TEMA 1. ESTRUCTURA INTERNA DE LOS MATERIALES.

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1 TEMA 1. ESTRUCTURA INTERNA DE LOS MATERIALES.

2 INDICE. 1. EL ATOMO. 2. FUERZAS Y ENERGIAS DE INTERACCION ENTRE ATOMOS. 3. ESTRUCTURA ELECTRÓNICA REACTIVIDAD QUIMICA. 4. TIPOS DE ENLACES ATOMICOS Y MOLECULARES. 1. Enlace iónico. i 2. Enlace covalente. Para el Carbono. 3. Enlace metálico. 4. Enlace secundario. Fuerza de van de waals y puentes de hidrogeno.

3 5. ESTRUCTURA CRISTALINA. 6. SISTEMAS CRISTALINOS. 1. Cristales. 2. Red cristalina. 3. Redes cristalinas de los metales. 1. Estructura cúbica c simple. 1hora 2. Estructura cúbica c centrada en el cuerpo.(bcc) 3. Estructura cúbica c centrada en caras. (FCC) 1hora 4. Estructura hexagonal compacta.(hcp) 7. MOVIMIENTO DE LOS ATOMOS. ALOTROPIA. 1hora PROBLEMAS. TOTAL:7 horas. TEORIA 3 horas. PROBLEMAS 4 horas.

4 1.-EL ATOMO. ATOMO: es la unidad elemental básica b que puede experimentar un cambio químico. MOLECULA: mínima m porción n que conserva todas las propiedades de un material. (formada por uno o varios átomos) NUMERO ATOMICO: número n de protones del átomo CONSTITUCIÓN N DEL ATOMO: Núcleo central con carga positiva y con toda la masa atómica concentrada en él l (protones y neutrones), y Corteza formada por electrones que giran alrededor, sin masa.

5 ESTRUCTURA ELECTRONICA DEL NUCLEO: Núcleo = protones (carga +) + neutrones (sin carga). Equilibrio: nº n protones = nº n electrones de la periferia. Número atómico (Z) = nº n de protones. Número másico m (A) = suma del nº n de protones y de neutrones (Z+N) IDENTIFICACION: z E A ESTRUCTURA ELÉCTRONICA DE LA CORTEZA. Los electrones se mueven en la corteza, en capas orbítales. Los electrones de las capas orbítales de la periferia tienen más s facilidad para intercambiarse entre átomos adyacentes.

6 2.-FUERZAS Y ENERGIAS DE INTERACCIÓN N ENTRE ATOMOS. Entre los átomos contiguos se desarrollan dos tipos de fuerzas: ATRACTIVAS: debidas a la naturaleza del enlace, y a las atracciones electrostáticas ticas entre cada núcleo n atómico y la nube electrónica del otro. REPULSIVAS: debidas a la acción n electrostática tica entre los núcleos n atómicos, y las nubes electrónicas entre sí. s ENERGIA DE ENLACE: es la energía a precisa para separar los átomos o moléculas que lo forman un distancia infinita, es decir, destruir el enlace. Esta energía a caracteriza el tipo de enlace. Numero de avogadro (R): facilita el numero de átomos o moléculas que hay en un mol de una sustancia. 6, moleculas/mol. Mol: es la masa molecular expresada en gramos.

7 3.-ESTRUCTURA ELECTRÓNICA Y REACTIVIDAD QUÍMICA. Las propiedades químicas de los átomos de los elementos dependen principalmente de la reactividad de sus electrones más m s externos. Los más s estables y menos reactivos son los gases nobles. La configuración n de la capa más m s externa hace que posean una alta estabilidad química. ELEMENTOS ELECTROPOSITIVOS. Son metálicos por naturaleza. Ceden electrones en las reacciones químicas para producir cationes (iones positivos). ELEMENTOS ELECTRONEGATIVOS: Son no metálicos y aceptan electrones en las reacciones químicas. Producen aniones (iones negativos) ELECTRONEGATIVIDAD: capacidad de un átomo para atraer hacia sís electrones.

