ESTRUCTURAS COVALENTES Y DIFRACCIÓN DE RAYOS X

ESTRUCTURAS COVALENTES

El carbono presenta alotropía, lo que significa que existe en la naturaleza en más de una forma física (formas alotrópicas). Las tres formas alotrópicas del carbono son el diamante, el grafito y el fullereno (C60). En las tres formas alotrópicas, los átomos de carbono están unidos mediante enlaces covalentes, pero en el diamante y en el grafito, en lugar de pequeñas moléculas simples, los enlaces covalentes alrededor de los átomos de carbono forman una única molécula gigante. Para romper estas estructuras deben romperse enlaces covalentes muy fuertes por lo que el diamante y el grafito presentan puntos de fusión muy elevados, del orden de 4000 ºC. En el diamante, cada átomo de carbono está unido a otros cuatro átomos formando una gigantesca estructura tetraédrica. Todos los enlaces C-C tienen la misma longitud, y la estructura no es plana, el diamante es una sustancia extremadamente dura. Todos los electrones externos de cada carbono se encuentran localizados formando los cuatro enlaces covalentes con los otros cuatro átomos de carbono, por lo que el diamante no conduce la electricidad al no presentar electrones deslocalizados. El silicio y la sílice (óxido de silicio) presentan la misma estructura.

DIFRACCIÓN DE RAYOS X

Rayos X

 Hace algo más de un siglo, en 1895 W. K. Röntgen, científico alemán, descubrió una radiación, desconocida hasta entonces y que denominó rayos X, capaz de penetrar en los cuerpos opacos. Las aplicaciones de los rayos X en el campo de la Medicina son de todos conocidas, radiografías, tomografías, etc., pero su uso también se ha extendido a otras áreas como la detección de microfracturas en metales o en el análisis de obras de arte.

difracción de Rayos X

La difracción es un fenómeno característico de las ondas, que consiste en la dispersión de las ondas cuando se interaccionan con un objeto ordenado. Ocurre en todo tipo de ondas, desde las sonoras, hasta las ondas electromagnéticas como la luz, y también los rayos X. Esta técnica permitió descubrir la estructura de la doble hélice del ADN en 1953 y actualmente se utiliza para determinar la estructura de las proteínas. Los rayos X tienen longitudes de onda similares a las distancias interatómicas en los materiales cristalinos, por lo que podemos utilizar la difracción de rayos X como método para explorar la naturaleza de la estructura molecular.

La Difracción de Rayos X por Monocristales es definitivamente el método más exacto y completo para determinar la identidad y estructura de compuestos nuevos o conocidos, y por lo tanto vital para la investigación en química, desde mineralogía hasta productos farmacéuticos, desde catalizadores hasta macromoléculas. El Laboratorio de Difracción de Rayos X fué establecido por el Instituto de Química en 1983 para proporcionar un servicio eficiente y profesional de la determinación de estructuras mediante difracción de rayos X por monocristal, está certificado (ISO 9001:2008) y es reconocido internacionalmente como un centro de excelencia que atrae colaboraciones de todo el mundo debido a su infraestructura y recursos humanos.

El Laboratorio de Difracción de Rayos X del Instituto de Química de la Universidad Nacional Autónoma de México proporciona el servicio de determinación y análisis de estructuras por difracción de Rayos X por monocristal a usuarios internos y externos. La función principal no se limita a las determinaciones de estructuras, sino también proporciona instrucción en el campo de la cristalografía y entrenamiento a estudiantes graduados, así como a particulares interesados en el campo.

