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CURSO A DISTANCIA – ELEMENTOS BÁSICOS DE FÍSICA Y QUÍMICA – Unidad IV
UNIDAD IV. LA ESTRUCTURA DE LA MATERIA
Introducción y Orientaciones para el Estudio
Y ahora, un poco de química. Después de haber recorrido las ideas centrales de la mecánica y
haber podido construir en nuestra comprensión el concepto de energía, que era nuestro objetivo
declarado, le daremos un vistazo a la intimidad de los materiales. Materiales que, por ejemplo, se
utilizan en los semiconductores, componentes obligados de los dispositivos informáticos. El curso
de Electromagnetismo-estado sólido I comienza con este tema, aunque desarrollado con mayor
profundidad.
Esta unidad es breve y la lectura amena y de corrido. La descripción que se hace del micromundo,
resulta algo fantástica, se parece en algo a una novela de aventuras, pero es real, por lo menos
hasta donde los conocimientos científicos actuales permiten conocer la realidad... y si es que
ésta, finalmente, existe.
Es la mecánica cuántica la que nos obliga a pensar así. Este capítulo de la física es
verdaderamente complicado, pero nosotros sólo lo consideramos superficialmente y utilizamos
algunos de sus resultados, sin que ni una sola ecuación interrumpa la lectura. Hemos incluído
algunos dibujos con la pretensión de representar de alguna manera lo que se describe, pero no
hay que pensar que las cosas son así. En realidad, no tiene sentido pensar en cómo es el aspecto
de cosas que no pueden ser vistas de ninguna manera, y no por limitaciones técnicas, sino por su
propia naturaleza.
A diferencia de las unidades anteriores, no hemos incluído en ésta los acostumbrados ejercicios,
ya que este tema se discutirá, más adelante, en clases presenciales. De todas formas, no duden
en consultar con los tutores cualquier tipo de dudas.
OBJETIVOS.
Tener una visión general de los conocimientos actuales sobre la estructura de la materia.
Conocer el papel de la mecánica cuántica en la comprensión de estos temas.
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CURSO A DISTANCIA – ELEMENTOS BÁSICOS DE FÍSICA Y QUÍMICA – Unidad IV
LA ESTRUCTURA DE LA MATERIA
EL MODELO ATÓMICO-MOLECULAR.
Hay, a nuestro alrededor, una inmensa cantidad y variedad de cuerpos. Los hay sólidos, líquidos y
gaseosos, de distintos colores, densos y livianos, algunos aptos para comer, otros tóxicos, algunos
que sirven para vestirse o son más bien adecuados para construir casas, etc.
Desde los tiempos más remotos el hombre se ha hecho preguntas sobre la naturaleza íntima de los
objetos a su alrededor y cómo esta naturaleza determinaba, o no, sus propiedades . Desde los
primitivos brujos a los alquimistas y de éstos a los químicos y físicos contemporáneos, se ha recorrido
un difícil camino de construcción del conocimiento. Camino que, por supuesto, no ha terminado de
recorrerse ni, previsiblemente, pueda completarse jamás.
Echémosle un vistazo a lo conseguido. En primer lugar, podemos distinguir entre los cuerpos puros y
los formados por más de un componente. Los primeros, a su vez pueden ser simples o compuestos.
Por ejemplo:
En éstos todas las
moléculas son iguales.
Es lo que llamamos
"sustancia"
PUROS
agua
sal
monóxido de carbono
hierro
azúcar
MEZCLAS
papel
arena
granito
aire
tierra
Aquí hay distintas
moléculas
Dentro de estas moléculas,
hay distintas clases de
átomos
Todos los
átomos son
iguales
SIMPLES
azufre
hierro
oxígeno
silicio
germanio
COMPUESTOS
azúcar
sal
agua
benceno
permanganato de
potasio
Claro que el concepto de sustancia pura es una idealización. En cualquier porción de cualquier
cuerpo que consideremos puro, siempre habrá moléculas extrañas. Por ejemplo, un centímetro
cúbico del silicio más puro fabricado por el hombre, contiene varios millones de moléculas de
impurezas. El silicio grado electrónico es uno de los materiales más puros que se conocen.
Bien, ¿pero qué son los átomos y las moléculas?
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Hay aproximadamente
100 clases de átomos.
Molécula: es la parte
más pequeña de una
sustancia que conserva
sus propiedades.
está formada
por
átomos
Átomo: es la unidad
de la materia
sustancial.
Hay muchos millones de moléculas
distintas.
