UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA – CALI FACULTAD DE INGENIERÍA PROGRAMA DE INGENIERÍA INDUSTRIAL QUÍMICA DE LOS MATERIALES Taller No. 2 – ESTRUCTURA ATÓMICA ATÓMICA Y ENLACE Profesor: Armando Mejía G. 1. ¿Cuál es la masa en gramos de a) un protón; b) un neutrón y c) un electrón? 2. ¿Cuál es la carga eléctrica en culombios de a) un protón; b) un neutrón y c) un electrón? 3. Defina a) numero atómico; b) unidad de masa atómica; c) numero de Avogadro y d) masa de un átomo relativa. 4. ¿Cuál es la masa en gramos de un átomo de oro? 5. ¿Cuántos átomos hay en un gramo de oro? 6. Un alambre de oro tiene 0.70 mm de diámetro y 8.0 cm. de largo ¿cuantos átomos contiene? La densidad del oro es 19.3 g/cm 3. 7. ¿Cuál es la masa en gramos de un átomo de molibdeno? 8. ¿Cuantos átomos hay en un gramo de molibdeno? 9. Una soldadura contiene 52% en peso de estaño y 48% en peso de plomo ¿Cuáles son los porcentajes porcentajes atómico atómicoss de estaño estaño y plomo plomo en la la soldadura soldadura?? 10. Una aleación de nonel esta formada por 70% en peso de níquel y 30% en peso de cobre. ¿Cuáles son los porcentajes atómicos de Ni y Cu en esta aleación? 11. Una aleación de cuproníquel esta formada por 80% en peso de Cu y 20% en peso de Ni. ¿Cuáles son los porcentajes atómicos de Cu y Ni en la aleación? 12. ¿Cuál es la formula química de un compuesto ínter metálico que contiene 49.18% de Cu y 50.82% de Au? 13. ¿Cuál es la formula química de un compuesto inter-metalico con un 15.68% en peso de Mg y 84.32% en peso de Al? 14. Defina que es un fotón. 15. Calcule la energía en julios y electrón-voltios de un fotón cuya longitud de onda es 303.4 nm. 16. Calcule la energía en julios y electrón-voltios de un fotón cuya longitud de onda es 226.4nm. 17. Un átomo de hidrogeno tiene un electrón en el estado n = 4. El electrón baja al estado n = 3. Calcule a) la energía del fotón emitido; b) su frecuencia y c) su longitud de onda en nanómetros (nm). 18. Un átomo de hidrogeno tiene un electrón en el nivel n = 6. El electrón baja al estado n = 2. Calcule a) la energía del fotón emitido; b) su frecuencia y c) su longitud de onda nm. 19. En un generador comercial de rayos X, metales estables tales como el cobre (Cu) o volframio (W) se encuentran expuestos a un haz de electrones de alta energía. Estos electrones originan un proceso de ionización en los átomos del metal. Cuando los átomos del metal regresan a su estado básico emiten rayos X de energía y longitud de onda características. Por ejemplo, un átomo de tungsteno que sufre el impacto de un haz de electrones de alta energía puede perder uno de sus electrones de la capa K. Cuando esto sucede, otro electrón probablemente de la capa L del tungsteno “cae” en el sitio vacante de la capa K. Si tal transición 2 p→1 s ocurre en el tungsteno, se emite un rayo X, W K α. Un rayo X, K α del tungsteno, tiene una longitud de onda λ de 0.02138 nm. ¿Cuál es su energía? ¿Cual es su frecuencia?
20. La mayoría de los modernos microscopios electrónicos de barrido (SEM) están equipados con detectores de energía dispersiva de rayos X que facilitan el análisis químico de la muestra. Este análisis por rayos X es una extensión natural de la capacidad del SEM debido a los electrones que se emplean para formar la imagen y que son también capaces de crear rayos X característicos de la muestra. Cuando un haz de electrones incide sobre la muestra, se generan rayos X específicos de los elementos de la misma. Éstos pueden detectarse y emplearse para deducir la composición de la muestra a partir de las longitudes de onda bien conocidas de los rayos X característicos de los elementos. Por ejemplo: Elemento Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn
Longitud de onda de rayos X K α 0.2291 nm 0.2103 nm 0.1937 nm 0.1790 nm 0.1659 nm 0.1542 nm 0.1436 nm
Supóngase que se analiza una aleación metálica en un SEM y se detectan tres diferentes energías de rayos X. Si las tres energías son 7 492; 5 426 y 6 417 eV, ¿Qué elementos se encuentran presentes en la muestra? ¿Cómo se podría llamar a tal aleación? (consulte capitulo 9 texto guía.)
21. 22. 23. 24. 25. 26. 27. 28. 29. 30. 31. 32. 33. 34. 35. 36. 37. 38. 39. 40.
