Download Estructura interna de los materiales

TEMA 1.
ESTRUCTURA
INTERNA DE LOS
MATERIALES.
INDICE.
1. EL ATOMO.
2. FUERZAS Y ENERGIAS DE INTERACCION
ENTRE ATOMOS.
3. ESTRUCTURA ELECTRÓNICA REACTIVIDAD
QUIMICA.
4. TIPOS DE ENLACES ATOMICOS Y
MOLECULARES.
1.
2.
3.
4.
Enlace iónico.
Enlace covalente. Para el Carbono.
Enlace metálico.
Enlace secundario. Fuerza de van de waals y puentes de
hidrogeno.
5. ESTRUCTURA CRISTALINA.
6. SISTEMAS CRISTALINOS.
1. Cristales.
2. Red cristalina.
3. Redes cristalinas de los metales.
1.
2.
3.
4.
Estructura cúbica simple.
1hora
Estructura cúbica centrada en el cuerpo.(BCC)
Estructura cúbica centrada en caras. (FCC) 1hora
Estructura hexagonal compacta.(HCP)
7. MOVIMIENTO DE LOS ATOMOS.
ALOTROPIA.
1hora
PROBLEMAS.
TOTAL:7 horas.
TEORIA 3 horas. PROBLEMAS 4 horas.
1.-EL ATOMO.
ATOMO: es la unidad elemental básica que puede
experimentar un cambio químico.
MOLECULA: mínima porción que conserva todas las
propiedades de un material. (formada por uno o varios
átomos)
NUMERO ATOMICO: número de protones del átomo
CONSTITUCIÓN DEL ATOMO: Núcleo central con
carga positiva y con toda la masa atómica concentrada
en él (protones y neutrones), y Corteza formada por
electrones que giran alrededor, sin masa.
ESTRUCTURA ELECTRONICA DEL NUCLEO:
Núcleo = protones (carga +) + neutrones (sin carga).
Equilibrio: nº protones = nº electrones de la periferia.
Número atómico (Z) = nº de protones.
Número másico (A) = suma del nº de protones y de neutrones
(Z+N)
z
IDENTIFICACION:
A
E
ESTRUCTURA ELÉCTRONICA DE LA CORTEZA.
Los electrones se mueven en la corteza, en capas orbítales.
Los electrones de las capas orbítales de la periferia tienen
más facilidad para intercambiarse entre átomos
adyacentes.
2.-FUERZAS Y ENERGIAS DE
INTERACCIÓN ENTRE ATOMOS.
Entre los átomos contiguos se desarrollan dos tipos de fuerzas:
ATRACTIVAS: debidas a la naturaleza del enlace, y a las atracciones
electrostáticas entre cada núcleo atómico y la nube electrónica del
otro.
REPULSIVAS: debidas a la acción electrostática entre los núcleos
atómicos, y las nubes electrónicas entre sí.
ENERGIA DE ENLACE: es la energía precisa para separar los átomos o
moléculas que lo forman un distancia infinita, es decir, destruir el
enlace.
Esta energía caracteriza el tipo de enlace.
Numero de avogadro (R): facilita el numero de átomos o moléculas
que hay en un mol de una sustancia. 6,02 1023 moleculas/mol.
Mol: es la masa molecular expresada en gramos.
3.-ESTRUCTURA ELECTRÓNICA Y
REACTIVIDAD QUÍMICA.
Las propiedades químicas de los átomos de los elementos dependen
principalmente de la reactividad de sus electrones más externos. Los
más estables y menos reactivos son los gases nobles.
La configuración de la capa más externa hace que posean una alta
estabilidad química.
ELEMENTOS ELECTROPOSITIVOS. Son metálicos por naturaleza.
Ceden electrones en las reacciones químicas para producir cationes
(iones positivos).
ELEMENTOS ELECTRONEGATIVOS: Son no metálicos y aceptan
electrones en las reacciones químicas. Producen aniones (iones
negativos)
ELECTRONEGATIVIDAD: capacidad de un átomo para atraer hacia sí
electrones.