8 4.-ESTRUCTURA INTERNA DE LOS MATERIALES: ENLACES. Los átomos se unen entre sís para formar los materiales a través s de lo que llamamos enlaces. ENLACE QUIMICO = Fuerza que mantiene unido de forma estable a dos átomos o moléculas de una sustancia. Los átomos en estado enlazado se encuentran en unas condiciones energéticas más m s estables que cuando están n libres. TIPOS: Enlace iónico. i Energía a de unión n kcal/mol. Enlace covalente kcal/mol. Enlace metálico kcal/mol. Enlace Secundario.

9 ENLACE IÓNICOI NICO. Se forma entre átomos muy electropositivos (metálicos) y átomos muy electronegativos (no metálicos) Se transfieren electrones de desde los átomos de los elementos electropositivos a los átomos de los elementos electronegativos. Este tipo de enlace posee unas propiedades específicas que les definen. Energía a de unión n kcal/mol. Estas altas energías de enlace se reflejan en la temperatura de fusión. Son materiales duros y frágiles, además s de aislantes eléctricos y térmicost

10 ENLACE COVALENTE. Se forma entre átomos de igual polaridad que comparten electrones periféricos, ricos, de forma que se completen. Átomos con pequeñas diferencias de electronegatividad. Ejemplo el hidrógeno. Este tipo de enlace posee unas propiedades específicas que les definen.

11 ENLACE METÁLICO LICO. En metales en estado sólido, s los átomos se encuentran empaquetados en una ordenación n sistemática tica llamada estructura cristalina. Los átomos están n tan juntos que sus electrones externos son atraídos por los núcleos n de sus átomos vecinos. Es propio de los metales y es el enlace más m s importante a nivel tecnológico, ya que las propiedades de los metales variaran según n sea este tipo de enlace. Debido a que los electrones de valencia están n dispersos en forma de nube, pueden moverse con bastante facilidad, por ello, tienen alta conductividad térmica t y eléctrica.

12 ENLACE SECUNDARIO. PUENTES DE HIDROGENO - DE VAN DER WAALS. Enlaces débiles, d debido a las fuerzas atractivas así lo son.

13 5.-ESTRUCTURAS CRISTALINAS. MATERIA TRES ESTADOS: SÓLIDO S LIQUIDO GASEOSO. AMORFO: las partículas que lo componen se agrupan sin ningún n orden, relación n o distancia entre ellas CRISTALINO: presenta los átomos o moléculas en posiciones regulares y repetidas en el espacio, siguiendo formas geométricas. ESTRUCTURA CRISTALINA: : modelo regular tridimensional de átomos en el espacio. DEFINICION DE CELDILLA UNIDAD: repetición n tridimensional con la que los átomos se ordenan. RED O RETICULA: : conjunto de varias celdillas unidad.

14 6.- SISTEMAS CRISTALINOS. RED CRISTALINA: LA DISPOSICIÓN N DE LOS ATOMOS DE FORMA REGULAR A LO LARGO DE LOS EJES Y PLANOS DEL MATERIAL. (ver figura 14 b) NUDO: Los lugares donde se ubican los átomos. REDES DE BRAVAIS: redes estándar a partir de las cuales se pueden obtener todas las demás. Son 14.

15 REDES CRISTALINAS DE LOS METALES. Las redes más m s importantes para nosotros son en las que cristalizan los metales y son de tres tipos: Cúbica centrada en las caras. (FCC). Cúbica centrada en el cuerpo. (BCC). Hexagonal compacta. (HCP). VALORES IMPORTANTES EN LA REDES. 1. Índice de coordinación: n: Nº N de átomos que rodean al átomo de la celda unidad. 2. Factor de empaquetamiento: fracción n de espacio ocupado por sus átomos. Densidad atómica.

