Clase 2 estructura cristalina
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Clase 2 estructura cristalina Clase 2 estructura cristalina Presentation Transcript

  • UNIVERSIDAD NACIONAL “SAN LUIS GONZAGA” DE ICA FACULTAD DE INGENIERIA AMBIENTAL Y SANITARIA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA AMBIENTAL Y SANITARIAESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA AMBIENTAL Y CURSO: SANITARIA MATERIALES DE INGENIERÍA EN PROCESOS INDUSTRIALES TEMA: ERREGLO ATOMICO O ESTRUCTURA DE LOS SOLIDOS CRISTALINOS O ORDEN ATOMICO EN SOLIDOS Dr. PEDRO CORDOVA MENDOZA ICA-PERU 02 de ABRIL del 2013 1
  • ESTRUCTURA CRISTALINA DE LOS MATERIALES• CONSTITUCION DE LA MATERIA• EL ESTADO CRISTALINO Y AMORFO• ESTRUCTURA EN LOS METALES• REDES CRISTALINAS• CELDAS UNITARIAS• PLANOS CRISTALOGRAFICOS• DIFRACCION DE RAYOS X
  • Estructura cristalina CONSTITUCION DE LA MATERIALa materia está constituida por elementos químicos. Estructura del atómicaEn los distintos estados de la materia se pueden encontrar las siguientesclases de arreglos atómicos o iónicos:1.- Sin orden2.- Orden de corto alcance o Short-range order (SRO)3.- Orden de largo alcance o Long-range order (LRO)
  • Estructura cristalinaARREGLO ATÓMICOSin orden: Los átomos y moléculas carecen de una arreglo ordenado, por ejemplo los gases se distribuyen aleatoriamente en el espacio donde se confina el gas. Oxigeno Argón Xenón
  • Estructura cristalinaARREGLO ATÓMICOOrdenamiento particular (corto alcance): El arreglo serestringe solamente a átomos circunvecinos (agua,cerámicos, polímeros).
  • Estructura cristalinaARREGLO ATÓMICOOrdenamiento general (largo alcance): El arreglo sedistribuye por todo el material. El arreglo difiere de unmaterial a otro en forma y dimensión, dependiendo deltamaño de los átomos y de los tipos de enlace de estos. Silicio Nano estruturas de C60 y Ferroceno
  • Estructura cristalinaARREGLO ATÓMICO Silice Polonio Cobre
  • Estructura cristalinaARREGLO ATÓMICO átomos de hierro en una superficie de cobre
  • Estructura cristalinaARREGLO ATÓMICO
  • Estructura cristalina ARREGLO ATÓMICONiveles de ordenamientoatómico en los materiales:a) los átomomonoatómicos inertes notienen ordenamientoregular de átomos, b) y c)algunos materiales, queincluyen vapor de agua,nitrógeno gaseoso, silicioamorfo y vidrios desilicato tienen orden decorto alcance, d) metales,aleaciones, muchoscerámicos y algunospolímeros tienenordenamiento regular deátomos o iones (>100 nm)
  • Estructura cristalina EL ESTADO CRISTALINO Y AMORFO El estado sólido presenta dos formas fundamentales: Cristalino y AmorfoEl estado cristalino por constituir una ordenación atómicano manifestará un idéntico comportamiento ante agentesexternos en cualquiera de las direcciones del cristal, loque se denomina ANISOTROPIA, por el contrario elestado amorfo, presentará idénticas propiedades encualquier dirección del cuerpo, lo que se denominaISOTROPIA.
  • Estructura cristalinaMATERIALES AMORFOSLos materiales amorfos son caracterizados por elorden de corto alcance, no son cristalinos. Elarreglo periódico que caracteriza a la mayoría delos materiales les ayuda a estabilizarsetermodinámicamente. Sin embargo, losmateriales amorfos carecen te esta particularidad,y tienen a formarse cuando por una u otra razón,la cinética del proceso de obtención de losmismos no permite la formación de los arreglosperiódicos. Así por ejemplo, los vidrios,principalmente formados por cerámicos ypoliméricos, son materiales amorfos. Algunosgeles poliméricos también pueden considerarseamorfas. La mezcla inusual de sus propiedadesarroja átomos irregularmente repetidos en sucomposición.
  • Estructura cristalinaMATERIALES AMORFOSAl igual que los vidrios inorgánicos existenmuchos plásticos amorfos, algunos con ligerasporciones de materiales cristalinos. El tereftalatode polietileno PET es usado en la conformaciónde botellas de bebidas gaseosas que se obtienenmediante el moldeado por soplado y estirado.Este proceso consiste en la aplicación deesfuerzos mecánicos a la preforma de la botellapara inducir la cristalización. Lo que a su vezaumenta la resistencia de las mismas.Mediante la solidificación rápida se puedenobtener, conocida la dificultad otorgada en a a latendencia de los metales a formar materialescristalinos, vidrios metálicos, a bajísimastemperaturas con respecto a la velocidad delevento.
