ESTRUCTURA CRISTALINA

ESTRUCTURA CRISTALINA


Dentro de los sólidos podemos distinguir solidos cristalinos y solidos amorfos.

Los sólidos cristalinos están constituidos por átomos ordenados a larga distancia, o sea que están dispuestos de tal forma que su ordenamiento se repite en las tres dimensiones, formando un sólido con una estructura ordenada.

Los sólidos amorfos, en cambio, son aquellos en los que el estado ordenado, de existir, solo se manifiesta a corta distancia (a longitudes del orden de la distancia interatómica).

La mayor parte de los materiales tanto naturales como sintéticos son cristalinos

Los materiales cristalinos están formados por átomos. Las fuerzas que mantienen unidos los átomos en los cristales, hacen que los átomos adopten ciertas disposiciones geométricas cuya forma depende del número y clases de átomos implicados. Cuando un cristal se forma a partir de estas unidades, existen fuerzas adicionales que hacen que estos “motivos” iniciales se sitúen a distancias y direcciones específicas unos de otros. El resultado de esto es una repetición casi infinita del motivo en tres direcciones.

En los cristales, las distancias que se repiten a lo largo de cada uno de los ejes de coordenadas pueden ser todas iguales o todas diferentes y las direcciones en las cuales se repiten pueden o no ser ortogonales. En cualquier caso, si el motivo se sustituye por un punto, el resultado es un ordenamiento tridimensional de puntos que define un retículo red espacial. En la red espacial, cada punto tiene idéntico alrededor.

La unidad mínima que por repetición puede generar todo el cristal se denomina CELDA UNIDAD. La celda unidad se define mediante las longitudes de 3 ejes a, b y c (ejes de coordenadas) y los ángulos entre ellos a, b, y g.

Los cristalografos han mostrado que todos los materiales cristalinos existentes pueden agruparse en 7 sistemas cristalinos, que son:

SISTEMA EJES ANGULOS

Cubico a = b = c a = b = g = 90 grados

Tetragonal a = b1 c a = b = g = 90 grados

Ortorrombico a1 b1 c a = b = g = 90 grados

Romboedrico a = b = c a = b = g1 90 grados

Hexagonal a = b1 c a = b = 90 g = 120 grados

Monoclinico a1 b1 c a = g = 90 , b1 90 grados

Triclinico a1 b1 c a1 b1 g1 90

Se pueden definir cuatro tipos básicos de celda unidad.

-Celda simple

-Celda centrada en el cuerpo

-Celda centrada en las caras

-Celda centrada en la base





En el sistema cubico hay tres tipos de celdas, la simple, la centrada en el cuerpo y la centrada en las caras. En el sistema tetragonal están las celdas simple y centrada en el cuerpo. En el rómbico, hay los cuatro tipos de celdas. En el romboédrico solo existe la celda simple. En el hexagonal esta la centrada en las bases, que es una derivación de la centrada en las caras. En el Monoclínico, está la simple y la centrada en las bases y en el triclínico solo aparece la celda simple. Así se tiene un total de 14 redes.

La gran mayoría de los metales cristalizan en tres estructuras de empaquetamiento compacto a saber.

PRINCIPALES ESTRUCTURAS CRISTALINAS METALICAS

La mayoría de los metales elementales (90) cristalizan en tres estructuras cristalinas densamente empaquetadas: cubica centrada en las caras FCC debido a que se libera energía a medida que los átomos se aproximan y se enlazan cada vez más estrechamente entre sí. Por lo tanto dichas estructuras densamente empaquetadas se encuentran en disposiciones u ordenamientos de energía.

- ESTRUCTURA CUBICA CENTRADA

Formada por un átomo del metal en cada uno de los vértices de un cubo y un átomo en el centro. Los metales que cristalizan en esta estructura son: hierro alfa, titanio, tungsteno, molibdeno, niobio, vanadio, cromo, circonio, talio, sodio y potasio.

- ESTRUCTURA CRISTALINA CUBICA CENTRADA EN EL CUERP BCC

En esta celda unidad las esferas solidas representan los centros donde los átomos están localizados e indican sus posiciones relativas. En esta celda unidad el átomo central está rodeado de 8 vecinos más cercanos y se dice que tiene por lo tanto un número de coordinación de 8. Cada una de estas celdas unidad tiene el equivalente de 2 átomos por celda unidad. Un átomo completo está localizado en el centro de la celda unidad, y un octavo de esfera está localizado en cada vértice de la celda unidad, haciendo el equivalente de otro átomo. De este modo, hay un total de 1 (en el centro) + 8 x 1/8 (en los vértices) = 2 átomos por celda unidad.

- ESTRUCTURA CRISTALINA CUBICA CENTRADA EN LAS CARAS FCC

En esta celda hay un punto reticular en cada vértice del cubo y otro en el centro de cada cara del cubo. El modelo de esferas solidas indica que los átomos de esta estructura están unidos del modo más compacto posible. El APF de esta estructura de empaquetamiento compacto es 0.74.