O sea: Los átomos
son los "ladrillos" con los que se construyen las moléculas. Las distintas
combinaciones de los aproximadamente cien átomos
distintos, dan origen a los millones de moléculas, o
sea sustancias, diferentes. En algunas sustancias
simples, las moléculas tienen un solo átomo. Allí
átomo y molécula son la misma cosa.
Una visión de los distintos estados de
agregación de la materia, desde el modelo
atómico-molecular. En el sólido las moléculas
forman una estructura ordenada, que se
desorganiza en el líquido y desaparece
completamente en el gas.
Las moléculas son partículas de un tamaño del orden
de la milésima del micrón1, que están en permanente
movimiento. Hay fuerzas de atracción entre ellas y
cuando estas fuerzas son grandes en relación a la
energía cinética, el movimiento se restringe a
vibraciones alrededor de posiciones fijas. Estamos en
presencia de un cuerpo que conserva su forma, o sea
un sólido. Que un cuerpo aumente su temperatura,
significa que sus moléculas, en promedio, aumentan
su energía cinética. Al alcanzar determinado nivel, las
moléculas comenzarán a desplazarse unas respecto
a las otras, ya no se mantiene la forma del cuerpo;
esto es el estado líquido. Un mayor aumento de la
temperatura, llevará a que las moléculas se separen
más entre sí convirtiéndose en partículas libres que
viajan por el espacio que las rodea hasta chocar con
otras o con las de la pared del recipiente; esto es el
estado gaseoso.
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En realidad hay macromoléculas, mucho más grandes y las más sencillas como la molécula de hidrógeno, son
considerablemente más pequeñas. Se da este valor como indicativo.
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Los átomos que las forman también se mueven, girando sobre sí mismos y acercándose y alejándose
entre sí muchas veces por segundo.
Y, ¿cómo es un átomo?. ¡Básicamente es vacío!.
Mediante experiencias muy claras se ha logrado
determinar que casi toda la masa de un átomo está
confinada en una región del orden de 10-15 m. A esta
región se le da el nombre de núcleo y se ha comprobado
que tiene una carga eléctrica neta positiva. También se
ha podido determinar que la distancia entre un núcleo y
su vecino es del orden de 10-10 m. Por el espacio entre
los núcleos se mueven, a enorme velocidad, unas
partículas, de masa casi nula y carga eléctrica negativa
que se equilibra exactamente la del núcleo.
Si aumentáramos el
tamaño del núcleo hasta
1cm, los electrones de
valencia se encontrarían
a una distancia promedio
de... ¡1 kilómetro!.
Hablamos de distancias tan pequeñas que cuesta imaginarlas, ¡pero ocurre que una es 100.000
veces mayor que la otra!. Está claro que estas proporciones no pueden ser representadas por ningún
dibujo dentro de esta hoja.
Las partículas negativas son los electrones, mientras que en el núcleo se han podido individualizar
dos clases de partículas estables; protones y neutrones. En el cuadro siguiente se resumen las
características en cuanto a carga eléctrica y masa:
Partícula
Electrón
Carga relativa
-1
Masa relativa
1/2000
Neutrón
0
1
Protón
+1
1
Ahora bien, dijimos que había unos cien átomos distintos. Este modelo nos proporciona una
explicación sobre las diferencias entre ellos. El átomo más sencillo (el de hidrógeno) está formado por
un único protón en el núcleo y un electrón. La carga neta es nula.. Hay un átomo que contiene dos
protones y dos electrones (helio), luego otro con tres y tres, (litio) y así sucesivamente hasta el más
complejo con alrededor de 100 protones y 100 electrones (los más complejos son inestables y han
sido obtenidos artificialmente). A partir del helio, el núcleo contiene, además, un número creciente de
neutrones. El hecho interesante es que conocemos todos los tipos de átomos intermedios entre el
hidrógeno y el más pesado, por lo que podemos estar razonablemente seguros que sólo se puede
aumentar la lista por el lado de los átomos super pesados, crecientemente inestables.
El número de protones en el núcleo, se llama número atómico y se designa habitualmente con el
símbolo Z. La suma de neutrones y protones se llama número de masa y, aunque no es exactamente
lo mismo nos referiremos a él como peso atómico.
ESTRUCTURA ELECTRÓNICA. MECÁNICA CUÁNTICA.
Los electrones que, como vimos, constituyen la envoltura del átomo, están dispuestos según una
estructura que no puede ser explicada satisfactoriamente con los recursos de la física clasica. Para
ser descrita y explicada necesita del auxilio de la mecánica cuántica. Es éste un tema de la física que
nace hace unos 80 años y con aspectos aún oscuros y de difícil comprensión, contrarios a la intuición
y a nuestros sentidos. Pero indudablemente proporciona recursos muy certeros y potentes para la
descripción y predicción de comportamientos en el nivel micro y es indispensable para la
comprensión de muchos fenómenos asociados con los semiconductores.
