UNIDAD 1: ESTRUCTURA ATÓMICA Y ESTRUCTURA CRISTALINA

1.- INTRODUCCIÓN

La corteza terrestre está formada por minerales que se caracterizan por una composición y estructura propia en cada caso. La estructura interna de los materiales sólidos depende en gran medida de dos factores:

• La disposición de los átomos que los constituyen• Las fuerzas de los enlaces que surgen entre ellos.

Si la disposición de los átomos de un sólido se ordenan en tres dimensiones, decimos que tiene una estructura cristalina.

El comportamiento de los materiales ante determinadas solicitaciones depende fundamentalmente de la disposición de su estructura cristalina y su composición. De igual forma, las propiedades que definen un material están regidas por leyes que permitan conocer y describir las ordenaciones atómicas, estableciendo los sistemas cristalinos.

El estudio de la estructura interna de un material y de la disposición espacial de los átomos y moléculas de que está formado es propio de la Cristalografía.

2.- CLASIFICACIÓN DE LA MATERIRA

Definimos la materia como la sustancia de que están formados los cuerpos. Si observamos los cuerpos que nos rodean, veremos que están formados por diferentes clases de materia.

A la vez estos cuerpos tienen formas y estados diferentes y cualidades propias que les proporcionan unas propiedades que le hacen más o menos aptos para diferentes aplicaciones.

En el estudio de materiales es imprescindible partir del conocimiento de las características y constitución, analizando las diferencias que se dan entre mezclas y sustancias puras, elementos simples y compuestos, mezclas homogéneas y heterogéneas...

Existen fenómenos que actúan sobre la estructura y pueden ser físicos o químicos. En los fenómenos físicos no hay alteración en la naturaleza del material. Por el contrario en los fenómenos químicos los cuerpos sufren transformaciones y se convierten en otros que tienen propiedades diferentes.

CLASIFICACIÓN DE LA MATERIA

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3.- CONSTITUCIÓN DE LA MATERIA

Podemos considerar el átomo como la más pequeña cantidad de materia de una molécula que se puede pone en libertad en el curso de una reacción química conservando las mismas propiedades. Los átomos de la misma especie son siempre iguales entre sí y tienen la misma masa.

La masa y volumen de un átomo son extremadamente pequeños. El átomo está constituido por un núcleo central con carga eléctrica positiva

y compuesto de neutrones y protones, alrededor del cual giran a gran velocidad partículas muy pequeñas, llamadas electrones, con carga eléctrica negativa.

3.1.- ESTRUCTURA ELECTRÓNICA DEL NÚCLEO

El núcleo está formado por protones, con una carga positiva y por neutrones, sin carga eléctrica alguna, ya que constan de un protón y un electrón unidos entre sí. Para que el sistema esté en equilibrio, el núcleo poseerá tantos protones como electrones que giran en la periferia. Esto nos permite establecer que el átomo es eléctricamente neutro.

Toda la masa del átomo se halla concentrada en el núcleo ya que la masa de los electrones es prácticamente nula (1/1836 de la del átomo de hidrógeno); su diámetro es 10-12 cm.

*El protón y el neutrón tiene una masa de: 1,673 . 10-27 kg.*El núcleo está cargado positivamente, ya que el neutrón no tiene carga eléctrica y el protón tiene una carga positiva equivalente a la del electrón, pero de signo contrario y de valor: 1,602 . 10-19 Culombios.

*El número de protones y neutrones define los átomos de un elemento, caracterizándose por un número atómico Z (número de protones que posee en el núcleo) y un número másico A (suma del número de protones y el de neutrones que posee el átomo Z+N)

Un elemento cualquiera queda definido de la siguiente manera: E.

Cuando átomos de un mismo elemento posee distinto número de neutrones, estamos hablando de ISÓTOPOS

Mol: masa en gramos de 6,023 .1023 átomos o moléculas

3.2. Estructura electrónica de la corteza.

Los electrones se mueven en la corteza a una gran distancia del núcleo existiendo vacíos inmensos en la materia; esto explica que sea posible que las partículas de las sustancias radiactivas atraviesen los metales, y sigan una línea recta, hasta chocar con el núcleo de un átomo.