  • Estructura cristalina ESTRUCTURA EN LOS METALESLos metales poseen una distribución organizada de susátomos. Su ESTRUCTURA CRISTALINA se caracteriza por unapilamiento simétrico de los átomos en el espacio. Esteapilamiento se denomina RED CRISTALINA y es propio decada elemento.El elemento mas pequeño representativo de la simetría de lared es la CELDA UNITARIA
  • Estructura cristalina Continua….Las agrupaciones de cristales, dentro de los cuales hay unorden se llama GRANO y al sólido se le llamaPOLICRISTALINO Frontera o borde de granoLa dimensión de los granos es del orden de 0.02 a 0.2 mm.Su observación a través del microscopio define suESTRUCTURA MICROGRAFICA
  • Estructura cristalina REDES CRISTALINASLas redes espaciales que se conocen son catorce y están agrupadas en sieteSISTEMAS CRISTALINOS, definidos por la igualdad o desigualdad de losángulos y la longitud de los ejes comprendida en la CELDA ELEMENTALo CELDA UNITARIA.El CRISTAL cuyas dimensiones son de escala atómica, del orden de losAmstrongs (10-8 cm) pueden ser observados por métodos indirectos comoDifracción de Rayos X.La red de un material se subdivide en pequeñas porciones, y se obtiene laCELDA UNITARIA, que conserva las características secuenciadas de todala red, y que con ésta puede construirse toda la red. Los SISTEMASCRISTALINOS son siete arreglos únicos que llenan el espaciotridimensional: cúbico, tetragonal, ortorrómbico, romboédrico, hexagonal,monoclínico y triclínico.
  • Estructura cristalinaREDES CRISTALINAS
  • Estructura cristalinaREDES CRISTALINAS
  • Estructura cristalinaCLASIFICACIÓN DE CELDAS UNITARIAS Sistema Longitudes axiales y Retículos espaciales Cristalino ángulos interaxiales Cúbico simple 3 ejes iguales en ángulos rectos, Cúbico a = b = c, a = b = g = 90º Cúbico centrado en el cuerpo Cúbico centrado en las caras 3 ejes en ángulos rectos, dos de ellos Tetragonal sencillo Tetragonal iguales Tetragonal centrado en el cuerpo a = b c, a = b = g = 90º Ortorrómbico simple 3 ejes distintos en ángulos rectos, Ortorrómbico centrado en el cuerpoOrtorrómbico a b ? c, a = b = g = 90º Ortorrómbico centrado en las bases Ortorrómbico centrado en las caras 3 ejes iguales, inclinados por igual,Romboédrico a = b = c, a = b = g ? 90º Romboédrico simple 2 ejes iguales a 120º y a 90º con el Hexagonal tercero, Hexagonal sencillo a = b ? c, a = b = 90º, g = 120º 3 ejes distintos, dos de ellos no forman Monoclínico simpleMonoclínico 90º Monoclínico centrado en la base a ? b ? c, a = b = 90º ? g 3 ejes distintos con distinta inclinación, Triclínico y sin formar ningún ángulo recto, Triclínico simple a ≠ b ≠ c, 90º, abg 90º
  • Estructura cristalina
  • Estructura cristalinaREDES CRISTALINASMayormente los metales cristalizan en tres redes cristalinas:RED CUBICA CENTRADA EN EL CUERPO (Body Centered Cubic Unit cell) BCC Cromo, Tungsteno, Hierro (alfa), Hierro (beta), Molibdeno, Vanadio, SodioRED CUBICA CENTRADA EN LAS CARAS (Fase Centered Cubic Unit cell) FCCAluminio, Cobre, Plomo, Plata, Niquel, Oro, platino, Hierro (gamma)RED HEXAGONAL COMPACTA (Hexagonal Closed Packed) HCP Magnesio, Berilio , Zinc y Cadmio
  • Estructura cristalina CELDA UNITARIA ≈Celda unitaria de la estructura BCC Estructura HCP ≈ Celda unitaria de la estructura FCC
  • Estructura cristalinaRELACION EN RADIO ATOMICO Y PARAMETRODE REDPara explicar esta relación utilizaremos un ejemplo que implica vincular alradio atómico y el parámetro de red en las estructuras SC, BCC y FCC,cuando se tiene un átomo en cada punto de red. Suponiendo que los átomosestán uno al lado del otro en una estructura, es decir que no existe espacioentre ellos y sus radios son tangentes uno al otro, de modo que se tocan a lolargo de la arista del cubo en una estructura SC, entonces, los átomos de losvértices tienen su centro en éstas aristas.De este modo la longitud de una arista está dada en relación con el radio delos átomos, como sigue: a = 2rDonde: a = Es la longitud de una arista r = Es el radio atómico
  • Estructura cristalinaRELACION EN RADIO ATOMICO Y PARAMETRODE REDParámetro de Red: La distancia entre los centros de dos átomosconsecutivos es una constante que se denomina CONSTANTERETICULAR O PARAMETRO DE RED “a”.Radio Atómico en función al parámetro de red:En las estructuras BCC, los átomos se tocan a través de ladiagonal del cuerpo. El átomo en el centro de la celda tiene undiámetro de 2r, que se le sumará a la mitad de los diámetros(radios) de los extremos. Es decir tendremos: (2r) +( 1r )+( 1 r)=4r. Esta es la longitud de la diagonal completa que atraviesa lacelda unitaria, que debe ser igual al la raíz de tres por la longitudde la arista. Despejando como se muestra obtenemos la longitudde una arista de una estructura BCC en relación con el radio desus átomos.
