| Date post: | 01-Dec-2023 |
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UNIIVERSIDAD AUTONOMA DE NUEVO LEÓN
FACULTAD DE INGENIERÍA MECANICA Y ELÉCTRICA
Ciencia de los Materiales
“Síntesis: Estructura cristalina”
Maestro: Dr. Edén Amaral Rodríguez Castellanos
Nombre: Christian Felipe Acosta Saldivar
Matrícula: 1656484
Carera: Ingeniero en Mecatrónica (IMTC)
Día: Jueves
Hora: V1-V3
San Nicolás de los Garza, NL, a 7 de abril del 2016
Índice
ContenidoResumen............................................................................................................................................2
Introduccion.......................................................................................................................................2
Marco teórico.....................................................................................................................................4
Ordenamiento de largo alcance.....................................................................................................4
Ordenamiento de corto alcance.....................................................................................................4
Materiales cristalinos.....................................................................................................................5
Materiales amorfos........................................................................................................................6
Parámetros de red.........................................................................................................................8
Sistemas cristalinos........................................................................................................................9
Redes de Bravais..........................................................................................................................10
Factor de empaquetamiento........................................................................................................11
Correlación estructura cristalina y propiedades...........................................................................14
Celda unitaria...............................................................................................................................14
Numero de átomos por celda.......................................................................................................15
Relación entre el radio atómico y parámetros de red..................................................................16
Numero de coordinación..............................................................................................................16
Densidad teórica..........................................................................................................................17
Sitios intersticiales........................................................................................................................17
Alotropía......................................................................................................................................17
Polimorfismo................................................................................................................................19
15 materiales con respectivas estructuras cristalinas(15 ejemplos)............................................20
Conclusion........................................................................................................................................23
Referencias.......................................................................................................................................24
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Resumen
En esta actividad realicé una síntesis sobre la estructura cristalina, con sus respectivos
subtemas:
Ordenamiento de largo alcance Ordenamiento de corto alcance Parámetros de red Materiales cristalinos Materiales amorfos… Etc.
La síntesis cuenta con la información necesaria, imágenes, definiciones y ejemplos, con la finalidad de que sea clara y se entienda facilemnte.
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Introduccion
La estructura física de los materiales sólidos de importancia en ingeniería depende
principalmente del ordenamiento de los átomos, iones o moléculas que constituyen el
sólido, y de las fuerzas de enlace entre ellos. Si los átomos o iones de un sólido están
ordenados de acuerdo con un patrón que se repite en el espacio, forman un sólido que tiene
un orden de largo alcance (OLA) al cual se le llama sólido cristalino o material cristalino.
Ejemplos de materiales cristalinos son los metales, las aleaciones y algunos materiales
cerámicos. Contrastando con los materiales cristalinos, existen algunos materiales cuyos
átomos o iones no están ordenados en forma de largo alcance, periódica y repetible, y
poseen únicamente un orden de corto alcance (OCA). Esto significa que el orden existe
únicamente en la vecindad inmediata de un átomo o molécula. Como ejemplo tenemos al
agua líquida que tiene en sus moléculas un orden de corto alcance y en la que un átomo de
oxígeno se encuentra unido de forma covalente a dos átomos de hidrógeno. Sin embargo,
este orden desaparece en la medida en que cada molécula se une a otras moléculas en forma
aleatoria a través de enlaces secundarios débiles. Los materiales que presentan solamente
un orden de corto alcance se clasifican como amorfos (sin forma) o no cristalinos.
Objetivo:
Conocer a profundidad la estructura cristalina, viendo aspectos desde su ordenamiento y
todo lo que tenga que ver con lo que lo conforma, hasta conceptos que no son parte de ella,
pero que se relacionan mucho, por ejemplos los materiales que por su estructura son
amorfos.
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Marco teórico
Ordenamiento de largo alcance
Cuando el ordenamiento refleja una
disposición repetida de los átomos a
lo largo de todas las direcciones y
por todo el conjunto del material, se
dice que el sistema presenta un orden
de largo alcance Y qué se trata de un
material cristalino. Estructuras cristalinas presenta la mayoría de los metales,
muchos de los materiales cerámicos y algunos polímeros. El ordenamiento atómico
en estos sistemas puede representarse considerando que los átomos (o iones) son
esferas compactas con diámetro definido (modelo atómico de esferas rígidas) o
representando los átomos como los puntos de intersección de una red. La
descripción de esta red puede realizarse en términos de una unidad elemental que se
repite indefinidamente: la celdilla unidad. La geometría de esta celdilla y la posición
de los átomos en su interior describe completamente las características de la
estructura. La celdilla no es más que un paralelepípedo que viene definido por la
longitud de sus lados y los ángulos que forman entre sí.