Esta celda tiene el equivalente a cuatro átomos por celda unidad. Un octavo de átomo en cada vértice (8 x 1/8 = 1) y seis medios átomos en el medio (½ x 6 = 3).

Los átomos en la celda FCC contactan entre sí a lo largo de la diagonal de la cara del cubo, de tal forma que la relación entre la longitud de la cara del cubo y el radio atómico es:

- ESTRUCTURA CRISTALINA HEXAGONAL COMPACTA HCP

Los metales no cristalizan en la estructura hexagonal sencilla porque el APF es demasiado bajo. El APF es 0.74 ya que los átomos están empaquetados de un modo lo más cercano posible. Cada átomo está rodeado de otros 12 átomos y por tanto y por tanto su número de coordinación es 12.

La celda HCP posee 6 átomos, tres forman un triángulo en la capa intermedia, existen 6*1/6 secciones de átomos localizados en las capas de arriba y de abajo, haciendo un equivalente a 2 átomos más, finalmente existen 2 mitades de átomos en el centro de ambas capas superior e inferior, haciendo el equivalente de un átomo más.





La relación c/a de una estructura cristalina HCP ideal es de 1.633 que indica esferas uniformes tan próximas como sea posible. Los metales Cinc, Cadmio poseen una relación c/a más alta que la ideal, lo que indica que los átomos en estas estructuras están ligeramente elongados a lo largo del eje c en la celda unidad HCP. Los metales como el Titanio, Berilio, Magnesio y Circonio entre otros tienen relaciones c/a menores que la ideal. Por lo tanto en estos metales los átomos están comprimidos a lo largo de la dirección del eje c.

EL NUMERO DE COORDINACION (NC)

Es el número de vecinos que están en contacto directo con un átomo o ion en particular en una red o estructura cristalina.

Tomando por ejemplo en un cristal el átomo central de una celda CC, este claramente está en contacto con 4 átomos vecinos en la cara superior y 4 átomos abajo, por lo tanto:

• El número de coordinación para la estructura CC (Cubica centrada en el cuerpo) es 8.

• El número de coordinación para la estructura CCC (Cubica centrada en las caras) es 12.

Y por la misma razón anterior:

• El número de coordinación para la estructura HC (Hexagonal compacta) es 12.





FACTOR DE EMPAQUETAMIENTO ATOMICO



Este factor es a dimensional y siempre menor que la unidad. Para propósitos prácticos, el FEA de una celda unidad es determinado asumiendo que los átomos son esferas rígidas. Para cristales de un componente (aquellos que contienen único tipo de átomo), el FEA se representa matemáticamente por:





FEA = N atomos * V atomo
              V celda unidad





DONDE:



N átomos Es el número de átomos en la celda unidad,

V átomo Es el volumen de un átomo

V celda unidad Es el volumen ocupado por la celda unidad



Estructura a ( r ) Numero de Factor de Ejemplos

coordinación empaquetamiento

Cubica a =

simple 2r 6 0,52 Hg

(CS)

Cubica

centrada a =

en el 4r/V3 8 0,68 Fe, Ti, W, Mo, Nb, Ta, K, Na, V, Cr, Zr

cuerpo

(CC)

Cubica

centrada a =

en las 4r/V2 12 0,74 Cu, Al, Au, Ag, Pb, Ni, Pt

caras

(CCC)

Hexagonal a =

compacta 2r

(HC) c/a = 12 0,74 Ti, Mg, Zn, Be, Co, Zr, Cd

1,633





DENSIDAD TEORICA



Es la masa que ocupa la unidad de volumen del material calculada a partir de la estructura cristalina. La densidad teórica puede calcularse con la siguiente ecuación:



Tipos volumétrica, plana y lineal de celdillas unidad



DENSIDAD VOLUMETRICA



Si se supone que los átomos son esferas perfectas, la densidad volumétrica de un metal está



Es posible que la densidad volumétrica teórica calculada con la formula anteriormente citada no sea exactamente igual al valor de la densidad calculado experimentalmente.



Esto puede atribuirse a la presencia de algunos defectos estructurales o a que los átomos distan bastante de ser esferas perfectas.



DENSIDAD ATOMICA PLANAR



Algunas veces es importante determinar la densidad atómica en varios planos cristalinos.



Para ello, se calcula una magnitud llamada densidad atómica plana a partir de la relación área seleccionada equivalente de átomos cuyos centros están el tados por el área seleccionada.







PD = Numero de plano átomos
            Área del Plano





DENSIDAD ATOMICA LINEAL



La densidad atómica calculada en una dirección especifica dentro del cristal.





LD = Numero de átomos
         Longitud del vector

METALES PURO

METALES PUROS

Los metales puros son materiales de origen mineral que procesados se los puede encontrar en su composición Pura, es decir que no se encuentran combinados con el oxígeno (Óxidos) u otros elementos (Sulfuros, carbonatos, silicatos, etc.). Estos metales se presentan generalmente como pequeños conglomerados de metal aunque puede presentarse también casos excepcionales en grandes masas, ejemplos de estos metales son el Oro, Plata, Cobre, Mercurio entre otros.