16 VALORES IMPORTANTES EN LA REDES. 1. Índice de coordinación: n: Nº N de átomos que rodean al átomo de la celda unidad. 2. Factor de empaquetamiento: fracción n de espacio ocupado por sus átomos. Densidad atómica. FEA = Volumen de los átomos en la celda unidad / Volumen de la celda unidad.

17 ESTRUCTURA CUBICA SIMPLE. En esta red los átomos se colocan en vértices v de un cubo cuya arista tiene una longitud igual al diámetro del átomo, de forma que las esferas atómicas son tangentes entre sí. s VALORES IMPORTANTES EN ESTA RED. 1. Índice de coordinación: n: 6. Es el número n de puntos de la red más m s cercanos, los primeros vecinos, de un nodo de la red

18 2. Factor de empaquetamiento: a = arista del cubo de la celda unidad. R = radio del átomo. D = diámetro atómico (D=2R) Calcular el FEA en una estructura cúbica c simple. FEA = Volumen de los átomos en la celda unidad / Volumen de la celda unidad. Volumen de los átomos = 1 x (4/3 л R3). Volumen de la celda = a3. Relación n entre a y radio atómico (R).

19 ESTRUCTURA CUBICA CENTRADA EN EL CUERPO.(BCC) En esta red los átomos se colocan en vértices v de un cubo y además ocupan los centros geométricos de los mismos. VALORES IMPORTANTES EN ESTA RED. 1. Índice de coordinación: n: 8. Es el número n de puntos de la red más m s cercanos, los primeros vecinos, de un nodo de la red

20 2. Factor de empaquetamiento: Calcular el FEA en una estructura cúbica c simple. FEA = Volumen de los átomos en la celda unidad / Volumen de la celda unidad.

21 ESTRUCTURA CUBICA CENTRADA EN LAS CARAS.(FCC) En esta red los átomos se colocan en vértices v de un cubo y además s en los centros geométricos de las caras. VALORES IMPORTANTES EN ESTA RED. 1. Índice de coordinación: n: 12. Es el número n de puntos de la red más m s cercanos, los primeros vecinos, de un nodo de la red

22 2. Factor de empaquetamiento: Calcular el FEA en una estructura cúbica c simple. FEA = Volumen de los átomos en la celda unidad / Volumen de la celda unidad.

23 ESTRUCTURA HEXAGONAL COMPACTA.(HCP) Los átomos se colocan en los vértices v y en los centros de las bases de un prisma hexagonal y en los centros de los triángulos equiláteros de un plano equidistante de las dos bases del prisma. VALORES IMPORTANTES EN ESTA RED. 1. Índice de coordinación: n: 12. Es el número n de puntos de la red más m s cercanos, los primeros vecinos, de un nodo de la red

24 2. Factor de empaquetamiento: Calcular el FEA en una estructura cúbica c simple. FEA = Volumen de los átomos en la celda unidad / Volumen de la celda unidad. Volumen celda = Area base x altura. Area = semiproducto del perímetro x apotema (2Rx6/2) x (

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26 La altura es el doble de altura de un tetraedro regular formado por cuatro esferas de radio R.

27 7.-MOVIMIENTO DE LOS ATOMOS. TEMPERATURA. ALOTROPIA. La variación n de la temperatura tiene efecto sobre la posición n de equilibrio de los átomos de la red cristalina. Si la temperatura aumenta dilatacion térmica. t (incremento de las dimensiones de la red cristalina) Si la temperatura aumenta sobre un valor determinado fusión. (átomos colocados en posiciones lejanas y dispersos.) Calentamiento ó enfriamiento variacion del volumen. Dependiendo de las condiciones de presión n y temperatura, un mismo elemento o compuesto químico presenta diferentes estructuras cristalinas. A estos diferentes estados los denominaremos polimórficos o alotrópicos.

