estructuras cristalinas

41

Upload: juan-salvador-jorquera-morales

Post on 09-Dec-2015

12 views

Category:

Documents


2 download

DESCRIPTION

Estructuras Cristalinas

TRANSCRIPT

Page 1: Estructuras Cristalinas
Page 2: Estructuras Cristalinas

Arreglo Atómico Los arreglos de átomos y de iones desempeñan un papel importante

en la determinación de la microestructura y de las propiedades de

un material.

Page 3: Estructuras Cristalinas

Arreglo Atómico En los distintos estados de la materia se pueden encontrar tres

clases de arreglos atómicos:

Sin orden

Orden de corto alcance

Orden de largo alcance

Page 4: Estructuras Cristalinas

Arreglo Atómico Sin orden: Los átomos y moléculas carecen de una arreglo

ordenado, por ejemplo los gases se distribuyen aleatoriamente en el

espacio disponible

Xenón

Page 5: Estructuras Cristalinas

Arreglo Atómico Ordenamiento de corto alcance: El arreglo se restringe solamente

a átomos vecinos (agua, cerámicos, polímeros). Ejemplo: agua en

estado vapor, vidrios cerámicos (sílice), polímeros.

Vapor de

agua

Vidrio de

silicato Metano

Silicio

amorfo

Page 6: Estructuras Cristalinas

Arreglo Atómico Ordenamiento de largo alcance: El arreglo se distribuye por todo el

material. Los átomos forman un patrón repetitivo, regular, en forma

de red (materiales cristalinos).

Page 7: Estructuras Cristalinas

Arreglo Atómico El arreglo atómico difiere de un material a otro en forma y

dimensión, dependiendo del tamaño de los átomos y del tipo

de enlace entre ellos.

En el caso de los metales, cuando estos están en estado

sólido, sus átomos se alinean de manera regular en forma de

mallas tridimensionales. Estas mallas pueden ser identificadas

fácilmente por sus propiedades químicas, físicas o por medio

de los rayos X.

Page 8: Estructuras Cristalinas

Arreglo Atómico Orden de largo alcance (cristal): Al solidificar el

material, los átomos se sitúan según un patrón

tridimensional repetitivo, en el cual cada átomo

está enlazado con su vecino más próximo ( >

100 nm)

Sin orden (amorfo): Carecen de un

ordenamiento atómico sistemático y regular a

distancias atómicas relativamente grandes.

Sólidos

Page 9: Estructuras Cristalinas

Arreglo Atómico

Diagrama molecular del

cuarzo (SiO2) en red

cristalina Diagrama molecular del

vidrio (SiO2) en sólido amorfo

Page 10: Estructuras Cristalinas

Estructuras Cristalinas Un material tiene estructura cristalina

cuando todos sus átomos están ordenados de tal manera que cada uno tiene un entorno idéntico.

En cristalografía se distinguen los siguientes conceptos:

Retículo espacial: Sistema de ejes tridimensionales que tiene en el origen un átomo.

Celda unitaria: Es la unidad que representa la estructura cristalina y esta caracterizada por tres vectores que representan las direcciones de las aristas de la celda unidad y los ángulos de las intersecciones entre planos.

Page 11: Estructuras Cristalinas

Sistemas Cristalinos (Redes de Bravais) Aunque existen 14 posibles celdas cristalinas, Existen siete

combinaciones diferentes en las cuales están agrupadas, en

dependencia de los parámetros de red. Cada una de esas

combinaciones constituye un sistema cristalino.

Page 12: Estructuras Cristalinas

Sistemas Cristalinos Las estructuras más comúnmente estudiadas son:

Page 13: Estructuras Cristalinas

Sistemas Cristalinos Parámetro de red: Describe el tamaño y la forma de la red, las

dimensiones de sus lados y los ángulos que la forman. En un

sistema cristalino cúbico, sólo la longitud de un lado del cubo es

necesaria para describir completamente la celda.

Radio atómico en función del parámetro de red: En estructuras

simples, particularmente en aquellas con un solo átomo por nodo, es

posible calcular la relación entre el tamaño aparente del átomo y el

tamaño de la celda unitaria. Se debe localizar en la celda la

dirección a lo largo de la cual los átomos hacen contacto continuo.

Estas son las direcciones más compactas.

Page 14: Estructuras Cristalinas

Sistemas Cristalinos Número de átomos equivalentes por celda: Cada tipo de celda

tendrá un número de átomos que se contarán de la siguiente forma:

Átomos ubicados en las esquinas aportarán con 1/8 de átomo, ya que

ese átomo es compartido por 8 celdas que constituyen la red.