Ordenamiento de corto alcance
Se dice que un material presenta
un orden de corto alcance cuando
el ordenamiento de sus átomos
sólo se extiende sus primeros
vecinos. Por ejemplo los vidrios
común comunes (mal llamados
“cristales”) están constituidos básicamente por SiO2 , estando cada átomo de silicio
enlazados covalentemente a 4 atomos de oxigeno con ángulos O-Si-O de 109.5°. El
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ordenamiento sin embargo no se extiende a toda la estructura sino sólo a pequeños
grupos de átomos. Un fenómeno similar es habitual en la mayoría de los polímeros.
Así el polietileno está formado por cadenas de átomos de carbono, con dos
hidrógenos unidos a cada carbono. La unión entre estas entidades no es sin embargo
regular y se forman cadenas con las unidades constituyentes al azar. Estos
materiales se denominan sólidos no cristalinos o amorfos por su aparente falta de
forma externa. En la mayoría de las ocasiones en que los sólidos se presenten en
este estado se deriva de su compleja estructura molecular que impide un
ordenamiento adecuado (por falta de tiempo) cuando se produce la solidificación a
partir del estado líquido desordenado. En otras ocasiones la forma obtenida depende
del proceso de obtención los procesos lentos favorecen los ordenamientos mayores.
Materiales cristalinos
El mundo de los sólidos cristalinos es muy amplio. Los encontramos en la
naturaleza, en los minerales y rocas, donde algunos cristales son particularmente
grandes, como en las piedras preciosas. También los encontramos en muchos de los
objetos que nos rodean, en el acero o en el aluminio, en los que el material es un
conjunto de dominios cristalinos "pegados" entre sí, como se ve en la imagen
microscópica del acero.
Un sólido cristalino puede pensarse como un arreglo periódico de un grupo
representativo de átomos, moléculas o iones. Esto nos permite construir un cristal
mediante una estructura mínima, llamada celda unidad, que trasladamos por el
espacio −como si construyéramos una pared azulejada a partir de un número
mínimo de azulejos que se repiten−, y enfocarnos en un número pequeño de átomos,
moléculas o iones para describir sus propiedades. La importancia tecnológica de los
sólidos cristalinos está en relación con sus propiedades eléctricas, ópticas o
magnéticas que son distintivas de las estructuras periódicas y en base a las cuales se
fabrican muchos dispositivos de la vida actual: láseres, dispositivos emisores de luz
(LED), fotómetros, celdas solares, transistores, chips, pantallas de TV,
transformadores, sensores de temperatura o de humedad. Todas estas propiedades
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están relacionadas con la estructura del material y con la distribución de los
electrones de valencia de los átomos que forman parte del cristal. Lo más interesante
de los sólidos cristalinos es que sus propiedades se pueden alterar o sintonizar
controlando, mediante la síntesis, la cantidad de defectos o de impurezas en el
cristal. Si bien los sólidos cristalinos tienen muchos usos por sus propiedades
mecánicas, térmicas o magnéticas, en este fascículo nos referiremos sólo a las
propiedades eléctricas y ópticas. Esta elección se basa en que en estas propiedades
es donde más se manifiesta la importancia de la cristalinidad y de la sintonía por
medio de la síntesis. En ambos casos mostraremos la relación entre la propiedad, la
estructura y la composición del sólido y su aplicación en los llamados dispositivos
de estado sólidos, como los empleados en microelectrónica o en algunos láseres.
Materiales amorfos
En un sólido amorfo no hay orden de largo alcance. No obstante, normalmente sí
hay un cierto orden de corto alcance; es decir, algunos primeros vecinos de un
átomo cualquiera (e incluso, ocasionalmente, todos los vecinos de uno que otro
átomo) estarán en las posiciones que corresponderían a un cristal. Pero, al no ser
perfecto el orden de corto alcance, consecuentemente, no
habrá orden de largo alcance. Muchos materiales amorfos tienen una estructura
interna, en términos del grado de ordenamiento atómico, similar a la de un líquido.
