Estructura CristalinaParte II

Estructura de los Metales

Ing. Nilthon Zavaleta Gutiérrez

ANISOTROPÍA E ISOTROPÍA Un material es anisotrópico si sus propiedades dependen de ladirección cristalográfica a lo largo de la cual se mide la propiedad.Si las propiedades son idénticas en todas las direcciones, el cristales isotrópico. Un ejemplo de anisotropía, se puede observar en elcomportamiento del módulo de elasticidad, el cual se relaciona conel grado en que un material se deforma cuando se le aplica unafuerza.

Material [100] [111] Aleatorio Al 9,2 11,0 10,0 Cu 9,7 27,8 18,1 Fe 19,1 40,4 30,0 Nb 22,0 11,8 14,9 W 59,2 59,2 59,2 MgO 35,6 48,7 45,0 NaCl 6,3 4,7 5,3

Variación del módulo de elasticidad (x 106 psi) con la dirección cristalográfica

EMPAQUETAMIENTO ATÓMICO EN CRISTALES COMPACTOS FCC Y HCP

(a) Distribución de átomos en los planos {100} de la celdacúbica primitiva.

(b) Distribución de átomos en los planos {111} de la celda FCC,o en el plano (0001) de la celda HCP

Plano compacto(HCP-FCC)

Plano no compacto

EMPAQUETAMIENTO DE PLANOS COMPACTOS PARA CRISTALES HCP

EMPAQUETAMIENTO DE PLANOS COMPACTOS PARA CRISTALES FCC

EMPAQUETAMIENTO DE PLANOS COMPACTOS PARA CRISTALES FCC

PLANOS Y DIRECCIONES COMPACTAS PARA ESTRUCTURAS CRISTALINAS

Estructura Dirección Plano BCC <111> Ninguna FCC <110> (111) HCP 1/3<2 11 0> (0001)(0002)

Planos y direcciones compactas en las estructuras cristalinas.

SITIOS INTERSTICIALES EN LAS ESTRUCTURAS CRISTALINAS DE LOS METALES

Intersticio tetraédrico.- Es aquel que esta rodeado por cuatroátomos centrados en los vértices de un tetraedro. En unaestructura compacta (fcc y hcp) el tetraedro es regular.

SITIOS INTERSTICIALES EN LAS ESTRUCTURAS CRISTALINAS DE LOS METALES

Intersticio octaédrico. Es aquel que esta rodeado por seisátomos, donde los centros de los átomos constituyen los vérticesde un octaedro. En una estructura compacta (fcc y hcp) eloctaedro es regular.

Sitios intersticiales en la estructura cúbica centrada en las caras (FCC)

(1/4,1/4,1/4),

(3/4,1/4,1/4),

(3/4,3/4,1/4),

(1/4,3/4,1/4),

(1/4,1/4,3/4),

(3/4,1/4,3/4),

(3/4,3/4,3/4) y

(1/4,3/4,3/4)

Sitios intersticiales en la estructura cúbica centrada en las caras (FCC)

(1/2,1/2,1/2),

(1,1,1/2),

(1,1/2,0) y

(1/2,1,0)

Sitios intersticiales en la estructura hexagonal compacta (HCP)

Las coordenadas de losintersticios, en la celdamonoclínica especial (a= b c y = = 90° y = 120º) son:

(0,0,3/8),

(0,0,5/8),

(1,1,3/8) y

(1,1,5/8).

Sitios intersticiales en la estructura hexagonal compacta (HCP)

Las coordenadas de losintersticios, en la celdamonoclínica especial (a= b c y = = 90° y = 120º) son:

(1/3,2/3,1/4) y

(1/3,2/3,3/4)

Sitios intersticiales en la estructura BCC

Los intersticios tetraédricos,en posiciones del tipo

<½, ¼, 0>se encuentran en el centrode un tetraedrodistorsionado definido pordos átomos de los vértices ydos átomoscorrespondientes a loscentros de dos celdasadyacentes.

Sitios intersticiales en la estructura BCC

Los sitios octaédricos seubican en el centro de lascaras (½,½, 0) y en lamitad de las aristas de lacelda cúbica (½,0, 0).

Sitios intersticiales en las estructuras BCC, FCC y HCP

Estructura N° de sitios intersticiales

Rr0

Rr0

Tetraédricos Octaédricos BCC 12 6 0,291 0,155FCC 8 4 0,225 0,414HCP 12 6 0,225 0,414

ESTRUCTURAS DE LOS CERÁMICOS

Están constituidos por elementos metálicos y no metálicosenlazados principalmente mediante enlaces iónicos y/ocovalentes.

Por lo común, son típicamente duros y frágiles con bajatenacidad y ductilidad. Se comportan usualmente comobuenos aislantes eléctricos y térmicos debido a la ausenciade electrones conductores, normalmente poseentemperaturas de fusión relativamente altas y, asimismouna estabilidad relativamente alta en la mayoría de mediosagresivos debido a la estabilidad de sus fuertes enlaces.

Estructuras cristalinas de cerámicos

Las estructuras cristalinas de las cerámicas son un poco máscomplejas respecto a los metales. Debido a que estaconstituido por elementos metálicos y no metálicos, ambosdeben ser considerados en su estructura.

Las celdas cúbicas y hexagonales siguen siendo las másimportantes.