Describa el modelo de Bohr del átomo de hidrogeno. ¿Cuáles son las deficiencias más importantes de este modelo? ¿Cuál es la energía de ionización, en el electrón-voltios, del electrón de hidrogeno en su estado bAsico? Describa los cuatro números cuánticos de un electrón y de sus valores permitidos. Escriba la configuración electrónica de los siguientes elementos; emplee la notación spdf: a) itrio; b) hafnio; c) samario y d) renio. ¿Cuál es la configuración electrónica más externa para todos los gases nobles excepto el helio? De los gases nobles Ne, Ar, Kr y Xe, ¿Cuál debería ser el más reactivo químicamente? Defina el término electronegatividad. ¿Cuáles cinco elementos son los mas electropositivos de acuerdo con la escala de electronegatividad? ¿Cuáles cinco elementos son los mas electronegativos de acuerdo con la escala de electronegatividad? Escriba la configuración electrónica de los siguientes iones empleando la notación spdf: a) Cr 2+, Cr 3+, Cr 6+; b) Mo3+, Mo4+, Mo6+ y c) Se4+, Se6+, Se2-. Describa brevemente los siguientes tipos de enlace primario: a) iónico; b) covalente y c) metálico. Describa los siguientes tipos de en lace secundario: a) dipolo inducido y b) dipolo permanente. En general ¿Por qué se produce un enlace entre los átomos? Describa el proceso de enlace iónico entre par de átomos, sodio y cloro. ¿Qué electrones intervienen en el proceso de enlace? Después de la ionización, ¿Por qué el ión de sodio es más pequeño que el átomo de sodio? después de la ionización, ¿Por qué el ión cloruro es más grande que el átomo de cloro? Calcule la fuerza de atracción (→←) entre par de iones K + y Br - que apenas se tocan. Suponga que el radio iónico de K + es 0.133 nm y el Br - es 0.196nm. Calcule la fuerza de atracción (→←) entre par de iones Ba 2+ y S 2- que apenas se tocan. Suponga que el radio iónico del Ba 2+ es 0.143 nm y el del S 2- es 0.174 nm. Calcule la energía potencial neta para el ión Ba 2+ S2- empleando la constante b calculada en el problema 37. Suponga n = 9.5. Calcule la energía potencial neta para el ión Ba 2+ S2- empleando la constante b calculada en el problema 38. Suponga n = 10.5.
41. 42. 43. 44. 45. 46. 47. 48. 49. 50. 51. 52. 53. 54. 55. 56. 57. 58. 59. 60. 61. 62. 63. 64. 65. 66.
Si la fuerza atractiva entre el par de iones Cs + y I- es 2.38 x 10 -9 N y el radio iónico del Cs+ es 0.165nm, calcule el radio iónico de ión I - en nanometros. Si la fuerza atractiva entre par de iones Sr 2+ y O2- es 1.29x 10 -8 N y el radio iónico del ión O 2- es 0.132 nm, calcule el radio iónico del Sr 2+ en nanometros. Describa los dos factores principales que pueden tenerse en cuenta en el ordenamiento de los iones de un cristal iónico. Describa el proceso para la formación de un enlace covalente entre un par de átomos de hidrogeno. ¿Cuál es la energía determinante de la formación de una molécula diatómica? Describa la disposición electrónica por enlace covalente en las siguientes moléculas diatómicas: a) flúor; b) oxigeno y c) nitrógeno. describa el proceso de hibridación para la formación de cuatro orbitales híbridos sp3 equivalentes en el carbono durante el enlace covalente. Utilice diagramas de orbitales. Especifique que átomos enlazados a un átomo de C exhiben hibridaciones sp3, sp2 y sp. Para cada una, de la disposición geométrica de los átomos en la molécula. ¿Por qué es el diamante un material tan duro? Describa el proceso de la formación del enlace metálico entre un agregado de átomos de cobre. ¿Cómo pueden explicarse las altas conductividades eléctricas y térmicas de metales por el modelo de “gas electrónico” del enlace metálico? ¿Y la ductilidad? El punto de fusión del potasio metálico es 63.2 ºC, mientras que el del titanio es 1 660 ºC. ¿Qué explicación puede darse para esta notable diferencia en las temperaturas de fusión? ¿Existe correlación entre las configuraciones electrónicas de los elementos desde el potasio (Z = 19) hasta el cobre (Z = 29) y sus respectivos puntos de fusión? (véanse las tablas 2.8 y 2.9) Empleando los valores de la tabla 2.9 de metalitividad-covalente, calcule valores para porcentaje de enlace covalente y de enlace metálico en el titanio metálico. Empleando los valores de la tabla 2.9 de metalitividad-covalente, calcule valores para porcentaje de enlace covalente y de enlace metálico en el tungsteno metálico. Defina momento dipolar eléctrico. Describa el enlace por dipolo inducido que existe entre los átomos del gas noble león. Entre los gases nobles kriptón y xenón. ¿Cuál cabria esperar que tenga el enlace bipolar mas fuerte y por que? describa el enlace por dipolo permanente entre moléculas covalentes polares. El