SEMANA 4

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Sustancias Puras

Las sustancias puras están formadas por átomos o moléculas todas iguales, tienen propiedades específicas que las caracterizan y no pueden separarse en otras sustancias por procedimientos físicos. Las sustancias puras se clasifican en elementos y compuestos

Elemento

Los elementos también pueden llamarse sustancias puras simples y están formados por una sola clase de átomos, es decir, átomos con el mismo número de protones en su núcleo y por lo tanto con las mismas propiedades químicas. Los elementos no pueden descomponerse en otras sustancias puras más sencillas por ningún procedimiento. Son sustancias puras simples todos los elementos químicos de la tabla periódica. A las sustancias formadas por moléculas compuestas por átomos iguales también se les considera elementos, por ejemplo el oxígeno gaseoso, oxígeno molecular o dioxígeno.

Compuesto

Los compuestos son sustancias formadas por la unión de dos o más elementos de la tabla periódica en proporciones fijas.
Una característica de los compuestos es que poseen una fórmula química que describe los diferentes elementos que forman al compuesto y su cantidad. Los métodos físicos no pueden separar un compuesto, éstos solo pueden ser separados en sustancias más simples por métodos químicos, es decir, mediante reacciones.
Por ejemplo, el agua es una sustancia pura, pero si la sometemos a electrólisis la podemos separar en los elementos que la forman, el oxígeno y el hidrógeno.

Mezcla

Una mezcla resulta de la combinación de dos o más sustancias donde la identidad básica de cada una no se altera, es decir, no pierden sus propiedades y características por el hecho de mezclarse, porque al hacerlo no ocurre ninguna reacción química.
Por ejemplo, si se mezcla limadura de hierro con azufre, cada sustancia conserva sus propiedades. La composición de las mezclas es variable, las sustancias que componen a una mezcla pueden presentarse en mayor o menor cantidad. Otra característica de las mezclas es que pueden separarse por métodos físicos.
En la mezcla de hierro y azufre puede utilizarse la propiedad de magnetismo que presenta el hierro para ser separado del azufre.
                 

Mezcla homogénea

Las mezclas homogéneas se llaman también disoluciones. Tienen una apariencia totalmente uniforme por lo que sus componentes no pueden distinguirse a simple vista. Se dice que este tipo de mezclas tiene una sola fase. En química se denomina fase a una porción de materia con composición y propiedades uniformes. Por ejemplo, el agua de mar está formada por agua y muchas sales solubles, donde se observa una sola fase.

Mezcla heterogénea

Las mezclas heterogéneas presentan una composición no uniforme, sus componentes pueden distinguirse a simple vista, en otras palabras, se observan diferentes sustancias en la mezcla. Los componentes de este tipo de mezcla existen como regiones distintas que se llaman fases. Una mezcla heterogénea se compone de dos o más fases. Si observas la piedra de granito, puedes ver zonas de distinto color que indican que la roca está formada de cristales de distintas sustancias.

SOLUCIONES SÓLIDAS

 Son muy pocos los metales que se utilizan de forma pura o casi pura, pues la mayoría de ellos se combinan con otros metales o no metales para conseguir materiales de mayor dureza, resistencia mecánica, resistencia a la
corrosión u otras propiedades. Estos materiales se conocen con el nombre de aleaciones

En toda aleación se debe cumplir:
— Los elementos a mezclar deben ser totalmente miscibles en estado liquido, para que al solidificar se origine un producto homogéneo.
—— El producto obtenido debe poseer carácter metálico; es decir, su estructura interna ha de ser igual que la de los metales.
Algunos ejemplos los tenemos en el latón ( tiene el 70% de cobre y 30% de cinc ) u otras más complejas como las aleaciones a base de níquel utilizadas en motores a reacción, en cuya composición existen unos diez elementos .

