Estructura De Los Materiales

ESTRUCTURA DE LOS MATERIALES.

ESTADO SÓLIDO (CRISTALINO).

La presencia del estado sólido en la materia que nos rodea es constante. El arreglo de sus moléculas o iones es uniforme.

En los gases y en los líquidos, las moléculas se desplazan de manera continua y aleatoria, y además giran y vibran. Debido a este movimiento no es posible que haya un arreglo ordenado de las moléculas en el estado líquido o gaseoso.

Sin embrago, en los sólidos, las moléculas, átomos o iones no pueden moverse (aunque vibran y ocasionalmente rotan). De este modo, aparece un patrón recular y representativo de átomos o moléculas en su estructura (un orden de largo rango) que es característico del estado sólido.

La mayor parte de la materia sólida muestra una disposición ordenada de átomos. La hermosa regularidad externa (macroscópica) de un cristal de sal sugiere simetría interna y que ésta incluye los iones que constituyen el sólido.

Las estructuras de los sólidos pueden describirse como redes cristalinas tridimensionales de átomos, iones o moléculas. Los sólidos sin estructura cristalina, como el vidrio, se denominan amorfos, debido a su estructura son más parecidos a un líquido que a un sólido.

En un sólido cristalino, la celda unitaria es la unidad repetitiva más pequeña que posee toda la simetría característica del arreglo atómico, iónico o molecular.

Los sólidos (redes cristalinas tridimensionales) pueden construirse ensamblando celdas unitarias tridimensionales, dando lugar a una red del cristal.

2.7.2 CONCEPTO Y CARACTERIZACIÓN DE SISTEMAS CRISTALINOS.

Para construir las redes cristalinas, la naturaleza emplea siete celdas unitarias tridimensionales y la ciencia que estudia a los cristales los ha clasificado en: 7 sistemas universales de cristalización y son: sistema cúbico, tetragonal, ortorrómbico, monoclínico, triclínico, hexagonal y romboédrico; que difieren una de otra porque sus lados, tienen distinta longitud relativa y sus aristas se encuentran en ángulos distintos (Figura 1).

Cúbica simple. Tetragonal. Ortorrómbica Monoclínica.

Triclínica Romboédrica Hexagonal

Figura 1. Tipos de celdas unitarias de los sólidos.

El más simple de los siete tipos de redes cristalinas es la celda unitaria cúbica, que tiene aristas de igual longitud que forman ángulos de 90°. Examinaremos en detalle únicamente esta estructura, no sólo porque las celdas unitarias cúbicas se visualizan fácilmente, sino porque son comunes.

En las celdas cúbicas hay tres tipos de simetría de celda: primitiva o cúbica simple, cúbica centrada en el cuerpo, y cúbica centrada en las caras (Figura 2). Las tres tienen ocho átomos, moléculas o iones idénticos en los vértices de la celda unitaria cúbica. Sin embargo, los arreglos difieren una de otra.

Cúbica simple Cúbica centrada en la cara

Cúbica centrada en el cuerpo

Figura 2. Tipos de simetría de las celdas cúbicas.

Comparando con la estructura cúbica simple; la cúbica "centrada en el cuerpo" difiere por que tiene una partícula adicional en el centro o "cuerpo" del cubo. y con la cúbica "centrada en las cara" porque tiene una partícula del

Cuando los cubos se empacan juntos para formar un cristal tridimensional metálico, el átomo de cada vértice se comparte entre ocho cubos. Debido a esto, sólo la octava parte de cada átomo de los vértices queda en realidad dentro de la celda unitaria. Además, como el cubo tiene ocho vértices y como un octavo de los átomos de cada vértice "pertenece" a una celda unitaria en particular, los átomos de los vértices aportan en total un átomo a una celda unitaria dada (Figura 3).

Figura 3. Celda unitaria.

2.7.3 ANISOTROPÍA.

Las sustancias isotrópicas presentan siempre el mismo comportamiento independientemente de la dirección, mientras que en las anisotrópicas las propiedades varían con la dirección. En el caso de la luz, los cristales anisótropos presentan distintos valores de sus índices de refracción en función de la dirección en que vibre la luz al atravesar el cristal.

La anisotropía es una consecuencia de la estructura interna del mineral. Si carece de organización interna (minerales amorfos) o si presenta una organización muy regular son isótropos, los demás son anisótropos.

Los minerales que cristalizan en el Sistema Cúbico (o Regular), es decir, el de máxima simetría, con sus átomos o iones igualmente distribuidos en las tres direcciones principales del espacio, son isótropos. Los pertenecientes al resto de los sistemas cristalinos (hexagonal, trigonal, tetragonal, rómbico, monoclínico y triclino) son anisótropos, las disposiciones de sus elementos constituyentes varían con la dirección y por tanto su elasticidad para las ondas luminosas también es diferente.

La forma como se ordenan las partículas en los sólidos, es determinante en sus propiedades, al tener un alto grado de orden entre sus partículas. Las propiedades del cristal dependen de la dirección, por lo que se dice que es anisotrópico. Por ejemplo las caras de un diamante cortado se producen porque el cristal se rompe más fácilmente en esa dirección que en otra.

2.7.4 DEFECTOS CRISTALINOS Y CONSECUENCIAS EN PROPIEDADES MICROSCÓPICAS.

El ideal de un cristal perfectamente ordenado es alcanzado solo si crece poco a poco, bajo condiciones cuidadosamente controladas. Cuando los cristales se forman más rápido, surgen inevitables defectos cristalinos. Los planos de las partículas están desalineados, fuera de lugar o enteramente perdidas, o bien con partículas extrañas.

Hay muy pocos cristales perfectos, muchos tienen algún tipo de defectos en la red. Las dislocaciones son defectos del cristal que se presentan cuando los planos de los átomos no están alineados.

Los defectos de puntos son ocasionados por la ausencia o mala colocación de iones. Un tipo de defecto se origina por el desplazamiento de un catión de su posición correcta (creando un vacío) hacia un lugar entre puntos normales de la red.

La presencia de impurezas frecuentemente explica los

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