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Enlaces y Cristalografía




Enviado por javier-garcia



    Indice
    1.
    Principios fundamentales de la estructura cristalina de los
    materiales


    3. Estructuras
    cristalinas

    4. Planos cristalinos
    5. Propiedades generales de los
    Materiales.

    1. Principios
    fundamentales de la estructura
    cristalina de los materiales

    El enlace
    químico entre átomos tiene lugar debido a la
    disminución neta de la energía potencial de los
    átomos en estado
    enlazado .Esto significa que los átomos en estado
    enlazado se encuentran en unas condiciones energéticas mas
    estables que cuando están libres.

    2. Enlaces
    sólidos

    Enlaces metálicos
    En metales en estado
    sólido , los átomos se encuentran empaquetados
    relativamente muy juntos en una ordenación
    sistemática o estructura
    cristalina . Por ejemplo la disposición de los
    átomos de cobre en el
    cobre
    cristalino consiste que los átomos están tan juntos
    que sus electrones externos de valencia son atraídos por
    los núcleos de sus numeroso vecinos . En el caso del cobre
    sólido cada átomo
    está rodeado por otros 12 átomos más
    próximos . Los electrones de valencia no están por
    lo tanto asociados férreamente a un núcleo en
    particular y así es posible que se extiendan entre los
    átomos en forma de una nube electrónica de carga de baja densidad o
    gas
    electrónico. Los átomos en un enlace
    metálico sólido se mantienen juntos por enlace
    metálico para lograr un estado de más baja
    energía ( o más estable) . Para el enlace
    metálico no hay restricciones sobre pares
    electrónicos como en el enlace covalente o sobre la
    neutralidad de carga como en el enlace iónico . En el
    enlace metálico los electrones de valencia más
    externos de los átomos son compartidos por muchos
    átomos circundantes y de este modo , en general , el
    enlace metálico no resulta direccional

    Fuerzas de van der Waals
    Excepto en un gas muy
    dispersado las moléculas ejercen atracciones y repulsiones
    entre sí . Estas proceden fundamentalmente de
    interacciones dipolo-dipolo . Las moléculas no polares se
    atraen entre sí mediante interacciones débiles
    dipolo-dipolo llamadas fuerzas de London que surgen como
    consecuencia de dipolos inducidos en una molécula por
    otra. En este caso los electrones de una molecula son debilmente
    atraídos hacia el nucleo de otra pero entonces los
    electrones de esta son repelidos por los electrones de la
    primera. El resultado es una distribución desigual de la densidad electrónica y , en consecuencia , un dipolo
    incluido . Las diferentes interacciones dipolo-dipolo (atractivas
    y repulsivas) se denominan conjuntamente fuerzas de van der Waals
    . La distancia entre las moléculas juega un importante
    papel en la
    intensidad de dichas fuerzas . Se llama radio de van der
    Waals a la distancia a la que la fuerza
    atractiva es máxima .Cuando dos átomos se aproxima
    a distancias mas cortas que el radio de van der
    Waals , se desarrollan fuerzas repulsivas entre los
    núcleos y las capas electrónicas . Cuando la
    distancia entre dos moléculas es mayor al radio de van der
    Waals las fuerzas atractivas entre las moléculas
    disminuyen.

    Enlace iónico
    Los enlaces iónicos se pueden formar entre elementos muy
    electropositivos (metálicos) y elementos muy
    electronegativos (no metales) . En el
    proceso de
    ionización los electrones son transferidos desde los
    átomos de los elementos electropositivos a los
    átomos de los elementos electronegativos , produciendo
    cationes cargados positivamente y aniones cargados negativamente
    . Las fuerzas de enlace son debidas a la fuerza de
    atracción electrostática o culombiana entre iones con
    carga opuesta . Los enlaces ionicos se forman entre iones
    opuestamente cargados por que se produce una disminución
    neta de la energía potencial para los iones
    enlazados

    Enlace covalente
    Un segundo tipo de enlace atómico primario es el enlace
    covalente . Mientras el enlace iónico involucra
    átomos muy electropositivos y electronegativos , el enlace
    covalente se forma entre átomos con pequeñas
    diferencias de electronegatividad y ubicados muy próximos
    en la tabla
    periódica . En el enlace covalnete los átomos
    generalmente comparten sus electrones externos
    s y p como otros
    átomos , de modo que cada átomo
    alcanza la configuración de gas noble. En un enlace
    covalente sencillo cada uno de los átomos contribuye con
    un electrón a la formación del par de electrones de
    enlace , y las energías de los dos átomos asociadas
    con el enlace covalente son menores (mas estables) como
    consecuencia de la interacción de los electrones . En el
    enlace covalente , se pueden formar enlaces mútiples de
    pares de eletrones por un átomo consigo mismo o con otros
    átomos.