Sin embargo, portratarse de un sólido, la viscosidad será muy alta (infinita) y la
movilidad atómica de moderada a nula. Como consecuencia, si obtuviésemos una
instantánea fotográfica (estado congelado) del ordenamiento atómico de un sólido
amorfo y de un líquido, no podríamos establecer la diferencia.
Los factores que favorecen la formación de un sólido amorfo (bastante
desordenado) en el lugar de uno cristalino (ordenado) son:
- alta direccionalidad del enlace
- alta velocidad de enfriamiento desde el estado líquido al sólido
- baja pureza del material
Así, por ejemplo, es mucho más probable obtener un sólido amorfo en el caso de un
material de enlace covalente que en el de uno de enlace metálico (no direccional).
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También será más fácil formar un cristal de un elemento puro que cuando hay
combinaciones de elemento.
Un ejemplo clásico de material amorfo es el vidrio de ventanas, la sílice: SiO2. Este
material presenta varias estructuras cristalinas, pero en todas ellas cada átomo de Si
se relaciona con sus 4 enlaces tetraédricos con átomos de O. Además, cada Oxígeno,
de valencia 2, quedará entre 2 Si. Teniendo en
cuenta que cada O se asocia a 2s Si, sacamos la cuenta que a cada Si se le asocian
4*(1/”2)= 2 átomos de O, lo cual es correcto, pues corresponde a la fórmula
estequeométrica SiO2. En estos cristales se tiene un enlace mixto covalenteiónicos.
En el material industrial empleado para hacer vidrio, frecuentemente se agrgan otros
elementos, como Na, Ba y Al. En particular, el Na mejora la fluidez y baja la
temperatura de fusión del material en la fábrica. A las moderadas velocidades de
enfriamiento industriales, este material resulta amorfo. Otra forma usual de
denominar a los materiales amorfos es materiales vítreos. La figura 2 representa en
forma esquemática (en dos dimensiones, en lugar de en tres), el SiO2 en: a) estado
cristalino y b) estado amorfo. Nótese que en este esquema conceptual 2D se ha
omitido uno de los enlaces del Si. Los metales tienen enlace con una simetría muy
próxima a la esférica. De manera que los metales puros, enfriados a altas
velocidades industriales usuales (p.e., 103 ºC/s), resultan ser cristalinos. Así, hasta
hace unos 30 años se creyó que los metales siempre daban sólidos cristalinos. Sin
embargo, cuando los metales
puros o sus aleaciones habituales son enfriados, por métodos modernos, a altas
velocidades (104 a 106 ºC/s), se logra tener materiales amorfos. Para lograr estas
velocidades, normalmente se requiere enfriar pequeños espesores. De esta manera,
los metales vítreos hoy disponibles industrialmente vienen bajo forma de huinchas,
y sus aplicaciones actuales se relacionan con propiedades magnéticas. Sin embargo,
muy recientemente se han fabricado aleaciones metálicas, formadas
por hasta unos 8 elementos, que resultan ser amorfas a velocidades moderadas de
enfriamiento (1 ºC/s). En este caso, para obtener el estado amorfo, se aprovecha el
“alto grado de impureza” del material. Así se obtienen materiales macizos que
permiten el estudio de sus interesantes propiedades mecánicas. Los materiales
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poliméricos son ejemplos importantes de materiales parcialmente amorfos (o
parcialmente cristalinos). En efecto, aquí hay una gran tendencia a que las cadenas
no queden ordenadas totalmente, de hecho frecuentemente sólo lo están en mínima
parte. A diferencia de las otras familias materiales, donde el material es
habitualmente ya sea totalmente cristalino o totalmente amorfo, en el caso de los
polímeros tiene sentido el concepto de grado (porcentaje) de cristalinidad. Mientras
más cristalino es un polímero, más denso es él; en la práctica industrial de los
polímeros se hace más bien alusión a la densidad, que al porcentaje de cristalinidad.
Parámetros de red
El parámetro de red hace referencia a la distancia constante de las celdas unitarias o
"dimensión de cada celda" con respecto a su estructura cristalina, por eso en una
cúbica tenemos a=b=c. Las estructuras o redes en tres dimensiones generalmente
tienen tres parámetros de red, a, b y c. Sin embargo, en el caso especial de redes
cúbicas simples, todos los parámetros son iguales, con lo cual nos referimos a ellos
como a. Del mismo modo, en las estructuras cristalinas hexagonales, los parámetros
a y b son iguales, por lo que únicamente consideraremos a y c.
