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Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Culhuacán
PRÁCTICA No. 3 "CRECIMIENTO DE CRISTALES" 1. OBJETIVOS: Que el alumno: Haga crecer un monocristal en el seno de una fase líquida
Realice operaciones sobre el monocristal para identificar los elementos de simetría propios de la forma obtenida.
Identifique el sistema cristalino del cristal obtenido.
2. GENERALIDADES: El arreglo atómico juega un papel importante en la determinación de la microestructura y el comportamiento de un material sólido. Por ello los distintos arreglos atómicos causan que algunas sustancias se deformen fácilmente, otras puedan estirarse elásticamente y otras sean fuertes y quebradizas a la vez. La estructura atómica y molecular también determina las propiedades eléctricas de los materiales. Por ejemplo, algunos sólidos cerámicos, llamados transd transduct uctore ores, s, son capaces capaces de detect detectar ar tumore tumoress en el cuerpo cuerpo humano humano,, puesto puesto que su estructura y arreglo atómico produce un desplazamiento de las cargas eléctricas dentro del material. Los materiales en el estado sólido se clasifican en: cristalinos y amorfos. En los cristalinos, los átomos adoptan arreglos arreglos ordenados, repetitivos de largo alcance; formando estructuras estructuras tridimensionales periódicas; algunos ejemplos pueden ser, los metales y sus aleaciones, la sal (un compuestos iónico) y el dióxido de silicio (SiO (SiO2, un compuestos covalente). En los amorfos no existe ordenamiento periódico o es sólo de corto alcance; el vidrio y algunos materiales plásticos. El SiO2 puede ser cristalino (formando el cuarzo) o amorfo (formando el vidrio) según sea enfriado. La cristalización: Consiste en la formación de cuerpos sólidos dentro de una fase homogénea líquida o gaseosa.
Los crista cristales les tienen tienen aplica aplicación ción tanto tanto en el campo campo cientí científic fico o y tecnol tecnológi ógico. co. Durant Durantee el proceso de formación de los cristales se obtiene un monocristal, pero si se forman varios cristales juntos se dice que se obtiene una estructura policristalina De un crista cristall puede puede obtene obtenerse rse la distan distancia cia interp interplan lanar, ar, el número número de coordi coordinac nación ión,, factor factor de empaqu empaqueta etami mient ento, o, densid densidad ad volumé volumétri trica, ca, así tambié también n las propie propiedad dades es física físicas s como como lo es la piezoelectricidad o la semiconducción de la corriente eléctrica.
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La mayoría de los métodos simples para crecer un cristal se realiza en disolución acuosa induciendo el proceso ya sea por enfriamiento ó por evaporación. Existen otros métodos simples como el crecimiento en flujo, electrolítico y el crecimiento en gel, así como también métodos más elaborados como el Czochralski. La cristalización a partir de disolución es una operación industrial importante, por que mediante soluciones se forman cristales puros. Un método de cristalización procura obtener: • • • •
El mejor rendimiento. Pureza Tamaño Uniformidad de tamaño
Forma definida (agujas, laminas ) Cristales únicos Al crecer un cristal este adquiere forma de tamaño de poliedro con vértices puntiagudos y caras planas. Si bien los tamaños relativos de caras y aristas de los diferentes cristales de una misma sustancia pueden ser muy variados, los ángulos formados por las caras correspondientes de todos los cristales son iguales y constituyen una característica de la sustancia. • •
Los cristales pueden clasificarse de acuerdo al tipo de enlace que proporciona la fuerza necesaria para mantener las partículas en el lugar correspondiente de la red cristalina como metálicos. Iónicos, covalentes, moleculares, uniones de Vander- Waals ó enlaces de Hidrogeno. Este proceso de cristalización tiene lugar en dos etapas: a).- La primera consiste en la formación de cristal y recibe el nombre de nucleación b).- La segunda corresponde al crecimiento del cristal El potencial que provoca ambas etapas es la sobresaturación de la disolución, es decir ninguna de las etapas tendrán lugar en una disolución saturada o infra saturada. Se dispone de tres formas para provocar la saturación: 1.- Como la mayoría de las sustancias inorgánicas y orgánicas, su solubilidad aumenta Fuertemente con la temperatura, entonces una solución saturada se logra disminuyendo la temperatura 2.- En el caso de sustancias cuyas posibilidades son independientes de la temperatura, la Sobresaturación se consigue por evaporación del disolvente. 3.- Si con ninguno de los métodos anteriores se consigue la sobresaturación, se puede añadir un tercer componente. En condiciones iguales, durante el crecimiento de un cristal se mantiene la semejanza geométrica. Un cristal que cumple con estas condiciones se llama invariante. Cada uno de los polígonos de la figura representa las líneas exteriores del cristal a diferentes tiempos. Puesto el cristal es invariante, estos polígonos son geométricamente semejantes, puede observarse en este caso que el crecimiento de las caras no se realiza a la misma velocidad.
