Estructura atòmica, enllaç químic i sòlids

I 0 flashcards i 3 preguntes més al document.

Text del document

APUNTS QUÍMICA DE MATERIALS Grau en Enginyeria Civil Universitat Politècnica de Catalunya AprenAI 2026-2027 Apunts de Química de Materials: propietats periòdiques, tipus d'enllaç, forces intermoleculars, estructura cristal·lina, defectes i dissolucions sòlides.

APREN.AI Índex 1 Estructura atòmica i propietats periòdiques Configuració electrònica i taula periòdica Radis atòmic i iònic Afinitat electrònica, energia d'ionització i electronegativitat 2 Enllaç químic i forces intermoleculars Tipus d'enllaç químic Propietats segons l'enllaç Forces intermoleculars 3 Estructura cristal·lina, imperfeccions i dissolucions sòlides Classificació i propietats dels sòlids Grau de cristal·linitat, polimorfisme i al·lotropia Imperfeccions cristal·lines i dissolucions sòlides 4 Resum per repassar Estructura atòmica i propietats periòdiques Enllaç químic i forces intermoleculars Estructura cristal·lina i defectes Solucions de les preguntes de repàs Aquests apunts poden contenir errors o omissions.

Són un material de suport i no substitueixen el temari oficial ni el professorat: contrasta la informació important. Estructura atòmica, enllaç químic i sòlids 1 1 Estructura atòmica i propietats periòdiques EN ACABAR SABRÀS Determinar la distribució electrònica per nivells i blocs de la taula periòdica. Predir l'evolució del radi atòmic i iònic en períodes i grups. Distingir els conceptes d'afinitat electrònica, energia d'ionització i electronegativitat. PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 1 Per què un anió com l'òxid és més gran que el catió sodi si tots dos tenen exactament 10 electrons?

Configuració electrònica i taula periòdica La distribució dels electrons en un àtom segueix l'ordre creixent d'energia segons el diagrama de nivells. Els subnivells admeten una capacitat màxima concreta d'electrons: el subnivell s allotja 2 electrons, el p n'admet 6, el d en té 10 i el subnivell f un màxim de 14. Esquema del diagrama d'ompliment d'orbitals atòmics. Aquesta organització determina les zones de la taula periòdica en blocs s, p, d i f, on destaquen famílies com els alcalins, alcalinoterris, calcògens, halògens i gasos nobles. Estructura atòmica, enllaç químic i sòlids 2 Esquema dels blocs s, p, d i f a la taula periòdica.

Radis atòmic i iònic El radi atòmic mesura la distància compresa entre el centre del nucli i el darrer orbital ocupat. S'obté com la meitat de la distància ( ) entre nuclis d'àtoms enllaçats. Diagrama del radi atòmic definit a partir de dos nuclis. Dins de la taula periòdica, el radi disminueix en avançar al llarg d'un període cap a la dreta per l'augment de la càrrega nuclear efectiva. En canvi, creix en baixar per un grup perquè el nivell i l'orbital extern són progressivament més grans. r = d/2 Estructura atòmica, enllaç químic i sòlids 3 Gràfica de la variació del radi atòmic en grups i períodes.

El radi iònic correspon a la dimensió d'un àtom que ha perdut electrons (catió) o n'ha guanyat (anió). La pèrdua d'electrons redueix el radi respecte a l'espècie neutra, mentre que el guany el fa créixer. Entre espècies amb el mateix nombre d'electrons, a major càrrega nuclear menor és la mida: i . COMPROVA-HO 2 Per quina raó el radi atòmic disminueix cap a la dreta en un mateix període si augmenta el nombre d'electrons? Afinitat electrònica, energia d'ionització i electronegativitat L'afinitat electrònica (AE) representa el canvi energètic produït quan un àtom neutre aïllat en estat gasós rep un electró addicional ( ).