En el crecimiento epitaxial, el parámetro de red es una medición de la
compatibilidad estructural entre diferentes materiales.
Ya que los parámetros de red tienen dimensiones de longitud, su unidad en el
sistema internacional es el metro. No obstante, suelen darse en submúltiplos como
el nanómetro o el angstrom.
La coincidencia de parámetros de red es importante para hacer crecer capas finas de
unos materiales sobre otros; cuando estos parámetros son diferentes se forman
irregularidades en la capa y se hace imposible hacer crecer nuevas capas sin
defectos.
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La coincidencia de parámetros de red entre dos materiales semiconductores permite
formar una región con un ancho de banda prohibida distinto sin variar la red
cristalina. De este modo se construyen LEDs y diodos láser.
Por ejemplo, el GaAs, el AlGaAs y el AlAs tienen parámetros de red casi idénticos,
haciendo posible crecer capas de cualquier grosor unas encima de otras.
Los parámetros de red pueden ser medidos mediante difracción por rayos X.
Sistemas cristalinos
Sistema tetragonal
Existen 3 ejes cristalograficos a 90° entre sí: alfa = beta = gama = 90° Los
parámetros de los ejes horizontales son iguales, pero no son iguales al parámetro del
eje vertical: a = b ≠ [es desigual de] c Formas típicas y sus elementos de simetría
son :
Circón (ZrSiO2) pertenece al sistema tetragonal y forma p. ej. prismas limitados por
Pirámides al extremo superior y inferior.Casiterita SnO2
Sistemahexagonal
Existen 4 ejes cristalográficos, tres a 120° en el plano horizontal y uno vertical y
perpendicular a ellos:
Y1 = Y2 = Y3 = 90° - ángulos entre los ejes horizontales y el eje vertical.
X1 = X2 = X3 = 120° - ángulos entre los ejes horizontales.
a1 = a2 = a3 ≠ c con a1, a2, a3 = ejes horizontales y c = eje vertical.
Apatito Ca5[(F, OH, Cl)/(PO4)3] y grafito C pertenecen al sistema hexagonal.
Formas típicas son el prisma hexagonal y el trapezoedro hexagonal de un eje
sexternario y 6 ejes binarios.
Sistema trigonal
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Existen tres ejes cristalográficos con parámetros iguales, los ángulos X1, X2 y X3
entre ellos difieren a 90°: X1 = X2 = X3 = 90° a1 = a2 = a3
Calcita CaCO3 y Dolomita CaMg(CO3)2 pertenecen al sistema trigonal y forman a
menudo romboedros. Otra forma es una combinación de pirámide trigonal y
pinacoide con 3 ejes binarios de simetría.
Sistema ortorrómbico
Existen tres ejes cristalográficos a 90° entre sí: r>alfa = beta = gama = 90°
Los parámetros son desiguales: a ≠ b ≠ c [a es desigual de b es desigual c]
Ejemplo: Olivino (Mg,Fe)2(SiO4)
Una forma típica es una combinación de paralelogramo y pinacoide con 3 ejes
binarios de simetría.
Sistema monoclínico
Hay tres ejes cristalográficos, de los cuales dos ( uno de los dos siempre es el eje
vertical = eje c) están a 90° entre sí: >alfa = gama = 90° y beta es mayor de 90°
Los parámetros son desiguales.
a ≠ b ≠ c [a es desigual de b es desigual de c]
Ejemplo: Mica
Sistema triclínico
Hay tres ejes cristalográficos, ninguno de ellos a 90° entre sí: >alfa es desigual de
beta es desigual de gama es desigual de 90°
Los parámetros son desiguales. a ≠ b ≠ c [a es desigual de b es desigual de c]
Ejemplo: Albita: NaAlSi308 y Cianita: Al2SiO5
Redes de Bravais
Uno de los conceptos fundamentales en la descripción de un sólido cristalino es el
de red de Bravais, que especifica cómo las unidades básicas que lo componen
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(átomos, grupos de átomos o moléculas) se repiten periódicamente a lo largo del
cristal.
Una red de Bravais es un conjunto formado por todos los puntos cuyo vector de
posición es de la forma R= n1a1+n2a2+n3a3 donde a1,a2, a3 son tres vectores
linealmente independientes y n1, n2 y n3 son números enteros.
