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Estructura cristalina de los metales, tanto sus enlaces como su acomodo atómico...

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ANISOTROPÍA E ISOTROPÍA Un material es anisotrópico si sus propiedades dependen de la dirección cristalográfica a lo largo de la cual se mide la propiedad. Si las propiedades son idénticas en todas las direcciones, el cristal es isotrópico. Un ejemplo de anisotropía, se puede observar en el comportamiento del módulo de elasticidad, el cual se relaciona con el grado en que un material se deforma cuando se le aplica una fuerza. Variación del módulo de elasticidad (x 106 psi) con la dirección cristalográfica

Material Al Cu Fe Nb W MgO NaCl

[100] 9,2 9,7 19,1 22,0 59,2 35,6 6,3

[111] 11,0 27,8 40,4 11,8 59,2 48,7 4,7

Aleatorio 10,0 18,1 30,0 14,9 59,2 45,0 5,3

EMPAQUETAMIENTO ATÓMICO EN CRISTALES COMPACTOS FCC Y HCP

Plano no compacto

Plano compacto (HCP-FCC)

(a) Distribución de átomos en los planos {100} de la celda cúbica primitiva. (b) Distribución de átomos en los planos {111} de la celda FCC, o en el plano (0001) de la celda HCP

EMPAQUETAMIENTO DE PLANOS COMPACTOS PARA CRISTALES HCP

EMPAQUETAMIENTO DE PLANOS COMPACTOS PARA CRISTALES FCC

EMPAQUETAMIENTO DE PLANOS COMPACTOS PARA CRISTALES FCC

PLANOS Y DIRECCIONES COMPACTAS PARA ESTRUCTURAS CRISTALINAS

Planos y direcciones compactas en las estructuras cristalinas.

Estructura BCC FCC HCP

Dirección

Plano Ninguna (111)

1/3

(0001)(0002)

SITIOS INTERSTICIALES EN LAS ESTRUCTURAS CRISTALINAS DE LOS METALES Intersticio tetraédrico.- Es aquel que esta rodeado por cuatro átomos centrados en los vértices de un tetraedro. En una estructura compacta (fcc y hcp) el tetraedro es regular.

SITIOS INTERSTICIALES EN LAS ESTRUCTURAS CRISTALINAS DE LOS METALES Intersticio octaédrico. Es aquel que esta rodeado por seis átomos, donde los centros de los átomos constituyen los vértices de un octaedro. En una estructura compacta (fcc y hcp) el octaedro es regular.

Sitios intersticiales en la estructura cúbica centrada en las caras (FCC) (1/4,1/4,1/4), (3/4,1/4,1/4), (3/4,3/4,1/4), (1/4,3/4,1/4), (1/4,1/4,3/4), (3/4,1/4,3/4), (3/4,3/4,3/4) y (1/4,3/4,3/4)

Sitios intersticiales en la estructura cúbica centrada en las caras (FCC) (1/2,1/2,1/2), (1,1,1/2), (1,1/2,0) y (1/2,1,0)

Sitios intersticiales en la estructura hexagonal compacta (HCP) Las coordenadas de los intersticios, en la celda monoclínica especial (a = b  c y  =  = 90° y  = 120º) son: (0,0,3/8), (0,0,5/8), (1,1,3/8) y (1,1,5/8).

Sitios intersticiales en la estructura hexagonal compacta (HCP) Las coordenadas de los intersticios, en la celda monoclínica especial (a = b  c y  =  = 90° y  = 120º) son: (1/3,2/3,1/4) y (1/3,2/3,3/4)

Sitios intersticiales en la estructura BCC

Los intersticios tetraédricos, en posiciones del tipo

se encuentran en el centro de un tetraedro distorsionado definido por dos átomos de los vértices y dos átomos correspondientes a los centros de dos celdas adyacentes.

Sitios intersticiales en la estructura BCC

Los sitios octaédricos se ubican en el centro de las caras (½,½, 0) y en la mitad de las aristas de la celda cúbica (½,0, 0).

Sitios intersticiales en las estructuras BCC, FCC y HCP

Estructura BCC FCC HCP

N° de sitios intersticiales Tetraédricos 12 8 12

Octaédricos 6 4 6

r0

r0

R

R

0,291 0,225 0,225

0,155 0,414 0,414

ESTRUCTURAS DE LOS CERÁMICOS Están constituidos por elementos metálicos y no metálicos enlazados principalmente mediante enlaces iónicos y/o covalentes. Por lo común, son típicamente duros y frágiles con baja tenacidad y ductilidad. Se comportan usualmente como buenos aislantes eléctricos y térmicos debido a la ausencia de electrones conductores, normalmente poseen temperaturas de fusión relativamente altas y, asimismo una estabilidad relativamente alta en la mayoría de medios agresivos debido a la estabilidad de sus fuertes enlaces.

Estructuras cristalinas de cerámicos Las estructuras cristalinas de las cerámicas son un poco más complejas respecto a los metales. Debido a que esta constituido por elementos metálicos y no metálicos, ambos deben ser considerados en su estructura. Las celdas cúbicas y hexagonales siguen siendo las más importantes. El empaquetamiento de los iones está principalmente por los siguientes factores:

determinado

1. El tamaño relativo de los iones en el sólido iónico. 2. La neutralidad eléctrica en el sólido iónico.

Estructuras cristalinas de cerámicos Los cationes son más pequeños que los aniones, y la relación de sus radios (rcatión/ranión) producen tipos de empaquetamientos iónicos muy específicos, que se pueden analizar mediante el NC. Para obtener una agrupación estable de iones grandes alrededor de un ión pequeño, el ión más pequeño debe tocar los iones grandes.

Estructuras cristalinas de cerámicos

Sólidos iónicos con fórmula general AX Estructura del cloruro de cesio (CsCl)









 

En la celda unitaria cúbica del CsCl el ion Cs+ está en el centro de la celda rodeado por ocho iones Cl-, en los vértices (o viceversa). La estructura es una CS con dos iones (Cs+, Cl-), por punto reticular. Ejemplos: CsBr, TlCl, TlBr y NH4Cl

Sólidos iónicos con fórmula general AX Estructura del cloruro de sodio (NaCl)

rNa  rCl



0,097 nm  0,53  NC  6 0,181nm

Consiste en un empaquetamiento cúbico FCC de iones cloruro en el que los iones de sodio ocupan todos los intersticios octaédricos o viceversa. Cada ion sodio esta rodeado por seis iones cloruro equidistantes situados en los vértices de un octaedro.

Sólidos iónicos con fórmula general AX Estructura del cloruro de sodio (NaCl)

rNa  rCl



0,097 nm  0,53  NC  6 0,181nm

Los iones Na+ están en contacto con seis Cl-, pero los iones de Cl- no están en contacto entre sí. Se conocen más de 2000 compuestos que adoptan está estructura, entre ellos tenemos: La mayoría de los haluros alcalinos, MX y AgF, AgCl, AgBr. Todos los hidruros alcalinos, MH. Monóxidos, MO, de Mg, Ca, Sr, Ba, Ni, Fe, etc. Monosulfuros, MS, de Mg, Ca, Sr, Ba.

Sólidos iónicos con fórmula general AX La estructura de la blenda Estructura FCC de los iones azufre, en el que los iones de zinc ocupan los intersticios tetraédricos de forma alternada. Basado en la ecuación de Pauling, el enlace Zn-S tiene un 87% de enlace covalente y en consecuencia éste será su enlace de forma tetraédrica con un NC de 4. Ejemplo: Compuestos semiconductores como CdS, InAs, InSb y ZnSe.

Sólidos iónicos con fórmula general AX2 y A2X Estructura de la fluorita (CaF2)











Ca2+

F-



Si observamos la Fig. podemos pensar que está relacionada con un ordenamiento FCC de iones de calcio en el que los fluoruros ocupan todos los intersticios tetraédricos. Esta descripción presenta un problema porque los iones de fluoruro son más grandes que los calcio, y a éstos les seria imposible físicamente encajar en los intersticios tetraédricos de un empaquetamiento FCC de iones de calcio. No obstante, ofrece una descripción exacta de las posiciones relativas de los iones.

Sólidos iónicos con fórmula general AX2 y A2X Estructura de la fluorita (CaF2)









Ca2+

F-

 

Si dibujamos cubos con iones fluoruro en cada vértice, podremos observar que cada catión de calcio tiene NC=8. De cada dos celdas una esta ocupada por un catión de calcio. Ejemplos de compuestos que tienen esta estructura son: UO2, BaF2, ThO2, TeO2 y AuAl2.

Sólidos iónicos con fórmula general AX2 y A2X Estructura de la Antifluorita (A2X) En este caso es más realista su descripción de una estructura FCC con los aniones (X) ocupando los nodos de la celda FCC y los cationes (A) más pequeños ocupando los intersticios tetraédricos. Ejemplos: Li2O, Na2O, K2O y Mg2Si.

Sólidos iónicos con fórmula general A2X3 Estructura del corindón(Al2O3) Constituida por una celda HCP de átomos de oxígeno con dos tercios de los huecos octaédricos ocupados por átomos de aluminio. La celda HCP del corindón contiene cuatro iones completo de aluminio y el equivalente de 6 iones de oxígeno. De esta forma se produce la relación Al2O3. Solo cuatro de los seis sitios octaédricos dentro de la celda están ocupados por Al3+, para balancear las cargas eléctricas. Esto produce alguna distorsión de esta estructura Ejemplos:  - Fe 2O3, V2O3, Ti2O3 y Cr2O3.

Sólidos iónicos con fórmula general ABX3 Estructura de la perovskita (CaTiO3) A simple vista, la estructura de la perovskita parece ser una combinación de estructuras CS, BCC y FCC. Pero en realidad es una celda CS con cinco iones por punto reticular o por celda unitaria (uno de Ca2+, uno de Ti4+ y tres de O2-).

Ejemplos: BaTiO3, SrTiO3, CaZrO3, LaAlO3, etc....