    3. Estructuras
    cristalinas

    Sistemas cristalográficos
    Los cristalógrafos han
    demostrado que son necesarias solo siete tipos diferentes de
    celda unidad para crear todas las redes puntuales . La mayor
    parte de etos siete sistemas
    cristalinos presentan variaciones de la celda unida básica
    . A. J. Bravais mostró que catorce celdas unidad
    estándar podian describir todas las estructuras
    reticulares posibles .Hay cuatro tipos de celdas unidad
    :

    • Sencilla
    • Centrada en el cuerpo
    • Centrada en las caras
    • Centrada en la base

    En el sistema
    cúbico hay tres tipos de celdas unidad : cúbica
    sencilla , cúbica centrada en el cuerpo y cúbica
    centrada en las caras. En el sistema
    ortorrómbico están representados los cuatro tipos .
    En el sistema tetragonal hay solo dos: sencilla y centrada en el
    cuerpo. En el sistema monoclínico tiene celdas unidad
    sencilla y centrada en la base , y los sistemas
    romboedríco hexagonal y triclínico, tienen solo una
    celda unidad .

    Estructuras cristalográficas
    La mayoría de los metales elementales alrededor del 90 %
    cristalizan en tres estructuras cristalinas densamente
    enpaquetadas : cúbica centrada en el cuerpo (BCC) ,
    cúbica centrada en las caras (FCC) y hexagonal compacta
    (HCP) . La estructura HCP es una modificación más
    densa de la estructura cristalina hexagonal sencilla . La mayor
    parte de los metales cristalizadas en esas estructuras densamente
    enpaquetadas debido a que se libera energía a medida que
    los átomos se apróximan y se enlazan cada vez
    más estrechamente entre sí . De este modo , dichas
    estructuras densamente enpaquetadas se encuentran es
    disposiciones u ordenamientos de energía cada vez
    más baja y estable Examinemos ahora detalladamente la
    disposición de los átomos en las celdas unidad de
    las tres principales estructuras cristalinas . Aunque solo sea
    una aproximación consideremos a los átomos de estas
    estructuras como esferas rígidas. La distancia entre los
    átomos en las estructuras cristalinas puede ser
    determinado experimentalmente por análisis de rayos X. Por
    ejemplo , la distancia interatómica entre dos
    átomos de aluminio en un
    fragmento de aluminio puro
    a 20 0 C es 0.2862 nm.
    Se considera que el radio del aluminio en el aluminio metal es la
    mitad de la distancia interatómica , o 0.143
    nm.

    Alotropía
    Muchos elementos y compuestos existen en mas de una forma
    cristalina , bajo diferentes condiciones de temperatura y
    presión
    . Este fenómeno es determinado como polimorfismo o
    alotropía . Muchos metales industrialmente importantes
    como el hierro ,
    titanium y cobalto experimentan transformaciones
    alotrópicas a elevadas temperaturas a presión
    atmosférica . El hierro existe
    en ambas estructuras cristalinas BCC y FCC sobre un rango de
    temperatura
    que va desde la temperatura ambiente hasta
    su punto de fusión a
    1539 grados centígrados . El hierro alfa existe desde
    –273 a 912 0 C y tiene la estructura cristalina
    BCC . El hierro gama existe desde 912 hasta 1394 0 C y
    tiene una estructura cristalina FCC .
    El hierro delta existe desde 1394 hasta 1539 0 C , que
    es el punto de fusión del
    hierro. La estructura cristalina del hierro delta es
    también BCC pero con una constante de red mayor que la del hierro
    alfa.

    4. Planos
    cristalinos

    Dirección en la celda
    A menudo, es necesario referirnos a posiciones específicas
    en las redes
    cristalinas . Esto es especialmente importante para metales y
    aleaciones con
    propiedades que varían con la orientación
    cristalográfica. Para cristales cúbicos los
    índices de las direcciones cristalográficas son los
    componentes vectoriales de las direcciones resueltos a lo largo
    de cada eje coordenado y reducido a los enteros mas
    pequeños.
    Para indicar en un diagrama la
    dirección en una celda cúbica
    unitaria dibujamos un vector de dirección desde el origen (que es
    normalmente una esquina de la celda cúbica) hasta que sale
    la superficie del cubo. Las coordenadas de posición de la
    celda unidad donde el vector de posición sale de la
    superficie del cubo después de ser convertidas a enteros
    son los índices de dirección. Los índices de
    dirección se encierran entre corchetes sin
    separación por comas.

