KARLA OLIVARES MUÑOZ

IPRS-MA-3-1

Estructura Atómica ejercicios

Resolución:

Sección 2-1 Estructura De Materiales: Introducción

2.1. ¿Qué significa el término composición de un material?

El termino composición de un material significa una descripción química de un material

2.2. ¿Qué significa el término estructura de un material?

La estructura de un material en primer lugar estudia su estructura atómica modificando

sus propiedades y su comportamiento

2.3. ¿Cuáles son los diferentes niveles de estructura de un material?

 Macroestructura
 Microestructura
 Nanoestructura
 Arreglos atómicos
 Estructura atómica

2.4. ¿Por qué es importante tener en cuenta la estructura de un material cuando se

diseña y se fabrican componentes?

Porque las cualidades y propiedades que posee este material las podemos manipular y
adaptar a las necesidades de las diferentes aplicaciones.

2.5. ¿Cuál es la diferencia entre la microestructura y la Macroestructura de un

material?

La microestructura es la estructura del material a una escala de 10 a 1000 nm. Comprende

propiedades como el tamaño promedio del grano, la distribución de ese tamaño, la
orientación de grano entre otras.
La Macroestructura es la estructura del material a nivel macroscópico donde la escala de
longitud es de 1000 nm. Comprende propiedades como la porosidad, los recubrimientos
superficiales y las micro grietas internas o externas

Sección 2-2 Estructura Del Átomo

2.6.
a) El papel aluminio que se usa para almacenar alimentos pesa unos 0.3g por
pulgada cuadrada. ¿Cuántos átomos de aluminio contiene una pulgada
cuadrada de ese papel?

Masa atómica del Aluminio→26.981 g/mol

26.981g/mol→6.023×1023átomos/mol
0.3 g→ átomos de Al

Átomos de Aluminio=(6.023×1023átomos/mol)×(0.3 g)26.981g/mol=6.69×1021átomos

de Al
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Una pulgada cuadrada de aluminio contiene 6.69×1021 átomos de aluminio

b) Con las densidades y los pesos atómicos que se encuentran en el apéndice A,

calcule y compare la cantidad de átomos por centímetro cubico en i) el plomo y
ii) el litio.
Plomo:
11.36 g
( )(1 cm 3)(6.02 x 1023 atomos /mol)
cm3
=3.3 x 1022 atomos/cm 3
207.19 g /mol
Litio:
(0.534 g /cm3)(1 cm3)(6.02 x 1023 atomos /mol)
=4.63 x 1022 atomos /cm 3
6.94 g /mol

2.7.
a) Con los datos del apéndice A, calcule la cantidad de átomos de hierro en una
tonelada (1000 kg)
1000 Kg= 2204.62 lb
23 atomos ¿ =1.07 x 1026 atomos /ton
(2204.62 lb¿ (4.54 g /lb)(6.02 x 10 / mol)
55.847 g /mol
b) Con base en la información del apéndice A, calcule el volumen en centímetros
cúbicos, que ocupa una mol de boro.
81 g
(
( 1mol ) 10. )
mol =4.7cm3
2.3 g /cm3

2.8. Para enchapar una parte de acero que tiene un área de superficie de 1,250 cm
cuadrados con una capa de níquel de 0,005 cm de grosor.

A) ¿cuantos átomos de níquel se requieren?

V = A x e = 1,250 cm² x 0,005 cm = 0,00625 cm³
Masa = d x V
m = 8,90 g/cm³ x 0,00625 cm³
m = 0,0556 g
Por otra parte
59 g de Níquel = 1 mol = 6 x 10²³ átomos
x = 0,056 g × 6 × 10²³ at / 59 g
x = 5,69 ×10²⁰ átomos
B) ¿cuantos moles de níquel se requieren?
x = 0,056 g × 1 mol / 59 g
x = 0,000949 mol

Sección 2-3 Estructura electrónica del átomo

2.9. Defina el termino electronegatividad.

La electronegatividad es básicamente una medida que demuestra la capacidad que

ostenta un átomo de atraer para sí los electrones que corresponden a otro átomo cuando
ambos conforman un enlace químico.