Aquesta magnitud energètica pot resultar tant positiva com negativa; com més petit és l'àtom, millor controla i accepta aquest electró extra. L'energia d'ionització és l'energia mínima necessària per extreure un electró d'un àtom gasós aïllat en el seu estat fonamental. Quan un orbital es troba complet adquireix una estabilitat addicional que en dificulta l'arrencada. Esquema de la variació periòdica de l'energia d'ionització. L'electronegativitat reflecteix la capacitat d'un àtom per atraure cap a ell els parells d'electrons compartits en un enllaç covalent.

No constitueix una forma d'energia; els seus valors varien en l'escala entre 0,7 i 4, sent el fluor (F) l'element amb valor 4, seguit d'oxigen i nitrogen (F, O, N). Creix cap a la dreta i cap amunt a la taula periòdica. r > O2 r > F r Ne r > Na+ rMg2+ X(g) + e X (g) Estructura atòmica, enllaç químic i sòlids 4 Diagrama de la tendència de l'electronegativitat a la taula. El caràcter metàl·lic descriu la facilitat dels àtoms per alliberar els seus electrons de valència i originar ions positius, propietat que es manifesta comunament en la lluentor d'aquests elements. ERROR FREQÜENT Confondre l'electronegativitat amb l'afinitat electrònica o amb l'energia d'ionització.

L'electronegativitat no és cap mesura energètica en joules d'un àtom aïllat, sinó una tendència relativa adimensional a atraure electrons en un enllaç químic. IDEES CLAU El radi atòmic creix cap avall en un grup i cap a l'esquerra en un període. Els anions són més grans que els seus àtoms neutres i els cations són més petits. L'electronegativitat no és una energia, sinó una capacitat relativa que culmina en el fluor amb valor 4. COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 3. Com varia el radi d'una sèrie isoelectrònica com , i Ne? 4. En què es diferencia conceptualment l'afinitat electrònica de l'electronegativitat? Test Encercla la resposta correcta. Les solucions són al final. 5.

Quin element presenta el valor màxim d'electronegativitat segons l'escala de valors de 0,7 a 4? 6. Com evoluciona el radi atòmic al llarg d'un període cap a la dreta? O2 F Liti a) Fluor b) Oxigen c) Nitrogen d) Disminueix per major càrrega nuclear a) Augmenta en afegir orbitals nous b) Es manté completament constant c) Creix per repulsió dels electrons d) Estructura atòmica, enllaç químic i sòlids 5 7. Quina capacitat màxima d'electrons admet un conjunt d'orbitals d? 8. Quina és la definició exacta d'energia d'ionització? 2 Enllaç químic i forces intermoleculars EN ACABAR SABRÀS Classificar els tipus d'enllaç químic a partir de la composició i electronegativitat.

Relacionar la conductivitat i punts de fusió amb l'enllaç covalent, metàl·lic o iònic. Distingir les forces intermoleculars de dipol-dipol, London i pont d'hidrogen. PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 9 Per què el diamant i el grafit tenen propietats elèctriques oposades si estan formats pel mateix element? Tipus d'enllaç químic Els àtoms busquen assolir màxima estabilitat energètica adquirint una configuració de capa de valència amb 8 electrons.

Segons la naturalesa dels elements combinats s'estableixen diferents enllaços primaris: Tipus d'enllaç Unió entre Descripció del mecanisme Característiques estructurals Enllaç iònic Metall i no- metall (M - NM) Gran diferència d'electronegativitat; transferència electrònica cedint un àtom (catió) i captant l'altre (anió) Xarxes cristal·lines tridimensionals de cations i anions alternats, enllaç adireccional Enllaç covalent No-metalls (NM - NM) Compartició de parells electrònics entre àtoms amb electronegativitats semblants Enllaços direccionals amb angles concrets; forma molècules o xarxes cristal·lines Enllaç metàl·lic Metalls (M - M) Àtoms deficitaris d'electrons; cations en una xarxa compacta envoltats d'un núvol electrònic compartit Núvol deslocalitzat sobre xarxa de cations; enllaç no direccional 6 electrons a) 14 electrons b) 10 electrons c) 2 electrons d) Energia que s'allibera creant enllaços a) Energia per captar un electró gasós b) Energia mínima per extreure un electró c) Tendència d'atracció cap a un enllaç d) ns np 2 6 Estructura atòmica, enllaç químic i sòlids 6 Propietats segons l'enllaç Les substàncies iòniques com el NaCl presenten punts de fusió elevats a causa de la fortalesa electroestàtica, són solubles en aigua i dissolvents polars, i condueixen l'electricitat exclusivament foses o en dissolució (no en estat sòlid).