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CURSO A DISTANCIA – ELEMENTOS BÁSICOS DE FÍSICA Y QUÍMICA – Unidad IV
En este curso introductorio nos limitaremos a esbozar una primera aproximación. Más adelante
volveremos sobre el tema con nuevos elementos.
Dejaremos establecido aquí:
i)
Los electrones son entes cuya naturaleza es ambigua. En ocasiones parecen "pelotitas
sólidas" y en otras se comportan como rayos de luz.
ii)
Este comportamiento dual es característico de toda la materia, pero sólo se hace evidente
cuando examinamos porciones de ella muy pequeñas.
iii)
La energía, al igual que la materia, es "granular" y sólo puede manifestarse, intercambiarse,
transformarse, emitirse, absorberse, etc. en porciones discretas que
iv)
llamamos "cuantos". (Eventualmente, materia y energía parecen ser distintas manifestaciones
de lo mismo).
v)
Los electrones, como constituyentes de los átomos, pueden describirse por el valor de cuatro
parámetros, números enteros, llamados números cuánticos. No pueden existir dos electrones
en un átomo con sus cuatro números cúanticos iguales.(Principio de exclusión de Pauli).
vi)
El número cuántico principal n está relacionado con la energía del electrón y lo podemos
asimilar a la distancia al núcleo. Esta distancia no define la posición del electrón, sólo da
cuenta de la probabilidad de que se encuentre allí.
r
En el dibujo se representa la estructura electrónica de un átomo. Las esferas son orbitales,"lugares"
permitidos para los electrones. Apenas se ve el orbital central, más pequeño, correspondiente a n = 1.
Rodeándolo completamente hay un orbital n = 2. Las grandes esferas dispuestas según los ejes, son otros
orbitales de n = 2. No se ha dibujado el tercer orbital n = 2 (que estaría orientado según el eje horizontal).
Puede haber dos electrones en cada orbital. El núcleo se encuentra en la intersección de los ejes. No es
posible dibujarlo ya que es aproximadamente 100.000 veces menor que r.
Las relaciones existentes entre los números cuánticos de un electrón, determinan cuál es la
disposición o estructura electrónica en un átomo y en un conjunto de ellos. Considerando átomos
aislados, los electrones se disponen en los distintos niveles de energía (valores de n) a razón de un
máximo de 2n2 electrones. Esto es, el máximo de electrones que "caben" en n = 1 es 2 y en n = 2 es
8, n = 3, 18, etcétera. Sin embargo si n es el más alto de un átomo dado (es decir si estamos
hablando de los electrones más exteriores, o de valencia) el máximo nunca superará el valor de 8.
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Con estas extrañas reglas podemos hacer un "mapa" o descripción de la estructura electrónica de un
átomo. Y de ésta, lo que tiene interés para nosotros es justamente lo que sucede en el nivel más alto,
el de los electrones de valencia (llamados así por ser los que participan en las reacciones químicas),
verdadera "frontera" del átomo. Allí, por lo que vimos, las cosas son más simples, pues el número de
orbitales (lugares disponibles para los electrones) varía entre 1 y
8, repitiéndose estas
configuraciones a niveles cada vez más altos.
La secuencia que hemos descrito para la formación de la estructura electrónica de los átomos,
aunque sólo aproximada, proporciona elementos para comprender la existencia de "familias", esto es
grupos de elementos con características similares. En efecto, un átomo visto "desde afuera" tendrá
como elemento estructural más característico, el número de electrones en su nivel superior y por la
secuencia descrita, este número se repite periódicamente. Esta es la razón de que los elementos
dispuestos en columnas en la tabla periódica, disposición basada históricamente en sus propiedades,
hayan resultado tener la misma configuración electrónica de valencia.
UNIONES QUÍMICAS
Estos electrones de valencia son los responsables de las fuerzas de atracción que originan la
formación de moléculas. Hay distintos mecanismos por
los que los átomos se unen entre sí formando
moléculas.
S i
S i
S i
S i
S i
Uno de estos mecanismos, el enlace covalente, ocurre
típicamente entre átomos iguales, de elementos
situados en la penúltima columna de la tabla periódica.
Cuando dos átomos de este tipo se aproximan, la
configuración electrónica más estable es una en la que
dos electrones pasan a ser compartidos entre ambos
átomos. Esto origina que cada átomo tenga su nivel
superior completamente ocupado con ocho electrones,
configuración que es particularmente estable.