TRANSFORMACIONES ALOTRÓPICAS O POLIMORFICAS Y CRISTALES IONICOS

TRANSFORMACIONES ALOTRÓPICAS O POLIMORFICAS

Los materiales que pueden tener más de una estructura cristalina se llaman alotrópicos,polimorfos o polimórficos. El término alotropía suele reservarse para este comportamientoen 1os elementos puros, mientras que polimorfismo se usa para los compuestos. El lectorhabrá notado que en la tabla 3-2 hay algunos metales, como el hierro y el titanio, q ...uetienen más c una estructura cristalina. A bajas temperaturas, el hierro tiene la estructuraBCC, pero a mayores temperaturas se transforma en una estructura FCC. Estastransformaciones dan como resultado cambios en las propiedades de los materiales y son labase del tratamiento térmico de los aceros y de muchas otras aleaciones.Muchos materiales cerámicos, como la silice (Si02) y la zirconita (anhídrido de zirconia,dióxido de zirconio u óxido de zirconio, Zr02), también son polimórficos. Durante sucalentamiento o enfriamiento, la transformación puede acompañarse de un cambio devolumen; si no se controla en forma adecuada, este cambio de volumen hace que el materialcerámico, que es frágil, se agriete y fracture. Por ejemplo, para la zirconia (Zr02), la formaestable a temperatura ambiente de ~25 °C es la monoclínica. Al aumentar la temperatura,hay estructuras cristalinas más simétricas que se vuelven estables. A 1170 °C, la zirconiamonoclínica se transforma a una estructura tetragonal. La forma tetragonal es estable hasta2370 °C, punto en el cual se transforma en una forma cúbica. La forma cúbica quedaestable desde 2370 °C hasta la temperatura de fusión de 2680 °C.[7] La zirconia tambiénpuede tener una forma ortorrómbica, cuando se le aplican grandes presiones.Los componentes cerámicos hechos de zirconia pura suelen fracturarse al bajar sutemperatura, cuando la zirconia se transforma de tetragonal a monoclínica, debido a laexpansión volumétrica (el cambio de fase cúbica a tetragonal no causa mucho cambio envolumen)

 CRISTALES IONICOS 

Son los cristales constituidos por un conjunto de iones de signo contrario unidos por fuerzas de carácter mayoritariamente electrostático, y en los cuales todo el cristal podría ser considerado como una molécula porqué los iones estén enlazados con sus vecinos, y estos con los otros y así sucesivamente. Los iones tienden a empaquetarse de manera que se minimice le energía, y esto se cumple cuando: a) las cargas de los iones son neutralizadas por los vecinos inmediatos, es decir que los vecinos de los cationes son aniones y viceversa, y b) los empaquetados tienden a ser lo más compactos posible, sin que la distancia entre dos iones sea menor que la suma de los respectivos radios iónicos, de manera que si consideramos los iones esféricos, serian tangentes los unos a los otros. El cálculo de la energía necesaria para formar un cristal tridimensional es compleja, pero se puede ensayar una aproximación a partir de un modelo lineal que permitirá demostrar las dos afirmaciones anteriores. Supuesta una fila de cargas positivas y negativas como la que se muestra en la figura, colocadas alternativamente y separadas una distancia l entre ellas, se puede calcular la energía necesaria para formar esta distribución periódica. 

CAPITULO III, ORGANIZACIÓN ATÓMICA: NIVELES DE ORDENAMIENTO ATÓMICO Y CELDAS UNITARIAS

NIVELES DE ORDENAMIENTO ATÓMICO

NIVELES DE ENERGÍA Y ORBITALES

En un átomo los electrones ocuparán orbitales de forma que su energía sea la menor posible. Por ello se ordenan los orbitales en base a su nivel energético creciente.

La energía de los orbitales para átomos de varios electrones viene determinada por los números cuánticos n y l. En la figura de la derecha se muestran los orbitales de los 4 primeros niveles de energía (desde n = 1 hasta n = 4) y su orden de energía. Puede verse que la energía de los orbitales no coincide exactamente con el orden de los niveles. Por ejemplo, el subnivel 4s tiene una menor energía que el 3d.

Todos los orbitales de un mismo tipo que hay en un nivel tienen igual energía; por eso se colocan a la misma altura.

