TEMA 7: ESTRUCTURA INTERNA DE LOS
MATERIALES
1.- El átomo:
Toda la materia está compuesta por átomos y éstos por partículas más pequeñas (protones, neutrones y electrones).
Los átomos se unen entre sí para formar materiales mediante enlaces
Elementos e l e c t r o p o s i t i v o s: los q u e c e d e n e l e c t r o n e s e n l a s r e a c c i o n e s químicas (catión). Ejemplo: los metales. Tienen 3 o menos electrones en niveles externos y forman cationes por pérdida de electrones.
Elementos e l e c t r o n e g a t i v o s: cuando c a p t a n e l e c t r o n e s e n l a s r e a c c i o n e s químicas (anión). Ejemplo: los no metales. Tienen 4 o más electrones en niveles externos y forman aniones por ganancia de electrones.
La clasificación que se puede hacer de los materiales, es en función de cómo es la disposición de los átomos que lo forman.
Si estos átomos se colocan ordenadamente siguiendo un modelo que se repite en las tres direcciones del espacio, se dice que el material es cristalino
Si los átomos se disponen de un modo totalmente aleatorio, sin seguir ningún tipo de secuencia de ordenamiento, estaríamos ante un material no cristalino o amorfo.
2.- Tabla periódica:
Los elementos se agrupan en la tabla periódica según la estructura electrónica de sus átomos.
Todos los elementos que pertenecen a un grupo (columnas verticales) tienen el mismo número
de electrones en la última capa, y por ello, tienen propiedades similares entre sí.
Las filas horizontales de la tabla periódica se llaman períodos, y cada periodo corresponde con el
nivel de energía en el que se colocan los electrones
Metales ligeros Metales de transición Gases nobles
Metales de bajo punto de fusión Semimetales No metales Halógenos
GRUPO
PE
RIODO
3.- Tipos de materiales
Por conveniencia la mayoría de los materiales en ingeniería están divididos en: metálicos, cerámicos, polímeros y electrónicos.
Materiales metálicos: se forman por la unión de átomos entre dos metales o un metal con un no metal. Se unen los átomos mediante enlaces metálicos.
Enlace metálico: Se produce una atracción de sus núcleos y los electrones de la última capa se colocan dispersos en forma de nube electrónica cubriendo un espacio y rodeando a los núcleos. Los electrones de valencia pueden moverse a lo largo de toda la red. Esto explica la alta conductividad eléctrica y térmica. También explica que la mayoría de los metales puedan deformarse considerablemente sin fracturas, ya que los enlaces se deslizan en lugar de romperse. Propiedades:
Dúctiles y maleables.
Buenos conductores del calor y la electricidad Insolubles en general
Brillo metálico. Opacos
Ejemplos: Aceros, aluminios, cobres, titanio, hierro, estaño, aleaciones, etc.
Materiales cerámicos: son sólidos inorgánicos no metálicos producidos mediante tratamiento térmico (no proceden de células animales o vegetales).
Todos ellos se obtienen al hornear materiales naturales, como la arcilla o elcaolín, junto con una serie de aditivos, como colorantes, desengrasantes, etc., todo ello mezclado y cocido en un horno sucesivas veces.
El tipo de enlace entre átomos suele ser iónico: se forma entre átomos muy electropositivos y muy electronegativos (metales y no metales), consiste en la transferencia de electrones desde los átomos electropositivos a los electronegativos. Se dan fuerzas de enlace de Coulomb.
Ejemplo: NaCl (sal común) ; HF; KCl., LiF
Propiedades:
Buenos aislantes del calor y la electricidad
Temperatura de fusión muy elevada, debido a la elevada energía del enlace Muy resistentes a los esfuerzos.
Duros u frágiles No oxidables
Ejemplos: arcilla, loza, ladrillos, porcelana
Polímeros: son sustancias químicas sintéticas, que puede ser moldeados mediante calor o presión y cuyo componente principal es el carbono.
Provienen del petróleo y gas natural.
El tipo de enlace entre átomos es covalente formando largas cadenas lineales o redes llamadas polímeros. El enlace covalente se forma entre átomos o entre moléculas compartiendo sus electrones externos con otros átomos o moléculas. Se pueden formar enlaces múltiples de pares de electrones.
. El enlace covalente puede darse entre átomos produciéndose fuertes uniones; o entre moléculas mediante fuerzas de Van der Waals y puentes de hidrógeno, y en estos casos las uniones intermoleculares son débiles.
Ejemplo de enlace covalente entre moléculas: H2O (agua); NH3 (amoniaco), polímeros o
plásticos
Propiedades:
Poseen durante un intervalo de temperaturas propiedades de elasticidad y flexibilidad que permiten moldearlas y adaptarlas a diferentes formas y aplicaciones
Resistentes a la corrosión y a los agentes químicos. Aislantes térmicos, eléctricos y acústicos.
Fáciles de trabajar y moldear, Baja densidad,
Suelen ser impermeables,
Ejemplos: PVC, polipropileno, metacrilato, naylon, neopreno, caucho, ..
Materiales electrónicos: están compuestos de sustancias inorgánicas en base al silicio y germanio.
