Propiedades De Los Materiales

ESTRUCTURA CRISTALINA Y SU CONSECUENCIA EN LAS PROPIEDADES DE LOS MATERIALES

Estructura de los materiales

Composición de la materia.

Las propiedades de un material y el comportamiento que éste tendrá al ser sometido a diferentes técnicas o procesos dependen básicamente de su constitución o estructura interna.

La composición o constitución de la materia comprende las partículas elementales, átomos y moléculas, así como la manera en que éstos se unen (enlaces).

El átomo es la unidad básica de la materia que puede experimentar un cambio químico, y está constituido por dos partes diferenciadas.

El núcleo de carga positiva, constituida

por protones y neutrones. Prácticamente, toda la masa del átomo se concentra en el núcleo.

La corteza constituida por electrones de carga negativa. La corteza rodea al núcleo. Se considera exenta de masa.

El número de electrones de un átomo es lo que define su número atómico y la estructura electrónica de la corteza define las propiedades químicas, esencialmente los electrones del nivel más externo. Los electrones de este nivel se llaman electrones de valencia y forman parte del enlace químico.

Por ejemplo, el arreglo atómico en el aluminio proporciona buena ductilidad, en tanto que en el hierro es la causa de una buna resistenctumores, se basan en un arreglo atómico. Debido a distintos aia. Los transductores cerámicos capaces de detectar rreglos atómicos, se puede deformar fácilmente el polietileno, se puede estirar elásticamente el hule y la epóxica resulta fuerte y quebradiza.

Tipos de enlaces

Son cuatro los mecanismos importantes de átomos enlazados para formar sólidos:

Enlace iónico

Combinación de metal con no metal, el metal alcanza la configuración de gas noble, cediendo electrones y convirtiéndose en catión, El no metal capta electrones convirtiéndose en anión, es decir, en enlace se da entre iones de distintos signos ya que las cargas de distinto signo se atraen. Ejemplo: el cloruro de sodio, en donde para formarse, el sodio debe ceder un electrón al cloro, quedando un sodio con carga neta positiva y un cloro con carga neta negativa.

Enlace covalente

Se produce por compartición de electrones entre elementos no metálicos, los átomos que se unen comparten uno, dos o tres pares de electrones y cada uno aporta electrones en misma cantidad y llenan sus orbitas al extremo sp.

Tanto el enlace iónico como el covalente son los enlaces que caracterizan a los materiales duros, como lo son las cerámicas y las piedras preciosas.

Enlace metálico Los átomos de los metales tienen pocos electrones en su última capa, por lo general . Estos átomos pierden fácilmente esos electrones y se convierten en iones positivos. Los iones positivos resultantes se ordenan en el espacio formando la red metálica.

Los electrones desprendidos de los átomos forman una nube de electrones que puede desplazarse a través de toda la red. De este modo todo el conjunto de los iones positivos del metal queda unido mediante la nube de electrones con carga negativa que los envuelve .

Este enlace permite a los metales ser materiales, por lo que pueden ser de fácil maquinado, logrando piezas de muy diversas formas y tamaños. Además, es permite a estos materiales ser conductores eléctricos.

Enlace de Van der Waals

Los enlaces que unen moléculas mediante una atracción electrostática débil. Algunas porciones de la molécula están cargadas positivamente, y otras negativamente. La atracción electrostática entre regiones de carga positiva de la molécula y regiones de carga negativa de la segunda molécula unen de manera débil ambas moléculas. Esto llamado enlace de hidrogeno, ocurre cuando una de las regiones polarizada esta formada de átomos de hidrogeno.

Tipos de arreglos atómicos

Sin orden: en gases los átomos no tienen orden y llenan de manera aleatoria el espacio en el cual esta el gas.

Orden de corto alcance: arreglo espacial de los átomos que se extiende solo a los vecinos de dichos átomos. Cada molécula de agua en fase vapor tienen un orden de corto alcance por los enlaces covalentes entre los átomos de hidrogeno y oxigeno, sin embargo las moléculas de agua no tienen una organización especial entre si. Otra situación similar ocurre en los vidrios cera mímicos, los átomos de oxigeno quedan enlazados de manera covalente a cada átomo de silicio, dado que los átomos no deben formar ángulos de 109.5° para satisfacer requerimientos de direccionalidad de los enlaces covalentes, se tiene como resultado el orden de corto alcance.