CELDAS UNITARIAS

Se define como celda unitaria, la porción más simple de la estructura cristalina que al repetirse mediante traslación reproduce todo el cristal. Todos los materiales cristalinos adoptan una distribución regular de átomos o iones en el espacio.

Se trata de un arreglo espacial de átomos que se repite en el espacio tridimensional definiendo la estructura del cristal. Se caracteriza por tres vectores que definen las tres direcciones independientes del sistema de coordenadas de la celda. Esto se traduce en seis parámetros de red, que son los módulos, ,  y , de los tres vectores, y los ángulos ,  y  que forman entre sí. Estos tres vectores forman una base del espacio tridimensional, de tal manera que las coordenadas de cada uno de los puntos de la red se pueden obtener a partir de ellos por combinación lineal con los coeficientes enteros.

La posición de un átomo dentro de la celda unidad se describe normalmente usando coordenadas fraccionarias. La simetría traslacional de una estructura cristalina se caracteriza mediante la red de Bravais, existen 14 redes de Bravais diferentes y todas las estructuras cristalinas minerales conocidas encajan en una de esas 14 disposiciones. Estas redes pueden ser:

• Tipo P: Se denomina primitiva y tiene puntos de red en los vértices de la celda.
• Tipo I: Red centrada en el interior. Esta presenta puntos de red en los vértices de la celda y en el centro de la celda.
• Tipo F: Red centrada en todas las caras. Presenta puntos de red en los centros de todas las caras, así como en los vértices.
• Tipo C: Red centrada en la base. Una red tipo C se refiere al caso en el que la simetría traslacional coloca puntos de red en los centros de las caras delimitados por las direcciones a y b así como en el origen.

NUMEROS, DE AVOGADRO, ATOMICO Y CUANTICOS.

NUMERO DE AVOGADRO

El número de Avogadro es la cantidad (de átomos, electrones, iones, moléculas) que existen en un mol de cualquier sustancia. Para expresar el numero de avogadro tenemos que saber que un mol equivale al número de átomos que hay en doce gramos de X cantidad -12 puro.

NUMERO ATÓMICO

Número de protones que hay en el núcleo del átomo de un elemento.

"el número atómico del oxígeno es 8"

NÚMEROS CUÁNTICOS

Los números cuánticos son unos números asociados a magnitudes físicas conservadas en ciertos sistemas cuánticos. En muchos sistemas el estado del sistema puede ser representado por un conjunto de números, los números cuánticos, que se corresponden con valores posibles de observables que conmutan con el hamiltoniano del sistema. Los números cuánticos permiten caracterizar los estados estacionarios, es decir los estados propios del sistema.

ESPACIO INTERATOMICO Y MASA ATOMICA

ESPACIO INTERATOMICO

Hoy se sabe que el espacio interatómico es mayor que el espacio que ocupa la materia; es más, un 99,99% del átomo está compuesto por espacio vacío. También sabemos que el concepto tiempo está estrechamente relacionado al del espacio, de tal modo que si lográramos ampliar, con la tecnología adecuada, el espacio interatómico, sin por ello reducir la fuerza de cohesión, se ampliaría el tiempo en la misma proporción.

MASA ATOMICA

La masa atómica (m_a) es la masa de un átomo, más frecuentemente expresada en unidades de masa atómica unificada. La masa atómica puede ser considerada como la masa total de protones y neutrones, pues la masa de los electrones en el átomo es prácticamente despreciable en un solo átomo cuando el átomo no tiene movimiento. La masa atómica es algunas veces usada incorrectamente como un sinónimo de masa atomica relativa, masa atomica media y peso atomico; estos últimos difieren sutilmente de la masa atómica. La masa atómica está definida como la masa de un átomo, que sólo puede ser de unisótopo a la vez, y no es un promedio ponderado en las abundancias de los isótopos. En el caso de muchos elementos que tienen un isótopo dominante, la similitud/diferencia numérica real entre la masa atómica del isótopo más común y la masa atómica relativa o peso atómico estándar puede ser muy pequeña, tal que no afecta muchos cálculos bastos, pero tal error puede ser crítico cuando se consideran átomos individuales. Para elementos con más de un isótopo común, la diferencia puede llegar a ser de media unidad o más por ejemplo, cloro. La masa atómica de un isótopo raro puede diferir de la masa atómica relativa o peso atómico estándar en varias unidades de masa.