Al elemento que aporta la mayor proporción se le denomina disolvente y soluto al de menor proporción.
La aleación cristaliza según la misma red tridimensional del disolvente.
Si lo anterior no se cumple, o sea, la red que se adopta es la del elemento que aporta menos parte de la mezcla, es a éste al que se denomina disolvente
Las soluciones sólidas pueden ser de dos tipos
— De sustitución, cuando algunos átomos de la red cristalina del metal se encuentran sustituidos por átomos de otro metal diferente.
— De inserción, cuando en los espacios interatómicos de la red cristalina de un metal se introducen átomos extraño.

Soluciones Sólidas de sustitución

Las condiciones que se deben cumplir son

• Ambos metales han de cristalizar en el mismo sistema.
• Debe tener la misma valencia y por tanto el número de electrones que ceden a la nube electrónica es el mismo.
• Electronegatividad: Debe e ser lo mas parecida posibles.
• Los diámetros atómicos no deben diferir en más de un 15%.

Se puede dar el caso que aún cumpliéndose todas las condiciones anteriores, la solubilidad no sea total, o sea solo admita un determinado porcentaje. El cobre y el Níquel la forma de forma ilimitada pero no otros

ALEACIÓN POR SOLUCIÓN SÓLIDA DE INSERCIÓN

En este caso, los átomos de soluto se introducen en los intersticios existentes en la red cristalina del disolvente.
Se cumple cuando el tamaño de los átomos del soluto es muy pequeño comparado con el disolvente. Ejemplos son Carbono, Oxígeno, Nitrógeno o Hidrógeno.
Un ejemplo es la ferrita (BCC) conde tenemos el carbono en los huecos de la red del hierro.

Diagrama de Fases Binarios Los diagramas de fases binarios tienen sólo dos componentes. En ellos la presión se mantiene constante, generalmente a 1 atm. Los parámetros variables son la temperatura y la composición. Los diagramas de fases binarios son mapas que representan las relaciones entre temperatura, composición y cantidad de fases en equilibrio, las cuales influyen en la microestructura de una aleación. Muchas microestructuras se desarrollan a partir de transformaciones de fases, que son los cambios que ocurren entre las fases cuando se altera la temperatura (en general, en el enfriamiento). Esto puede implicar la transición de una fase a otra, o la aparición o desaparición de una fase.

                 

- Orden de corto y largo alcance
- Estructuras cristalinas
- Puntos, direcciones y planos de una celda unitaria
- Las Celdas Tridimensionales
- Puntos, planos y direcciones en una celda unitaria.
- Sitios intersticiales
- Cristale iónicos y covalentes
- Transformaciónes alotrópicas o polimórficas
- Difracción de Rayos-X
http://webdelprofesor.ula.ve/ingenieria/marquezronald/wp-content/uploads/2009/08/2_Organizaci%C3%B3n-at%C3%B3mica.PDF
http://www.upct.es/~dimgc/webjoseperez/DOCENCIA_archivos/Aplicaciones_DRX_Apuntes_y_ejercicios.PDF

orden de corto y largo alcance

 En los materiales cristalinos, las partículas componentes muestran un ordenamiento regular que da como resultado un patrón que se repite en las tres dimensiones del espacio, y a lo largo de muchas distancias atómicas. Los sólidos cristalinos poseen internamente un orden de largo alcance. La situación en un cristal es tal que el entorno de un determinado tipo de átomo siempre es el mismo (los mismos átomos vecinos y a idénticas distancias).
 
 
En los materiales amorfos, los átomos siguen un ordenamiento muy localizado, restringido a pocas distancias atómicas y que, por tanto, no se repite en las tres dimensiones del espacio. Se habla de un orden local o de corto alcance. En la siguiente figura se ilustran los conceptos de largo y corto alcance, en un esquema bidimensional.
 