Los metales "puros" son los elementos de transición. En una tabla periódica, abarcan del grupo 3 al grupo 12. Todos estos tienen las características que se llaman metálicas (ductilidad, maleabilidad, etc.)

Luego existen otros tipos de metales que no son "puros" porque tienen otra serie de características. Son los alcalinos (grupo 1) y alcalinotérreos (grupo 2), además de los elementos de transición interna (lantánidos y actínidos).

En cuanto a la pureza no se encuentran con una pureza del 100%, sino combinados, salvo raras excepciones como el oro o el carbono (en forma de diamante).

MEJOR PROCESO DE PROCESO PARA OBTENER LA PUREZA

Fundir el mineral en hornos gigantes, recuperar la mezcla en fusión en moldes, dejar hasta que se enfrié y...listo.

PROPIEDADES Tienen una gran dureza. Se pueden trabajar mediante procesos de fundición. Son buenos conductores del calor y de la electricidad. Su resistencia mecánica permite utilizarlos en aplicaciones estructura­ les sometidas a grandes esfuerzos. Se pueden reciclar con facilidad. Destacan el cobre, el hierro, el aluminio, el oro y la plata.

CARACTERISTICASLos metales tienen una serie de características que los diferencian de los demás materiales, los no metales. Además de que todos, a excepción del mercurio, son sólidos, la más característica de las propiedades de los metales es su brillo especial, que curiosamente se llama brillo metálico. El brillo es la capacidad de un material para reflejar, absorber o reflectar la luz. Los metales, una vez pulidos, reflejan la mayor parte de la luz que les llega.

NIVELES DE ESTRUCTURA DE LOS METALES

Se le llama estructura de los metales a la disposición ordenada y geométrica, en el espacio, de los constituyentes de la materia en estado sólido (átomos, moléculas y grupos de moléculas). La estructura está ligada íntimamente con el comportamiento de un metal, por lo que es conveniente efectuar un estudio elemental de la misma.

Hay que considerar dos tipos de estructura, la cristalina y la granular.

Estructura Cristalina: En esta estructura, los átomos están ordenados en el espacio según una red geométrica constituida por la repetición de un elemento básico llamado cristal. Se conocen catorce redes espaciales distintas las cuales son las únicas formas posibles de ordenar los átomos en el espacio. La mayor parte de los metales cristalizan en las redes siguientes: cúbica centrada, cúbica centrada en las caras y hexagonal compacta.

Estructura Granular: En esta otra estructura, el elemento fundamental es el grano, constituido por agrupación de cristales.

Los granos son de forma irregular y su tamaño oscila entre 0,002 y 0,2 mm, lo cual depende principalmente:

Del proceso de fabricación del metal, ya que, por ejemplo, los aceros desoxidados con el aluminio son de granos más finos que los desoxidados con silicio.

De los procesos térmicos a los cuales fue sometido el metal; por ejemplo, el grano de acero, crece al calentar el material a partir de 850°C.

Cuanto mayor es el grano de que está constituido un metal, peores son, en general, sus propiedades mecánicas. Según expertos, es debido a que los materiales de nivel técnico, tales como los utilizados en la industria, contienen siempre una cantidad muy pequeña de impurezas las cuales son muy finas y frágil por lo que se concentran formando capas que envuelven los granos y los separan unos de otros.

Por una misma proporción de impurezas a repartir en la superficie de los metales resultan capas más delgadas cuantos más pequeños son estos, ya que la superficie total para la misma masa de metal es mayor que si los granos son grandes. Además, si las capas son muy delgadas, son en general discontinuas, quedando los granos bien unidos por las discontinuidades.

ESTRUCTURA ATOMICA

En el átomo distinguimos dos partes: el núcleo y la corteza.

- El núcleo es la parte central del átomo y contiene partículas con carga positiva, los protones, y partículas que no poseen carga eléctrica, es decir son neutras, los neutrones. La masa de un protón es aproximadamente igual a la de un neutrón.
Todos los átomos de un elemento químico tienen en el núcleo el mismo número de protones. Este número, que caracteriza a cada elemento y lo distingue de los demás, es el número atómico y se representa con la letra Z.

- La corteza es la parte exterior del átomo. En ella se encuentran los electrones, con carga negativa. Éstos, ordenados en distintos niveles, giran alrededor del núcleo. La masa de un electrón es unas 2000 veces menor que la de un protón.
Los átomos son eléctricamente neutros, debido a que tienen igual número de protones que de electrones. Así, el número atómico también coincide con el número de electrones.

Isótopos
La suma del número de protones y el número de neutrones de un átomo recibe el nombre de número másico y se representa con la letra A. Aunque todos los átomos de un mismo elemento se caracterizan por tener el mismo número atómico, pueden tener distinto número.

Para representar un isótopo, hay que indicar el número másico (A) propio del isótopo y el número atómico (Z), colocados como índice y subíndice, respectivamente, a la izquierda del símbolo del elemento.