CAPÍTULO 2 ESTRUCTURA DE LOS MATERIALES 2.1. Estructura cristalina y su consecuencia en las propiedades. La necesidad de entender la estructura del cristal (y toda la geometría y nomenclatura que le acompaña) se basa en el concepto de que la estructura de un material regula sus propiedades. El comprender las estructuras de los materiales abre el portal al entendimiento de las propiedades del material que estas estructuras generan y los procedimientos de procesamiento que se pueden utilizar para alterar las estructuras y, como resultado, las propiedades del material. Las propiedades de cualquier material se determinan por su estructura en cuatro niveles diferentes: 1. Estructura atómica. El primer nivel de la estructura de los materiales que describe los átomos presentes y qué propiedades poseen. Arreglo atómico. El segundo nivel de la estructura de los materiales que describe cómo los átomos están posicionados entre sí y el tipo de enlace existente. Microestructura. El tercer nivel de estructura de los materiales que describe la secuencia de los cristales en un nivel invisible para el ojo humano. Macroestructura. El cuarto y último nivel de la estructura de los materiales que describe cómo las microestructuras se ajustan todas juntas para formar el material como un todo. Ejemplo.NaCl La estructura de un material regula sus propiedades, Newell 1 La estructura de cristal de un sólido es el tamaño, la forma y el arreglo de átomos dentro de esta red cristalina tridimensional. Las redes cristalinas se organizan por sí solas en uno de los 14 patrones llamados redes cristalinas de Bravais. Redes de Bravais Nivel atómico La estructura de un material regula sus propiedades, Newell 2 En un átomo el núcleo tiene carga positiva, y está rodeado de electrones con carga negativa de modo que quedan balanceados. El número de electrones se identifica por el número atómico. El número de electrones en la capa más externa, determina en gran parte la afinidad química de un átomo con otros. Dichos electrones de la capa externa reciben el nombre de electrones de valencia. Arreglo atómico: Enlaces entre átomos y moléculas En el enlace iónico cede electrones y enlace covalente comparte electrones Microestructura: Estructura cristalina Los átomos y moléculas son los bloques de construcción de la mayoría de estructuras macroscópicas de la materia. Cuando un material solidifica a partir del estado fundido tienden a empacarse en una estructura ordenada formando cristales, en unos casos no. Se distinguen dos estructuras materiales diferentes fundamentales: 1) cristalina y 2) no cristalina. La estructura de un material regula sus propiedades, Newell 3 Una estructura cristalina es aquella en la que los átomos se localizan en posiciones regulares y recurrentes en tres dimensiones, de la cual puede extraerse la celda unitaria, que es el agrupamiento geométrico básico de los átomos que se repite o la unidad estructural fundamental. La celda unitaria toma forma de paralelepípedos o prismas con 3 tipos de estructuras. Fuente. Introducción a la ciencia e ingeniería de los materiales, Callister Cristal Tipos de estructuras en los metales En los metales son comunes tres tipos de estructuras de red: 1) cúbica centrada en el cuerpo (BCC), 2) cúbica centrada en las caras (FCC), y 3) hexagonal de empaquetamiento compacto (HCP). Los metales son dúctiles en especial los metales FCC. La estructura de un material regula sus propiedades, Newell 4 La estructura de un material regula sus propiedades, Newell 5 Imperfecciones en cristales Las imperfecciones en los cristales se denominan defectos. Se catalogan como 1) defectos puntuales, 2) defectos lineales y 3) defectos superficiales. 