Els compostos covalents es divideixen en dos grups: xarxes o cristalls covalents (com el diamant, grafit o ), caracteritzats per punts de fusió molt alts, insolubilitat i absència de conductivitat (excepte el grafit, que sí és conductor); i compostos moleculars (com , o ), que presenten baixos punts de fusió i escassa o nul·la conductivitat elèctrica. Els metalls destaquen per elevades conductivitats elèctrica i tèrmica, caràcter dúctil (formació de fils) i mal·leable (làmines), sense ser fràgils ni durs en extrem; mostren un ampli ventall de punts de fusió (generalment alts, llevat del mercuri líquid) i no són solubles.

COMPROVA-HO 10 Per quina raó una sal sòlida no condueix el corrent elèctric però dissolta en aigua sí? Forces intermoleculars Són interaccions entre molècules d'intensitat molt més feble que els enllaços atòmics i sense transferència electrònica: Forces dipol-dipol: atraccions electroestàtiques entre molècules que tenen dipols permanents. Forces de London (dispersió): atraccions generades per dipols instantanis o induïts produïts en interaccionar molècules apolars. Pont d'hidrogen: interacció intermolecular especialment intensa originada entre molècules polars que disposen d'un àtom d'hidrogen enllaçat directament a elements molt petits i electronegatius (fluor, oxigen o nitrogen).

ERROR FREQÜENT Confondre el trencament d'enllaços covalents intramoleculars amb la superació de forces intermoleculars. La fusió o vaporització de substàncies com l'aigua només venç les forces de Van der Waals o ponts d'hidrogen entre molècules, sense alterar els enllaços covalents interns O-H. SiO 2 CO 2 H O 2 N 2 Estructura atòmica, enllaç químic i sòlids 7 ESQUEMA Classificació de les unions químiques IDEES CLAU L'enllaç iònic requereix gran diferència d'electronegativitat i forma xarxes tridimensionals adireccionals. El grafit és una xarxa covalent singular que sí presenta conductivitat elèctrica, a diferència del diamant o la sílice.

Els ponts d'hidrogen exigeixen la presència d'hidrogen unit covalentment a F, O o N. COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 11. Quins tres elements combinats amb hidrogen donen lloc a la formació de ponts d'hidrogen? 12. Per què el mercuri és una excepció entre els materials amb enllaç metàl·lic? Test Encercla la resposta correcta. Les solucions són al final. 13. En quin estat condueix el corrent elèctric un compost iònic típic? 14. Quin cristall covalent té la particularitat de ser conductor elèctric?

Enllaços primaris Interaccions interatòmiques fortes Iònic Xarxes de cations i anions Covalent Molècules o xarxes atòmiques Metàl·lic Cations i núvol deslocalitzat Forces intermoleculars Interaccions febles entre molècules Van der Waals Dipol-dipol i London Pont d'hidrogen Amb F, O, N Fós o dissolt en aigua a) En cap estat físic conegut b) Tant en sòlid com en gas c) Només en estat sòlid pur d) Diamant a) Clorur sòdic b) Grafit c) Dioxid de silici d) Estructura atòmica, enllaç químic i sòlids 8 15. Quin tipus de forces intermoleculars actuen principalment entre molècules apolars? 16. Com s'anomena la capacitat d'un metall de deformar-se formant làmines?