Átomos ubicados en las caras de las celdas aportarán con ½ de

átomo, ya ese átomo es compartido por 2 celdas que constituyen

la red.

Átomos que están en el interior de las celdas se cuentan

totalmente.

Page 15: Estructuras Cristalinas

Sistemas Cristalinos Número de coordinación: Representa el número de átomos que

rodea a cada átomo, es decir, el número de vecinos más cercanos. Es una indicación de qué tan estrecha y eficazmente están empaquetados los átomos. En estructuras cúbicas que contengan sólo un átomo por punto de red, los átomos tienen un número de coordinación relacionado con la estructura de la red.

.

Page 16: Estructuras Cristalinas

Sistemas Cristalinos Factor de empaquetamiento: Representa la relación entre el

volumen de los átomos que hay en la celda unidad y el volumen de

la celda unidad. Proporciona una idea del volumen ocupado y libre.

Page 17: Estructuras Cristalinas

Estructura Cúbica Simple (CS) Celda con un átomo en cada

esquina, entonces un átomo le

pertenece a 8 celdas. Como

cada celda tiene 8 átomos pero

cada átomo aporta con 1/8 se

tiene que cada celda tiene un

átomo equivalente.

Page 18: Estructuras Cristalinas

Estructura Cúbica Simple (CS) Parámetro de red: Los átomos

se tocan a lo largo de los lados

del la celda unitaria, por lo que

cada lado de la celda equivale a

2 radios atómicos.

a = 2r

Page 19: Estructuras Cristalinas

Estructura Cúbica Simple (CS) Factor de empaquetamiento:

Page 20: Estructuras Cristalinas

Estructura Cúbica Centrada en las Caras (FCC o CCC) Aquí aparte del 1/8 de átomo en

las esquinas se tiene un átomo

en cada cara, que aportan con

1/2 de átomo.

N° átomos = (1/8)x8 + (1/2)x6 = 4

Page 21: Estructuras Cristalinas

Estructura Cúbica Centrada en las Caras (FCC o CCC) Parámetro de red: Los átomos

entran en contacto a lo largo de

la diagonal de las caras del

cubo.

2

r4a

Page 22: Estructuras Cristalinas

Estructura Cúbica Centrada en las Caras (FCC o CCC) Factor de empaquetamiento:

Page 23: Estructuras Cristalinas

Estructura Cúbica Centrada en el Cuerpo (BCC o CC) Es igual al cúbico simple pero

tiene además un átomo en el

centro de la celda. Ahora los

átomos no se tocan ya que

tuvieron que moverse para que

entrara el otro átomo en el

centro. Solo se tocan los

átomos que están en la

diagonal.

N° átomos = (1/8)x8 + 1 = 2

Page 24: Estructuras Cristalinas

Estructura Cúbica Centrada en el Cuerpo (BCC o CC) Parámetro de red: Los átomos

entran en contacto a lo largo de

la diagonal del cubo.

3

r4a

Page 25: Estructuras Cristalinas

Estructura Cúbica Centrada en el Cuerpo (BCC o CC) Factor de empaquetamiento:

Page 26: Estructuras Cristalinas

Estructura Hexagonal Compacta (HC o HCP) c/a = 1,633 (ideal)

El número de átomos por celda

unitaria es igual a 6

El número de coordinación es

igual a 12

El F.E. es igual a 0,74 o 74%

Page 27: Estructuras Cristalinas

Resumen Parámetros

Page 28: Estructuras Cristalinas

Densidad Teórica La densidad teórica de un material, se puede calcular con las

propiedades de su estructura cristalina.

AvogadroNunitariaceldaladevolumen

atómicamasaceldaporátomosdecantidadDensidad

º

Page 29: Estructuras Cristalinas

Densidad Teórica Ejemplo:

Page 30: Estructuras Cristalinas

Polimorfismo y Alotropía Muchos elementos y compuestos existen en más de una forma

cristalina: un fenómeno conocido como alotropía y polimorfismo.

Si este fenómeno ocurre en elemento puro se denomina alotropía.

En los compuesto, este fenómeno se llama polimorfismo

La existencia de una u otra estructura cristalina depende de la

presión y de la temperatura exterior.

Page 31: Estructuras Cristalinas

Polimorfismo y Alotropía Por ejemplo el carbono: El grafito es estable en condiciones

ambientales, mientras que el diamante se forma a presiones

extremadamente elevadas.