A los vectores ai se les llama vectores primitivos o traslaciones fundamentales de la
red de Bravais.
Resulta evidente que al trasladar una red de Bravais según un vector de la forma R=
n1a1+n2a2+n3a3, coincide consigo misma. La invariancia traslacional de la red de
Bravais constituye su característica
mas importante.
Factor de empaquetamiento
Factor de empaquetamiento: Cúbica simple.
Longitud de la aristadel cubo=a
Notar que al agrandarse las esferas, éstas lo harán hasta
conseguir un radio a2
. Entonces dentro del cubo quedará:
8( 18V ) volúmendeunaesferaderadio a .
Entonces se puede decir que dentro del cubo quedará una esfera.
El volumen del cubo es: V c=a3
El volumen de una esfera de radio a2 es:
V e=4 π ( a2 )
3
3=π a3
6.
Siendo el volumen total de una esfera dentro del cubo, que es lo que se requería, por
lo tanto el factor de empaquetamiento es:
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1V eV c
=
π a3
6a3 =π
6≅ 0.52
Factor de empaquetamiento: Cúbica centrada en el cuerpo.
Longitud de la aristadel cubo=a
En este caso se puede notar que la cantidad de esferas que hay dentro del cubo son
dos.
El radio de cada una de las esferas se calcula notando que sobre la diagonal
principal del cubo deben caber 4 radios, por lo que se debe dividir la longitud de la
diagonal principal entre cuatro para obtener el radio de cada esfera.
Al aplicar dos veces el teorema de Pitágoras, nos da que la longitud de la arista
principal es: √3a
Por lo tanto el radio de una esfera será:√3 a4
El volumen del cubo es: V c=a3
El volumen de una esfera de radio √3 a4
es:
V e=
4 π ( √3a4 )
3
3 =4 π (√3 )3a3
3 ( 4 )3=π (√3 )3a3
3 (4 )2≅ 0.34a3
Por lo tanto el factor de empaquetamiento se obtiene al multiplicar éste volumen
encontrado por dos y el resultado dividirlo entre el volumen del cubo:
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2V eV c
=
2 π (√3 )3a3
3 (4 )2
a3 =2π (√3 )3
3 (4 )2≅ 0.68
Factor de empaquetamiento: Cúbica centrada en las caras.
Longitud de la aristadel cubo=a
En este caso se puede notar que al estar un átomo centrado en alguna cara, se puede
inferir que el radio de una de las esferas se obtiene al dividir la longitud de la
diagonal que se forma con el cuadrado de una cara entre 4.
El número de esferas será: 1 de la formada por las esquinas + 3 de las 6 mitades que
están dentro del cubo¿4 esferas.
Al aplicar una vez el teorema de Pitágoras se tiene que la longitud de la diagonal
buscada es √2a, y por lo tanto el radio de una esfera es: √2a4
.
El volumen del cubo es: V c=a3
El volumen de una esfera de radio √2a4
es:
V e=4 π ( √2a
4 )3
3 =4 π (√2 )3a3
3 (4 )3=π (√2 )3a3
3 ( 4 )2≅ 0.185a3
Por lo tanto el factor de empaquetamiento es:
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4V eV c
=
4 π (√2 )3a3
3 ( 4 )2
a3 =π (√2 )3
3(4 )≅ 0.74
Factor de empaquetamiento: Diamante.
La estructura del diamante que se encuentra en la literatura es:
Longitud de la aristadel cubo=a
Se puede notar que hay cuatro esferas más dentro del cubo que las que había en la
cívica centrada en las caras, por lo tanto hay 8 esferas dentro del cubo.
Como hay una esfera justo a 14 de distancia de una esfera de un vértice, y además
porque está sobre la diagonal principal del cubo, se tiene que cuando son partículas
puntuales, la mínima distancia que existe entre partículas es la distancia de la
diagonal principal del cubo dividida entre 4, entonces al engrandecerse las partículas
simultáneamente, el radio de cada una de las esferas será la mitad de la distancia
entre las partículas menos distantes, por lo tanto:
radio de la esfera=
√3a42
=√3 a8
Esto nos proporciona el volumen de cada una de las esferas.
