2 Estructura de Los Materiales

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estructuras de los materiales

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0DWHULDOHV�GH�&RQVWUXFFLyQ�±�(��'RQRVR�&�� ���(6758&785$�'(�/26�0$7(5,$/(6� ����2UGHQDPLHQWR�$WyPLFR Niveles de estructura de un material: a) Estructura atómica

b) Ordenamiento atómico

c) Estructura granular

d) Estructura multifásica

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0DWHULDOHV�GH�&RQVWUXFFLyQ�±�(��'RQRVR�&�� (VWUXFWXUD�$WyPLFD� a) Modelo atómico de Bohr - los electrones giran en orbitales con energías discretas (números cuáticos) b) Modelo atómico de la mecánica ondulatoria - la posición de un electrón se describe como la probabilidad de encontrarlo en una zona alrededor del núcleo

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0DWHULDOHV�GH�&RQVWUXFFLyQ�±�(��'RQRVR�&� ����(QODFHV�$WyPLFRV� ¾ Interacción de los electrones de valencia (N° electrones del último cuántico

principal) D��(QODFHV�LyQLFRV (transferencia de electrones de valencia)�

Ejemplos: Na+ Cl-, K+ Cl-, Ca++ O= �� b) (QODFH�FRYDOHQWH�(compartimiento de electrones)

Ejemplos: SiO4, Diamante, metano (CH4), H2O electrones compartidos

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0DWHULDOHV�GH�&RQVWUXFFLyQ�±�(��'RQRVR�&� ¾ Dependiendo del tipo de elemento y N° de electrones compartidos es la

energía y longitud del enlace. c) (QODFH�PHWiOLFR�(los electrones de valencia son compartidos por todos los

átomos) ���núcleo y electrones QR de valencia electrones libres (conductividad eléctrica)

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0DWHULDOHV�GH�&RQVWUXFFLyQ�±�(��'RQRVR�&� d) )XHU]DV�GH�9DQ�GHU�:DDOV�(atracción electrostática entre dipolos) Ejemplo: gases nobles (8 electrones último principal, estabilidad atómica) T° altas: monoatómicos (vibración térmica) T° bajas: atracción débil (dipolos) Ejemplo: agua ¾ Influencia del tipo de enlace atómico en las propiedades eléctricas conductor aislante semiconductor ��

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0DWHULDOHV�GH�&RQVWUXFFLyQ�±�(��'RQRVR�&� )XHU]DV�,QWHUDWyPLFDV�\�(QHUJtDV�GH�(QODFHV� Dos átomos están en equilibrio si: ¾ La suma de las fuerzas que actúan = 0 → )$���)5� �� ¾ La energía potencial neta pasa por un mínimo → (� �³��)$���)5��G[��� � � � � � � � ����(� ��D�[P���E�[Q�Ejemplo: enlace iónico

��� ����

[H=H=)$ �

Z: N° cargas por punto e = 1,6 x 10-19 coulomb

�� Q5 [QE)

n y b = constantes

Q[E

[H==( � ��� ��

FA = FR → dE/dx = 0

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0DWHULDOHV�GH�&RQVWUXFFLyQ�±�(��'RQRVR�&� radios atómicos Distancia interatómica = f radios iónicos temperatura ¾ Al ceder más elect. → tamaño iónico menor → dist. interatómica menor ¾ A mayor elect. compartidos → dist. interatómica menor → mayor E Ejemplos: Etano (C2H6) → etileno (C2H4)

Radio atómico del Fe = 0,124 nm.→ radio iónico Fe+2 = 0,074 nm → radio iónico Fe+3 = 0,064 nm

a) átomos de igual radio; b) átomos de diferente radio

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0DWHULDOHV�GH�&RQVWUXFFLyQ�±�(��'RQRVR�&� ����0yGXOR�(OiVWLFR�

¾ rigidez o resistencia del material a la deformación Si entonces Rigidez: Si el alargamiento es pequeño, S es constante e igual a: Recordar que:

8 ) G[ ³G8) G[

�G) G 86 G[ G[

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G 86 G[

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G8�G[o���

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0DWHULDOHV�GH�&RQVWUXFFLyQ�±�(��'RQRVR�&�

V�V�U � �

U � �U � �

U�

Si: )� �6��U�¤�U�� V� �)�$� ⇒ el esfuerzo para tratar de separar 2 planos en la distancia (r – r0) es: V� �1�6��U�U�� N = Nºenlaces/r0