El tipo de enlace entre átomos es covalente Propiedades:
Son semiconductores, dependiendo su conductividad de diversas condiciones externas (presión, luz, temperatura,..)
Ejemplos: diodos, transistores, chips, …
4.- Estructuras cristalinas
Solido amorfo y sólido cristalino:En un sólido amorfo
l
as partículas carecen de una estructura ordenada (ejemplo: vidrio). En los sólidos cristalinos, sus átomos están dispuestos de manera regular y ordenada formando redes cristalinas.Sistemas cristalinos
Un material tiene estructura cristalina cuando todos sus átomos están ordenados en el espacio repitiendo una distribución espacial.
Celda unitaria: es la unidad que se repite dentro de la estructura cristalina Casi todos los metales cristalizan en tres tipos de estructuras fundamentales:
BCC Cúbica Centrada en el Cuerpo (CC): los átomos se sitúan en los vértices y en el centro del cubo.
FCC Cúbica Centrada en las Caras (CCC): los átomos se sitúan en los vértices y en los centros de cada cara.
HCP Hexagonal Compacta: los átomos s e sitúan en los vértices y centro de la cara del hexágono y se colocan otros tres átomos internos en triángulo.
F F O O
F F
O O
N N
C C
N N
Alotropía:
Indica e l c a m b i o q u e p u e d e s u f r i r l a e s t r u c t u r a c r i s t a l i n a d e u n e l e m e n t o o compuesto químico al variar la presión y la temperatura que le rodea. A estos diferentes estados los denominaremos polimórficos o alotrópicos.
Ejemplo: El hierro a temperatura ambiente cristaliza en el sistema BCC, pero cuando está a temperaturas entre 912ºC y 1394ºC cristaliza n el FCC.
El carbono puede cristalizar formando estructuras tetragonales (diamante) o colocarse en capas superpuestas formando hexágonos regulares (grafito)
Constantes en las estructuras cristalinas: los datos más importantes de cada una de las estructuras cristalinas son:
Número de átomos por celda unidad: es el número de átomos completos que le pertenecen, contando en cada átomo sólo la parte o fracción que le corresponde.
Constante reticular: es la arista “a” de la celda unitaria. Se expresa en función del radio atómico
Índice de coordinación (I.C): es el número de átomos tangentes a otro átomo. El I.C. de la red es el correspondiente al átomo que mayor I.C. tiene.
Masa de una celda unitaria (en gramos) (m): se obtiene como el número de átomos de la celda multiplicado por la masa atómica de cada átomo y dividido por el número de Avogadro (NA = 6,023 . 1023 ).
)
/
(
.
º
mol
at
N
(g/mol)
m
N
m
A atómica átomos
Cálculos:BCC: cúbica centrada en el cuerpo
➢ n: nº de átomos celda unidad.
2
8
1
8
1
n
➢ Índice de coordinación: i =8El I.C. de la celda c.c. es de 8, coincidiendo con el del átomo central.
➢ Constante reticular
3
4 R
a
➢ Ejemplo: Temperatura ambiente: Fe.
FCC: cúbica centrada en las caras. ➢ n : nº de átomos celda unidad.
4
8
1
8
2
1
6
n
➢ Índice de coordinación: i =12.Tiene un índice de coordinación de 12, correspondiente a los átomos de los centros de las
a
➢ Constante reticular
2
4 R
a
➢ Ejemplo: Temperatura ambiente: Cu, Ni y Al Estado alotrópico del hierro: 912ºC<T<1394ºC. HCP: Hexagonal compacta
➢ n = nº de átomos celda unidad.
6
3
6
1
6
.
2
2
1
2
n
➢ Índice de coordinación: i =12. Tiene 12 de I.C. (átomos de los centros de las bases). ➢ Constante reticular
R
a
2
➢ Ejemplo: Temperatura ambiente: Co y Ti.
5.- Otras fórmulas:
Volumen de un átomo (esfera)
Se puede considerar el volumen de una esfera como 2/3 del volumen del cilindro circunscrito a la esfera.
Factor de empaquetamiento atómico(FEA), es la fracción de volumen en una celda unidad que está ocupada por átomos. Este factor es adimensional y siempre menor que la unidad.
6.- Cuasicristales
Un cuasicristal es una forma estructural que es ordenada pero no periódica, es decir, no se puede construir mediante la repetición de una celda unidad. El método tradicional para su crecimiento se basa en el enfriamiento rápido de metales fundidos, de manera que los
átomos no tienen tiempo de acceder a las posiciones de equilibrio correspondiente a los sólidos cristalinos
Los cuasicristales son estructuras relativamente comunes en aleaciones con metales como el aluminio, cobalto, hierro y níquel. A diferencia de sus elementos constituyentes, son malos conductores de la electricidad, debido, fundamentalmente, a que poseen pocos electrones libres. No presentan acusadas propiedades magnéticas y son más elásticos que los metales ordinarios a altas temperaturas. Son extremadamente duros y resisten bien la deformación, por lo que se pueden utilizar como recubrimientos protectores antiadherentes.
