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• Juan Cruz

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Facultad de Ciencias-Departamento de Química

Química de Materiales

TIPOS DE SÓLIDOS SÓLIDOS MOLECULARES SÓLIDOS AMORFOS SÓLIDOS CRISTALINOS

SOLIDOS AMORFOS No presentan arreglo interno ordenado sino que sus partículas se agregan al azar. Al romperse dan formas irregulares, aún curvas. Se ablandan dentro de un amplio rango de temperatura y luego funden o se descomponen.

Ejemplos: asfalto, parafina, ceras, vidrios comunes.

SOLIDOS CRISTALINOS Constan de minúsculos cristales individuales, cada uno con una forma geométrica determinada. Al romperse producen caras y planos bien definidos.

Presentan puntos de fusión definidos.

Ejemplos: NaCl, sacarosa, sales en general y metales.

DIFERENTES TIPOS DE SÓLIDOS CRISTALINOS

REDES METÁLICAS

REDES COVALENTES REDES IÓNICAS

REDES METÁLICAS Atomos metálicos Enlace metálico: Fuerzas electrostáticas entre núcleos positivos y electrones deslocalizados

Parcialmente covalentes o metálicos

Hierro, Cobre, latón, sodio

Cristales covalentes    

Puntos de red ocupados por átomos Todos unidos por enlaces covalentes Duros, altos puntos de ebullición Malos conductores del calor y la electricidad Átomos de carbono

Diamante

Grafito

Cristales iónicos    

Puntos de red ocupados por aniones y cationes Todos unidos por interacción electrostática Duros, quebradizos, altos puntos de fusión Malos conductores del calor y la electricidad CsCl

ZnS

CaF2

Un sólido cristalino posee un orden rígido en un amplio rango molecular. En un sólido cristalino, átomos, moléculas o iones ocupan posiciones específicas predecibles. Una celda unitaria es la unidad estructural básica que se repite en el cristal sólido.

Punto de red

En los puntos de red:  Átomos

 Moléculas  Iones Celda unitaria

Celdas unitarias en 3D

SISTEMAS CRISTALINOS Existen siete formas básicas de celdas unidad las cuales dan origen a los siete sistemas cristalinos llamados primitivos ó simples. Cúbico Tetragonal Ortorrómbico

Redes de Bravais

Romboédrico Hexagonal Monoclínico

Triclínico

SISTEMAS CRISTALINOS

Tomado de Smith, W. Ciencia e Ingeniería de los materiales

PARÁMETROS DE LA RED

a,b,c Longitudes de las tres aristas en los ejes de coordenadas x,y,z , ,  Ángulos entre las aristas

SISTEMA CUBICO a= b =c;  = =  = 90º

Sistema HEXAGONAL a = b  c,  =  = 90º,  = 120

Sencillo

HEXAGONAL COMPACTA (HPC)

Centrada en el cuerpo

La mayoría de metales puros cristalizan por solidificación en tres estructuras cristalinas :

BCC

Centrada en las caras FCC

Hexagonal compacta HPC

NÚMERO DE ÁTOMOS POR CELDA UNIDAD

4 átomo/celda unidad

2 átomos/celda unidad

6 átomos/celda unidad

BCC

La relación entre la arista del cubo a y el radio atómico R es:

a = 4R/√3. Considerando esféricos los átomos de la celda unidad BBC, se puede decir que:

El APF(Factor de empaquetamiento atómico) = 68%

Vatómico = (2) ( 4/3  R3 )= 8,373 R3 V celda unidad = a3

a = constante de red.

En este cristal se cumple que √3a = 4R a = 4R/√3

V celda unidad = a3 = 12,32 R3

APF = 8,373 R3 / 12,32 R3 = 0.68

a= 4R/√2 El APF para la estructura cristalina FCC es de 0,74 que es mayor que el factor de la estructura BCC.

Muchos metales como el aluminio, cobre, hierro y níquel, a temperatura elevada (de 912 a 1934°C) cristalizan en esta estructura.

HCP

El número total de átomos en la estructura cristalina de la celda unidad HCP = 6 Las estructuras cristalinas HPC y FCC presentan un factor de empaquetamiento APF de 0,74 Metales como el cadmio, zinc, magnesio, cobalto, circonio, titanio presentan estructura HCP

Ejercicio Calcular el factor de empaquetamiento de la celda unidad de la estructura cristalina del Mg teniendo en cuenta los siguientes datos: el Mg puro tiene una estructura HCP; con unas constantes de red de: a = 0.3209 nm y c= 0,5209 nm.

Recordemos: número total de átomos en la estructura cristalina de la celda unidad HCP = 6

V celda unidad = A de la base de la celda unidad X h

Area triángulo ABC

= (½) b X h = (½) a (a sen 60º)

= (½) a2 sen 60º Atotal-base = 6(1/2)a2sen60º = 3a2sen 60º V celda unidad = (3)(0,3209 nm)2(0,8660)(0,5209nm) = 0.139358 nm3

V átomos celda-unidad = 6 (4/3  R3) = 6(4/3  (0,160 nm)3 = 0,102944 nm 3 Reemplazando: APF

= 0,102944 nm3 / 0.139358 nm3 = 0.74

DENSIDAD VOLUMETRICA Asumiendo que los átomos tienen comportamiento de esferas rígidas, se puede afirmar que: Densidad volumétrica de un metal

a = 4R / 2

El Al tiene R = 0,143 nm y cristaliza en el sistema FCC. Teniendo en cuenta la figura adjunta calcular el valor teórico de la densidad del Al en megagramos/ m3. La masa atómica del Al = 26.98 g / mol

a = 4R / √2 = (4)(0,143 nm)/ √2 = 0,4045nm

En la red cristalina FCC hay 4 átomos / celda unidad.

= 1.7918 x 10-28 Mg

El volumen V de la celda unidad del Al es: V

=a3

= (0,4045nm x 10-9m/nm)3=6.6184 x 10-29m3 La densidad del Al v = m/v = 1.7918 x 10 -28 Mg/ 6.6184 x 10 -29 m3

= 2.7073 Mg / m3 = 2.7073 g / cm3 El valor experimental para la densidad del aluminio es 2.70 Mg / m3 (2.70 g/cm3).

Cuando la plata cristaliza, su forma es cúbica centrada en las caras (FCC). La longitud de la arista de la celda unitaria es de 0.409 nm. Calcular la densidad de la plata.

d=

m V

V = a3 = (4,09 x10 -8cm)3 = 6.83 x 10-23 cm3

4 átomos/celda unitaria en la celda cúbica centrada en la caras 1 mol Ag 107.9 g -22 g m = 4 átomos Ag x x = 7.17 x 10 mol Ag 6.022 x 1023 átomos Ag 7.17 x 10-22 g m 3 = = 10.5 g/cm d= V 6.83 x 10-23 cm3

POLIMORFISMO O ALOTROPIA El carbono se presenta en TRES formas alotrópicas: diamante, grafito y fulerenos.

Los compuestos polimórficos presentan diferencias de densidad, color dureza y cambios de volumen.

Ejercicios sugeridos: 3.6 al 3.27; 3.71-3.72