28 CRISTALIZACION. MATERIALES METALICOS FUSION Y SOLIDIFICACION. CRISTALIZACIÓN: Proceso mediante el cual los átomos, moléculas, culas, se ordenan para formar una red cristalina determinada. Para que la cristalización n tenga lugar es necesario que desde la fusión n la temperatura descienda hasta la solidificación; entonces la energía de los átomos es lo suficientemente baja como para que las fuerzas de cohesión n sean más m s fuertes que las de vibración n (de origen térmico), por lo que los átomos puedan ordenarse, alinearse y formar la red cristalina.

29 La cristalización n empieza con la formación n del grano. Y el grano empieza con la formación n de gérmenes g en el interior. Grano es una porción n de materia metálica limitada por una superficie poliédrica irregular. La formación n del grano depende de : el nº n de gérmenes y la velocidad de cristalización. Dentro del grano los átomos se colocan según n las estructuras cristalinas que hemos visto. Las propiedades de los materiales metálicos varían an mucho en función del tamaño o del grano. En general cuanto menor sea el tamaño o del grano mejores son las propiedades, de dureza, elasticidad, plasticidad, resistencia a la tracción, n, Existen tratamiento para afinar el tamaño o del grano.

30 DEFORMACIONES: ELASTICA Y PLASTICA. DEFORMACION ELASTICA: CUANDO EL MATERIAL ES SOMETIDO A UN ESFUERZO, SE DEFORMA, Y CUANDO ESTE CESA RECUPERA SU FORMA PRIMITIVA. DEFORMACION PLASTICA: IGUAL QUE EL ANTERIOR PERO CUANDO CESA EL ESFUERZO NO RECUPERA SU FORMA PRIMITIVA. ACRITUD: Aumento de la dureza debido a las deformaciones.

31 DEFECTOS EN LA ESTRUCTURA CRISTALINA. DEFECTOS TERMICOS: Los atomos no ocupan una posición n fija y estatica en el espacio, sino que a temperaturas diferentes del cero absoluto se encuentran dotados de un movimiento de vibración n que aumentara con la Tª.. Se produce la dilatación. DEFECTOS ATOMICOS: Son fallos o alteraciones en la ordenación n espacial de una estructura cristalina. Puntual, lineal o superficial.

32 DEFECTOS EN LA ESTRUCTURA CRISTALINA. DEFECTOS ATOMICO PUNTUAL. Es un espacio interatómico. Pueden ser que atomos se coloquen en los huecos de las estructuras atómicas. Se pueden colocar en puntos vacios de la red en los que no hay átomo. Otro tipo de defecto son atomos extraños que se situan en puntos reticulares como en huecos. Se llama DIFUSION al desplazamiento o cambio de posición que pueden sufrir ciertos atomos de una red, desde su posición n de equilibrio a otras posiciones proximas, debido a la agitación n térmica. t

33 DEFECTOS ATOMICO LINEAL. El defecto atómico lineal mas importante son las dislocaciones. Pueden ser en forma de cuña a o en forma de hélice. h Disminuye su resistencia.

34 SOLUCIONES SOLIDAS. Son muy pocos los metales que se utilizan de forma pura, la mayoria se mezclan con otros metales para conseguir mejorar las propiedades, se llaman aleaciones. Aleacción: Los elementos que se mezclan deben ser miscibles en estado liquido para que cuando solidifiquen formen un producto homogeneo. El producto obtenido debe posee carácter cter metálico.

35 Las aleacciones mas sencillas son las soluciones sólidas. Disolvente (mayor %) y soluto. Pueden ser: De sustitución: cuando los átomos de la red cristalina del metal se encuentran sustituidos por átomos de otro metal diferente. De inserción: n: cuando en los espacios interatómicos de la red cristalina de un metal se introducen átomos extraños.

36 MATERIAL ISOTROPO. Un material isótropo es aquel que presenta las mismas propiedades en todas las direcciones del espacio.