4.-ESTRUCTURA INTERNA DE
LOS MATERIALES: ENLACES.
Los átomos se unen entre sí para formar los materiales a través de
lo que llamamos enlaces.
ENLACE QUIMICO = Fuerza que mantiene unido de forma
estable a dos átomos o moléculas de una sustancia.
Los átomos en estado enlazado se encuentran en unas condiciones
energéticas más estables que cuando están libres.
TIPOS:
Enlace iónico. Energía de unión 145-370 kcal/mol.
Enlace covalente.
“
125-300 kcal/mol.
Enlace metálico.
“
25-200 kcal/mol.
Enlace Secundario.
ENLACE IÓNICO.
Se forma entre átomos muy electropositivos (metálicos) y
átomos muy electronegativos (no metálicos)
Se transfieren electrones de desde los átomos de los
elementos electropositivos a los átomos de los
elementos electronegativos.
Este tipo de enlace posee unas propiedades específicas
que les definen.
Energía de unión 145-370 kcal/mol. Estas altas energías de
enlace se reflejan en la temperatura de fusión. Son
materiales duros y frágiles, además de aislantes eléctricos
y térmicos
ENLACE COVALENTE.
Se forma entre átomos de igual polaridad que comparten
electrones periféricos, de forma que se completen.
Átomos con pequeñas diferencias de
electronegatividad.
Ejemplo el hidrógeno.
Este tipo de enlace posee unas propiedades específicas
que les definen.
ENLACE METÁLICO.
En metales en estado sólido, los átomos se encuentran
empaquetados en una ordenación sistemática llamada
estructura cristalina.
Los átomos están tan juntos que sus electrones externos
son atraídos por los núcleos de sus átomos vecinos.
Es propio de los metales y es el enlace más importante a
nivel tecnológico, ya que las propiedades de los
metales variaran según sea este tipo de enlace.
Debido a que los electrones de valencia están dispersos en
forma de nube, pueden moverse con bastante
facilidad, por ello, tienen alta conductividad térmica y
eléctrica.
ENLACE SECUNDARIO. PUENTES
DE HIDROGENO - DE VAN DER
WAALS.
Enlaces débiles, debido a las fuerzas atractivas así lo son.
5.-ESTRUCTURAS CRISTALINAS.
MATERIA TRES ESTADOS: SÓLIDO – LIQUIDO – GASEOSO.
AMORFO: las partículas que lo componen se agrupan sin ningún orden,
relación o distancia entre ellas
CRISTALINO: presenta los átomos o moléculas en posiciones regulares y
repetidas en el espacio, siguiendo formas geométricas.
ESTRUCTURA CRISTALINA: modelo regular tridimensional de
átomos en el espacio.
DEFINICION DE CELDILLA UNIDAD: repetición tridimensional
con la que los átomos se ordenan.
RED O RETICULA: conjunto de varias celdillas unidad.
6.- SISTEMAS CRISTALINOS.
RED CRISTALINA: LA DISPOSICIÓN DE LOS
ATOMOS DE FORMA REGULAR A LO LARGO
DE LOS EJES Y PLANOS DEL MATERIAL.
(ver figura 14 b)
NUDO: Los lugares donde se ubican los átomos.
REDES DE BRAVAIS: redes estándar a partir de las
cuales se pueden obtener todas las demás. Son 14.
REDES CRISTALINAS DE LOS
METALES.
Las redes más importantes para nosotros son en las que
cristalizan los metales y son de tres tipos:
Cúbica centrada en las caras. (FCC).
Cúbica centrada en el cuerpo. (BCC).
Hexagonal compacta. (HCP) .
VALORES IMPORTANTES EN LA REDES.
1. Índice de coordinación: Nº de átomos que rodean al
átomo de la celda unidad.
2. Factor de empaquetamiento: fracción de espacio
ocupado por sus átomos. Densidad atómica.