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El volumen del cubo es: V c=a3
El volumen de una esfera de radio √3 a8
es: V e=
4 π (√3a8 )
3
3 =4 π (√3)
3a3
3 (8 )3≅ 0.042
Por lo tanto el factor de empaquetamiento del diamante es:
8V eV c
=
32π (√3)3a3
3 (8 )3
a3 =32π (√3)
3
3 (8 )3≅ 0.34
Correlación estructura cristalina y propiedades
Los sólidos se pueden clasificar teniendo en cuenta el arreglo interno de sus
partículas, en amorfos y cristalinos.
Se puede decir que un sólido es un material que posee forma y volumen definidos y
que es una sustancia constituida por átomos metálicos, átomos no metálicos, iones ó
moléculas.
Muchas de las propiedades de los metales tales como la densidad, dureza, punto de
fusión, conductividad eléctrica y calorífica están relacionadas con la estructura
cristalina y también con el enlace metálico. Sin embargo, ninguna depende tanto de
la estructura cristalina como las propiedades mecánicas tales como la maleabilidad,
ductilidad, resistencia a la tensión, temple y capacidad de hacer aleaciones.
Celda unitaria
Se llama celda primitiva unidad de una red de Bravais a un volumen del espacio tal
que trasladado mediante todos los vectores de dicha red llena todo el espacio sin
dejar vacios ni superponerse. Esta condición implica que una celda unidad contiene
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únicamente un punto de la red. Sin embargo existe un número infinito de celdas
primitivas, todas ellas con el mismo volumen.
Siempre es posible elegir una región (que pueda contener mas de un punto de la red)
que, trasladada mediante un subconjunto de vectores de la red, llena el espacio sin
dejar vacios ni superponerse.
Dichas celdas unidades (no primitivas) pueden elegirse de modo que reflejen mejor
la simetria de la red.La estructura de un cristal real queda descrita cuando se da la
red de Bravais subyacente y la
distribución de los átomos dentro de la celda primitiva (motivo). La red cristalina
está pues formada por copias de la misma unidad fundamental o motivo localizadas
en todos los puntos de la red de
Bravais.
Numero de átomos por celda
Para una celdilla cúbica, este número puede calcularse mediante la expresión
siguiente:
La fracción que multiplica estos números surge del hecho de que la celdilla debe
entenderse como una porción de todo el cristal. Los átomos del interior de la celdilla
pertenecen únicamente a esa celdilla (de ahí el factor 1), pero cada átomo de un
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Siendo
nI el número de átomos en el interior de la celdilla
nC el número de átomos en las caras
nV, el número de átomos en los vértices.
vértice pertenece simultáneamente a 8 celdillas contiguas (de ahí el factor 1/8), y
cada átomo de una cara, a 2 celdillas vecinas (de ahí el factor 1/2).
Por razones parecidas, si la celdilla es hexagonal, entonces la expresión anterior ha
de sustituirse por esta otra:
Red cúbica simple(CS):
(8 vértices)x(1/8 de átomos)= 1 átomo/celda
Red cúbica situada en el centro(BBC):
(1 átomo/celda)+(1 átomo centro)= 2 átomos/celda
Red cúbica situada en las caras(FCC):
(1 átomo/celda)+(6 carasx1/2 átomo)= 4 átomos/celda
Relación entre el radio atómico y parámetros de red
Debido a la geometría de la celda unitaria, existe una relación matemática entre el
radio de los átomos que la componen y el parámetro de red. Para los átomos que
forman la estructura BCC, los átomos se tocan entre sí a lo largo de la diagonal
principal del cubo.
A partir de esas consideraciones geométricas se deduce que para la estructura BCC,
a0=4 r√3
, donde r es el radio de los átomos que forman la celda unitaria.
Para la estructura FCC, la relación entre el parámetro de red y el radio atómico es:a0
=4 r√2
, donde r es el radio del átomo.
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Numero de coordinación
Es el número de átomos que están en contacto con un átomo en particular del
material. El número de coordinación puede interpretarse como el número de vecinos
próximos que tiene cada átomo del material. Por ejemplo, para la estructura cúbica
centrada en el cuerpo (BCC), el átomo ubicado en
el centro del cubo está en contacto con los ocho átomos de los vértices. El número
de coordinación para esta estructura es de 8.
Densidad teórica
La densidad teórica de un material se puede determinar con las propiedades de su
estructura cristalina.
Densidad= masaátomosvolumencelda
Densidad ρ=(¿ átomoscelda
)(masaatómica)
(volumenceldaunitaria)(¿ Avogadro)
Sitios intersticiales
Son los huecos que existen entre los átomos que forman la estructura cristalina y se
originan debido a que los átomos son esféricos. Los sitios intersticiales pueden estar
vacíos, o pueden contener átomos más pequeños.