tetracloruro de carbono (CCl4) tiene un momento bipolar nulo. ¿Qué puede decir sobre la disposición del enlace C ─ Cl. en esta molécula? Describa el enlace de hidrogeno. ¿Entre que elementos esta restringido este enlace? Describa el puente de hidrogeno entre las moléculas de agua. El metano (CH4) tiene una temperatura de ebullición más baja que la del agua (H 2O). Explique por que ocurre esto, con respecto al enlace entre moléculas, en cada una de estas dos sustancias. Esboce un tetraedro y haga un pequeño modelo de cartón y cinta de dos pulgadas de lado. Haga lo mismo para un octaedro¿Cuál es la ecuación de Pauling para determinar el porcentaje de carácter iónico en un compuesto con enlace mixto iónico-covalente? Compare el porcentaje de carácter iónico de los compuestos semiconductores CdTe e InP. Compara el porcentaje de carácter iónico en los compuestos semiconductores InSb y ZnTe. Para cada uno de los siguientes compuestos, establezca si el enlace es esencialmente metálico, covalente, iónico, Van der Waals o de puente de hidrogeno: a) Ni; b) ZrO2; c) grafito; d) Kr solidó; e) Si; f) BN; g) SiC; h) Fe2O3; i) MgO; j) W; k) H2O, dentro de las moléculas, y l) H2O, entre las moléculas. Si los enlaces, iónico y covalente están implicados en el enlace de cualquiera de los compuestos antes citados, calcule el porcentaje de carácter iónico en cada compuesto.
PROBLEMAS EN LA SELECCIÓN DE MATERIALES Y DISEÑO 1. Los cartuchos de latón se fabrican con una aleación de 70% en peso de cobre y 30% en peso de zinc. Exponga la naturaleza de los enlaces entre el cobre y el zinc en esta aleación. 2. El aluminio puro es un metal dúctil con abaja resistencia a la tensión y poca dureza. Su oxido Al2O3 (alúmina) es extremadamente fuerte, duro y frágil. ¿Puede explicar la diferencia existente desde el punto de vista de los enlaces atómicos? 3. El grafito y el diamante están constituidos por átomos de carbono. a) especifique algunas características de cada uno; b) de una aplicación para el gafito y otra para el diamante y c) si ambos materiales están constituidos de carbono, ¿Por qué tienen propiedades tan diferentes? 4. El silicio es ampliamente empleado en la manufactura de dispositivos para circuitos integrados para transistores y diodos emisores de luz. A menudo es preciso aplicar una delgada capa de oxido (SiO2) en las obleas de silicio. a) ¿Qué diferencias existen entre las propiedades del sustrato de silicio y la capa de oxido?; b) diseñe un proceso que sintetice la capa de de oxido sobre la obleas de silicio y c) diseñe un proceso que forme la capa de oxido solamente en ciertas áreas deseadas. 5. En la manufactura de una bombilla se procede a sacar el aire y se llena con gas argón. ¿Cuál es el propósito? 6. el acero inoxidable es una aleación resistente a la corrosión debido a que contiene grandes cantidades de cromo. ¿Cómo protege el cromo al metal de la corrosión? 7. los robots se emplean en las industrias de automoción para soldar dos componentes en sitios específicos. Evidentemente, la posición final del brazo debe determinarse en precisión para soldar los componentes en la posición necesaria. a) en la selección del material del brazo del robot; ¿Qué factores deben considerarse? Y b) seleccione un material adecuado para esta aplicación. 8. a) Explique por que el contacto entre un metal duro y otro blando no es adecuado para aplicaciones donde sea importante la “resistencia de la abrasión”; b) ¿Cómo protegería una herramienta de acero de corte de su deterioro prematuro? y c) diseñe un proceso para solucionar el problema. 9. Una determinada aplicación necesita un material que debe ser muy duro y resistente a la corrosión a temperatura y atmósfera ambientales. Seria benéfico, aunque no necesariamente, que el material fuera también resistente al impacto. a) si usted solo considera las características principales, ¿Qué clase de materiales investigaría para su selección?; b) si usted considera todo tipo de características ¿Qué clase de materiales investigaría? y c) sugiera un material. 10. Determinada aplicación demanda un material que sea ligero en peso, aislante eléctrico y algo flexible. a) ¿Qué clase de materiales investigaría para su selección? Y b) explique su respuesta desde el punto de vista de los enlaces presentes. 11. Determinada aplicación demanda un material que no sea conductor (aislante eléctrico), extremadamente rígido y ligero. a) ¿Qué clase de materiales investigaría para su elección? y b) explique su respuesta desde el punto de vista de los enlaces presentes.
Armando Mejía Giraldo - Profesor de Tiempo Completo Facultad de Ingeniería - Programa de Ingeniería Industrial