 
 

Ilustración de los conceptos: (izq.) de orden de largo alcance y (dcha.) de corto alcance. Obsérvese cómo en este último el orden sólo se restringe a ciertas zonas. Los puntos pueden representar un átomo, una molécula o un grupo de átomos o moléculas.}   Redes tridimensionales: En este caso la celda unidad queda definida por tres traslaciones fundamentales (a, b y c) los ángulos que forman: a (entre b y c), b (entre a y c), y g (entre a y b) Del apilamiento de estas redes se obtienen las redes tridimensionales. Existen 14 tipos diferentes de redes tridimensionales (redes de Bravais) que se agrupan en 7 sistemas cristalinos diferentes. Cada sistema cristalino viene caracterizado por unos determinados valores de las traslaciones y de los ángulos que forman de su celda unidad:  A la celda unidad más sencilla (sólo elementos en los vértices) se le denomina primitiva (P). Pueden, según los grupos, existir otro tipo de celdas: centrada en el interior (I), centrada en 2 caras (C), o centrada en todas las caras (F).   cristales iónicos y covalentes            La estructura y propiedades, como densidad, dureza y punto de fusión, de los cristales, están determinados por el tipo de fuerzas que mantienen unidas a las partículas. Un cristal podrá clasificarse dentro de uno de estos grupos: iónico, covalente, molecular o metálico. Los cristales iónicos poseen dos características importantes. La primera es que están formados por especies cargadas; y la segunda, es que los aniones y cationes suelen ser de distintos tamaños. La mayoría de los cristales iónicos tienen puntos de ebullición elevados, que refleja la gran fuerza de cohesión que mantiene juntos a los iones. La estabilidad de los cristales iónicos depende de la energía reticular; cuanto mayor es esta energía, más estable es el compuesto. Además, lo sólidos cristalinos no conducen la electricidad ni el calor, debido a que los cationes y aniones se encuentran en posiciones fijas. En el estado fundido o disueltos en agua, los iones recuperan la movilidad y se convierten en buenos conductores. Además presentan elevados puntos de fusión y son quebradizos. El cloruro de sodio es un ejemplo de cristal iónico. Los átomos en los cristales covalente se mantienen unidos en una red tridimensional por enlaces covalentes. Las propiedades en este tipo de cristales no siguen una línea específica. Por ejemplo, el diamante, presente hibridación sp3 en cada uno de sus átomos; este enlace en tres dimensiones es fuerte y contribuye con la dureza particular del diamante (es el material más duro que se conoce) y con su elevado punto de fusión (3350°C). Su alótropo el grafito, presenta átomos con hibridación sp2 y un orbital 2p remante sin hibridar. En esta estructura los electrones pueden moverse libremente, lo que hace al grafito buen conductor. A diferencia del diamante, el grafito es menos duro y se presenta untuoso al tacto debido a que las capas se mantienen unidas por simples fuerzas de van der Waals, por lo que se pueden deslizar entre sí. Esta propiedad lo hace buen lubricante.   Transformaciones alotrópicas o polimorfas Los materiales que pueden tener más de una estructura cristalina se llaman alotrópicos o polimórficos. El término alotropía se reserva para este comportamiento en elementos puros, mientras que polimorfismo es más general. En la tabla se ve como el hierro y el titanio pueden tener más de una estructura cristalina; a bajas temperaturas el hierro es BCC pero a temperaturas más altas se convierte en FCC. Muchos cerámicos como el SiO2 son polimórficos. La transformación puede venir acompañada de un cambio de volumen durante el calentamiento o enfriamiento. De no estar controlada correctamente, este cambio hará que el material se agriete y falle. Difracción de los rayos x   La difracción de rayos X es uno de los fenómenos físicos que se producen al interaccionar un haz de rayos X, de una determinada longitud de onda, con una sustancia cristalina. La difracción de rayos X se basa en la dispersión coherente del haz de rayos X por parte de la materia (se mantiene la longitud de onda de la radiación) y en la interferencia constructiva de las ondas que están en fase y que se dispersan en determinadas direcciones del espacio. El fenómeno de la difracción puede describirse con la Ley de Bragg, que predice la dirección en la que se da interferencia constructiva entre haces de rayos X dispersados coherentemente por un cristal

En la segunda semana de clases el tema fue estructura del átomo:
 

Estructura del átomo

Según esto, el átomo quedó constituido así:

- Una zona central o núcleo donde se encuentra la carga total positiva (la de los protones) y la mayor parte de la masa del átomo, aportada por los protones y los neutrones.

