Nanotecnología Ejercicios

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER

ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA

TALLER DE NANOTECNOLOGÍA

El cerato de bario es un material que ha atraído mucho la atención de los investigadores en los pasados 20 años y particularmente, para uso en celdas de combustible cerámicas de tipo PCFC. Es aislante en su forma pura y se transforma en conductor protónico cuando está dopado en la sub-red del cerio con cationes aliovalentes (valencia diferente).

a) Basado en las configuraciones electrónicas de los elementos Ce ([Xe]6s24f2), Ba ([Xe]6s2) y O (1s22s22p4), deducir el grado de oxidación de cada elemento y deducir que la fórmula más estable de este compuesto es BaCeO3 (con una razón Ba:Ce=1:1).

b) Si la electronegatividad de Pauling de O, Ba y Ce es EO=3,44, EBa=0,89 y ECe=1,12, respectivamente, cuál es la fracción iónica de los enlaces Ba-O y Ce-O? Deducir en qué clase de material se ubica BaCeO3 y describir algunas de sus características principales.

c) La estructura de BaCeO3 es de tipo peróvskita en la cual los cationes de bario forman una red CS (SC), el catión cerio se ubica en el centro de la celda y los aniones oxígeno llenan los centros de las caras. Dibujar la estructura y, asumiendo que es perfectamente cúbica, calcular el parámetro de red en los dos casos siguiente:

c1. cationes Cex+ y aniones Oy- están en contacto en las direcciones <100>.

c2. cationes Baz+ y aniones Oy- están en contacto en las direcciones <110>.

c3. Como no es posible tener dos parámetros de red para una misma red cristalina, deducir con argumentos cuál es lo más probable entre los dos.

c4. Calcular la densidad teórica de este material.

(MBa=137,327 g/mol, MCe=140,115 g/mol y MO=15,9994 g/mol; los radios iónicos de Baz+, Cex+ y Oy- son de 1,75 Å, 1,01 Å y 1,26 Å, respectivamente).

d) Se sustituye el cerio por el ytrio de configuración electrónica ([Kr]5s24d1), cuál situación es al origen de la creación de un tipo bien particular de defecto D en el material.

d1. Escribir la ecuación de Kroger-Vink que corresponde al único mecanismo posible de compensación de esta sustitución (el óxido de ytrio tiene la misma estequiometría que la alúmina y los cationes de Ba y Ce no cambian de número de oxidación en aire).

d2. Deducir la ecuación uniendo la concentración en ytrio y en D.

d3. En presencia de una presión parcial suficiente en agua, cada molécula H2O reacciona (se disocie) con un defecto D y un sitio Oxígeno de la red permitiendo la formación de dos defectos idénticos D’, llamados defectos protónicos. Escribir la ecuación

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