Page 32: Estructuras Cristalinas

Polimorfismo y Alotropía El hierro puro se presenta en estructura cristalina BCC y FCC en el

rango de temperaturas que va desde temperatura ambiente hasta la

temperatura de fusión a 1.539 ºC.

1.539

1.394

912

- 273

Te

mpera

tura

(ºC

)

Hierro líquido

Hierro delta () BCC

Hierro gamma () FCC

Hierro alfa () BCC

Page 33: Estructuras Cristalinas

Aspectos Generales La estructura mas desordenada es la cúbica simple porque deja mas

espacio desocupado, mientras más desorden mas espacio

desocupado.

Los materiales cada vez que se calientan se dilatan y si se enfrían

se contraen cambiando el volumen por cambio de temperatura sin

cambiar su estructura, pero hay casos por ejemplo el hierro si se

calienta sobre 906ºC además de dilatarse cambia su estructura de

BCC a FCC y se tendría una variación de volumen por temperatura

(dilatación) y por cambio de estructura (contracción ya que FCC es

más compacto que BCC), lo cual podría dar un ΔV positivo, negativo

o igual acero.

Page 34: Estructuras Cristalinas

Aspectos Generales Cualquier material con estructura FCC es más dúctil ya que como

tiene mayor volumen ocupado, consta de planos de átomos más

compactos lo que ayuda enormemente para la deformación, es

decir, no tiene tantos espacios libres que traben los átomos y no los

dejen desplazarse.

Si se tiene un átomo A con determinada estructura y tenemos otra

red con átomos B y queremos formar una estructura única, la que

imponga su estructura será la que este en mayor cantidad

(generalmente), pero hay casos en que ninguno impone su red y así

surge otra red nueva.

El factor más importante que influye en esto es la difusión, que es

el movimiento que tienen los átomos y que se ve incrementada por

la temperatura.

Page 35: Estructuras Cristalinas

Indices de Miller Coordenadas de los puntos: Es

posible localizar ciertos puntos, como las posiciones de los átomos en la red o en la celda unitaria, construyendo el sistema de coordenadas dextrógiro. La distancia se mide en función del número de parámetros de red que habrá que moverse en cada una de las coordenadas x, y y z para pasar desde el origen hasta el punto en cuestión. Las coordenadas se expresan como tres distancias y separando cada número con comas.

Page 36: Estructuras Cristalinas

Indices de Miller Direcciones en la celda unitaria: Ciertas direcciones en la celda

unitaria son de particular importancia. Los metales se deforman, por

ejemplo, en aquellas direcciones a lo largo de las cuales los átomos

están en contacto más estrecho. El procedimiento que determina los

índices de Miller para las direcciones es el siguiente:

Utilizando un sistema de coordenadas dextrógiro, determine las

coordenadas de dos puntos que estén en esa dirección.

Reste las coordenadas del punto inicial de las coordenadas a las del

punto final para obtener el número de parámetros de red recorridos

en la dirección de cada eje del sistema de coordenadas.

Reduzca las fracciones y/o los resultados obtenidos de la resta a los

mínimos enteros.

Encierre los números en corchetes [ ]. Si se obtiene un signo

negativo, represéntelo con una barra sobre el número.

Page 37: Estructuras Cristalinas

Indices de Miller Direcciones en la celda unitaria. Ejemplo:

Page 38: Estructuras Cristalinas

Indices de Miller Planos en la celda unitaria: Ciertos planos de átomos en un cristal

también son significativos; por ejemplo, los metales se deforman a lo

largo de aquellos planos de átomos que están empaquetados más

estrechamente. Se utilizan los índices de Miller como una notación

abreviada para identificar estos planos importantes, tal y como se

describe en el procedimiento siguiente:

Identifique los puntos en los cuales el plano interseca los ejes de

coordenadas x, y y z en función del número de parámetros de red. Si

el plano pasa a través del origen, el origen del sistema de

coordenadas deberá moverse.

Tome los recíprocos de estas intersecciones.

Elimine las fracciones pero no reduzca a los mínimos enteros.

Encierre los números en paréntesis ( ). De nuevo, los números

negativos se escribirán con una barra sobre los mismos.

Page 39: Estructuras Cristalinas

Indices de Miller Planos en la celda unitaria. Ejemplo:

Page 40: Estructuras Cristalinas

Indices de Miller Planos en la celda unitaria. Ejemplo:

Page 41: Estructuras Cristalinas

Indices de Miller Planos en la celda unitaria. Ejemplo: