Estructuras Cristalinas

UNIVERSIDAD PRIVADA JUAN MEJÍA BACA

ESTRUCTURA CRISTALINA Profesor:

Ing. Alberto Carrasco Tineo

¿Qué son los cristales? Un cristal es un sólido en el cual los átomos o moléculas constituyentes se encuentran regularmente espaciadas y ordenadas en patrones que se repiten de manera periódica en 3 dimensiones.

ESTRUCTURA CRISTALINA

Se refiere a la estructura interna de los materiales tecnológicos. En esta estructura el arreglo de los átomos produce sólidos con diversas formas cristalinas como cubos, prismas, pirámides y algunas otras.

Arreglo Atómico • Todos los materiales están integrados por átomos los que se organizan de diferentes maneras, dependiendo del material que se trate y el estado en el que se encuentra

Sin considerar las imperfecciones en los materiales, existen tres niveles de organización de átomos.  Sin o rde n  Orde nam iento alca nc e)

pa rt ic ula r

 Orde nam iento alca nc e)

gen era l

(de

(de

co rto

lar go

Sin orden: Los átomos y moléculas carecen de una arreglo ordenado, por ejemplo los gases se distribuyen aleatoriamente en el espacio donde se confina el gas.

Arreglo Atómico

Argón

Ordenamiento particular (corto alcance): El arreglo se restringe solamente a átomos circunvecinos (agua, cerámicos, polímeros). Ejemplo: agua en estado vapor, vidrios cerámicos (sílice), polímeros

Esquema de la estructura de un líquido

Ordenamiento general (largo alcance): El arreglo se distribuye por todo el material. Los átomos forman un patrón repetitivo, regular, en forma de red. El arreglo (red) 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 su 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

En un material cristalino, los átomos se sitúan en una disposición repetitiva o periódica a lo largo de muchas distancias atómicas.

Estructura cristalina

Estructura amorfa

RED CRISTALINA Se presenta en los sólidos y consiste en un arreglo ordenado o periódico de átomos enlazados en tres dimensiones.

Red cristalina:

Red cristalina hielo

1. La celda unitaria (o grupo cristalino) Una celda unitaria es la unidad más pequeña de una estructura cristalina, en 3D que sigue conservando las características generales de toda la red)

Los parámetros de red describen el tamaño y la forma de la celda unitaria, incluyen las dimensiones de las aristas de la celda unitaria y los ángulos entre estas.

⇒ Existen siete tipos de celdas básicas: • Cúbica • Tetragonal =90° • Ortorrómbica • Monoclínica • Triclínica • Hexagonal =90°, γ=120° • Rombohedral

a=b=c a=b≠c a≠b≠c a≠b≠c a≠b≠c

α=β=γ=90° α=β=γ

α=β=γ=90° α=γ=90°, β ≠ 90° α ≠β ≠γ ≠ 90° a=b≠c α=β

a=b=c

α=β=γ≠90°

Redes de Bravais

Materiales de Interés Tecnológico

Redes de Bravais Cúbico Centrado en las caras

Simple

Centrado en el cuerpo

Tetragonal

Simple

Centrada

Ortorrómbico

Centrada en las bases Centrada en el cuerpo Centrada en las caras Simple

Hexagonal

Romboédrica

Monoclínica

Simple

Centrada en

las bases

Triclínico

PRINCIPALES MODELOS DE ESTRUCTURAS CRISTALINAS Las celdas pueden clasificarse según el número de puntos reticulares que contienen y la disposición de los mismos, en cuatro tipos diferentes. •La celda unitaria primitiva tiene un punto en cada vértice. 2. La celda unitaria centrada en el cuerpo tiene un punto en cada vértice y también uno en el centro de la celda. 3. La celda unitaria centrada en las caras tiene un punto en cada vértice y uno en el centro de cada cara. 4. La celda unitaria centrada en un lado (o centrada en una cara) tiene un punto en cada vértice y uno en los centros de un par de caras opuestas.

REDES PRIMITIVA Y CENTRADAS

Primitiva

Centrada en el cuerpo

Centrada en una cara

Centrada en todas las caras

Estructura cúbica de cuerpo centrado BCC

Estructura cúbica de caras centradas FCC

Estructura Hexagonal compacta

Estructuras cristalinas de elementos metálicos a 25ºC y 1atm

Estructura cristalina Hexagonal compacta

Elemento Be, Cd, Co, Mg, Ti, Zn

Cúbica compacta

Ag, Al, Au, Ca, Cu, Ni, Pb, Pt Ba, Cr, Fe, W, alcalinos

Cúbica centrada en el cuerpo Cúbica-primitiva

Po

Ejemplos: redes cúbicas A la izquierda: red cúbica simple SC (CsCl y BaTiO3) Abajo: red cúbica centrada en las caras (diamante, C, y blenda ZnS)

Materiales de Interés Tecnológico

Número de átomos equivalentes por celda Si consideramos que cada punto de la red coincide con un átomo, 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 aportan 1 átomo.

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.

Por ejemplo el carbono: El grafito es estable en condiciones ambientales, mientras que el diamante se forma a presiones extremadamente elevadas.

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.

Temperatura (ºC)

1.53 9 1.39 4

Hierro líquido Hierro delta (δ) BCC Hierro gamma (γ) FCC

912 Hierro alfa (α) BCC

273

La transformación polimórfica a menudo va acompañada de modificaciones de la densidad y de otras propiedades físicas. En los materiales cerámicos polimórficos como la SiO2 y la ZrO2, la transformación puede acompañarse de un cambio de volumen, que si no se controla de manera adecuada, produce un material frágil que se fractura con falicidad. Circonia (ZrO2) Tº Ambiente – 1.170 ºC 1170 ºC – 2.370 ºC 2.370 ºC – 2.680 ºC

Monoclínica Tetragonal Cúbica