2.10. Escriba la configuración electrónica de los siguientes elementos.

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a) Tungsteno [Xe] 6s² 4f¹⁴ 5d⁴

b) Cobalto [Ar] 3d7 4s2
c) Circonio [Kr] 4d² 5s²
d) Uranio [Rn] 5f3 6d1 7s2
e) Aluminio [Ne] 3s² 3p¹

2.11. Escriba la configuración electrónica el elemento Tc.

Tecnecio [Kr] 4d55s2

2.12. Suponiendo que se sigue el principio de Aufbau, ¿Cuál es la configuración

electrónica esperada con el numero atómico z=116?

Livermorio [Rn] 5f14 6d10 7s2 7p4 

2.13. utiliza do el principio de aufbau ¿Cuál es la configuración electrónica

esperada de un elemento hipotético con el numero atómico z=113

Unbitrio [Og] 5g3 8s2

2.14 Suponiendo que un elemento tiene valencia 2 y número atómico 27, y solo con
base en los números cuánticos, ¿Cuántos electrones debe haber en el nivel de
energía 3d?

Z=27   1S2,2S2,2P6,3S2,3P6, 4S2, 3D7 .

3d  tiene 7 electrones.

Sección 2-4 Tabla Periódica

2.15. La tabla periódica de los elementos puede ayudar a racionalizar las

tendencias de las propiedades de los elementos y compuestos con base en los
elementos de distintos grupos. Busque en la bibliografía y obtenga los coeficientes
de expansión térmica de los elementos del grupo 4B. Establezca una tendencia y
vea si se correlaciona con las temperaturas de fusión y otras propiedades (por
ejemplo, el espacio de banda) de estos elementos
Coeficiente de dilatación
Punto de Punto de x 10−6∗K −1
Elemento
fusión ebullición

Ti 1668 3287 8.6

Zr 1855 4409 5.7
Hf 2233 4603 5.9
Rf - - -
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El grupo IVB del Sistema Periódico está formado por los siguientes elementos: titanio,
circonio, hafnio y rutherfordio.

2.16. El enlace del compuesto intermetalico Ni3Al es principalmente metálico.

Explique por qué hay poco componente iónico, si es que lo hay, en el enlace. La
electronegatividad aproximada del níquel es 1.8.

La electronegatividad del Al es 1.5, cuando la del níquel es 1.8. Estos valores estar
relativamente cerca, así que no se puede esperar demasiado componente iónico.
También, ambos materiales son metales y prefieren aumentar sus electrones que
compartirlos o donarlos

2.17. Haga una gráfica de las temperaturas de fusión de los elementos de las
columnas desde la 4A hasta la 8 o 10 en la tabla periódica, en función del número
atómico. Es decir, grafique las temperaturas de fusión del Ti hasta el Ni, del Zr
hasta el Pd y del Hf hasta el Pt. Describa estas relaciones con base en el tipo de
enlace atómico y en las energías del enlace: a) al aumentar el número atómico en
cada fila de la tabla periódica y b) al aumentar el número atómico en cada
columna de la tabla periódica.
Ti – 1668 Zr – 1852 Hf – 2227
V – 1900 Nb – 2468 Ta – 2996
Cr – 1875 Mo – 2610 W – 3410
Mn – Tc – 2200 Re – 3180
1244
Fe – 1538 Ru – 2310 Os – 2700
Co – 1495 Rh – 1963 Ir – 2447
Ni - 1453 Pd - 1552 Pt - 1769

3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
Nf - Pt
0
Zr - Pd
Ti - Ni

Ti - Ni Zr - Pd Nf - Pt

Para cada una de las dilas, la temperatura de fusión la mayor cuando el nivel d está
completamente lleno. En Cr, hay 5 electrones en la capa 3d, en el Mo hay 5 electrones
en la capa 4d, en el W hay 4 electrones en la capa 5d. en cada columna, se incrementa la
temperatura de fusión al igual que el número atómico aumenta, los núcleos de los
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átomos contienen un mayor número de electrones fuertemente unidos, haciendo los

metales más estables.

2.18. Haga una gráfica de la temperatura de fusión de los elementos de la columna

1A en la tabla periódica, en función del número atómico. Es decir, grafique las
temperaturas de fusión del Li hasta el Cs. Describa la relación, con base en el
enlace atómico y la energía de enlace.

T (° C )
Li− Na−97.8K−63.2Rb−38.9
180.7
200
180 Serie 1
160
140
120
100
80
60
40
20
0
Li Na K Rb

Con forme el número atómico incrementa, la temperatura de punto de fusión disminuye.