El examen del átomo ha demostrado que los electrones se distribuyen alrededor del núcleo en capas orbitales. En cada una de las cuales pueden existir un número máximo de electrones. Los situados en las capas periféricas están unidos al núcleo en forma menos estable, y por ello el átomo tiende a cederlos. Cuando la capa más exterior contiene el número máximo de electrones que le corresponden, el elemento es químicamente inactivo o inerte (gases nobles). Por el contrario, si la última capa no está completa, el átomo tiende a absorber los electrones de otro átomos para completarla

Así podemos hablar de ELECTRONEGATIVIDAD, que está definida como la capacidad de un átomo para atraer electrones hacia sí. Los elementos electronegativos son no metálicos y aceptan electrones en las reacciones químicas para producir iones negativos o aniones.

Los elementos ELECTROPOSITIVOS son metálicos por naturaleza y ceden electrones en las reacciones químicas para producir iones positivos o cationes.

4.- TIPOS DE ENLACES ATÓMICOS Y MOLECULARES

Los átomos se unen entre sí para formar materiales a través de lo que conocemos como enlaces. Podemos decir que enlace químico es la fuerza que mantiene unidos de forma estable a dos átomos o moléculas de una sustancia.

El conocimiento de determinadas propiedades de los materiales está ligado a las características del enlace entre sus partículas. Por este motivo determinadas propiedades de los materiales dependen no sólo del tipo de elementos que configuran su composición, sino de la forma como los átomos se enlazan o unen para formar dicha molécula.

Las fuerzas de unión o enlaces que más nos interesa conocer a nivel tecnológico son;

o Enlace iónicoo Enlace covalenteo Enlace metálicoo Enlace residual o de Van der Waals

4.1.- Enlace Iónico

En química, el enlace iónico es una unión que resulta de la presencia de fuerza de atracción electrostática entre los iones de distinto signo, es decir uno fuertemente electropositivo (baja energía de ionización) y otro fuertemente electronegativo (alta afinidad electrónica). Eso se da cuando en el enlace, uno de los átomos capta electrones del otro.

El sodio y el cloro uniéndose iónicamente para formar cloruro de sodio.

Dado que los elementos implicados tienen elevadas diferencias de electronegatividad, este enlace suele darse entre un compuesto metálico y uno no metálico. Se produce una transferencia electrónica total de un átomo a otro formándose iones de diferente signo.

El metal dona uno o más electrones formando iones con carga positiva o cationes con una configuración electrónica estable. Estos electrones luego ingresan en el no metal, originando un ión cargado negativamente o anión, que también tiene configuración electrónica estable. La atracción electrostática entre los iones de carga opuesta causa que se unan y formen un compuesto.

Los compuestos iónicos forman redes cristalinas constituidas por iones de carga opuesta unidos por fuerzas electrostáticas. Este tipo de atracción determina las propiedades observadas. Si la atracción electrostática es fuerte, se forman sólidos cristalinos de elevado punto de fusión e insolubles en agua; si la atracción es menor, como en el caso (de la sal común) del NaCl, el punto de fusión también es menor y, en general, son solubles en agua e insolubles en líquidos apolares como el benceno.

Las características que definen los materiales con enlace iónico son:- elevados puntos de fusión y ebullición- son solubles en agua- son sólidos a temperatura ambiente- dureza aunque son frágiles y poco plásticos- fundidos o en disolución son buenos conductores eléctricos

4.2.- Enlace Covalente

Es propio de átomos de igual polaridad que comparten electrones periféricos de forma que se completen y cada uno de ellos adquiere la estructura de gas noble. El enlace se produce al compartir dos átomos un electrón. Aquí no hay transferencia de electrones.

Es un enlace muy típico entre no metales y se da en la mayor parte de los compuestos de carbono. El ejemplo más sencillo es el H, que con un electrón en su última capa orbital necesita otro para tener idéntica configuración que el helio(He).

Las características que definen los materiales con enlace covalente son:- pueden ser sólidos, líquidos o gases a temperatura ambiente- sus puntos de fusión y ebullición son relativamente bajos- típico de elementos no metálicos- plasticidad muy baja y su dureza muy elevada debido a su estructura

rígida. Ej. Diamante, grafito,...

4.3.- Enlace Metálico

Es el tipo de enlace más importante a nivel tecnológico ya que origina la unión entre metales, que son los materiales de uso más generalizado en el área. Se caracteriza por formar empaquetamientos muy compactos. Es típico entre metales con menos de cuatro electrones en la última capa orbital. Estos forman una nube electrónica que envuelve los átomos y penetra a través de los huecos que quedan en la estructura libre. Esta movilidad confiere a los metales sus propiedades típicas (blandos, dúctiles y maleables, buenos conductores del calor y electricidad...)