    Planos en una celda unitaria
    Las superficies cristalinas en celdillas unidad HCP pueden ser
    identificadas comúnmente utilizando cuatro índices
    en lugar de tres. Los índices para los planos cristalinos
    HCP, llamados índices Miller-Bravais, son designados por
    las letras h , k , i , l y encerrados entre parentesis ( hkil ) .
    estos indices hexagonales de 4indices estan basados en un sistema
    coordenado de 4 ejes .

    Existen 3 ejes basicos , a1 , a2 ,
    a3, que forman 1200 entre si. El cuarto eje
    o eje c es el eje vertical y esta localizado en el centro de la
    celdilla unidad. La unidad a de medida a lo largo de los ejes
    a1 a2 a3 es la distancia entre
    los átomos a lo largo de estos ejes. la unidad de medida a
    lo largo del eje es la altura de la celdilla unidad . Los
    recíprocos de las intersecciones que un plano cristalino
    determina con los ejes , a1 , a2 ,
    a3 proporciona los indices h , k e i mientras el
    recíproco de la intersección con el eje c da el
    índice l

    Notación para planos
    Los planos basales de la celdilla unidad HCP son muy importantes
    para esta celdilla unidad puesto que el plano basal de la
    celdilla HCP es paralelo a los ejes, a1 ,
    a2 , a3 las intersecciones de este plano
    con estos ejes serán todas de valor infinito
    . Así, a1 = ¥ , a2 = ¥ a3 =
    ¥ El eje c, sin
    embargo, es único puesto que el plano basal superior
    intersecciona con el eje c a una distancia unidad . Tomando los
    reciprocos de estas intersecciones tenemos los indices de
    Miller-Bravais para el plano Basal HCP. Así , H =0 K=0 I =
    0 y L=1. El plano basal es , por tanto un plano
    cero-cero-cero-uno o plano (0001) .

    Importancia del indice de Milller
    A veces es necesario referirnos a planos reticulares
    específicos de átomos dentro de una estructura
    cristalina o puede ser interesante conocer la orientación
    cristalográfica de un plano o grupo de
    planos en una red
    cristalina. Para identificar planos cristalinops es estructuras
    cristalinas cúbicas se usa la notación de Miller .
    Los indices de Miller de un plano cristalino estan definidos como
    los reciprocos de las intersecciones , que el plano determina con
    los ejes x , y , z de los tres lados no paralelos del cubo
    unitario .Las aristas de una celda cúbica unitaria
    presentan longitudes unitarias y las intersecciones de los planos
    de una red se miden
    en base a estas longitudes unitarias .El procedimiento de
    determinación de los indices de Miller para un plano de un
    cristal cúbico es el siguiente:

    • Escoger un plano que no pase por el origen en
      (0,0,0)
    • Determinar las interacciones del plano en base a los
      ejes x,y,z cristalográficos para un cubo unitario ,
      estas interacciones pueden ser fraccionarias
    • Construir los recíprocos de estas
      intersecciones
    • Despejar fracciones y determinar el conjunto mas
      pequeño de números esteros que estén en la
      misma razón que las intersecciones. Esos números
      enteros son los índices de Miller de un plano
      cristalográfico y se encierran entre paréntesis
      sin usar comas. La notación (hkl) se usa para indicar
      índices de Miller en sentido general , donde h
      ,k,
      y l son los indices de Miller para un
      plano de un cristal cúbico de ejes x,y,z
      respectivamente.

    5. Propiedades generales
    de los
    Materiales.

    Propiedades físicas
    Color
    Impresión que produce en la vista la luz y que
    varía según su naturaleza propia
    y el modo como es difundida o reflejada por los cuerpos. Color de recocido
    o revenido , color que cobra
    un acero despues de
    haber sido templado y recocido y que depende de la temperatura
    alcanzada en esta última operación. En resumen se
    puede decir que el color no es otra cosa sino la percepción
    de la luz reflejada por
    los objetos.

    Brillo
    Brillo : Lustre o resplandor . Cociente de la intensidad luminosa
    de una superficie – en una dirección dada –
    por el area proyectada de dicha superficie sobre un plano
    perpendicular a la referida dirección .La unidad de brillo
    es la candela por cm2

    Densidad.
    Es frecuente confundir las nociones de masa especifica y densidad
    , por que en las aplicaciones de la vida corriente ambas tienen
    sensiblemente el mismo valor .
    Así , la masa específica del hierro es 7.8
    g/cm3 . Para obtener su densidad se ha de dividir esta
    masa por la masa de un cm3 de agua a
    40 y , por ser esta muy próxima de un gramo ,
    se obtiene finalmente como densidad el hierro, el mismo valor
    práctico que para su masa , o sea 7.8.