3 Estructura cristal·lina, imperfeccions i dissolucions sòlides EN ACABAR SABRÀS Diferenciar els sòlids cristal·lins dels amorfs i classificar-los segons el tipus d'enllaç. Definir els conceptes de monocristall, policristall, polimorfisme i al·lotropia. Identificar els defectes puntuals i distingir les dissolucions sòlides substitucionals de les intersticials. PENSA-HI ABANS DE LLEGIR 17 Pot un metall dissoldre un altre element en el seu interior mantenint-se en estat sòlid? Classificació i propietats dels sòlids L'estat sòlid es caracteritza per tenir forma i volum constants, amb les partícules situades en posicions rígides.

Segons la seva ordenació s'agrupen en: Sòlids cristal·lins: presenten una xarxa tridimensional periòdica i regular. Sòlids no cristal·lins (amorfs): no tenen una distribució espacial ordenada.

Així mateix, el tipus d'enllaç confereix trets mecànics i tèrmics ben diferenciats: Tipus de sòlid Duresa i comportament mecànic Propietats tèrmiques i elèctriques Estructura bàsica Sòlids iònics Elevada duresa, comportament fràgil Aïllants tèrmics i elèctrics en estat sòlid Perfectament cristal·lins, cations i anions alternats Sòlids covalents Elevada duresa Punts de fusió i ebullició elevats; no conductors de calor ni electricitat Xarxa atòmica contínua d'enllaços direccionals Forces de dispersió de London a) Ponts d'hidrogen forts b) Enllaços metàl·lics c) Atraccions dipol-dipol pures d) Ductilitat a) Polimorfisme b) Duresa c) Mal·leabilitat d) Estructura atòmica, enllaç químic i sòlids 9 Tipus de sòlid Duresa i comportament mecànic Propietats tèrmiques i elèctriques Estructura bàsica Sòlids metàl·lics Duresa variable; dúctils i mal·leables Bons conductors d'electricitat Xarxa compacta de cations envoltada d'electrons Sòlids moleculars Consistència generalment tova Enllaços intermoleculars fàcils de vèncer Molècules covalents discretes unides per forces de Van der Waals Grau de cristal·linitat, polimorfisme i al·lotropia Dins dels materials cristal·lins, un monocristall presenta una disposició atòmica perfecta a través de tot el volum del sòlid.

En canvi, els materials policristal·lins es formen a partir de múltiples nuclis de cristal·lització que generen cristalls orientats a l'atzar. El fenomen del polimorfisme descriu l'existència d'un mateix material sòlid sota més d'una estructura cristal·lina diferent. Quan aquesta propietat es dona en un sòlid elemental rep el nom d'al·lotropia. COMPROVA-HO 18 En què es diferencien els termes polimorfisme i al·lotropia? Imperfeccions cristal·lines i dissolucions sòlides Les xarxes reals presenten desviacions respecte a la periodicitat ideal.

Entre els defectes puntuals es distingeixen: La incorporació d'àtoms d'un element secundari dins d'una matriu metàl·lica condueix a dues classes de dissolucions sòlides: Dissolucions sòlides substitucionals: l'àtom de solut ocupa la posició d'un àtom de la xarxa matriu. Exigeix que ambdós elements posseeixin un radi atòmic semblant, amb una diferència inferior al 15 %. Dissolucions sòlides intersticials: l'àtom afegit és de mida notablement més petita i s'instal·la en els buits de la xarxa principal. La seva solubilitat màxima no acostuma a superar el 10 %. ERROR FREQÜENT Confondre el límit de radi atòmic de les dissolucions substitucionals amb el percentatge màxim de solubilitat.

El criteri per admetre la substitució requereix radis similars (diferència menor al 15 %), mentre que el sostre màxim de contingut que s'acostuma a dissoldre intersticialment és del 10 %. Vacants: posicions atòmiques de la xarxa que han quedat buides. 1 Autointersticials: àtoms propis de la xarxa allotjats en un espai intermedi no habitual entre els nusos. 2 Estructura atòmica, enllaç químic i sòlids 10 ESQUEMA Defectes puntuals i dissolucions sòlides IDEES CLAU Els sòlids cristal·lins tenen ordre periòdic i els no cristal·lins presenten distribució desordenada. El polimorfisme d'un element pur s'anomena al·lotropia.

