3d84s2 423 101 1455
Cu 3d104s1 339 81.1 1083
Zn 4s2 131 31.2 419
Ga 4s24p1 272 65 29.8
Ge 4s24p2 377 90 960
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Enlaces metálicos y propiedades de materiales 2
Los metales puros son significativamente más maleables que los materiales en red iónicos o covalentes.
La resistencia de un metal puro se puede aumentar significativamente a través de la aleación.
Los metales puros son excelentes conductores de calor y electricidad.
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Vinculación secundaria
Los enlaces secundarios se deben a las atracciones de los dipolos eléctricos en átomos o moléculas.
Los dipolos se crean cuando existen centros de carga positivos y negativos.
Figure 2.26
Hay dos tipos de enlaces: permanentes y fluctuantes.
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Dipolo fluctuanteBonos secundarios débiles en gases nobles.
Los dipolos se crean debido a la distribución asimétrica de cargas de electrones.
La carga de la nube de electrones cambia con el tiempo.
Symmetrical distribution of
electron charge
Asymmetrical Distribution
(Changes with time)
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Dipoles permanentes
Los dipolos que no fluctúan con el tiempo se denominan dipolos permanentes.
Examples:-
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Enlaces de hidrógenoLos enlaces de hidrógeno son la interacción dipolo-dipolo entre
enlaces polares que contienen átomo de hidrógeno.
Ejemplo :-
En el agua, el dipolo se crea debido a la disposición asimétrica de los átomos de hidrógeno.
Atracción entre el polo de oxígeno positivo y el polo de hidrógeno
negativo.