Las cerámicas y los polímeros que tienen orden de corto alcance son materiales amorfos (Las partículas componentes del sólido agrupadas al azar) que tienen propiedades físicas únicas. Unos cuantos materiales y semiconductores también poseen solo orden de corto alcance.

Los niveles del arreglo en los materiales: (a) los gases inertes no tienen orden regular en sus átomos. ( b, c) algunos materiales como el vapor de agua y el vidrio, tienen orden a una distancia muy corta. (d) los metales y otros sólidos, tienen un orden regular de los átomos que se extiende por todo el material

Orden de largo alcance: los metales semiconductores, muchos materiales cerámicos e incluso algunos polímeros tienen una estructura cristalina en la cual los átomos muestran tanto un orden de corto alcance como uno de largo alcance, el arreglo atómico especial se expandida por todo el material. Los átomos forman patrón repetitivo , regular, en forma de red.

La red es un conjunto de puntos (puntos de red) que están organizados siguiendo un patrón periódico de forma que el entorno de cada punto en la red es idéntico. La red difiere de un material a otro en tamaño como se forma, dependiendo del tamaño de los átomos y del tipo de enlace entre ellos. La estructura cristalina se refiere al tamaño , la forma y organización atómica dentro de la red.

Celda unitaria:

Es la subdivisión de la red cristalina que sigue conservando las características generales de toda la red.

Se identifican 14 tipos de celdas unitarias o redes de Bravás agrupadas en siete sistemas cristalinos. Los puntos de la red están localizados en las esquinas de una celda unitaria y en algunos casos, en cualquiera de las caras o centros de la celdas.

Tipos de cristales según el tipo de enlace atómico

a) Cristales iónicos: punto de fusión elevado, duros y muy frágiles, conductividad eléctrica baja y presentan cierta elasticidad.

Ejemplo: NaCl (sal común)

Cristales covalentes: Gran dureza y elevada temperatura de fusión. Suelen ser transparentes quebradizos y malos conductores de la electricidad. No sufren deformación plástica (es decir, al intentar deformarlos se fracturan).

Ejemplo: Diamante

Cristales metálicos: Opacos y buenos conductores térmicos y eléctricos. No son tan duros como los anteriores, aunque si maleables y dúctiles. Hierro, estaño, cobre,...

Tipo de redes cristalinas según la posición de los átomos en los vértices de la celda unitaria

Redes cúbicas sencillas: Los átomos ocupan sólo los vértices de la celda unidad

Redes cúbicas centradas en el cuerpo (BCC): Los átomos, además de ocupar los vértices, ocupan el centro de la celda. En este caso cristalizan el hierro y el cromo.

Redes cúbicas centradas en las caras (FCC): Los átomos, además de ocupar los vértices, ocupan el centro de cada cara de la celda. Cristalizan en este tipo de redes el oro, cobre, aluminio, plata,...

Redes hexagonales compactas (HC): La celda unitaria es un prisma hexagonal con átomos en los vértices y cuyas bases tiene un átomo en el centro. En el centro de la celda hay tres átomos más. En este caso cristalizan metales como cinc, titanio y magnesio.

La distribución atómica en sólidos cristalinos puede describirse mediante una red espacial donde se especifican las posiciones atómicas por medio de una celdilla unidad que se repite y que posee las propiedades del metal correspondiente.

Existen siete sistemas cristalinos basados en la geometría de las longitudes axiales y ángulos interaxiales de la celdilla unidad, con catorce subretículos basados en la distribución interna de ésta.

En los metales las celdillas unidad de las estructuras cristalinas más comunes son: cúbica centrada en el cuerpo (bcc), cúbica centrada en las caras ( fcc) y hexagonal compacta (hcp) que es una variación compacta de la estructura hexagonal simple.

En estos sistemas cristalinos, las direcciones se indican por los índices de Miller, enteros positivos o negativos como [uvw], las familias de direcciones se indican por los índices ‹uvw›, los planos cristalinos se indican por los inversos de las intersecciones axiales del plano, con la transformación de las fracciones a los enteros proporcionales, (hkl), la familia de los planos se indican {hkl}.

En los cristales hexagonales los planos cristalográficos se indican como (hkil), estos índices son los recíprocos de las intersecciones del plano sobre los ejes a1, a2, a3 y c de la celdilla unidad hexagonal de la estructura cristalina; las direcciones cristalinas en los cristales hexagonales se indican como [uvtw].

Utilizando

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