3. ESTRUCTURA CRISTALINA La estructura cristalina es la disposición atómica en el sólido. Es regular y repetitiva. Puede describirse: • Con Conside siderand randoo los átomos o ione ioness como esferas esferas sóli sólidas das (modelo atómico atómico de esfe esferas ras rígidas). • Con Conjun junto to de pun punto toss en el es espac pacio io tri tridim dimens ensio ional nal,, red cri crista stali lina, na, que def define ine la disposición ordenada del sólido cristalino. Cuando los átomos se sitúan en los puntos de la red se construye la estructura cristalina. 4. ARREGLO ATOMICO Todos los materiales están integrados por átomos los que se organizan de diferentes maneras, dependiendo del material que se trate y el estado en el que se encuentra. 4.1 Sin orde ordenn (amor (amorfo): fo): Todos los materiales están integrados por átomos los que se organizan de diferentes maneras, dependiendo dependiendo del material que se trate y el estado en el que se encuentra 4.2 Ordenamiento de corto alcance: alcance : el arreglo espacial de los átomos se extiende sólo a los vecinos más cercanos. Cada molécula de agua en fase vapor tiene un orden de corto alcance debido a los enlaces covalentes entre los átomos de hidrógeno y oxígeno. Sin embargo, las moléculas de agua no tienen una organización especial entre sí. 4.3 Ordenamiento de largo alcance (cristal): los átomos se sitúan en una disposición repetitiva o periódica lo largo de muchas distancias atómicas, y poseen una estructura cristalina. 5. CE CELD LDA A UN UNIT ITAR ARIA IA Unidad estructural repetitiva más sencilla y representa en mayor grado la simetría del cristal. Su repetición indefinida construye la red cristalina. 5.1 Parámetro de red: red : describen el tamaño y la forma de la celda unitaria, incluyen incluyen las dimensiones de las aristas de la celda unitaria y los ángulos entre estas. 6. EST ESTRUC RUCTUR TURA A CRISTA CRISTALI LINA NA DE LOS LOS METALE METALESS Los meta metales les son mate material riales es que desa desarroll rrollan an una est estruct ructura ura atóm atómica ica trid tridimen imension sional al organ org aniz izada ada ll llama amada da cri crista stal.l. Las est estruc ructu turas ras muy com compac pactas tas se lla llama mann est estruc ructu turas ras crist cri stali alina nas. s. Los át átomo omoss de un cri crista stall se al alin inean ean se según gún una ori orien entac tació iónn esp espec ecif ifica ica.. Cuando se trata de un metal con un solo tipo de organización cristalina, se habla de monocristal y cuando hay varias estructu estructuras ras diferentes con varias orientaciones orientaciones se habla de policristal. la estructura de los diferentes metales se sabe que, dentro del cristal, los átomos en equilibrio dinámico pueden organizarse en varios sistemas virtuales llamados redes red es de Bra Bravai vais. s. En ca cada da red de Bra Bravai vaiss pue puede de de defi finir nirse se una un unida idadd el eleme ementa ntall
específica llamada celda unitaria compuesta de un conjunto de puntos con los cuales se puede reproducir el resto del espacio atómico. 6.1 Número de coordinación: El número de coordinación es la cantidad de átomos que tocan a determinado átomo (cantidad de vecinos más cercanos a un átomo en particular). 6.2 Factor de empaquetamiento: Fracción del espacio de la celda unitaria ocupada por los átomos, suponiendo que éstos son esferas sólidas. Factor de empaquetam iento
=
( cantidad de átomos por celda ) ( volumen de átomos ) volumen de la celda unitaria
6.2.1 Empaquetamiento no compacto: es la que ocupa menor fracción de átomos en una celda unitaria. 6.2.1.1 Celda cubica simple (SC): La celda cúbica simple es una caja de lados iguales o cubo con un átomo posicionado en cada esquina del cubo. Nº de coordinación:6 Átomos por celda: 8 vértices*1/8 =1 Relación entre la longitud de arista y el radio del átomo: 2r = a Eficacia del empaquetamiento: 52%
Vocupado Vcelda
( 4 3)π r 3 =
a3
( 4 3)π r 3 =
( 2r ) 3
π =
6
=
0.52
6.2.1.2 Celda cubica centrada en el cuerpo (BCC): es un cubo que tiene un átomo metálico en cada uno de sus vértices y otro en su centro. Cada átomo se rodea de otros ochos primeros vecinos, es decir su número de coordinación es 8. Muchos metales como el hierro, titanio, cromo o wolframio presentan esta estructura a bajas temperaturas.
