LA ESTRUCTURA DE LOS SÓLIDOS CRISTALINOS

LA ESTRUCTURA DE LOS SÓLIDOS CRISTALINOS

ESTRUCTURA CRISTALINA

Todos los materiales están compuestos de moléculas y átomos, que a su vez se componen de protones, neutrones y electrones. Pero debido a ciertas propiedades características de cada uno de los metales (tales como su dureza, maleabilidad, brillo, conducción al calor y electricidad), es necesario conocer su estructura cristalina y qué los diferencia en metales y no metales.

Los materiales sólidos se pueden clasificar según la regularidad con que se sitúan, unos respecto de otros, los átomos o iones. E n un material cristalino, los átomos se sitúan en una disposición repetitiva o periódica a lo largo de muchas distancias atómicas; es decir, existe un orden de largo alcance tal que, 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. Los metales, muchas cerámicas y ciertos polímeros adquieren estructuras cristalinas en condiciones normales de solidificación. El orden de largo alcance no existe en los materiales que no cristalizan. Estos materiales denominados no cristalinos o amorfos, se discuten brevemente al final de este capítulo.

Algunas propiedades de los sólidos cristalinos dependen de la estructura cristalina del material; es decir, de la ordenación espacial de átomos, iones y moléculas. Hay un número muy grande de estructuras cristalinas diferentes que tienen, todas ellas, orden atómico de largo alcance. Estas estructuras varían desde las relativamente simples de los metales a las excesivamente complejas de los materiales cerámicos y poliméricos.

(a) representación de la celdilla unidad mediante esferas rígidas

(b) celdilla unidad representada mediante esferas reducidas

(c) agregado de muchos átomos.

CELDILLA UNIDAD

Se define como celda unitaria, la porción más simple de la estructura cristalina que al repetirse mediante traslación reproduce todo el cristal. Todos los materiales cristalinos adoptan una distribución regular de átomos o iones en el espacio.

La celdilla unidad se elige para representar la simetría de la estructura cristalina, de modo que las posiciones de los átomos en el cristal se puedan representar desplazando a distancias discretas la celdilla unidad a lo largo de los ejes. De este modo, la celdilla unidad es la unidad estructural fundamental y define la estructura cristalina mediante su geometría y por la posición de los átomos dentro de ella.

Ordinariamente, la claridad aconseja que los vértices del paralelepípedo coincidan con los ceñiros de las esferas rígidas que representan los átomos. Para definir algunas estructuras cristalinas es necesario establecer más de una celdilla unidad; sin embargo, generalmente se usa la celdilla unidad que tiene el mayor nivel de simetría geométrica.

ESTRUCTURAS CRISTALINAS DE LOS METALES

Toda sustancia puede encontrarse en tres estados de agregación: Sólido, líquido y gaseoso. Aunque se menciona en varias bibliografías un cuarto estado: plasma donde se requieren altas temperaturas (de decenas de miles de grados), donde la sustancia gaseosa pasa a estado plasma que se caracteriza por el desarrollo del proceso de ionización, hasta llegar a la destrucción total de la capa electrónica de los átomos.

El enlace atómico de este grupo de materiales es metálico y de naturaleza no direccional. Por consiguiente, no hay restricciones en cuanto al número y p o Sición de átomos vecinos más próximos; lo cual conduce, para la mayoría de los metales, a estructuras cristalinas con gran número de vecinos muy próximos y densamente empaquetados. Utilizando el modelo de esferas rígidas en la descripción de los metales, cada esfera representa un catión en la estructura cristalina. La mayoría de los metales más corrientes cristaliza en una de las tres estructuras cristalinas siguientes: cúbica centrada en las caras, cúbica centrada en el cuerpo y hexagonal compacta.

Estructura cristalina cúbica centrada en las caras

La estructura cristalina exige que muchos metales tengan una celdilla unidad de geometría cúbica, con los átomos localizados en los vértices del cubo y en los centros de todas las caras del cubo. Es la denominada estructura cristalina cúbica centrada en la» caras (FCC).

La longitud de la arista del cubo a y el radio atómico R se relacionan mediante la siguiente fórmula:

En los cristales de estructura FCC, cada átomo del vértice es compartido con ocho celdillas unidad, mientras que los átomos centrados en las caras sólo son compartidos con dos celdillas. Dos características importantes de la estructura cristalina son el número de coordinación y el factor de empaquetamiento atómico (F E A). En los metales, cada átomo siempre está en contacto con el mismo número de átomos vecinos, que es el número de coordinación.

Estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo

Otra estructura cristalina común en los metales también es una celdilla unidad cúbica que tiene átomos localizados en los ocho vértices y un átomo en el centro. Esta estructura

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