Sección 2-5 Enlace atómico

2.19. Compare y contraste los enlaces primarios metálicos y covalentes en términos
de a) la naturaleza del enlace, b) la valencia de los átomos involucrados, y c) la
ductilidad de los materiales enlazados de estas formas.
 La naturaleza del enlace.
Enlaces primarios metálicos
La naturaleza del enlace metálico se debe a la atracción entre los electrones de valencia
de todos los átomos y los cationes que se forman, se produce únicamente entre los
átomos de un mismo elemento metálico.
Enlaces primarios covalentes
La naturaleza del enlace se debe entre los elementos no metálicos, o no metálicos con el
hidrogeno, es decir entre átomos electronegatividades semejantes y altas en general.
 La valencia de los átomos involucrados.
Enlaces primarios metálicos
Los átomos de los metales necesitan ceder electrones para alcanzar la configuración de
un gas noble. En este caso, los metales pierden los electrones de valencia y se forma una
nube de electrones entre los núcleos positivos.
Enlaces primarios covalentes
Estos átomos tienen muchos electrones en su nivel más externo (electrones de valencia)
y tienen tendencia a ganar electrones más que a cederlos, para adquirir la estabilidad de
la estructura electrónica de gas noble.
 La ductilidad de los materiales enlazados de estas formas.
Enlaces primarios metálicos
Los enlaces metálicos se deben muchas de las propiedades típicas de los metales, como
su solidez, su dureza, e incluso su maleabilidad y ductilidad.
Enlaces primarios covalentes
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Los enlaces primarios covalentes no tienen casi ductilidad, son duros y no son frágiles,
puesto que hay que romper fuertes enlaces covalentes para rayarlos, además no
conducen la electricidad en ningún estado físico.

2.20. Diferencie los tres principios de enlazamiento de los sólidos. ¿Qué es el

enlazamiento de van der Waal? ¿Cuáles son las energías relativas de enlace de los
diferentes mecanismos?

Es un tipo de enlace que se forma cuando los átomos o grupos de átomos tienen una
carga eléctrica no simétrica, lo que permite el enlazamiento por medio de una atracción
electrostática. La asimetría de la carga es resultado de los dipolos que se inducen o de
los dipolos permanentes.

2-21 ¿Qué tipo de enlazamiento posee el KCl? Explique su razonamiento con base
en la estructura electrónica y las propiedades electrónicas de cada elemento.

El KCl es el cloruro de potasio es un compuesto (sal haloidea) que presenta enlace

iónico, porque es la unión de un metal (potasio K) y un no metal (Cloro Cl), donde
ocurre cuando un electrón de uno de los átomos se une al otro átomo, produciendo la
unión de ion-catión, de modo que queda en uno de ellos un espacio libre de electrones,
el cual permite la circulación de corriente eléctrica.

2-22 El fosfuro de aluminio (AlP) es un material compuesto semiconductogr con

enlace iónico y covalente. Calcule la fracción del enlace iónico.

E_Al=1.5 E_P=2.1
〖fracción〗_covalente= e^(-0.25(2.1-1.5)^2 )=e^(-0.09)=0.914 →91.4%
〖fracción〗_iónica=1-0.914=0.086→ 8.6%∴el enlace es más covalente
.

2.23 Los materiales como el carburo de silicio (SiC) y el nitruro de silicio (Si 3Na) se
usan en aplicaciones de esmerilado y pulimentado; explique por qué se escogen
estos materiales para estas aplicaciones.

El carburo de silicio tiene buena resistencia al desgaste, al choque térmico y la

corrosión. Tiene bajo coeficiente de fricción, y conserva la resistencia mecánica a
temperaturas elevadas.

El nitruro de silicio tiene una elevada resistencia a la termofluencia a temperaturas

elevadas, una dilatación térmica baja y una conductividad térmica alta; en consecuencia,
es resistente al choque térmico.

2.24. ¿Qué clase de fuerzas de van der Waals actúan entre los átomos de argón?

Fuerza de dispersión de London

2.25. ¿Qué clase de fuerzas de van der Waals actúan entre las moléculas de agua?

Fuerza de Debye
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2.26. Explique porque la tensión superficial del agua es mayor que las de líquidos
orgánicos no polares.

La fuerza de Keesom relativamente grande entre las moléculas de agua es la causa de

que la tensión superficial (72 mJ/m2 o din/cm a temperatura ambiental) y el punto de
ebullición (100◦C) sean mucho mayores que los de muchos líquidos orgánicos de peso
molecular comparable (tensión superficial ≈ 20 din/cm; punto de ebullición hasta 80◦C).

