estructuras y redes cristalinas.

Estado sólidoEstado sólido

Estado sólidoEstado sólidoLa química del estado sólido es una de las áreas de punta liderando

el campo del desarrollo de nuevos materiales

Propiedades de los sólidos Mantienen su forma, son incompresibles.

No fluyen, tienen altísima viscosidad, la cual disminuye significativamente al calentarse, cuando se funden.

La temperatura de fusión (Tm) es a la cual se tornan líquidos.

Tienen enlaces más fuertes que los líquidos entre sus átomos o moléculas (a tempreratura, presión y volumen definidos).

Requieren mayor energía para romper dichos enlaces.

Sus moléculas o átomos se encuentran juntos debido a fuerzas

intermoleculares

interatómicas

Tipos de Sólidos

Tipo Ejemplos Fuerzas de uniónIónico NaCl, CaF2, ZnS Ión-ión

Metálico Na, Fe MetálicoMolecular Hielo Dipolo – dipolo

(puente H)Covalente Diamante Covalente

Grafito

Crystal Structure 5

Sólidos

Cristalinos Policristalinos Amorfos(No cristalinos)

Un solo tipo

Tipos de sólidos

Cada tipo se caracteriza por el tamaño y el orden de la región dentro del material.

Una región ordenada es una región en el espacio en el cual los átomos o moléculas tienen un arreglo o periodicidad regular.

Sólidos cristalinos (cristales)

Forma sólida de una sustancia en la que los átomos o moléculas de una sustancia se encuentran arreglados en una forma tridimensional repetitiva y definida.

Los cristales tienen un alto grado de ordenamiento (periodicidad geométrica) en todo el volumen del material.

Estructura CristalinaÁtomos arreglados en

estructuras repetitivas llamadas celdas unitarias.

Las celdas forman un arreglo tridimensional llamado red cristalina o látice.

Periodicidad, ordenamiento de alto grado.

Tienen superficies planas o caras con ángulos bien definidos.

AMATISTA

DIAMANTEDIAMANTE

GRAFITOGRAFITO

Estructura Cristalina y alótropos

Los alótropos son dos o más formas moleculares de una sustancia en el mismo estado físico.

Los átomos en las redes cristalinas se encuentran en vibración constante. La enegía cinética promedio de todo el cristal está relacionada con la temperatura del mismo.

Si la energía de un átomo excede la energía de enlace, éste puede moverse a otra posición en la red, fenómeno llamado difusión.

Los compuestos cristalinos presentan anisotropía, sus propiedades van a variar dependiendo de la dirección en que se midan.

Estructura Cristalina

¿¿Cristal Perfecto??

Hablando estrictamente, no existe el cristal perfecto, aun las superficies son imperfecciones porque se interrumpe la periodicidad.

Además las vibraciones de cada átomo son distintas entre sí, sólo serían cero para todos los átomos a una termperatura igual a 0°K.

Los cristales siempre contienen átomos extraños o impurezas, lo cual hace imposible la existencia de un cristal perfecto.

PiritaPolicristalina

Agregado de varios cristales sencillos pequeños (cristalitos o gránulos). Alto grado de ordenamiento. Cada región ordenada, o región cristalina sencilla, tiene su propio

tamaño y orientación. Las regiones (gránulos o dominios) están separadas por las fronteras del

gránulo. El ordenamiento atómico varía entre dominio y dominio. Los gránulos por lo general miden 100 nm - 100 u de diámetro. Los

policristales con gránulos menores a 10nm son nanocristalinos.

Sólidos policristalinos

Los metales y cerámicos están compuestos de agregados de pequeños gránulos, cada uno es un cristal individual.

Gránulos de una aleación de Titanio/Aluminio (94/6%)

Sólidos policristalinos

Crystal Structure

Formados por átomos, iones o moléculas orientados al azar que no forman patrones definidos o estructura tipo red.

Tienen cierto orden entre algunos pocos átomos, tienen distintos grados de ordenamiento en regiones pequeñas.

Ejemplos son el silicio amorfo (utilizado en celdas solares o transistores), los plásticos y vidrios (líquidos superenfriados).

Son isotrópicos, sus propiedades no varían con la dirección en que se evalúan.

Sólidos amorfos (no cristalinos)

Temperatura de transición vítrea

(Tg)•No tienen una No tienen una TmTm definida pero se definida pero se suavizan al aumentar la temperatura.suavizan al aumentar la temperatura.•La temperatura en la cual hay un La temperatura en la cual hay un cambio abrupto en el coeficiente de cambio abrupto en el coeficiente de expansión, incrementando la expansión, incrementando la movilidad molecular es la movilidad molecular es la temperatura de transición vítrea temperatura de transición vítrea (Tg)(Tg)..•Fluyen cuando son sujetos a cierta Fluyen cuando son sujetos a cierta compresión.compresión.

•No tienen una No tienen una TmTm definida pero se definida pero se suavizan al aumentar la temperatura.suavizan al aumentar la temperatura.•La temperatura en la cual hay un La temperatura en la cual hay un cambio abrupto en el coeficiente de cambio abrupto en el coeficiente de expansión, incrementando la expansión, incrementando la movilidad molecular es la movilidad molecular es la temperatura de transición vítrea temperatura de transición vítrea (Tg)(Tg)..•Fluyen cuando son sujetos a cierta Fluyen cuando son sujetos a cierta compresión.compresión.

