2-problemas Estructura Atomica 5f672n

Estructura Atómica Problemas resueltos del: Libro: Ciencia e Ingeniería de los Materiales Capítulo dos: Estructura Atómica Edición: 4ª Autor: Donald R. Askeland, Editorial: Thompson Sección 2-1 La estructura de los materiales: importancia tecnológica 1. 2. 3. 4.

¿Qué significa el término composición de un material? ¿Qué significa el término estructura de un material? ¿Cuáles son los diferentes niveles de estructura de un material? ¿Por qué es importante tener en cuenta la estructura de un material cuando se diseña y se fabrican componentes? 5. ¿Cuál es la diferencia entre la microestructura y la macroestructura de un material? Sección 2-2 La estructura del átomo 6. a) El papel del aluminio que se usa para almacenar alimentos pesa unos 0.3 g por pulgada cuadrada. ¿Cuántos átomos de aluminio contiene una pulgada cuadrada de ese papel?

( 0.3 g ) ( 6.02 x 1023 atomos /mol ) En una pulgada cuadrada: numero= 26.981 g /mol 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. i)

En el plomo:

( 11.36 g/ cm3 ) ( 1 cm3 ) ( 6.02 x 1023 atomos /mol ) 207.19 g /mol ii)

=3.3 x 1022 atomos/cm3

En el litio:

( 0.534 g/cm3 ) ( 1 cm3 ) ( 6.02 x 1023 atomos /mol ) 6.94 g/ mol

=4.63 x 1022 atomos /cm 3

7. a) Con los datos del apéndice A, calcule la cantidad de átomos de hierro en una tonelada corta (2000 libras) de hierro

( 2000 lb ) ( 4.54 g/lb ) ( 6.02 x 10 23 atomos /mol ) =9.79 x 1027 atomos/ton 55.847 g /mol b) Use los datos del apéndice A para calcular el volumen en centímetros cúbicos, que ocupa un mol de boro.

( 1 mol )( 10.81 g /mol ) =4.7 cm 3 3 2.3 g /cm 8. Para niquelar una parte de acero con 200 in2 de superficie, con una capa de 0.002 in de espesor de níquel: a) ¿Cuántos átomos de níquel se requieren? B) ¿Cuántos moles de niques se requieren?

0.002∈¿ ¿ Volumen=( 200 ¿ 2) ¿

a)

b)

( 6.555 cm3 ) ( 8.902 g/cm 3 ) ( 6.02 x 1023 atomos/mol ) 58.71 g /mol

( 6.555 cm3 ) ( 8.902 g/cm 3 ) 58.71 g /mol

=5.98 x 1023 atomos

=0.994 moles de∋ se requieren

Sección 2-3 La estructura electrónica del átomo 9. 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? 10. El indio, con número atómico 49, no contiene electrones en sus niveles de energía 4f. Solo con esta información, ¿Cuál debe ser la valencia del indio? 11. Sin ver el apéndice C, describa los números cuánticos de cada uno de los 18 electrones en la capa M del cobre, con un formato semejante al de la figura 2-9.

1 - El conjunto completo de números cuánticos de cada uno de los 11 electrones del sodio

12. En los metales, la carga eléctrica se transfiere con el movimiento de los electrones de valencia, ¿Cuántos portadores potenciales de carga hay en un alambre de aluminio de 1mm de diámetro y 100m de longitud?