Características;- excepto el mercurio, todos los metales son sólidos- estructura cristalina compacta- conductores con facilidad- opacidad- insolubles en agua- se pueden trabajar y estirar en diferentes formas y a diferentes

temperaturas.

4.4.- Enlace residual o de Van der Waals

Son enlaces relativamente débiles debido a que así lo son las fuerzas atractivas que los originan. Se dan entre moléculas individuales o átomos neutros. Es muy típico de compuestos de carbono como el grafito.

Tipos de enlacesPropiedades Iónico Covalente Metálico Van der

WaalsIntensidad del enlace

Fuerte Muy fuerte Variable Débil

Dureza mecánica

De moderada a alta. Frágiles según distancia ente iones y carga

Dureza grande y frágiles

De pequeña a moderada. Alta plasticidad, dúctiles y maleables

Cristales blandos y algo plásticos

Conductividad eléctrica

Malos conductores en estado sólido

Aislantes en estado sólido y de fusión

Buenos conductores

Aislantes en ambos estados

Térmica (punto de fusión)

Punto de fusión de moderado a alto

Punto de fusión alto

Punto de fusión variable

Bajo

Térmica (coeficiente de dilatación)

Bajo coeficiente de dilatación

Bajo coeficiente de dilatación

Punto de dilatación variable

Punto de dilatación bajo

Solubilidad Solubles en agua

Solubilidad muy baja

Insolubles excepto en ácido o por reacción química

Solubles en disolventes orgánicos

Estructura No direccional de alta coordinación y simetría

Altamente direccional y de baja coordinación y simetría

No direccional, de muy alta coordinación y simetría

No direccional, de muy bajqa simetría debido a la forma de las moléculas

5.- ESTRUCTURAS CRISTALINASLa materia se presenta en tres estados, con unas propiedades y características que la hacen apta para uno u otro uso.

Un mismo material presentará diferencias muy importantes dependiendo del estado en que se encuentre, y tendrá o no valor su estudio a nivel industrial. Los líquido y gases presentan una estructura desordenada. Los sólidos sin embargo, pueden presentar una ordenación mas regular de los átomos. Dependiendo del orden que guarden los átomos, hablaremos de sólido amorfo o sólido cristalino.

Sólido amorfo es aquel que las partículas que lo componen se agrupan sin seguir ningún tipo de orden, relación o distancia entre ellas. Vidrio

Sólido cristalino es aquel que presenta los átomos, iones o moléculas ordenadas en posiciones regulares y repetidas en el espacio, siguiendo formas geométricas definidas.

La repetición tridimensional con la que los átomos se ordenan se denomina celdilla unidad y el conjunto de varias celdillas unidas entre sí red o retícula.

5.1.- Cristales

En cristalografía se considera cristal cualquier sólido que presenta una estructura interna ordenada. Los metales se obtienen por fusión y , por ello, su estructura está constituida por cristales que se forman durante la solidificación del metal líquido. La forma de los cristales, su posición y el tamaño de los átomos dependen de la naturaleza del metal, de los tratamientos térmicos a que se someta el material y de la forma en que se realicen éstos.

5.2.- Red cristalina

Es un modelo tridimensional regular de átomos o iones en el espacio.

Aunque el número de redes posibles es grande, según demostró en minerología Auguste Bravais, todas las posibles redes se pueden obtener de catorce estándar, agrupadas en siete sistemas cristalinos; Redes de Bravais.Los sistemas cristalinos son.

Cúbico Tetragonal Monoclínico Ortorrombico Hexagonal Triagonal (romboédrico)

Según la posición de los átomos no situados en los vértices de la red, las celdas pueden dar lugar a las siguientes redes cristalinas:

Sencilla o cúbica simple. En ella los átomos ocupan los vértices de la celda unitaria

Centradas en el cuerpo. Un átomo ocupa el centro de la celda Centradas en la cara. Existen átomos situados en los centros de las caras

de la celda unidad Centradas en la base. Dos átomos se sitúan en el centro de las caras

opuestas de la celda unidad.