Les dissolucions substitucionals requereixen radis amb diferència menor al 15 %, mentre que les intersticials no solen superar el 10 % de solubilitat. COMPROVA EL QUE HAS APRÈS 19. Quin criteri de mida atòmica s'ha de satisfer per formar una dissolució sòlida substitucional? 20. Quina diferència estructural hi ha entre una vacant i un àtom autointersticial? Test Encercla la resposta correcta. Les solucions són al final. 21. Com es denomina el polimorfisme quan té lloc en un element químic pur? 22. Quin és el límit habitual de solubilitat màxima en una dissolució sòlida intersticial?

Defectes a la xarxa Desviacions de l'estructura ideal Defectes puntuals Imperfeccions locals Vacants Posicions buides Autointersticials Àtoms fora de posició Dissolucions sòlides Mescles a la xarxa Substitucionals Radi similar (< 15 %) Intersticials Àtom petit (solubilitat <= 10 %) Monocristal·lització a) Al·lotropia b) Isotropia c) Substitució d) 2 % a) 50 % b) 15 % c) 10 % d) Estructura atòmica, enllaç químic i sòlids 11 23. Quina característica defineix mecànicament els sòlids iònics? 24. Què distingeix un material policristal·lí d'un monocristall?

4 Resum per repassar Estructura atòmica i propietats periòdiques Concepte Què és Radi atòmic Distància del centre de l'àtom al darrer orbital ocupat; augmenta cap avall en un grup i cap a l'esquerra en un període. Radi iònic Mida d'un ió: els cations són més petits que l'àtom neutre i els anions són més grans. Afinitat electrònica Energia intercanviada quan un àtom neutre gasós aïllat guanya un electró. Energia d'ionització Energia mínima requerida per arrencar un electró d'un àtom aïllat en estat gasós i fonamental. Electronegativitat Tendència relativa d'un àtom a atraure electrons compartits en un enllaç covalent (màxim de 4 en el fluor).

Caràcter metàl·lic Facilitat d'un element per alliberar electrons de valència i formar cations. Enllaç químic i forces intermoleculars Concepte Què és Enllaç iònic Atracció electroestàtica no direccional entre cations i anions alternats en xarxes tridimensionals (metall amb no-metall). Enllaç covalent Compartició de parells electrònics direccionals entre no-metalls, formant molècules o xarxes cristal·lines. Enllaç metàl·lic Xarxa compacta de cations envoltada d'un núvol d'electrons deslocalitzats compartits entre metalls.

Deformables sense trencar-se a) Dúctils i tous b) Mal·leables i fluids c) Elevada duresa i fràgils d) Manca d'enllaços químics interns a) Presenta orientació atòmica uniforme b) Múltiples cristalls orientats a l'atzar c) Té molècules en comptes d'àtoms d) Estructura atòmica, enllaç químic i sòlids 12 Concepte Què és Cristalls covalents Xarxes atòmiques gegants d'elevat punt de fusió i insolubles com el diamant, grafit (conductor) i . Forces de Van der Waals Interaccions intermoleculars febles que comprenen forces dipol-dipol i forces de dispersió de London (dipols induïts). Pont d'hidrogen Interacció intermolecular intensa entre molècules polars amb hidrogen unit a F, O o N.

Estructura cristal·lina i defectes Concepte Què és Cristal·lí vs. Amorf Els sòlids cristal·lins tenen xarxa periòdica regular; els no cristal·lins (amorfs) no presenten ordre espacial. Monocristall i policristall El monocristall manté orientació perfecta contínua; el policristall es forma per múltiples cristalls orientats a l'atzar. Polimorfisme i al·lotropia Existència de múltiples estructures cristal·lines en un material sòlid; rep el nom d'al·lotropia en elements purs. Defectes puntuals Imperfeccions puntuals a la xarxa: vacants (nus buit) i autointersticials (àtom propi allotjat fora de nus).