Sección 2-4 La tabla periódica 13. La tabla periódica de los elementos nos puede ayudar a racionalizar mejor las tendencias en las propiedades de los elementos y los compuestos, a partir de elementos de distintos grupos. Busque en la literatura publicada los coeficientes de expansión o dilatación térmica de los elementos del grupo 4B. Determine una tendencia y vea si se correlacionan con las temperaturas de fusión u otras propiedades – por ejemplo, espacio entre bandas – de estos elementos. 14. 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. 15. 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. 16. 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. Sección 2-5 Enlazamiento atómico 17. Al aumentar la temperatura de un semiconductor se rompen los enlaces covalentes. Por cada enlace roto se liberan dos electrones, que se mueven y transfieren carga eléctrica. a) ¿Qué fracción del total de los electrones de valencia tienen libertad de movimiento? b) ¿Qué fracción de los enlaces covalentes se debe romper para que 5 x 1015 electrones conduzcan carga eléctrica en 50 g de silicio? c) ¿Qué fracción del total de átomos de silicio debe sustituirse con átomos de arsénico para que haya un millón de electrones que se muevan con libertad en una libra de silicio? 18. El metano (CH4) tiene una estructura tetraédrica parecida a la de la SiO2, con un átomo de carbono de radio 0.77 x 10-3 cm en el centro y átomos de hidrogeno de 0.46 x 10-3 cm en cuatro de los ocho vértices. Calcule el tamaño del cubo tetraédrico del metano. 19. El fosfuro de aluminio (AIP, aluiminium phosphide) es un semiconductor compuesto que tiene enlaces iónicos y covalentes mezclados. Calcule la fracción de enlaces que es iónica. 20. Calcule la fracción de los enlaces del MgO que es iónica. 21. ¿Cuál es el tipo de en lace del diamante? ¿Concuerdan las propiedades del diamante con la naturaleza de sus enlaces? 22. ¿Cuáles son algunas de las aplicaciones industriales del diamante? 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. 24. ¿Qué clase de fuerzas de van der Waals actúan entre los átomos de argón? 25. ¿Qué clase de fuerzas de van der Waals actúan entre las moléculas de agua? 26. Explique porque la tensión superficial del agua es mayor que las de líquidos orgánicos no polares. 27. Explique el papel de las fuerzas de van der Waals en el plástico PVC. 28. ¿Por qué son importantes las fuerzas de van der Waals en la preparación de lodos cerámicos y otras dispersiones?

Sección 2-6 Energía de enlace y distancia interatómica 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. 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. Explique por qué es de esperarse esta diferencia, con base en la energía de enlace, tamaño de átomos y el pozo de energía. 31. ¿Qué espera usted que tenga mayor módulo de elasticidad: el MgO o el magnesio? Explique por qué. 32. ¿Qué espera usted que tenga mayor módulo de elasticidad: el Al 2O3 o el aluminio? Explique por qué. 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. 34. Explique por qué es de esperarse que el módulo de elasticidad de los polímeros termoplásticos sencillos – como el polietileno y el poliestireno – sea muy pequeño en comparación con los de los metales y los cerámicos. 35. 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. 36. ¿Por qué se considera que el módulo de elasticidad es una propiedad insensible a la estructura? Problemas de diseño 37. Para producir un material compuesto que se pueda sujetar a grandes fuerzas y grandes cambios de temperatura, usted desea introducir fibras de cerámica en una matriz de metal. ¿Qué parámetros de diseño tendría en cuenta para asegurar que las fibras permanezcan intactas y proporcionen resistencia a la matriz? ¿Qué problemas podrían presentarse? 38. Los álabes (o aspas o paletas) de las turbinas que se usan en los motores cohete se pueden fabricar con materiales como superaleaciones a base de níquel. En principio, hasta se pueden usar materiales cerámicos como la circonia u otras aleaciones a base de acero. En algunos casos, los alabes también se pueden recubrir con una barrera térmica como recubrimiento, para minimizar la exposición del material interior a altas temperaturas. ¿Qué parámetros de diseño tendría en cuenta para seleccionar un material para los álabes de esas turbinas, y para su recubrimiento, que funcione bien en ellas? Tenga en cuenta que las distintas partes del motor están expuestas a diferentes temperaturas, y que no todos los alabes están expuestos a temperaturas relativamente altas. ¿Qué problemas podrían presentarse? Tenga en cuenta factores como la temperatura y la humedad en el ambiente en el que deben funcionar los alabes de la turbina. 39. Un semiconductor extrínseco tipo π se puede producir introduciendo dopantes en silicio puro. Al hacerlo, hay electrones adicionales – además de los necesarios para participar en el mecanismo de enlace – que pasan a formar parte de la estructura y se pueden mover. Diseñe un sistema de aleación que cause esta semiconductividad extrínseca en el silicio.

http://es.slideshare.net/abfisho/donald-r-solution