ENLACES

ENLACE COVALENTE

Un enlace covalente entre dos átomos se produce cuando estos átomos se unen, para alcanzar el octeto estable, compartiendo electrones del último nivel, excepto el Hidrógeno que alcanza la estabilidad cuando tiene 2 electrones. La diferencia de electronegatividad entre los átomos no es lo suficientemente grande como para que se produzca una unión de tipo iónica. Para que un enlace covalente se genere es necesario que la diferencia de electronegatividad entre átomos sea menor a 1,7.

De esta forma, los dos átomos comparten uno o más pares electrónicos en un nuevo tipo de orbital, denominado orbital molecular. Los enlaces covalentes se producen entre átomos de un mismo elemento no metal y entre distintos elementos no metales.

ENLACE IONICO

Son aquellos donde los átomos están rellenos con una capa externa de electrones. estas capas de electrones se llenan trasmitiendo electrones de un átomo al de al lado. los átomos donantes obtienen una carga positiva y los receptores tendrán carga negativa. se atraerán entre ellos al se negativos y positivos, y entonces ocurrirá el enlace.

ENLACE DE VAN DER WAALS

Son el enlace mas débil, pero son unos gases increíblemente importantes, que son enfriados a temperaturas bajas. estos enlaces son creados por pequeñas cargas de electrones positivos y negativos que producen una carga débil. los enlaces de van der waals se anulan por energías térmicas, causándoles una disfucion.

ENLACE DE HIDRÓGENO

Los enlaces de hidrógeno se forman cuando un átomo donador, dona el átomo de hidrógeno unido covalentemente a él, a un átomo electronegativo aceptor.

Son donadores típicos el oxígeno en grupos -OH (p.ej. Ser, Thr, Tyr) o en el agua y el nitrógeno en -NH₃⁺ (como en Lys, Arg) o en -NH- (como en el enlace peptídico, en Trp, His, Arg, en bases nitrogenadas).

Los pares electrónicos aislados de estos mismos donadores pueden servir como aceptores de enlaces de hidrógeno. Igualmente pueden ser aceptores los pares de los oxígenos carbonílicos =O, como el del enlace peptídico y los de los nitrógeno con tres enlaces covalentes =N- (como en His, Trp o bases nitrogenadas). Estos últimos no pueden ser donadores, pues carecen de hidrógenos.

ENERGÍAS

ENERGÍA DE UNION

es la energia necesaria para romper una union quimica covalente como las energias de union de la mayoria de las uniones quimicas son relativamente altas (300-900 kj/mol), para separarlas por medio del calor, las temperaturas necesarias son muy altas.

como las particulas de carga dentro de un plasma sueles tener energias muy altas, las uniones quimicas en el plasma se rompen en su mayoria, por eso se crean radicales y cationes.

ENERGÍA DE ENLACE

La energía de enlace es la energía total promedio que se desprendería por la formación de un mol de enlaces químicos, a partir de sus fragmentos constituyentes todos en estado gaseoso.

Alternativamente, podría decirse también que es la energía total promedio que se necesita para romper un mol de enlaces dado en estado gaseoso.

Los enlaces más fuertes, o sea los más estables, tienen energías de enlace grandes. Los enlaces químicos principales son: enlaces covalentes, metálicos e iónicos. Aunque típicamente se le llama enlace de hidrógeno al puente de hidrógeno, éste no es un enlace real sino una atracción intermolecular de más baja energía que un enlace químico.