5.2.1. Redes cristalinas en los metales

La mayoría de los metales cristalizan en estructuras o redes con empaquetamiento muy denso, como son:

Cúbica centrada en las caras (FCC) Cúbica centrada en el cuerpo (BCC) Hexagonal compacta (HCP)

Indice de coordinación

Número total de átomos en la

celda

Relación entre la arista de la celda unitaria y el radio

atómico

Ejemplos

Red cúbica centrada en el cuerpo

8 2Cromo, hierro,

tungsteno

Red cúbica centrada en las caras

12 4Cobre, oro,

aluminio, plata

Red hexagonal compacta

12 6 a= 2RCadmio, zinc,

titanio, magnesio

6.- MOVIMIENTO DE LOS ÁTOMOS: INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA

Los vértices de las redes cristalinas son posiciones de equilibrio de los átomos, los cuales se mantienen inmóviles únicamente si la temperatura es la del cero absoluto, es decir, cuando la energía cinética es mínima. Al variar la temperatura los átomos se ven impulsados a desplazarse de la posición de equilibrio, describiendo alrededor de ésta una serie de oscilaciones cuya amplitud es proporcional a la energía contenida.Al aumentar la temperatura se produce una dilatación térmica. Si esa temperatura supera un valor determinado, se manifiesta la fusión con la consecuente modificación de la posición de los átomos que sufren un grado de libertad.

7.- CRISTALIZACIÓN

Es el proceso mediante el cual los átomos, iones, moléculas o conjunto de ellas se ordenan para formar una red cristalina determinada. Para que la cristalización tenga lugar es necesario que desde la fusión la temperatura descienda hasta la solidificación;

7.1.- Formación del granoSe produce al aparecer gérmenes diseminados por varios puntos del líquido, y cada germen va aumentando su tamaño hasta encontrarse con la cristalización de otro germen, lo que impide seguir adelante, porque ya no encuentran gérmenes en estado líquido, con lo que cada germen forma un grano, siendo los bordes del grano los lugares donde han chocado las dos cristalizaciones, por lo que en dichos lugares han quedado los átomos algo desordenados. Este desorden de los borden pueden aumentarse ya en estado sólido mediante esfuerzos exteriores.

Depende de: El número de gérmenes por unidad de volumen del líquido La velocidad de cristalización a partir de cada germen.

Si en una masa líquida de metal el número de gérmenes que se produce por unidad de volumen es grande, se producirán muchos granos y el tamaño de éstos será pequeño. Por el contrario, pocos gérmenes darán origen a grandes granos.

Si la velocidad de cristalización con que se transmite en una dirección es grande, los granos serán grandes, ya que se recorrerá más espacio durante la cristalización hasta encontrar sólido procedente de otros gérmenes. Por la misma razón, si la velocidad de cristalización es pequeña, el grano será pequeño.

A partir del germen origen, la cristalización empieza a producirse según líneas rectas, con ramificaciones según los ángulos del sistema cristalino a que pertenezca el metal. Puede ocurrir que entre esas ramificaciones quede aún parte del líquido que solidificará posteriormente, es decir, que habiendo llegado la solificación hasta el borde del grano, queden todavía partes en forma líquida cercanas al germen. Cuando esto sucede se dice que el crecimiento es dendrítico y a las ramificaciones dendritas.

En algunas ocasiones excepcionales, en los bordes de los granos los átomos se apartan de sus posiciones de equilibrio debido a fuerzas y deformaciones exteriores, quedando los átomos comprimidos unos juntos a otros, con los que adquieren energía produciendo materiales más densos, con mayor fuerza y mayor fragilidad en esas zonas, propiedades que repercuten en la calidad de las piezas, y unas veces les benefician.

Cuanto menor es el grano, mejores son las propiedades de la materia, por lo que muchas veces se efectúan operaciones y tratamientos para afinar el grano.

ACRITUD Y RECRISTALIZACIÓN

Cuando un material se somete a esfuerzos en frío, que producen deformaciones el material que queda adquiere mayor dureza y fragilidad.

Generalmente sucede: Mucha acritud_ necesita elevar poco la temperatura de recristalización Poca acritud_ la temperatura de recristalización será mas alta.

POLIMORFISMO Y ALOTROPÍA

Dependiendo de condiciones de presión y temperatura a las que estén sometidas, existen elementos y compuestos que pueden presentar diferentes estructuras cristalinas:

Isomorfismo: sustancias que teniendo el mismo sistema de cristalización son de distinta naturaleza

Polimorfismo: sustancias que teniendo la misma naturaleza, cristalizan de manera distinta

Alotropía: elementos puros, que toman diferente red espacial

Uno de los metales que sufre transformaciones al aumentar la temperatura es el hierro, presentando distintas formas alotrópicas en las estructuras FCC Y BCC.Así, exisnte:

Hierro de -273ºC a 910ºC cristalizando en BCC Hierro estable de 910 a 1394ºC cristalizando en FCC Hierro entre 1394 y1538ºC cristalizando en BCC de mayor arista que el

hierro alfa.