FEA = Volumen de los átomos en la celda unidad / Volumen de la celda unidad.
VALORES IMPORTANTES EN LA
REDES.
1. Índice de coordinación: Nº de átomos que
rodean al átomo de la celda unidad.
2. Factor de empaquetamiento: fracción de
espacio ocupado por sus átomos. Densidad
atómica.
FEA = Volumen de los átomos en la celda unidad / Volumen de la celda
unidad.
ESTRUCTURA CUBICA SIMPLE.
En esta red los átomos se colocan en vértices de un cubo
cuya arista tiene una longitud igual al diámetro del
átomo, de forma que las esferas atómicas son tangentes
entre sí.
VALORES IMPORTANTES EN ESTA RED.
1. Índice de coordinación: 6.
Es el número de puntos de la red más cercanos, los primeros vecinos, de un nodo
de la red
2. Factor de empaquetamiento:
a = arista del cubo de la celda unidad.
R = radio del átomo.
D = diámetro atómico (D=2R)
Calcular el FEA en una estructura cúbica simple.
FEA = Volumen de los átomos en la celda unidad / Volumen de la celda unidad.
Volumen de los átomos = 1 x (4/3 л R3).
Volumen de la celda = a3.
Relación entre a y radio atómico (R).
ESTRUCTURA CUBICA CENTRADA EN
EL CUERPO.(BCC)
En esta red los átomos se colocan en vértices de un cubo y además
ocupan los centros geométricos de los mismos.
VALORES IMPORTANTES EN ESTA RED.
1. Índice de coordinación: 8.
Es el número de puntos de la red más cercanos, los primeros vecinos, de un nodo de la red
2. Factor de empaquetamiento:
Calcular el FEA en una estructura cúbica simple.
FEA = Volumen de los átomos en la celda unidad / Volumen de la celda unidad.
ESTRUCTURA CUBICA CENTRADA EN
LAS CARAS.(FCC)
En esta red los átomos se colocan en vértices de un cubo y además en
los centros geométricos de las caras.
VALORES IMPORTANTES EN ESTA RED.
1. Índice de coordinación: 12.
Es el número de puntos de la red más cercanos, los primeros vecinos, de un nodo de la red
2. Factor de empaquetamiento:
Calcular el FEA en una estructura cúbica simple.
FEA = Volumen de los átomos en la celda unidad / Volumen de la celda unidad.
ESTRUCTURA HEXAGONAL
COMPACTA.(HCP)
Los átomos se colocan en los vértices y en los centros de las bases de un prisma hexagonal y
en los centros de los triángulos equiláteros de un plano equidistante de las dos bases
del prisma .
VALORES IMPORTANTES EN ESTA RED.
1. Índice de coordinación: 12.
Es el número de puntos de la red más cercanos, los primeros vecinos, de un nodo de la red
2. Factor de empaquetamiento:
Calcular el FEA en una estructura cúbica simple.
FEA = Volumen de los átomos en la celda unidad / Volumen de la celda unidad.
Volumen celda = Area base x altura.
Area = semiproducto del perímetro x apotema (2Rx6/2) x (
• La altura es el doble de altura de un tetraedro regular formado por
cuatro esferas de radio R.
7.-MOVIMIENTO DE LOS ATOMOS.
TEMPERATURA. ALOTROPIA.
La variación de la temperatura tiene efecto sobre la posición de
equilibrio de los átomos de la red cristalina.
Si la temperatura aumenta dilatacion térmica.
(incremento de las dimensiones de la red cristalina)
Si la temperatura aumenta sobre un valor determinado fusión.
(átomos colocados en posiciones lejanas y dispersos.)
Calentamiento ó enfriamiento variacion del volumen.
Dependiendo de las condiciones de presión y temperatura, un
mismo elemento o compuesto químico presenta diferentes
estructuras cristalinas. A estos diferentes estados los
denominaremos polimórficos o alotrópicos.
CRISTALIZACION.