    Propiedades mecánicas
    Ductilidad
    Propiedad de
    los metales y aleaciones que
    puedan ser aplastados y estirados fácilmente sin que se
    rompan en otras palabras permiten el alargamiento permanente
    mediante tracción y una deformación en frío
    que hasta cierto punto , se opone uteriormente a otras
    deformaciones accidentales de las piezas

    Elasticidad
    Propiedad que
    tienen los cuerpos deformados por una fuerza exterior de recobrar
    su forma primitiva cuando cesa de obrar una fuerza aplicada sobre
    ellos. La elasticidad es
    muy diferente de un cuerpo a otro . Para cada sólido
    existe un límite de elasticidad a
    partir del cuál por ser excesiva la fuerza que le ha sido
    aplicada la deformación persiste total o parcialmente .Es
    conocida como la relación existente entre la magnitud de
    las fuerzas externas que provocan el alargamiento elástico
    de un sólido y el valor que alcanza dicho alargamiento .En
    los cálculos de resistencia de
    materiales siempre se tiene en cuenta dicho modulo para que en
    ningún caso puedan alcanzar las piezas el límite de
    elasticidad que provocaría la deformación o la
    ruptura de las construcciones

    Maleabilidad
    Se dice que un metal es maleable debido a que puede ser reducido
    a capas muy delgadas batiendolo con martilllo o laminandolo dicho
    de otra forma que se puede moldear con facilidad .La maleabilidad
    es , junto con la ductilidad una de las características que determinan la aptitud
    de un metal a ser labrado por deformación ( el mas
    maleable de todos los metales es el oro que puede ser reducido en
    hojas de hasta una diezmilésima de milímetro de
    espesor .La maleabilidad aumenta con la temperatura , y
    así , el cinc , que es poco maleable a la temperatura
    ambiente lo es
    bastante a 100 grados. Es importante en metalúrgia saber a
    que temperatura puede laminarse , forjarse o batirse un metal
    para aprovechar la mejor maleabilidad sin que no obstante , pueda
    deteriorar el calor

    Plasticidad
    Es lo opuesto a la elasticidad , de los cuerpos que al adquirir
    determinada forma por efecto de una fuerza ejercida sobre ellos ,
    la conservan indefinidamente cuando esta deja de
    actuar

    Tenacidad
    Propiedad de los cuerpos que resisten a los esfuerzos de
    tracción deformandose y estirandose antes de romperse .La
    tenacidad de un metal se determina considerando los siguientes
    factores: límite de elasticidad , carga de ruptura ,
    alargamiento y estricción.

    Resistencia
    Fuerza que se opone al movimiento de
    un cuerpo . Se dice que la resistencia de
    los materiales ; parte de la mecánica que tiene por objeto determinar ,
    entre otras cosas , las dimensiones que ha de tener las distintas
    piezas de una construcción para que pueda llenar su
    cometido y soportar los esfuerzos a que se han de hallar
    sometidas sin romperse ni adquirir deformaciones permanentes
    perjudiciales.

    Frágilidad
    Propiedad de los metales que se rompen por efecto de un choque
    sin experimentar ninguna deformación previa . Nada tiene
    que ver con su resistencia , dado que esta concierne su aptitud a
    romperse por efecto de un esfuerzo y no de un choque .Por lo
    general los tratamientos mecánicos (laminado ) disminuyen
    la fragilidad del metal mientras que los tratamientos
    térmicos si bien lo endurecen también lo vuelven
    más quebradizo.

    Dureza.
    Calidad de los
    cuerpos duros de los materiales que no se rayan o dejan penetrar
    con facilidad. Existen no pocos métodos
    para determinar la dureza de lo cuerpos la escala de Mohs
    sirve para los minerales en
    metalurgia se
    ha generalizado en método de
    Brinell en el cual por medio de una prensa de
    aplicación contra la probeta una bola de acero
    durísima la cual penetra mas o menos profundamente en la
    pieza según sea la dureza de la misma y deja su superficie
    una oquedad de perfil esférico .Del diametro de la orilla
    se desprende con la ayuda de abanicos apropiados, la dureza del
    metal. En el método de
    Vicars , la bola de acero es reemplazada por un diamante de forma
    piramidal .

     

     

    Autor:

    Javier Rosas

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