2 Nº de enlaces/unidad de área Si el desplazamiento es (r – r0) y la deformación es H� ��U�¤�U���U���

�⇒����V� ��6��U���H�� �V� �(�H���(��PyGXOR�HOiWLFR�R�GH�<RXQJ��

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0DWHULDOHV�GH�&RQVWUXFFLyQ�±�(��'RQRVR�&� ����$FRPRGDPLHQWRV�$WyPLFRV� ¾ Propiedades eléctricas = f (estructura electrónica) ¾ Propiedades mecánicas = f(acomodamiento atómico)

carboncillo (amorfo) Acomodamiento atómico del carbón: grafito (red hexagonal) diamante (estructura compacta) � Arreglos atómicos: a) amorfo b) molecular d) cristalino c) ordenamiento de corto alcance

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0DWHULDOHV�GH�&RQVWUXFFLyQ�±�(��'RQRVR�&� ,��(VWUXFWXUDV�DPRUIDV�� ¾ Sin ningún ordenamiento atómico ¾ Malas propiedades mecánicas ¾ Gas: PV = nRT (n = N° de moles, R = 8,3144 J/molK) ¾ Ejemplos: carboncillo, metales al estado líquido, etc. ,,��(VWUXFWXUDV�PROHFXODUHV� ¾ Basado en las moléculas (grupo de átomos con número limitado de ellos) ¾ Enlaces covalentes fuertes, y entre moléculas enlaces débiles ¾ Bajo punto de fusión y ebullición Ejemplos: ¾ Representación de las moléculas Etileno

a) convencional b) pares de electrones c) tridimensional

� � � � � � � � �� ��� � ��� � ���

������� ����� ����� ��� ����� ����������� ������ ��� � ��� � ���� � � � � � � � �

����������� !���"�#� $%�&�'� �"�)(�* �,+&����� �"���- (.�"/#* +&�"0 1,23�,� 4 56��0 7&+&8#0 �:9;(&�"/'* +&�"0 �&<=1,>3�,� 4 56��0 �?+&8#0 � @�2;(.�"/#* +���0 �?<A1 -&B�C �,� 4 5D�"0 �&+&8#0 �

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0DWHULDOHV�GH�&RQVWUXFFLyQ�±�(��'RQRVR�&� 32/,0(526�

¾ Moléculas de alto peso molecular, construidas por repeticiones de unidades pequeñas (PHURV)

PVC (cloruro de polivinilo)

unidad monomérica

Catalizador + monómero → polímero R + etileno → polietileno � o ¾ Clasificación de las moléculas poliméricas Según características moleculares: • Estados Isoméricos

H H H H H H H H

C C C C C C C C

H Cl H Cl H Cl H Cl

+�����+�����������������+������+¨ ¨ ¨ ¨�5�����&�� &��� 5�� &�� &��¨ ¨ ¨ ¨

+�����+������������������+�����+

+�����+�¨ ¨&�� &����¨ ¨+������+

+�������+�������+������+¨ ¨ ¨ ¨5�� &��� &��� &�� &���¨ ¨ ¨ ¨

+�������+��������+�����+

• Química (unidad monomérica iguales o diferentes): homopolímeros y copolímeros

• Estructura: lineal, ramificada, entrecruzada y reticulada

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0DWHULDOHV�GH�&RQVWUXFFLyQ�±�(��'RQRVR�&� Estructura: D��3ROtPHURV�OLQHDOHV��(polietileno, cloruro de polivinilo, poliestireno, etc.) �FDGD�FtUFXOR�UHSUHVHQWD��XQD�XQLGDG�PRQRPpULFD E��3ROtPHURV�UDPLILFDGRV: (cloruro de polivinilo, poliestireno) ����F��3ROtPHURV�HQWUHFUX]DGRV���FDXFKR��������G��3ROtPHURV�UHWLFXODGRV��(epoxy)

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0DWHULDOHV�GH�&RQVWUXFFLyQ�±�(��'RQRVR�&� Estados Isoméricos: a) Esteroisometría b) Isoméricos Geométricos: unidades monoméricas con doble enlace entre C. Ejemplo: Isopropeno (C5H8) Cis Trans Isopropeno isopropeno (caucho) (gutapercha)

+�����+������+�����+������+������+������+�����+�����������������������������~������~������~�������~�������~������~�������~������~�

�,VRWiFWLFD�������������&���&���&���&���&�� &���&���&�������������������������������~������~������~�������~������~��������~������~������~�����������������������������+�����5������+������5�����+�������5������+�����5����������������������������+�����+������+������5�������+������+�����+�����5����������������������������~�������~�������~������~�������~������~������~������~��

6LQGLRWiFWLFD�������&���&���&���&���&���&���&���&�������������������������������~�������~������~������~������~�������~�������~�������~����������������������������+������5������+������+�����+�������5������+�����+���������������������������+�������+������+�����+�����+������5������+������+����������������������������~�������~�������~������~������~�������~������~�������~����

$WiFWLFD���������������&���&���&���&���&���&���&���&�������������������������������~������~�������~������~������~�������~�������~�������~�����������������������������+������5������+������5�����+�������+������+������5�

����&+��������+������������&� �&����&+�������&+����

���&+��������&+���������������&� �&�����&+�������+�

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0DWHULDOHV�GH�&RQVWUXFFLyQ�±�(��'RQRVR�&� ,,,��(VWUXFWXUDV�&ULVWDOLQDV�

• Cerámicos (enlaces iónicos) • Metales (enlaces metálicos)

Ejemplo: NaCl Los iones (o átomos) son considerados como esferas. Vectores unitarios (a, b, c) Celda Unitaria Ángulos interaxiales (α, β, γ) 6LVWHPDV�&ULVWDOLQRV��5(��UHG�HVSDFLDO���

��� 6LVWHPD�&~ELFR����D E F���D E J �����•�5(��&~ELFR�VLPSOH��0Q��6Q��HWF���

���

• 5(��&~ELFR�GH�FXHUSR�FHQWUDGR���&U��)H��0R��HWF���

����

• 5(��&~ELFR�GH�FDUDV�FHQWUDGDV��$O��&X��)H��1L��$X��$J��3W��HWF��

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0DWHULDOHV�GH�&RQVWUXFFLyQ�±�(��'RQRVR�&�

���6LVWHPD�+H[DJRQDO���D EzF��D E �������J �������• �5(��+H[DJRQDO�VLPSOH��$V��6H��7H��HWF�������• �+H[DJRQDO�FRPSDFWR��%H��0J��7L��&R��=Q��HWF���

���6LVWHPD�7HWUDJRQDO��D EzF��D E J ������ �&��6L��*H��6Q��&O��HWF����• �5(��7HWUDJRQDO�VLPSOH��������• �5(��7HWUDJRQDO�GH�FXHUSR�FHQWUDGR�

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0DWHULDOHV�GH�&RQVWUXFFLyQ�±�(��'RQRVR�&�

��� 6LVWHPD�2UWRUUyPELFD��DzEzF��D E J ������ �*D��,Q��6��%U��,��HWF����• 5(��2UWRUUyPELFD�VLPSOH�����• 5(��2UWRUUyPELFD�GH�FXHUSR�FHQWUDGR����• 5(��2UWRUUyPELFD�GH�FDUDV�EDVDOHV�

FHQWUDGDV������• 5(��2UWRUUyPELFD�GH�FDUDV�FHQWUDGDV�

���6LVWHPD�5RPERpGULFD��D E F����D E J�z������ �+J��%L��HWF���

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0DWHULDOHV�GH�&RQVWUXFFLyQ�±�(��'RQRVR�&� &DUDFWHUtVWLFDV�GH�ODV�HVWUXFWXUDV�FULVWDOLQDV: (NC, ρ y FAA ó FEA) L��'HQVLGDG�U��

FX9Q$

FHOGDODGH9ROXPHQDWyPLFRSHVR[iWRPRV1 q U

LL��)DFWRU�GH�DFRPRGDPLHQWR��R�HPSDTXHWDPLHQWR��DWyPLFR�

FX95Q

)$$�

��S R: radio atómico o iónico

���6LVWHPD�0RQRFOtQLFR��D�z�E�z�F��D J �����z�E��������6��HWF���• ��5(��0RQRFOtQLFR�VLPSOH�����• ��5(��0RQRFOtQLFR�FHQWUDGD�HQ�ODV�EDVHV�

��� 6LVWHPD�7ULFOtQLFR��D�z�E�z�F���D�z�E�z�J�� �VLOLFDWR�GH�DOXPLQLR��URGRQLWD�¤�VLOLFDWR�GH�&D0Q��

WXUTXH]D��HWF���

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0DWHULDOHV�GH�&RQVWUXFFLyQ�±�(��'RQRVR�&� Ejemplos: D��&~ELFR�VLPSOH� n = N° efectivo de átomos por celda = 1 a = parámetro de red = 2R Vcu = vol. celda unitaria = a3 = 8R3 �U� �$��5�� � � )$$� ����� E��&~ELFR�GH�FXHUSR�FHQWUDGR��EFF��FF�� n = 2 a = 4R/√3 Vcu = a3 U� ��$�D�� )$$� ������ ������

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0DWHULDOHV�GH�&RQVWUXFFLyQ�±�(��'RQRVR�&���F��&~ELFR�GH�FDUDV�FHQWUDGDV��IFF��FFF�� n = 4 a = 4R/√2 Vcu = a3

U� ��$�D�� � ���)$$� ����� �G��+H[DJRQDO�VLPSOH� a) celda hexagonal b) celda rómbica Representación hexagonal = 3 * representación rómbica Vcu (hexagonal) = 3 Vcu (rómbica) N° átomos por celda (hexagonal) = 3 * N° átomos rómbica ��)$$��KH[DJRQDO�� �)$$��UyPELFD�� �

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0DWHULDOHV�GH�&RQVWUXFFLyQ�±�(��'RQRVR�&�� H��+H[DJRQDO�FRPSDFWR� a = 2R c/a = 1,63 Vcu = (√3/2)a2 c U� ����$�9FX� )$$� �����

� � � Datos estructuras cúbicas y hexagonal compacto

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0DWHULDOHV�GH�&RQVWUXFFLyQ�±�(��'RQRVR�&�� &(5$0,&26� ¾ Enlace atómico: parcial o totalmente iónico ¾ Iones metálicos: cationes (ceden sus electrones, +), aniones (aceptan

electrones, - ). D��(VWUXFWXUD�FULVWDOLQD�WLSR�;<��;��FDWLyQ��<��DQLyQ�� ¾ Igual número de cationes y aniones. ¾ Ejemplos: cloruro de sodio (NaCl), cloruro de cesio (CsCl), blenda (ZnS),

óxido de calcio (CaO), etc. E��(VWUXFWXUD�FULVWDOLQD�WLSR�;P<S� ¾ Número de cationes distinto del número de aniones ¾ Ejemplos: fluorita (CaF2), UO2, ThO2, etc.

CaF2

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0DWHULDOHV�GH�&RQVWUXFFLyQ�±�(��'RQRVR�&�� F�� (VWUXFWXUD�FULVWDOLQD�WLSR�;P=Q<S� ¾ Dos tipos de cationes (X y Z) y un anión (Y) ¾ Ejemplos: perouskita (BaTiO3), SrZrO3, SrSnO3, espinela (MgAl2O4,

FeAl2O4). Perouskita (BaTiO3) Ti4+

O2- Ba+2 G��&HUiPLFDV�IRUPDGDV�SRU�VLOLFDWRV� • Ordenamiento de cortos alcance

(combinación de tetrahedros SiO4-4,

en vez de celdas unitarias) • Materiales: suelos, rocas, arcillas, arenas ��6tOLFH��6L2���¾ Silicato más simple: dióxido de silicio ó sílice

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0DWHULDOHV�GH�&RQVWUXFFLyQ�±�(��'RQRVR�&�� ��6LOLFDWRV�PiV�FRPSOHMRV��¾ Uno, dos o tres de los átomos de oxígeno del tetraedro son compartidos por

otros tetraedros. ¾ Ejemplos: SiO4

4-, Si2O76-, Si3O9

6-, etc. ¾ Cationes, como Ca2+, Mg2+ y Al3+, compensan las cargas negativas de los

tetraedros SiO44- de manera que alcancen la neutralidad y sirven de enlace

iónico entre los tetraedros SiO44-.

Estructuras de iones de Silicatos formados a partir de SiO4

4- ���9LGULRV�GH�VtOLFH�

�¾ Sólido no cristalino, con un alto grado de distribución al azar. ¾ Vidrios inorgánicos comunes (recipientes, ventanas, etc.): vidrios de sílice

más óxidos (CaO y Na2O). Los cationes (Na+, Ca2+) enlazan los tetraedros, dando forma a una estructura vítrea, más probable que una cristalina.

Representación de un vidrio de sílice con sodio. � �

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0DWHULDOHV�GH�&RQVWUXFFLyQ�±�(��'RQRVR�&�� '(16,'$'�

• Metales y cerámicos n = Nº efectivos de átomos por celda A = peso atómico Vcu = volumen celda unitaria ��

FXLL

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�XQLWDULDFHOGD�YROXPHQ�XQLWDULDFHOGD�PDVD ¦ U

• Polímeros Son de menor densidad ya que principalmente están formados por C, H y O, y cuyas estructuras no son compactas.

x� Materiales compuestos Su densidad es función de la matriz y de la fase dispersa

F P P I I9 9U U � U

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0DWHULDOHV�GH�&RQVWUXFFLyQ�±�(��'RQRVR�&��