2.27. Explique el papel de las fuerzas de van der Waals en el plástico PVC.

Las fuerzas de Van der Waals entre las cadenas de esos polímeros proveen una fuente
adicional de enlace. Los polímeros en los cuales están presentes las fuerzas de Van der
Waals tienden a ser relativamente más rígidos y tienen temperaturas de transición vítrea
(Tg) relativamente mayores. Los polímeros con enlace de Van der Waals son
relativamente frágiles a temperatura ambiente

2.28. ¿Por qué son importantes las fuerzas de van der Waals en la preparación de
lodos cerámicos y otras dispersiones?

Para preparar suspensiones estables de polvos cerámicos o metálicos, deben

sobrepasarse las fuerzas de van der Waals y otras de atracción entre las partículas. Esto
puede hacerse introduciendo cargas eléctricas iguales en las partículas (estabilización
electrostática) o adsorbiendo moléculas de un agente tenso activo, semejantes a las de
jabón, sobre las superficies de las partículas (estabilización estérica).

2.29. El berilio y el magnesio, ambos de la columna 2A de la tabla periódica, son

metales ligeros. ¿Cuál esperaría usted que tenga mayor módulo de
elasticidad? Explíquelo con base en la energía de enlace y los radios
atómicos, con los esquemas correspondientes de fuerzas en función de la
distancia interatómica.

4 Be 1s22s2 E = 42 x 106 psi rBe = 1.143 Å

12 Mg 1s22s22p63s2 E = 6 x 106 psirMg = 1.604 Å

Los electrones Be más pequeños están más cercanos al núcleo, por lo tanto, con más
fuerza, dando una energía más alta de unión.

2.30. El boro tiene un coeficiente de dilatación térmica mucho menor que el

aluminio, aun cuando ambos están en la columna 3B de la tabla periódica.
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Explique por qué es de esperarse esta diferencia, con base en la energía de

enlace, tamaño de átomos y el pozo de energía.

5B 1s22s22p1 rB = 0.46 Å
13 Al 1s22s22p63s23p1 rAl = 1.432 Å

Los electrones en el Al no estan tan firmemente unidos como los del B, debido al
tamaño mas pequeño del atomo de boro y la energia de enlace inferior asociado con su
tamaño

2.31. ¿Qué espera usted que tenga mayor módulo de elasticidad: el MgO o el
magnesio? Explique por qué.

MgO tiene enlaces iónicos, los cuales son fuertes comparados con los enlaces metálicos
en Mg. Una fuerza mayor es necesaria para causar la separación entre los iones en el
MgO comparada con los átomos en el Mg. A pesar de eso MgO tiene mayor módulo de
elasticidad. En el Mg, E=6x106 psi; en el MgO, E=30x106 psi.

2.32. ¿Qué espera usted que tenga mayor coeficiente de expansión térmica: el
Al2O3 o el aluminio? Explique por qué.
Al2O3 tiene enlaces más fuertes que el Al, a pesar de eso, el Al 2O3 tiene menor
coeficiente de expansión térmica que el Al. En el Al, α=25x10 -6 cm/cm°C; en el Al2O3,
α=6.7x10-6 cm/cm°C

2.33. El aluminio y el silicio son vecinos en la tabla periódica. ¿Cuál de ellos

espera usted que tenga mayor módulo de elasticidad (E)? Explique por qué.
El Silicio tiene enlaces covalentes y el aluminio tiene enlaces metálicos. A pesar de eso,
el Si tiene mayor módulo de elasticidad.

2.34. ¿Existe alguna tendencia en el número de electrones en la capa externa de

energía de los átomos o iones que han formado enlaces?
El número de electrones de la capa externa de un átomo particular determina su
reactividad o tendencia a formar enlaces químicos con otros átomos.

2.35. A fin de incrementar la temperatura de funcionamiento de un motor, se

sugiere que algunos de los componentes de aluminio sean recubiertos con un
material cerámico. ¿Qué tipo de problemas podría plantear esta cubierta? ¿Cómo
se pueden resolver?
A pesar de que contribuya para resistir altas temperaturas, generalmente se fracturan
ante esfuerzos de tensión y presentan poca elasticidad, dado que tienden a ser materiales
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porosos, por lo que sería más útil implementar un polímero de gran resistencia que
cumpla con lo requerido.