El empaquetamiento de los iones está determinadoprincipalmente por los siguientes factores:

1. El tamaño relativo de los iones en el sólido iónico.2. La neutralidad eléctrica en el sólido iónico.

Estructuras cristalinas de cerámicos

Los cationes son más pequeños que los aniones, y la relaciónde sus radios (rcatión/ranión) producen tipos deempaquetamientos iónicos muy específicos, que se puedenanalizar mediante el NC.

Para obtener una agrupación estable de iones grandesalrededor de un ión pequeño, el ión más pequeño debe tocarlos iones grandes.

Estructuras cristalinas de cerámicos

Sólidos iónicos con fórmula general AX

Estructura del cloruro de cesio (CsCl)

En la celda unitaria cúbica del CsCl elion Cs+ está en el centro de la celdarodeado por ocho iones Cl-, en losvértices (o viceversa).

La estructura es una CS con dos iones(Cs+, Cl-), por punto reticular.

Ejemplos: CsBr, TlCl, TlBr y NH4Cl

8NC912,0nm 181,0nm 165,0

rr

Cl

Cs

Sólidos iónicos con fórmula general AX

Estructura del cloruro de sodio (NaCl)

Consiste en un empaquetamientocúbico FCC de iones cloruro en el quelos iones de sodio ocupan todos losintersticios octaédricos o viceversa.

Cada ion sodio esta rodeado por seisiones cloruro equidistantes situados enlos vértices de un octaedro.

  6NC53,0181,0097,0

rr

Cl

Na

nm nm

Sólidos iónicos con fórmula general AX

Estructura del cloruro de sodio (NaCl)

Los iones Na+ están en contacto conseis Cl-, pero los iones de Cl- no estánen contacto entre sí.

Se conocen más de 2000 compuestosque adoptan está estructura, entreellos tenemos:

  6NC53,0181,0097,0

rr

Cl

Na

nm nm

La mayoría de los haluros alcalinos, MX y AgF, AgCl, AgBr.Todos los hidruros alcalinos, MH.Monóxidos, MO, de Mg, Ca, Sr, Ba, Ni, Fe, etc.Monosulfuros, MS, de Mg, Ca, Sr, Ba.

Sólidos iónicos con fórmula general AX

La estructura de la blenda

Estructura FCC de los iones azufre, enel que los iones de zinc ocupan losintersticios tetraédricos de formaalternada. Basado en la ecuación dePauling, el enlace Zn-S tiene un 87%de enlace covalente y en consecuenciaéste será su enlace de formatetraédrica con un NC de 4.

Ejemplo:Compuestos semiconductores como CdS, InAs, InSb y ZnSe.

Sólidos iónicos con fórmula general AX2 y A2X

Estructura de la fluorita (CaF2)

Si observamos la Fig. podemospensar que está relacionada con unordenamiento FCC de iones decalcio en el que los fluorurosocupan todos los intersticiostetraédricos.

8NC797,0133,0106,0

rr

F

Ca

Esta descripción presenta un problema porque los iones de fluoruro sonmás grandes que los calcio, y a éstos les seria imposible físicamenteencajar en los intersticios tetraédricos de un empaquetamiento FCC deiones de calcio. No obstante, ofrece una descripción exacta de lasposiciones relativas de los iones.

Ca2+F-

Sólidos iónicos con fórmula general AX2 y A2X

Estructura de la fluorita (CaF2)

Si dibujamos cubos con ionesfluoruro en cada vértice, podremosobservar que cada catión de calciotiene NC=8. De cada dos celdasuna esta ocupada por un catión decalcio.

8NC797,0133,0

106,0

r

r

F

Ca

Ejemplos de compuestos que tienen esta estructura son: UO2, BaF2,ThO2, TeO2 y AuAl2.

Ca2+ F-

Sólidos iónicos con fórmula general AX2 y A2X

Estructura de la Antifluorita (A2X)

En este caso es más realista su descripción de una estructuraFCC con los aniones (X) ocupando los nodos de la celda FCC ylos cationes (A) más pequeños ocupando los intersticiostetraédricos.

Ejemplos: Li2O, Na2O, K2O y Mg2Si.

Sólidos iónicos con fórmula general A2X3

Estructura del corindón(Al2O3)

Constituida por una celda HCP deátomos de oxígeno con dos terciosde los huecos octaédricos ocupadospor átomos de aluminio.

La celda HCP del corindón contienecuatro iones completo de aluminio yel equivalente de 6 iones deoxígeno. De esta forma se producela relación Al2O3. Solo cuatro de losseis sitios octaédricos dentro de lacelda están ocupados por Al3+, parabalancear las cargas eléctricas. Estoproduce alguna distorsión de estaestructura

Ejemplos: - Fe2O3, V2O3, Ti2O3 y Cr2O3.

Sólidos iónicos con fórmula general ABX3

Estructura de la perovskita (CaTiO3)

A simple vista, la estructura de laperovskita parece ser unacombinación de estructuras CS,BCC y FCC. Pero en realidad es unacelda CS con cinco iones por puntoreticular o por celda unitaria (unode Ca2+, uno de Ti4+ y tres de O2-).

Ejemplos: BaTiO3, SrTiO3, CaZrO3, LaAlO3, etc.