Hacia el centro de la tabla ocurre algo parecido, pero el
número de electrones compartidos es mayor, pues la
capa superior está completa sólo por la mitad.
En el dibujo se muestra cómo un átomo de silicio, que tiene cuatro electrones de valencia, completa
un total de ocho alrededor suyo, compartiendo los suyos originales y los de sus vecinos.
Más hacia la izquierda de la tabla se encuentra un numeroso grupo de elementos que presenta una
serie de características similares como por ejemplo, ser brillantes, buenos conductores del calor y la
electricidad, ser maleables, etc. Lógicamente estamos hablando de los metales. En estos elementos
la fuerza de cohesión entre los átomos debe explicarse de otra manera.
Una característica común a todos los metales es que su capa electrónica de valencia contiene unos
pocos electrones, la mayoría sólo uno o dos. Estos electrones, además, se desprenden de sus
átomos con relativa facilidad. Esta doble característica causa que cuando átomos de metales se
encuentran próximos entre sí, la situación más estable para los electrones es "saltar" entre los
numerosos orbitales vacíos, (seis o siete por cada átomo) formando un "mar electrónico" donde se
encuentran "sumergidos" los iones 2 metálicos.
Este modelo permite explicar las propiedades generales de los metales y, en particular, es un buen
punto de partida para explicar sus características de buena conductividad eléctrica. Supongamos que
el fenómeno de la corriente eléctrica se deba a un flujo de electrones. Indudablemente los electrones
de la unión metálica, con su gran libertad de movimiento, en principio deben contribuir con facilidad a
este flujo. Volveremos con herramientas más potentes sobre este tema.
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Llamamos iones a átomos que han perdido, como en este caso, o ganado uno o más electrones. De esta forma adquieren
carga eléctrica, positiva o negativa respectivamente.
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Resumen.
EL MODELO ATÓMICO-MOLECULAR
Las moléculas son la parte más pequeña de una sustancia. Podemos distinguir entre cuerpos puros,
cuyas moléculas son todas iguales e impuros, donde esta condición no se cumple. La pureza
absoluta es una idealización.
Cuando el movimiento permanente de las moléculas, es sólo una oscilación alrededor de una
posición fija, la estructura del cuerpo se mantiene y estamos en presencia de un sólido. A medida que
aumenta la temperatura, el movimiento se hace más enérgico, las moléculas se deslizan y el cuerpo
funde, se transforma en líquido. A temperaturas todavía mayores, las moléculas se separan
completamente y forman un gas.
Las moléculas están formadas por partículas menores llamadas átomos. Hay unas cien especies de
átomos, cada una identifica a un elemento químico. Si una molécula contiene sólo átomos de una
especie, es una sustancia simple, en otro caso es compuesta.
Los átomos están, a su vez, conformados por partículas menores que constituyen un núcleo,
extraordinariamente pequeño y masivo, en relación a todo el átomo, con carga eléctrica neta, positiva,
y una envoltura electrónica, con una masa mucho menor, difusa y carga eléctrica negativa. El
conjunto es eléctricamente neutro.
ESTRUCTURA ELECTRÓNICA. MECÁNICA CUÁNTICA.
Para explicar la estructura electrónica hay que acudir a la mecánica cuántica, la física del
micromundo. Ésta establece que los electrones pueden encontrarse únicamente dentro de unas
zonas llamadas orbitales que son descritas mediante los números cuánticos. La capa más exterior o
de valencia, determina, en gran medida, las propiedades del átomo y en ella se encuentran entre 1 y
8 electrones.
UNIONES QUÍMICAS
Hay diversos mecanismos de unión atómica. Nos interesa la unión covalente, que en su forma pura
se da entre átomos iguales, en la que se comparten uno o más pares de electrones y la unión
metálica en la que los iones están "sumergidos en un mar electrónico"
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ESTRUCTURA DE LA MATERIA
 Sólido
Cuerpos materiales
se presentan en
estados
 Líquido
 Gaseoso
están formados
por
se explica por la
interacción entre
Moléculas
no
¿Todas
iguales ?
Impuros
sí
están formadas
por
Puros
Átomos
no
Compuestos
en su estructura
distinguimos
¿Todos
iguales ?
sí
Núcleo
Simples
Envoltura
electrónica
determina
10000 veces mayor
que el núcleo,
difusa y con carga
eléctrica negativa
Propiedades
eléctricas
Extremadamente
pequeño, denso y
con carga
eléctrica positiva
su compleja estructura pudo
comenzar a comprenderse con
8
Mecánica
Cuántica