Nº de coordinación:8 Átomos por celda: 8 aristas*1/8 + 1centro =2
b
Relación entre la longitud de arista y el radio del átomo: r =
3a 4
Eficacia del empaquetamiento: 68% a2 b2=3a2 (3a2)1/2
Vocupado Vcelda
=
2( 4 3) πr 3 a3
=
2( 4 3) πr 3 ( 4r ) 3 3
=
3π 8
=
0.68
6.2.2 Empaquetamiento compacto: es la disposición de un número infinito de celdas de átomos de forma que las mismas ocupen la mayor fracción posible de un espacio infinito tridimensional. 6.2.2.1 Celda cubicas centrada en las caras (FCC): En la celda unidad hay un átomo en cada vértice y otro en el centro de cada cara. Los átomos de los vértices pertenecen a ocho celdillas y los de las caras solo a dos, de manera que se puede decir que hay 4 átomos por celdilla. Además el número de coordinación se eleva a 12. Esta estructura es la presentada por los metales como el aluminio, cobre, plomo, níquel y hierro ( a elevadas temperaturas). Nº de coordinación:12 Átomos por celda: 8 aristas*1/8 + 6caras*1/2= Relación entre la longitud de arista y e l radio del átomo: (4r)2=a2+a2 Eficacia del empaquetamiento: 74%
Vocupado Vcelda
4 ⋅ ( 4 3) πr 3 = a3
( 4 3) πr 3
= 0.74 4r 21 / 2 6.2.2.2 Celda hexagonal compacta (HCP): la celda unidad tiene la forma de un prisma hexagonal, con un átomo en cada vértice, otro en los centros de las caras superiores. Por consiguiente tenemos 6 átomos por cada celda unidad, siendo 12 el número de =
coordinación de cada átomo. Entre los metales que presentan esta estructura podemos destacar el magnesio, berilio y cinc, así como el titanio y el cobalto abajas temperaturas.
Nº de coordinación:12 Átomos por celda: 2 c
Para el hexágono (3celdas): 12 vérticesx1/6 +2 carasx1/2 +3centro=6átomos Eficacia del empaquetamiento: 74% Parámetros: a = ancho del hexágono c= altura; distancia entre dos planos
7. SISTEMA CRITALINO Y REDES DE BRAVAIS Existen catorce tipos posibles de redes de Bravais que a su vez pueden ser clasificadas en siete sistemas cristalinos (triclínico, monoclínico, ortorrómbico, hexagonal, romboédrico, tetragonal, cúbico). Cada material cristaliza en un sistema determinado debido a la solidificación al bajar la temperatura del sistema. En estos casos son las leyes de la termodinámica las que determinan la red cristalina en la cual un determinado sistema debe cristalizar. Los sistemas más conocidos son el sistema cúbico con tres redes de Bravais muy comunes: la FCC (cúbica centrada en las caras), la BCC (cúbica centrada en el cuerpo) y el sistema hexagonal con la red de Bravais HCP (hexagonal compacta). Algunos metales presentan una propiedad de polimorfismo que les permiten cristalizar en más de una red de Bravais.
8. DEFECTO CRISTALINO La cristalización nunca es perfecta. Como en cualquier proceso natural se producen imperfecciones en el crecimiento. Son las responsables de variaciones en el color o la forma de los cristales. 8.1 Vacancias: El defecto vacante es cuando un átomo que se encuentra normalmente en la red cristalina deja de estarlo, dejando así un espacio vacío, que a veces es ocupado por un electrón. 8.2 Átomos intersticiales: El defecto intersticial es cuando un átomo extra se introduce en un lugar de la estructura cristalina donde no se encuentra normalmente. 8.3 Sustituciones: En este defecto se sustituye un átomo de la estructura cristalina por otro. Se debe tomar en cuenta que el radio del átomo no debe ser diferente de un 15% ya sea en mayor o menor proporción ya que podrían ocurrir perturbaciones en el material. Un átomo de mayor radio hará que los átomos vecinos sufran una compresión, y un átomo sustituido de menor radio hará que los átomos vecinos sufran una tensión.
8.4 Dislocaciones: Aparición de nuevas filas de elementos cuando en el plano anterior no existían. 9. ISOMORFISMO, POLIMORFISMO Y ALOTROPÍA Hay elementos y compuestos que pueden presentar distintas estructuras cristalinas dependiendo de la presión y temperatura a la que estén expuestos. - Isomorfismo: se produce cuando dos sustancias cristalizan en el mismo sistema cristalino. - Polimorfismo: se produce cuando una sustancia cristaliza en diferentes sistemas cristalino. - Alotropía: se produce cuando un elemento cristaliza en diferentes sistemas cristalinos. Cada una de las formas de cristalización constituye un estado alotrópico: α, β, γ (de menor a mayor temperatura) 10. CRISTALOGÉNESIS Independientemente del mecanismo ambiental que ha originado un cristal, su formación o cristalogénesis sigue una serie de etapas denominadas nucleación y crecimiento. 10.1 Nucleación: La formación de un cristal comienza con la formación de un núcleo o partícula inicial con las propiedades de un cristal, a partir de la cual éste ya puede crecer. Existen dos modalidades de nucleación: 10.1.1 Nucleación homogénea: Cuando la partícula es de la misma composición y estructura del cristal que se va a formar. 10.1.2 Nucleación heterogénea: Cuando el núcleo es una sustancia diferente y preexistente que favorece su cristalización. Las partículas extrañas quedan incluidas dentro del nuevo cristal como impurezas o inclusiones. 10.2 Crecimiento: A partir de los núcleos se inicia el crecimiento de los cristales siempre que las condiciones del medio lo permitan (tiempo, estabilidad, etc).