  • Estructura cristalinaRELACION EN RADIO ATOMICO Y PARAMETRODE RED a = 4 R / √3En las estructuras FCC, los átomos se tocan a lo largo de la diagonal de la caradel cubo, cuya longitud es la raíz cuadrada de dos por la longitud (a) de laarista. De este modo, en la igualdad obtenemos que la longitud en función delradio atómico de una FCC es a= 4r/sqrt(2). a = 4 R / √2
  • Estructura cristalina a = 2R c = 1.633 a a=bFACTOR DE EMPAQUETAMIENTO (Atomic FactorPacking APF):Este factor es la fracción de espacio ocupada por átomos, suponiendo que sonesferas duras que tocan a su vecino más cercano. La ecuación general es:  Nº de átomos   Volúmen de cada atomo F .E =  Celda Unitaria  Volúmen de la Celda Unitaria
  • Estructura cristalinaFACTOR DE EMPAQUETAMIENTOPor ejemplo, si calculamos el Factor de Empaquetamiento de una celda cúbicacentrada en las caras, necesitamos conocer la cantidad de átomos que tiene éstapor celda unitaria. Recordamos el procedimiento anterior dondedeterminamos que la cantidad de átomos por celda, de una FCC, sería elátomo que reúne sus vértices, más seis átomos de sus caras, divididos éstos a suvez entre dos, y sumados, resultando igual a 4 átomos por celda unitaria parauna FCC, siempre que tenga sólo un átomo por punto de red. El volumen unátomo es (4/3)pir³. Y el volumen de la celda unitaria, según la tabla mostradaen ésta sección es la longitud (a) de su arista al cubo.Si la longitud de la arista de una FCC es 4r/sqrt(2), sustituyendo todos losvalores, en la fórmula de Femp, obtendremos que éste Factor deEmpaquetamiento es igual a 0.74 para una celda cúbica centrada en las caras.
  • Estructura cristalinaNúmero de Átomos por celda:BCC :8 fracciones de átomos de 1/8 = 1 átomo1 átomo en el centro = 1 átomo Total = 2 átomosFCC :8 fracciones de átomos de 1/8 = 1 átomo6 fracciones de ½ en caras = 3 átomo Total = 4 átomos
  • Estructura cristalinaHCP :2 bases * 6 vértices * 1/6 = 2 átomo2 bases * 1/2 átomo = 1 átomo3 átomos en la base media = 3 átomos Total = 6 átomos Factor de Empaquetamiento SC : 0.52 BCC : 0.68 FCC : 0.74 HCP : 0.74
  • Estructura cristalinaCaracterísticas de Cristales Metálicos Comunes
  • Estructura cristalinaDENSIDAD DE LOS MATERIALESLa densidad teórica de un material se puede calcular con las propiedades de suestructura cristalina. La fórmula general es: Teórica = Peso de la Celda Unitaria  Volumen de la Celda Unitaria  Cantidad de Atomos   Masa Atomica  Teórica =  Celda Unitaria  Volumen de la Celda Unitaria Numero de Avogadro Si un material es iónico y consiste en distintas clases de átomos o iones, habráque modificar esta fórmula para reflejar esas diferencias. El parámetro de red hace referencia a la distancia constante entre las celdas unitarias de un ordenamiento regular de átomos o iones. Es decir, la longitud de la arista de una celda de una estructura cristalina. Podemos, por ejemplo determinar la densidad de un hierro BCC, cuyo parámetro de red es 0.2866nm.