Alotropía
El concepto de alotropía fue propuesto originalmente en 1841 por el químico sueco
Jöns Jacob Berzelius (1779-1848) y se define como la capacidad que poseen
algunos materiales para existir en más de una forma o estructura cristalina en la
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misma fase o estado de la materia. Él termino alotropía suele reservarse para hacer
referencia de este comportamiento en elementos puros mientras que el término
polimorfismo se usa para elementos compuestos.
La existencia de una estructura cristalina o otra va a depender de la temperatura y
presión exteriores. Cuando exista un cambio en las condiciones termodinámicas los
átomos adoptan posiciones de mínima energía y por lo tanto de máxima estabilidad
La transformación alotrópica a menudo repercute en la densidad y en las
propiedades físicas del material de ahí el interés de su estudio en áreas como la
ingeniería. Por ejemplo, materiales con una estructura cúbica centrada en el cuerpo
serán duros y resistentes mientras que los de estructura cúbica centrada en las caras
serán materiales más blandos y fácilmente conformables.
La alotropía suele ser más evidente en los no-metales (con exclusión de los
halógenos y los gases nobles) y metaloides aunque también los metales tienden a
formar variedades alotrópicas.
En la transformación alotrópica se produce una absorción de calor al ser calentado
o en el caso del enfriamiento, un desprendimiento de calor latente verificándose
estos procesos a temperatura constante; la denominada temperatura de
transformación alotrópica.
Por ejemplo en la imagen se muestra la
curva de enfriamiento del hierro puro.
Nótese las líneas isotermas correspondientes a
las temperaturas de transformación
alotrópica.
- En el intervalo entre los 1535 y 1390 °C el
hierro tiene la red cúbica centrada en el
cuerpo y esta fase alotrópica recibe el
nombre de hierro δ ( Fe δ ).
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- En el intervalo entre 1390 y 910 ° C la estructura pasa a ser cúbica centrada en las
caras (Fe γ).
- Finalmente por debajo de 910 °C la red pasa a ser cúbica centrada en el cuerpo (Fe
α).
Está situación influye en operaciones como el temple del acero ya que el hierro al
pasar de
Fe γ a Fe α sufre una variación de su volumen. El índice de coordinación pasa de
12 a 8 y la compacidad del 74% al 8%. Todo ello puede provocar que aparezcan
grietas superficiales en el temple.
A altas presiones también puede estabilizarse el Fe-ε que presenta estructura
hexagonal compacta.
Polimorfismo
El polimorfismo es la propiedad de un material de existir en más de un tipo de red
espacial en el estado sólido, si el cambio en estructura es reversible, entonces el
cambio polimórfico se conoce como alotropía. Por lo menos quince metales
muestran esta propiedad, y el hierro es el ejemplo mejor conocido. Cuando el hierro
existir en más de un tipo de red espacial en el estado sólido. Si el cambio en
estructura es reversible cristaliza a 1537°C es b.c.c. (Feδ ), a 1235 °C laestructura
cambia a f.c.c. (Feγ)
y a 910 °C vuelve a transformarse en b.c.c.(Feα ).
El hierro es conocido en sus modificaciones alotrópicas α y γ . El hierro α existea
temperaturas inferiores a 910°C y superiores a 1401°C en el intervalo
detemperaturas de 1401 a 1539°C el hierro existe en la forma γ.
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15 materiales con respectivas estructuras cristalinas(15 ejemplos):
Diamante:
Pirita
Apatito
Cianita
Casiterita
Calcita
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Olvino
Moscovita
Ópalo
oro nativo:
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cuarzo:
feldespatos:
grafito
olivino:
cobre
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Conclusión
Esta actividad fundamental (síntesis), me ayudo a comprender en su totalidad lo que es una
estructura cristalina y sus componentes. Me preció un tema muy interesante, ya que lo que
investigué fue en si lo cosas que ya conozco, pero estudiadas desde otro punto mas
detallado y a profundidad, lo que me gusta bastante.
A pesar de que se hacen muy extensas este tipo de tareas, al contener tantos subtemas, al
momento de investigar cada punto del tema por tu cuenta, aprendes mas, lo que s eme hace
una buena estrategia para reforzar temas vistos en clase.
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Referencias
[PDF]
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