1) Defectos puntuales: son imperfecciones en la estructura cristalina que involucran ya sea un solo átomo o varios de ellos. Como lo muestra la figura 2.9. a) vacancia, es el defecto más simple, que involucra la falta de un átomo dentro de la estructura de red; b) vacancia por par de iones, también llamado defecto Schottky, que incluye un par faltante de iones de carga opuesta en un compuesto que tiene un balance de carga conjunta; c) intersticios, distorsión de la red producida por la presencia de un átomo adicional en la estructura; y d) desplazamiento iónico, conocido como defecto Frenkel, que ocurre cuando un ion se retira de una posición regular en la estructura de red y se inserta en una posición intersticial cuya ocupación no es normal por parte de dicho ion La estructura de un material regula sus propiedades, Newell 6 2) Defectos lineales. El defecto lineal más importante es la dislocación, que adopta dos formas: a) dislocación de borde y b) dislocación de tornillo. Una dislocación de borde es la arista de un plano adicional que existe en la red, como se ilustra en la figura 2.10a). Una dislocación de tornillo, véase la figura 2.10b), es una espiral dentro de la estructura de red alabeada alrededor de una línea de imperfección, como un tornillo está alabeado alrededor de su eje. Las dislocaciones son útiles para explicar ciertos aspectos del comportamiento mecánico de los metales. 3) Defectos superficiales. Son imperfecciones que se extienden en dos direcciones para formar una frontera. Ejemplo es la superficie externa de un objeto cristalino que define su forma. La superficie es una interrupción de la estructura de red. Las fronteras de la superficie también pueden quedar dentro del material. El mejor ejemplo de estas interrupciones superficiales internas son los límites de grano. Granos y límites de grano en metales Un bloque dado de metal contiene millones de cristales individuales, llamados granos. Cada grano tiene una red única, en forma colectiva los granos se orientan aleatoriamente dentro del bloque de metal formando una estructura policristalina. Cuando el material funde y conforme se enfría se van formando las estructuras cristalinas, los cristales van creciendo a partir de sitios de formación de núcleo que son zonas frías. Esos cristales en crecimiento interfieren unos con otros y forman en sus interfaces defectos superficiales. El límite del grano consiste en una zona de transición en la que los átomos no están alineados con ningún grano. La estructura de un material regula sus propiedades, Newell 7 El tamaño del grano tiene relación inversa con la rapidez de enfriamiento: el enfriamiento más rápido promueve un tamaño de grano menor, mientas que el enfriamiento lento tiene el efecto opuesto [Fundamentos p34]. callister p. 54 2.3 Polímeros La estructura de un material regula sus propiedades, Newell 8 https://www.google.com.mx/imgres?imgurl =https%3A%2F%2Fecucei.files.wordpress.com%2F2015%2F11%2Ffigura-16.png%3Fw%3D300%26h%3D288&imgrefurl=https%3A%2F%2Fecucei.com%2Fpolimeros%2Fintroduccion%2F1-2-estructuramolecular%2F&docid=3hHUXFDwtH_vwM&tbnid=ijNSDDg3WQ64BM%3A&vet=12ahUKEwii2MrfhJPZAhWNnFkKHa2oBWI4ZBAzKBcwF 3oECAAQGA..i&w=300&h=288&bih=610&biw=1022&q=cadena%20molecular%20polim%C3%A9rica%20lineal%20%2C%20lineal%20ra mificada&ved=2ahUKEwii2MrfhJPZAhWNnFkKHa2oBWI4ZBAzKBcwF3oECAAQGA&iact=mrc&uact=8#h=288&imgdii=hYc4pkjQnphqaM: &vet=12ahUKEwii2MrfhJPZAhWNnFkKHa2oBWI4ZBAzKBcwF3oECAAQGA..i&w=300 2.4. Cerámicos. El arreglo físico es complejo, más que en los metales. Hay dos características de los iones que componen los materiales cerámicos cristalinos que determinan la estructura cristalina: el valor de la carga eléctrica de los iones componentes, y los tamaños relativos de los cationes y aniones. El cristal debe ser eléctricamente neutro, el número de cationes deben ser igual a los aniones. Ejemplo: Ca +2 y F-, se requieren dos aniones de flúor para cada catión de calcio Las estructuras estables de los materiales cerámicos se forman cuando los aniones que rodean un catión están todos en contacto con el catión. La estructura de un material regula sus propiedades, Newell 9 