Tarea

Cita 2 ejemplos de cada tipo de sólidos: cristalinos, policristalinos o amorfos.

Dibuja su estructura y describe su utilidad.

2-4 cuartillas. A mano, sin portada. Incluye al menos 2 fuentes

bibliográficas o referencias.

Sistemas Cristalinos

Cristal: Arreglo tridimensional periódico de átomos o moléculas (ej. Hielo).

Cada unidad tridimensional que se repite es la CELDA UNIATRIA del cristal.

Celda Unitaria Tridimensional

= entre b y c

= entre c y a

= entre a y b

Se genera un paralelepípedo con los vectores a , b and c.

Surgen diferentes redes o sistemas cristalinos al variar la longitud de a, b ó c y los ángulos , ó .

Triclínico Ortoclasa KAlSi3O8

3 lados desiguales

3 ángulos desiguales

1. Sistema triclínico

a b c

2. Sistema monoclínico

3 lados desiguales

2 ángulos rectos, el tercero arbitrario, distinto

a b c

= = 90°, 90°

MonoclínicoYesoCaSO4

MonoclínicoYesoCaSO4

3. Sistema Ortorrómbico

3 lados distintos

3 ángulos rectos

= = = 90°

a b c

Ortorrómbico

Barita BaSO4

4. Sistema cúbico

3 lados iguales

3 ángulos iguales

a = b = c

= = = 90°

Hesonita Ca3Al2Si3O12

5. Sistema trigonal

3 lados iguales

3 ángulos iguales, no rectos

= = 90°

a = b = c

Trigonal

Turmalina

6. Sistema tetragonal

2 lados iguales

3 ángulos rectos

a = b c

= = = 90° Tetragonal

Anatasa TiO2

7. Sistema hexagonal

2 lados iguales, un tercero arbitrario

2 ángulos iguales, un tercero de 120

a = b c

= = 90°, = 120°

Hexagonal

Berilo Be3Al2(Si6O18)

Los puntos de la red se encuentran sólo en las esqinas de la celda unitaria.

Los puntos de la red se encuentran en las esqunias de la celda y al centro de una de las caras.

P

C

Red primitiva

Red centrada en la base

Clases de celdas unitarias

Los puntos de la red están en las esquinas de la celda y en el centro de la misma.

I type

F type

Centrada en el cuerpo

Red centrada en la cara

Los puntos de la red están en las esquinas del paralelepípedo y al centro de cada cara de la celda unitaria.

Crystal Structure 29

Redes de Bravais (14): Conjunto infinito de puntos cuyo arreglo y orientación que se repiten desde todos los puntos en que se mire.

Número de Coordinación

Los puntos en la red de Bravais más cercanos a un punto son los vecinos más cercanos.

Debido a la periodicidad, todos los puntos de la red tienen el mismo número de coordinación, o número de vecinos más cercanos. Este número es propio de cada red.

NC = 6 de cúbico simpleNC = 8 de cúbico centrado en el cuerpoNC = 12 de cúbico centrado en las caras

Factor de empaquetamiento atómico

Volumen de átomos dentro de la celda unitaria entre el volumen de la celda unitaria.

Asumiendo que los átomos se tocan su radio sería a/2 Vista en dos

dimensiones

a/2

a/2

a= arista del cubo

Cálculo del factor de empaquetamiento atómico

a

Sistema Cúbico Simple

Tratar a los átomos como esferas rígidas

El sistema cúbico simple tiene 8 átomos. Cada uno contribuye con 1/8 de su volumen de la celda.

Factor de empaquetamiento:

Una celda cúbica simple tiene un 52% de su volumen ocupado por átomos

Cálculo del factor de empaquetamiento atómico

52.0

)2

(3

4)

8

1(8

3

3

=

x x=

a

a

volumen total de la celda

átomosdevolumen

Distancia del centro a la esquina =

Radio de cada átomo =

Factor de empaquetamiento, centrado en el cuerpo

El sistema cúbico simple tiene 9 átomos. 8 contribuyen con 1/8 de su volumen de la celda y uno con el total de su volumen (Total:2).

Factor de empaquetamiento:

a2

3

a4

3

Volumen ocupado por los átomos =

Factor de empaquetamiento:

68.068.03

3

a

a

3

3

68.04

3

3

42 aa

Una celda cúbica centrada en el cuerpo tiene un 68% de su volumen ocupado por átomos

74 % del volumen ocupado

Es la estructura con mayor empaquetamiento

Factor de empaquetamiento atómico, centrado en las caras

Referencias

Emel Özel, Ebru Pınar, Solid State Physics, Faculty of Engineering and Architecture, Anadolu University.

Pamir Alpay, Crystal Structures and Properties, School of Engineering, University of Connecticut.

Kausar Ahmad, Properties of Solids, Kulliyyah of Pharmacy Uruguay Educa, Fases Condensadas, Portal Educativo de

Uruguay. Supanee Buranadham, Structure of Materials, Faculty of

Dentistry, PSU. Callister, W.D., Ciencia e Ingeniería de los materiales,

Barcelona, Ed. Reverté, 1995. S. Gokhale, Crystal Systems and Crystal Structure

Determination, School of Sciences, Indira Gandhi National Open University.