cristalografia

ESTRUCTURA INTERNA DE LOS MATERIALES. CRISTALOGRAFÍAbloque i. tema 2

Óscar García Jiménezcurso 2024-25 Dto Tecnología

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¿Por qué el agua hierve a 100ºC y el metano a -161ºC?; ¿por qué la sangre es roja y la hierba es verde?; ¿por qué el diamante es duro y la cera es blanda?; ¿por qué el grafito escribe sobre el papel y la seda es fuerte?; ¿por qué los glaciares fluyen y el hierro se endurece al golpearlo?; ¿cómo se contraen los músculos?; ¿cómo la luz del sol hace que las plantas crezcan y cómo los organismos vivos han sido capaces de evolucionar hacia formas cada vez más complejas? ... Las respuestas a todos estos problemas han venido del análisis estructural. Max Perutz, julio de 1996 (Churchill College, Cambridge)

Vídeo Understanding Crystallography - Part 2: From Crystals to Diamond

ÍNDICE

1. INTRODUCCIÓN

2. ESTRUCTURA INTERNA

3. REDES DE BRAVAIS

4. BCC, FCC, HCP

5. CONSTANTES

6. BCC

7. FCC

8. HCP

9. ALOTROPÍA

10. Thanks

Sabemos que los sólidos de la naturaleza son cristalinos. Esto que implica que los iones, átomos o moléculas que los constituyen se ordenan geométricamente en el espacio. En ocasiones esta estructura ordenada no es apreciable a simple vista porque están formados por una agrupación de microcristales orientados de formas diversas dando lugar a estructuras policristalinas, aparentemente amorfas.

1. INTRODUCCIÓN

Casi todos los materiales metálicos que conocemos a nuestro alrededor tienen una estructura ordenada, es decir, cristalina. Pero no todas las estructuras son iguales. Podríamos observar distintos metales para establecer una clasificación de las diferentes ordenaciones encontradas, o dicho de una forma más técnica, de las distintas redes encontradas.

2. ESTRUCTURA INTERNA

Las redes cristalinas se caracterizan fundamentalmente por un orden o periodicidad. La estructura interna de los cristales viene representada por la llamada celdilla unidad o elemental que es el menor conjunto de átomos que mantienen las mismas propiedades geométricas de la red y que al expandirse en las tres direcciones del espacio constituyen una red cristalina. El tamaño de esta celdilla viene determinado por la longitud de sus tres aristas (a, b, c), y la forma por el valor de los ángulos entre dichas aristas ( α, β , γ ).

Imagen E.L.U.E. Creative Commons

3. redes de bravais

En la actualidad se han podido describir catorce redes cristalinas, llamadas redes de Bravais. Estas son las catorce tipos de celdillas elementales:

BCC

De las catorce redes de Bravais, casi todos los metales elementales y aleaciones metálicas, cistalizan en los siguientes tres tipos: BCC, FCC y HCP.

FCC

HCP

BCC: cúbica centrada en el cuerpoFCC: CÚBICA CENTRADA EN LAS CARAS HCP: RED HEXAGONAL COMPACTA

Imagen Wikimedia. Creative Commons.

4.BCC, FCC, HCP

(BCC, Body Centred Cubic)

(FCC, Face Centred Cubic)

(HCP, Hexagonal Close Packing)

BCC: cúbica centrada en el cuerpoFCC: CÚBICA CENTRADA EN LAS CARAS HCP: RED HEXAGONAL COMPACTA

4.BCC, FCC, HCP

(BCC, Body Centred Cubic)

(FCC, Face Centred Cubic)

(HCP, Hexagonal Close Packing)

5. CONSTANTES EN LAS ESTRUCTURAS CRISTALINAS

FACTOR DE EMPAQUE

ÍNDICE DE COORDINACIÓN

Número de átomos de la celdilla

Representa la relación entre el volumen de los átomos que hay en la celda unidad y el volumen de la celda unidad. Nos proporciona una idea del volumen ocupado y libre. También podría expresarse en términos de densidad atómica de cada celdilla, es decir la masa de la celdilla dividido entre el volumen de la celdilla.

Representa el número de átomos que redean (están en contacto directo) a un átomo.

Cantidad de átomos que hay en cada celdilla

Representa el valor de la arista de la celdilla respecto al radio atómico.

CONSTANTE RETICULAR

6. BCC

Red Cúbica Centrada en el Cuerpo (BCC, Body Centred Cubic) La red representa un cubo cuyo parámetros son: -Aristas: a = b = c -Ángulos entre aristas: α = β = γ = 90° -Índice de coordinación: 8. -Número de átomos de la celdilla = (8*1/8) + 1 = 2 átomos/celdilla -Factor de empaque=68% EJEMPLOS: Feα, Mo, Na, ...

-Constante reticular (arista)

7. FCC

Red Cúbica centrada en las Caras (FCC, Face Centred Cubic) La red tiene forma de cubo, cuyos parámetros son: aristas: a = b = c ángulos entre aristas: α = β = γ = 90° cantidad de átomos: 8(1/8) átomos en los vértices del cubo y 6(1/2) en los centros de cada una de las caras=4. -Factor de empaque=74% EJEMPLOS: Feγ, Ni, Co, Cu, Al, Ti, ...

-Constante reticular (arista)

8. HCP

Red Hexagonal Compacta (HCP, Hexagonal Close Packing) La red tiene forma de prisma recto de base es un hexaedro, cuyos parámetros son: aristas: a = b ≠ c ángulos entre aristas: α = β = 90°; γ = 120° índice de coordinación: 12 cantidad de átomos: 12 (1/6) átomos están dispuestos en los vértices de la red, 2(1/2) átomos en el centro de la base y 3 átomos en el interior de la red=6. Número átomos/celdilla = (12*1/6)+3+(2*1/2) = 6 átomos/celdilla -Factor de empaque=74% EJEMPLOS: Ti, Co, Cd, Mg, ...

9. ALOTROPÍA

OXÍGENO: O2: ATMÓSFERAO3: OZONO

PROPIEDAD DE ALGUNAS SUSTANCIAS SIMPLES DE POSEER ESTRUCTURAS MOLECULARES DIFERENTES. LÁS MOLÉCULAS FORMADAS POR UN SOLO ELEMENTO Y QUE POSEEN DISTINTA ESTRUCTURA MOLECULAR SE LLAMAN ALÓTROPOS.

FÓSFORO: P4: ROJOP2: BLANCO

CARBONO: GRAFITO, DIAMANTE, GRAFENO, CARBINO

¡Muchas gracias!