- Una zona externa o corteza donde se hallan los electrones, que giran alrededor del núcleo.

Hay los mismos electrones en la corteza que protones en el núcleo, por lo que el conjunto del átomo es eléctricamente neutro

Número atómico: Es el número de protones de un átomo. Se representa con la letra Z y se escribe como subíndice a la izquierda del símbolo del elemento: _ZX.

Ejemplos: ₁H, ₈O, ₂₆Fe.

Número másico: Es la suma del número de protones y del número de neutrones de un átomo. Se representa con la letra A y se escribe como superíndice a la izquierda del símbolo del elemento: ^AX.

Ejemplos: ¹H, ⁸O, ²⁶Fe.

De esta manera se pueden identificar el número y tipo de partículas de un átomo:

³₁H -----> Este átomo tiene Z = 1 y A = 3. Por tanto, tiene 1 protón, 3 - 1 = 2 neutrones y, como es neutro, tiene 1 electrón.

Si tenemos un ion habrá que sumar o restar electrones a los que tendría si el átomo fuese neutro.

- Si es un catión habrá perdido electrones y hay que restar el número que aparezca con la carga positiva:

²⁵₁₂Mg⁺² -----> Este átomo tiene Z = 12 y A = 25. Por tanto, tiene 12 protones, 25 - 12 = 13 neutrones y, al ser positivo, tendrá 2 electrones menos de los que tendría neutro: 12 - 2 = 10 electrones.

- Si es un anión habrá ganado electrones y hay que sumar el número que aparezca con la carga negativa:

¹⁹₉F^-1 -----> Este átomo tiene Z = 9 y A = 19. Por tanto, tiene 9 protones, 19 - 9 = 10 neutrones y, al ser negativo, tendrá 1 electrón más de los que tendría si fuese neutro: 9 + 1 = 10 electrones.

Aquí puedes introducir Z, A y la carga (con su signo) para un átomo determinado y obtendrás el número de partículas que tiene:

Masa atómica relativa

La masa atómica relativa de un elemento es la que corresponde a uno de sus átomos y equivale prácticamente a la suma de las masas de sus protones y neutrones, ya que la de los electrones es tan pequeña que puede despreciarse. Así, la mayor parte de la masa del átomo se encuentra en el núcleo.

 

La distribución de electrones

Con el modelo atómico de Bohr sólo se podía explicar el espectro del átomo de hidrógeno. Hacia 1920 se introdujeron modificaciones y se desarrollaron nuevos modelos atómicos.

De acuerdo con este nuevo modelo, alrededor del núcleo hay capas o niveles de energía:

- En la primera capa se sitúan, como máximo, 2 electrones.

- En la segunda capa se sitúan, como máximo, 8 electrones.

- En la tercera capa se sitúan, como máximo, 18 electrones.

...

La distribución por capas de los electrones de un átomo de un elemento se conoce como estructura o configuración electrónica del elemento.

Ejemplos: 2He Tiene sólo 2 electrones. Se sitúan en la primera capa. Se representa como (2). Las capas se colocan entre paréntesis y se separan por comas. 10Ne -> (2,8) 18Ar -> (2,8,8) 11Na -> (2,8,1) 15P -> (2,8,5)

A los electrones que están situados en la última capa se les denomina electrones de valencia y, al nivel que ocupan, capa de valencia. Estos electrones son los responsables de las propiedades químicas de las sustancias