  • Estructura cristalina Planos CristalográficosPuntos, direcciones y planos en la celda:
  • PUNTOS, DIRECCIONES Y PLANOS EN LA CELDA UNITARIACOORDENADAS DE PUNTOS:Se pueden localizar ciertos puntos en la red o celda unitaria, como por ejemplo,las posiciones de los átomos, definiendo un sistema de coordenadas, como elmostrado a continuación:No es nada que se desconozca, al menos, se estipula que una celda cúbica tienevértices cuya ubicación se define en torno a un origen y a una disposición deejes, atribuidos a su vez a los ángulos, que le dan posición entre los planos x, y yz. La distancia se mide en términos de la cantidad de parámetros de red quehay que recorrer en cada una de las direcciones para ir del origen al punto encuestión. Las coordenadas se escriben como las distancias, y los números seseparan por coma.
  • Estructura cristalina PUNTOS, DIRECCIONES Y PLANOS EN LA CELDA UNITARIADIRECCIONES:Se denotan a través del INDICE DE MILLER: 1. Se determinan las coordenadas de dos puntos en la misma dirección. 2. Se restan las coordenadas y se obtiene el número de parámetros de red medidos en cada eje coordenado. 3. Se eliminan las fracciones y/o se reducen a los enteros mínimos. 4. Se enuncian los números entre corchetes [ ]. Si se obtiene signo negativo se representa como una barra sobre el número. Cierto grupo de direcciones son equivalentes. Por ejemplo la dirección [100] es equivalente a [010].Denominándose FAMILIA DE DIRECCIONES < >.
  • Estructura cristalinaPUNTOS, DIRECCIONES Y PLANOS EN LA CELDA UNITARIADirecciones cristalográficas en celdas unitarias cúbicas
  • Estructura cristalina PUNTOS, DIRECCIONES Y PLANOS EN LA CELDA UNITARIAPLANOS:Se denotan a través del INDICE DE MILLER: 1. Se identifican los puntos de intersección con los ejes coordenados. Si el plano pasa por el origen, el origen debe ser remplazado. 2. Se obtienen los recíprocos de estas intersecciones. 3. Se eliminan las fracciones pero no se reducen a los mínimos enteros. 4. Se enuncian los números entre corchetes ( ). Si se obtiene signo negativo se representa como una barra sobre el número. Cierto grupo de planos son equivalentes. Denominándose FAMILIA DE PLANOS { }.
  • Estructura cristalinaPUNTOS, DIRECCIONES Y PLANOS EN LA CELDA UNITARIA Índices de Miller de diferentes planos cristalográficos en redes cúbicas
  • Estructura cristalina
  • Estructura cristalinaPara el caso de Sistemas Hexagonales:Se establecen 4 ejes. 3 de elloscoplanares connduciendo a 4intersecciones (hkil).h+k = -i
  • • Densidad Lineal: Se evalúa de la relación: D.L. = Átomos ( diámetro Contenidos en la línea) Longitud de la Línea• Densidad Planar: Se evalúa de la relación : D.P. = Átomos ( huella ) Área del plano
  • Estructura cristalina Número de coordinaciónEs la cantidad de vecinos más cercanos al átomo. Es una medida de que tan compacto y eficiente es el empaquetamiento
  • Estructura cristalina Transformaciones AlotrópicasLos materiales que tienen mas de una estructura cristalina sedenominan POLIMORFOS.A 910°C el Hierro cristaliza BCC (Fe delta)A 1400°C el Hierro cristaliza FCC (Fe gamma)A 1538°C el Hierro cristaliza BCC (Fe alfa)Cuando el cambio polimórfico es reversible, se dice que elmaterial es ALOTROPICO.Las transformaciones alotrópicas pueden acompañarse de uncambio volumétrico, el cual de no ser controladoapropiadamente, puede ocasionar que el material se agriete yfalle.
  • Estructura cristalina DIFRACCION DE RAYOS X Williams Max von Laue Bragg padre e hijoDifracción de rayos X en un cristal
  • Estructura cristalinaLos rayos X se difractan cuandosatisfacen la ley de Bragg d (hkl) = a √ h2+k2+l2
  • Estructura cristalinaLos rayos X de undifractómetro de polvo seobtienen bombardeandoun blanco metálico conun haz de electrones dealta energía, para el Cuse obtiene rayos X conuna longitud de onda de1.54060 A° Difracción obtenida con una muestra de polvo de oro
  • Tenemos que cuidarlo esta ennuestras manos!!!!!!! Cel. 956-041243 Graciaspcordovam@hotmail.com