3. MATERIAL Y EQUIPO: ( por mesa) Lo que debe traer cada equipo 1 Frasco de vidrio de aproximadamente 5Oml 20 cm de hilo de coser de preferencia de algodón. Práctica No 3. Crecimiento de cristales
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4. DESCRIPCIÓN DE REACTIVOS: Solución sobresaturada de sulfato de cobre pentahidratado. Solución sobresaturada de sulfato de níquel.
5. MÉTODO DE OPERACIÓN: 1.- Preparación de las soluciones de sulfato de níquel. Estas soluciones son preparadas por los técnicos de laboratorio.
Saturada: En un vaso de precipitado limpio y seco de 4000 ml, añadir 2000 ml de agua destilada y adicionar 2300g de sulfato de níquel hexahidratado, llevar a calentamiento hasta 50 oC y agitar durante 3 minutos. Cuando el sulfato de níquel esté disuelto completamente, pasar la solución a otro vaso de precipitados filtrándola para eliminar impurezas, dejar enfriar tapado la boca del vaso para evitar contaminaciones, una vez fría colocar 50g de sulfato de níquel más y agitar, volver a tapar el vaso y dejarlo uno ó dos días. Vaciar la solución clara a otro vaso y dejarla a temperatura ambiente.
Sobresaturada: A la solución saturada, agregar 190g de sulfato de Níquel, cuando la temperatura sea de 25OC, calentar a la solución hasta disolver totalmente la sustancia, tapar el vaso y dejarlo enfriar a temperatura ambiente. Separar la fase líquida de la sólida y reservar para hacer el crecimiento del cristal.
2.-Nucleación del proceso de cristalización:
Ponga un poco de la solución saturada en una caja de petri y déjela expuesta al aire un día. Observe en qué momento aparecen los cristales (germen), Con pinzas seleccione los mejores formados.
3.- Crecimiento del cristal (Etapa del proceso realizada por el alumno) Cada equipo recibirá, por parte del profesor(a), la solución sobresaturada de sulfato de cobre o sulfato de níquel. Con un hilo de algodón de 5 a 10cm de largo, amarre un cristal germen, siembre el cristal introduciéndolo en el frasco que contiene la solución que le fue proporcionada, teniendo cuidado de que el germen quede suspendido e n la solución. Pase la otra punta del hilo por el orificio que debe tener en el centro la tapa, péguelo con un trozo de cinta adhesiva transparente y cierre el frasco. Observe el crecimiento del cristal durante 6 días. Separe el cristal de la solución, séquelo con cuidado usando papel absorbente, guárdelo en una cajita para evitar que se rompa y resérvelo para sus cálculos. Notas: •
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Haga anotaciones diarias sobre el crecimiento del cristal y de ser posible tome fotografías del proceso. Cuide de colocar el frasco durante el crecimiento del cristal en un lugar que no haya cambios de temperatura, vibración y movimientos constantes del frasco. Como precaución, informar en casa sobre la actividad que se está realizando con la solución, para evitar accidentes ó pérdidas de la solución. Al termino del procedimiento regresar la solución sobrante al profesor(a) junto con el cristal obtenido.
Práctica No 3. Crecimiento de cristales
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6. TABLA DE RESULTADOS EXPERIMENTALES: Sustancia seleccionada Color Tamaño del germen Forma del germen Forma del cristal 7. CALCULOS EFECTUADOS: 1.- Registre si obtuvo un cristal invariante 2.- Realice las operaciones de simetría con el cristal 3.- Identifique los elementos de simetría encontrados 4.- Dibuje el cristal indicando sus elementos de simetría 5.- Identifique el sistema cristalino al que pertenece el cristal
8. RESULTADOS OBTENIDOS: Descripción del cristal Color Sistema cristalino Invariante Elementos de Simetría Ejes de simetría Planos de simetría
Si ( )
No ( )
C1 ( ) C2 ( ) C3 ( ) C4 ( ) C5 ( ) C6 ( ) Perpendiculares ( )
Diagonales ( )
Paralelos ( )
9.- Cuestionario: 1.- Al sembrar un cristal en su misma disolución, explique que sucede cuando: •
La solución no es saturada
•
La solución es saturada
La solución es sobresaturada • 2.- Explique las aplicaciones importantes del crecimiento de los monocristales en los semiconductores. 3.- Describa que es un eje de simetría e indique cuántos presenta la estructura cúbica, triclínica y monoclínica. Práctica No 3. Crecimiento de cristales
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4.- Describa que es un plano de simetría e indique cuántos presenta la estructura cúbica, triclínica y monoclínica.69. COSES: 5.- Explique la diferencia entre cristal y vidrio
10. OBSERVACIONES: Escriba sus observaciones con respecto al desarrollo de la práctica y si hubo inconvenientes, descríbalos. Den su opinión sobre la práctica.
11. CONCLUSIONES: Escriba sus conclusiones en relación a los objetivos de la práctica y justifique sus resultados.
12. REFERENCIAS: Enliste los libros y/o sitios confiables ( *.edu ) consultados
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