2.36. El aluminio y el silicio están lado a lado en la tabla periódica. Compare las
temperaturas de fusión de los dos elementos y explique la diferencia en términos
del enlazamiento atómico
La temperatura de fusión del aluminio es 660,3 °C y la del silicio es 1,414 °C, existe
una gran diferencia en su punto de fusión la estructura del silicio es mucho más
compacta por lo que requiere de mayor temperatura para romper su resistencia.

2.37.
2.38.

2.39. El berilio y el magnesio, ambos de la columna 2A de la tabla periódica, son

metales ligeros. ¿Cuál esperaría usted que tenga mayor módulo de
elasticidad? Explíquelo con base en la energía de enlace y los radios
atómicos, con los esquemas correspondientes de fuerzas en función de la
distancia interatómica.

4 Be 1s22s2 E = 42 x 106 psi rBe = 1.143 Å

12 Mg 1s22s22p63s2 E = 6 x 106 psirMg = 1.604 Å

Los electrones Be más pequeños están más cercanos al núcleo, por lo tanto, con más
fuerza, dando una energía más alta de unión.

2.40. El boro tiene un coeficiente de dilatación térmica mucho menor que el

aluminio, aun cuando ambos están en la columna 3B de la tabla periódica.
Explique por qué es de esperarse esta diferencia, con base en la energía de
enlace, tamaño de átomos y el pozo de energía.

5B 1s22s22p1 rB = 0.46 Å
13 Al 1s22s22p63s23p1 rAl = 1.432 Å
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Los electrones en el Al no estan tan firmemente unidos como los del B, debido al
tamaño mas pequeño del atomo de boro y la energia de enlace inferior asociado con su
tamaño

2.41. ¿Qué espera usted que tenga mayor módulo de elasticidad: el MgO o el
magnesio? Explique por qué.

MgO tiene enlaces iónicos, los cuales son fuertes comparados con los enlaces metálicos
en Mg. Una fuerza mayor es necesaria para causar la separación entre los iones en el
MgO comparada con los átomos en el Mg. A pesar de eso MgO tiene mayor módulo de
elasticidad. En el Mg, E=6x106 psi; en el MgO, E=30x106 psi.

2.42. ¿Qué espera usted que tenga mayor coeficiente de expansión térmica: el
Al2O3 o el aluminio? Explique por qué.

Al2O3 tiene enlaces más fuertes que el Al, a pesar de eso, el Al 2O3 tiene menor
coeficiente de expansión térmica que el Al. En el Al, α=25x10 -6 cm/cm°C; en el Al2O3,
α=6.7x10-6 cm/cm°C

2.43. El aluminio y el silicio son vecinos en la tabla periódica. ¿Cuál de ellos

espera usted que tenga mayor módulo de elasticidad (E)? Explique por qué.

El Silicio tiene enlaces covalentes y el aluminio tiene enlaces metálicos. A pesar de eso,
el Si tiene mayor módulo de elasticidad.

2.44. Explique por qué es de esperarse que el módulo de elasticidad de los

polímeros termoplásticos sencillos – como el polietileno y el poli estireno –
sea muy pequeño en comparación con los de los metales y los cerámicos.

Las cadenas de polímeros se llevan a cabo entre otras cadenas mediante enlaces de van
der Waals, que son mucho más débiles que las metálicas, iónicas y covalentes. Por esta
razón, se requiere de mucha menos fuerza para doblar y enderezar las cadenas.

2.45. Para tratar de proteger el acero, se reviste con una capa delgada de un
material cerámico contra la corrosión, ¿Qué cree usted que le sucederá al
recubrimiento cuando la temperatura del acero aumente en forma
apreciable? Explique por qué.
Se espera que los cerámicos tengan bajo coeficiente de expansión térmico debido a los
fuertes enlaces iónico/covalente; el acero tiene alto coeficiente expansión térmico
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cuando la estructura se calienta, el acero se expande más que el recubrimiento, el cual

puede agrietarse y exponer el acero a corrosión.

2.46. ¿Por qué se considera que el módulo de elasticidad es una propiedad

insensible a la estructura?

Cada material posee un Módulo de Young propio, el cual es determinado por la

Rigidez Intrínseca de dicho material (la cual como se mencionó anteriormente, es
insensible a la estructura de defectos y solo cambia con la temperatura y con la
estructura cristalina), por lo que se dice que la deformación elástica es una
propiedad intrínseca.
2.47.
2.48.