Dissolució substitucional Mescla sòlida on àtoms de solut ocupen posicions de la xarxa matriu amb mida semblant (diferència de radi < 15 %). Dissolució intersticial Mescla sòlida on àtoms petits ocupen buits de la xarxa, amb un límit màxim habitual de solubilitat del 10 %. SiO 2 Estructura atòmica, enllaç químic i sòlids 13 Solucions de les preguntes de repàs 1. Perquè el sodi té més protons al nucli que l'oxigen, exercint una atracció nuclear més intensa que comprimeix el núvol electrònic. 2. Perquè l'augment de protons al nucli incrementa la càrrega nuclear efectiva sobre la mateixa capa electrònica, atraient els electrons més a prop del nucli. 3.

El radi disminueix en augmentar el nombre de protons del nucli: l'ió és el més gran i el Ne el més petit. 4. L'afinitat electrònica és l'energia implicada quan un àtom gasós aïllat guanya un electró, mentre que l'electronegativitat és la tendència d'un àtom a atraure electrons compartits en un enllaç covalent. 5. b) Fluor. El fluor és l'element més electronegatiu de la taula amb el valor màxim de 4. 6. a) Disminueix per major càrrega nuclear. L'increment de la càrrega nuclear efectiva atreu amb més força els electrons cap al nucli. 7. c) 10 electrons. Els subnivells s, p, d i f admeten respectivament un màxim de 2, 6, 10 i 14 electrons. 8. c) Energia mínima per extreure un electró.

És l'energia que cal aportar per arrencar un electró d'un àtom aïllat en estat gasós i fonamental. 9. La geometria i la disposició dels enllaços covalents defineixen si hi ha electrons lliures per conduir (grafit) o fixats en enllaços rígids (diamant). 10. En fase sòlida els ions estan immobilitzats a les posicions de la xarxa, mentre que en dissolució adquireixen mobilitat per transportar la càrrega. 11. El fluor, l'oxigen i el nitrogen (F, O, N). 12. Perquè tot i tenir enllaç metàl·lic no presenta un punt de fusió alt, trobant-se en estat líquid a temperatura ambient. 13. a) Fós o dissolt en aigua.

Necessita mobilitat iònica, la qual s'obté fonent la substància o dissolent-la en un dissolvent polar. 14. c) Grafit. El grafit és l'excepció entre els cristalls covalents mencionats que sí condueix l'electricitat. 15. a) Forces de dispersió de London. Les molècules apolars interaccionen mitjançant dipols instantanis o induïts (forces de London). 16. d) Mal·leabilitat. La mal·leabilitat permet obtenir làmines, mentre que la ductilitat fa referència a la formació de fils. 17. Sí, formant dissolucions sòlides on el segon àtom substitueix posicions de la xarxa o s'allotja en els seus intersticis buits. 18.

El polimorfisme és la capacitat de qualsevol compost de tenir més d'una estructura cristal·lina, mentre que l'al·lotropia és aquest mateix concepte aplicat específicament a elements purs. 19. Els dos àtoms han de tenir un radi atòmic molt similar, amb una diferència inferior al 15 %. 20. La vacant és un buit sense àtom en un nus de la xarxa, mentre que l'autointersticial és un àtom propi situat en un espai intermedi fora dels nusos. 21. b) Al·lotropia. L'al·lotropia és el terme específic per al polimorfisme en substàncies elementals. 22. d) 10 %. La solubilitat màxima en dissolucions intersticials no sol excedir el 10 %. O2 Estructura atòmica, enllaç químic i sòlids 14 23.

d) Elevada duresa i fràgils. Els sòlids iònics destaquen per ser molt durs però de comportament fràgil davant l'impacte. 24. c) Múltiples cristalls orientats a l'atzar. Els sòlids policristal·lins neixen de diversos nuclis amb cristalls orientats a l'atzar. Estructura atòmica, enllaç químic i sòlids 15