Los cationes más grandes, mostrados en la figura 6-1b), contactan más aniones que los cationes más pequeños, como se muestra en la figura 6-1a). Cada catión preferirá estar en contacto con muchos aniones como sea posible, mientras que cada anión preferirá contactar tantos cationes como sea posible. El número de coordinación de la red cristalina se define como el número de aniones que cada catión contacta, y está controlado por el radio atómico y la geometría. Los aniones Cl ocupan la esquina y los sitios de la cara en la estructura de la red cristalina FCC, y los + cationes Na ocupan las regiones intersticiales. Debido a que cada catión contacta seis aniones, el número de coordinación de la red cristalina es 6. El óxido ferroso (FeO) y el sulfito de manganeso (MnS) son otros cerámicos comunes junto con la estructura del cloruro de sodio. El radio atómico se define como la mitad de la distancia entre 2 núcleos atómicos adyacentes de un elemento. Nota: Ión es un átomo o grupo de átomos (molécula) con carga neta positiva o negativa. 10 La estructura de un material regula sus propiedades, Newell Al aumentar el número de protones en el núcleo también se agregan electrones para mantener neutra la carga. En un mismo periodo los electrones se agregan en la misma capa, es decir, a la misma distancia del núcleo y por lo tanto al aumentar el número de protones en el núcleo aumenta la fuerza con la que atrae el núcleo a los electrones, ocasionando que disminuya el radio atómico. Nota: A pesar de que en un periodo se encuentren varios elementos y por ende tengan los mismos niveles energéticos, el tamaño del átomo es determinado por el numero atómico (número de e o protones) que contiene y la capacidad de atraerlos al centro. Cuanto mayor capacidad tenga, más pequeño es el átomo Neon Para entenderlo se recomienda visitar el siguiente enlace. http://objetos.unam.mx/quimica/propPer_RadioAtomico/index.html Qué pasa con el radio atómico al aumentar el número de periodo. El radio atómico aumenta a la par con el número de periodo, porque como mencioné antes, al aumentar el número de protones en el núcleo también aumenta el número de electrones para mantener neutra la carga del átomo. Sin embargo, los electrones se agregan a capas más externas al aumentar el número de periodo, lo que ocasiona que los electrones de las capas más externas sientan una menor atracción hacia el núcleo, incrementándose así el radio atómico. ¿Cómo son los radios del grupo 1 con respecto a los radios del grupo 17? En general los radios atómicos de los elementos situados en el lado izquierdo de la tabla periódica son mayores que los radios atómicos de los elementos situados del lado derecho. ¿Cómo son los radios atómicos del periodo 6 con respecto a los radios del periodo 1? En efecto. Los radios atómicos de los elementos que se encuentran en la parte inferior de la tabla periódica normalmente son mayores a los radios de los elementos situados en la parte superior de la tabla ¿Por qué crees que el radio atómico es una propiedad periódica? La estructura de un material regula sus propiedades, Newell 11 Se dice que una propiedad es periódica cuando se repite con frecuencia a intervalos determinados. ¿Cómo se manifiesta esta periodicidad del radio atómico de los elementos en la tabla? El radio atómico es una de las propiedades periódicas de los elementos, lo que significa que presenta cambios constantes y consistentes a lo largo de la tabla periódica. Esto lo puedes observar en el aumento constante del radio al bajar en un mismo grupo y su disminución constante a lo largo de un mismo periodo. BIBLIOGRAFÍA 1. Fundamentos de manufactura moderna pag. 9 2. Introducción a la ciencia de materiales Callister p 4 3. Frómeta Salas, Zenaida Paulette, INFLUENCIA DEL CARBONO EN LAS PROPIEDADES DEL ACERO PARA REFUERZO DE HORMIGÓN. Tecnología Química vol 29, 2009 La estructura de un material regula sus propiedades, Newell 12
