UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDERESCUELA DE INGENIERA QUMICA3er PREVIO DE NANOTECNOLOGAAbril 19 de 2012

Nombre: _________________________________________Cdigo:____________

Las fluoritas de Pescadero ah en direccin del Chicamocha

La fluorita (fluoruro de calcio, CaF2) es un mineral que constituye la fuente de flor ms empleada en el mundo y su arreglo atmico constituye un tipo estructural importante (estructuras tipo fluorita). En la naturaleza se encuentra siempre con algunos defectos intrnsecos o extrnsecos, los cuales se pueden tambin provocar dopando el material para generar propiedades pticas o elctricas deseadas. En este problema considere 3 casos de la fluorita: a) caso ideal de la fluorita perfecta a T=0K, b) caso real de la fluorita pura a T ambiente, y c) caso de una fluorita dopada.

I. La fluorita a T=0K(1,0)

I.1. Dibujar y describir la estructura fluorita sobre la Hoja Respuesta #1 (si necesario utilizando una proyeccin).

I.2. Calcular los parmetros de red y la densidad de la fluorita sin defectos (T=0K) (los radio inicos de los iones son: rCa2+=1.14 y rF-=1.19 ; y las masas molares son: MCa=40,078 g/mol y MF=18,9984 g/mol). a=5.3809 y =3.3297 g/cm3.

I.3. Calcular la posicin en 2 de los 3 primeros picos de difraccin de rayos X de este material ((Cu-k1)=1,5406), los cuales siguen la misma regla que un metal FCC. 2(111)=28,713; 2(200)=33,274; 2(220)=47,770.

II. La fluorita a T ambiente(2,0)

II.1. Los posibles defectos intrnsecos de la fluorita pura a T ambiente:

a. Existencia de defectos intrnsecos:

Explicar cul es el rol de la temperatura sobre la presencia de defectos intrnsecos en la fluorita pura.

b. Las 3 posibilidades de defectos intrnsecos:

Describir los 3 tipos de defectos intrnsecos posibles, considerando los casos descritos por Schottky y Frenkel. Para cada uno de esos casos, escribir la ecuacin de Krger-Vink correspondiente.

II.2. Defecto mayoritario en la fluorita pura a T ambiente:

a. Identificacin del defecto mayoritario:

Si la conductividad en este material depende nicamente de las especies aninicas, cul defecto de los 3 defectos descritos anteriormente es el predominante?

b. Calculo de la concentracin de defectos a temperatura ambiente (T=300K):

Considerando que este defecto es el nico presente en el material y que su entalpa de formacin es de 4.49x10-19J, calcular su concentracin por cm3 a temperatura ambiente (T=300K). N=2Ni=0.05135 sitios/3. nF=1,049 x 10-1 defectos/cm3

III. Estudio de una fluorita dopada ytrio(2,0)

III.1. Los posibles defectos extrnsecos de la fluorita dopada con ytrio:

a. Posibilidades de defectos extrnsecos:

Al sustituir el calcio por el ytrio (configuracin electrnica: [Kr]5s24d1) se pueden generar 2 tipos bien particulares de defectos extrnsecos D1 y D2 en el material (uno de ellos parecido al defecto intrnseco mayoritario de la parte precedente). Escribir la ecuacin de Krger-Vink correspondiente a cada caso, considerando que no hay cambio de nmero de oxidacin de los iones.

b. Implicacin estructural de las dos posibilidades de defectos extrnsecos:

Discutir la influencia que puede tener cada posible defecto extrnseco sobre el parmetro de red y la densidad del material (rYx+=1.16 ) y asignar a cada defecto la curva densidad=f(x) correspondiente, siendo x la fraccin molar de ytrio en el sitio calcio (ver Figura 1).

III.2. Defecto mayoritario en la fluorita dopada con ytrio:

La Figura 2 muestra los difractogramas de rayos X tomados a temperatura ambiente de 4 muestras con diferente fraccin molar de ytrio (x=0, x=0.10, x=0.2 y x=0.3). Deducir cual es el defecto mayoritario en la fluorita cuando se dopa con ytrio.

Informaciones y Formulas que sirven (o no)

.sen

ns = Nexp(-Hs/2kT)

k=1,380662 x 10-23 J.K-1f = exp(-0.25E2), con E la diferencia de electronegatividad

nF = (NNi)1/2exp(-HF/2kT)

Figura 1

Figura 2

x=0x=0.1x=0.2x=0.3Pico2222128.32728.05727.81927.607232.82432.50932.23131.984347.10446.63846.22745.862455.88055.31354.81454.371Lista 2 de los primeros picos de DRX de CaF2 Fluorita dopada a diferentes concentracin con Y (T=300K).2

Hoja Respuesta #1

C

OBA