MATERIALES METALICOS FUSION Y SOLIDIFICACION.
CRISTALIZACIÓN: Proceso mediante el cual los átomos,
moléculas,… se ordenan para formar una red cristalina
determinada.
Para que la cristalización tenga lugar es necesario que desde la fusión la
temperatura descienda hasta la solidificación; entonces la energía
de los átomos es lo suficientemente baja como para que las fuerzas
de cohesión sean más fuertes que las de vibración (de origen
térmico), por lo que los átomos puedan ordenarse, alinearse y
formar la red cristalina.
La cristalización empieza con la formación del grano. Y el grano
empieza con la formación de gérmenes en el interior.
Grano es una porción de materia metálica limitada por una superficie
poliédrica irregular. La formación del grano depende de : el nº de
gérmenes y la velocidad de cristalización.
Dentro del grano los átomos se colocan según las estructuras cristalinas
que hemos visto.
Las propiedades de los materiales metálicos varían mucho en función
del tamaño del grano.
En general cuanto menor sea el tamaño del grano mejores son las
propiedades, de dureza, elasticidad, plasticidad, resistencia a la
tracción,… Existen tratamiento para afinar el tamaño del grano.
DEFORMACIONES:
ELASTICA Y PLASTICA.
DEFORMACION ELASTICA: CUANDO EL
MATERIAL ES SOMETIDO A UN ESFUERZO, SE
DEFORMA, Y CUANDO ESTE CESA RECUPERA
SU FORMA PRIMITIVA.
DEFORMACION PLASTICA: IGUAL QUE EL
ANTERIOR PERO CUANDO CESA EL ESFUERZO
NO RECUPERA SU FORMA PRIMITIVA.
ACRITUD: Aumento de la dureza debido a las deformaciones.
DEFECTOS EN LA
ESTRUCTURA CRISTALINA.
DEFECTOS TERMICOS: Los atomos no ocupan
una posición fija y estatica en el espacio, sino que
a temperaturas diferentes del cero absoluto se
encuentran dotados de un movimiento de
vibración que aumentara con la Tª. Se produce la
dilatación.
DEFECTOS ATOMICOS: Son fallos o
alteraciones en la ordenación espacial de una
estructura cristalina. Puntual, lineal o superficial.
DEFECTOS EN LA
ESTRUCTURA CRISTALINA.
DEFECTOS ATOMICO PUNTUAL.
Es un espacio interatómico. Pueden ser que atomos se
coloquen en los huecos de las estructuras atómicas.
Se pueden colocar en puntos vacios de la red en los que no
hay átomo.
Otro tipo de defecto son atomos extraños que se situan en
puntos reticulares como en huecos.
Se llama DIFUSION al desplazamiento o cambio de posición
que pueden sufrir ciertos atomos de una red, desde su
posición de equilibrio a otras posiciones proximas,
debido a la agitación térmica.
DEFECTOS ATOMICO LINEAL.
El defecto atómico lineal mas importante son las
dislocaciones. Pueden ser en forma de cuña o en
forma de hélice. Disminuye su resistencia.
SOLUCIONES SOLIDAS.
Son muy pocos los metales que se utilizan de
forma pura, la mayoria se mezclan con otros
metales para conseguir mejorar las
propiedades, se llaman aleaciones.
Aleacción:
Los elementos que se mezclan deben ser
miscibles en estado liquido para que cuando
solidifiquen formen un producto homogeneo.
El producto obtenido debe posee carácter
metálico.
Las aleacciones mas sencillas son las soluciones
sólidas. Disolvente (mayor %) y soluto.
Pueden ser:
De sustitución: cuando los átomos de la red
cristalina del metal se encuentran sustituidos
por átomos de otro metal diferente.
De inserción: cuando en los espacios
interatómicos de la red cristalina de un metal
se introducen átomos extraños.
MATERIAL ISOTROPO.
Un material isótropo es aquel que presenta las
mismas propiedades en todas las direcciones
del espacio.