EL ESTADO SÓLIDO CLASE I
CARACTERISTICAS DEL ESTADO SOLIDO Los átomos, iones o moléculas que componen un compuesto sólido están unidas entre sí por fuerzas intensas de cohesión, formando un todo compacto y denso. Estas fuerzas cohesivas son las responsables de las propiedades de dichos compuestos.
PROPIEDADES GENERALES DE LOS SÓLIDOS Elevada fuerzas de atracción entre los átomos, iones o moléculas - partículas - que lo componen. Elevado ordenamiento de sus partículas, presentan solo movimiento vibratorio. Oponen resistencia a cambios de forma y volumen (Inercia). Son prácticamente incompresibles. No fluyen. La difusión dentro de los sólidos es muy lenta.
PROPIEDADES PARTICULARES DE LOS SOLIDOS Dureza: resistencia que presenta un cuerpo a ser rayado. Rigidez: capacidad de conservar su forma original, al aplicarles una fuerza. Fragilidad: capacidad de romperse en muchos fragmentos (quebrarse). Tenacidad: resistencia que opone un material a que se propaguen fisuras o grietas. Porosidad: presencia de espacios vacíos en un material. Dilatación: capacidad de aumentar su volumen con el aumento de la temperatura Deformación: capacidad de cambiar de forma, sin llegar a romperse, al aplicarles una fuerza. Elasticidad: capacidad para deformarse cuando se les aplica una fuerza y recuperar su forma original al dejar de aplicarla. Maleabilidad: capacidad de ser labrados por deformación, poder obtener laminas delgadas de un material sin que se rompa. Ductilidad: capacidad de obtener hilos de dicho material.
Desde el punto de vista mecánico, teniendo en cuenta la resistencia a la separación que presentan los átomos, iones o moléculas, podemos clasificarlos en: Líquido Líquido Sólidos Sólidos puro viscoso tenaces frágiles Líquidos puros: resisten tensiones normales (σ) pero no tangenciales (τ). Líquidos viscosos: resisten tensiones normales (σ) y tangenciales (τ). Sólidos tenaces: resisten tensiones normales (σ) y tangenciales (τ). Presentan deformación elástica ( e) y cuando se vence la resistencia al resbalamiento se producen deformaciones plásticas ( p). Sólidos frágiles: resisten tensiones normales (σ) y tangenciales (τ). Presentan deformación elástica ( e) pero la resistencia al resbalamiento es muy alta, no hay deformaciones plásticas ( p).
SÓLIDOS IONICOS SÓLIDOS MOLECULARES SÓLIDOS MACROMOLECULARES Disposición geométrica de los átomos, iones o moléculas SÓLIDOS METÁLICOS SiO 2
Por qué es importante conocer la composición de los diferentes materiales sólidos para un ingeniero civil? Las propiedades más importantes de los materiales sólidos dependen de la disposición geométrica de los átomos, iones o moléculas constituyentes y de las interacciones que existen entre ellos. La gran versatilidad de los compuestos sólidos, es decir, disponibilidad de diferentes materiales, radica justamente en su diferente composición química (iónicos, moleculares, macromoleculares o metálicos) Conocer cómo están constituidos, nos ayudará a poder decidir que tipo de material es el más adecuado para una función específica, a su vez, podremos conocer y predecir como actuaran frente a factores externos (corrosión, radiación UV, temperatura, presión, etc.).
EMPAQUETAMIENTO DE LOS SÓLIDOS NO COMPACTO - - Estructura Estructura cúbica cúbica simple de cuerpo centrado COMPACTO - - Estructura Estructura cúbica de caras centradas hexagonal
MODELO DE ESFERAS SÓLIDAS Modelo teórico que ayuda a comprender la disposición geométrica de los sólidos. d circunferencia electrones de valencia centro de la esfera núcleo Considera a los átomos o iones como esferas duras. Las esferas más cercanas se tocan entre sí, la distancia más corta de dos esferas es de un diámetro (d).
Los átomos se agrupan para lograr un ordenamiento compacto que conduce a un menor nivel de energía potencial ESTABILIDAD polígono que indica el patrón de ordenamiento
ENERGÍA Y EMPAQUETAMIENTO No denso, empaquetamiento aleatorio Energía de enlace Denso, empaquetamiento ordenado Energía de enlace Estructuras densas y con empaquetamiento ordenado tienden a tener menores energías obteniendo compuestos más estables.
Apilamiento de capas tipo AAA Capa A Las capas sucesivas están superpuestas a la primera formación. Estructura cúbica simple (CS)
Apilamiento de capas tipo ABA La segunda capa (B) cubre la mitad de los huecos de la primera (A). La tercera (A) se coloca entonces sobre los huecos de la segunda, superponiéndose a la primera. Estructura Cúbica de cuerpo centrado (CCpC). Estructura Hexagonal compacta (HC).
Apilamiento de capas tipo ABCA En este caso, la tercer capa (C) se acomoda de modo de cubrir los huecos de la segunda capa (B). Así la cuarta capa (A) coincide con la primera. Estructura cúbica de caras centrada (CCaC)
Intersticios generados por el apilamiento de capas. huecos octaédricos (X) huecos tetraédricos ( )
Huecos tetraédricos
Huecos octaédricos
Huecos tetraédricos (T) y octaédricos (O) para la calda CCaC.
Estructura cúbica simple (SC) Empaquetamiento no compacto AAA. Ejemplos: -Po, Hg
Estructura cúbica de cuerpo centrado CCpC Empaquetamiento no compacto ABABAB Ejemplos: -Fe, Cr, Mo, Ba
Estructura hexagonal compacta HC Empaquetamiento compacto ABABAB Ejemplos: Mg, Zn, Cd, Ti
Estructura Cúbica de caras centradas CCaC Empaquetamiento compacto ABCABC Ejemplos: NaCl, Cu, Ag.
Los sólidos que utilizamos con propósitos estructurales y tecnológicos son sustancias constituidas por un número muy grande de átomos, iones o moléculas dispuestos según un arreglo espacial repetitivo llamado: CELDA UNITARIA
CELDA UNITARIA Porción más pequeña que permite reproducir toda la red por traslación en el sistema cristalino. El tamaño y forma de la celda unitaria están representados por las distancias a, b y c y por los tres ángulos entre pares de lados denominados, y γ. Parámetros reticulares: 3 aristas: a, b y c (constantes de malla). 3 ángulos, α, β, γ.
CELDA UNITARIA Es el arreglo elemental según el cual se disponen los átomos, iones o moléculas en un sólido. Su dimensión es del orden de 1 a 3 Å (angstrom). Se la puede inferir mediante difracción de rayos X (DRX), de electrones o de neutrones (Ley de Bragg).
Diagramas de difracción de rayos X DRX para diferentes materiales en función del estado de agregación.
ESTRUCTURA CRISTALINA Red Reticular: es el arreglo geométrico que se repite en las 3 direcciones. Base Reticular: define las posiciones de los átomos o moléculas en la red reticular. red reticular + = base reticular unidad elemental porción de una red cristalina
REDES CRISTALINAS En dos dimensiones sólo existen 5 tipos de redes capaces de rellenar, por repetición, todo el espacio. A cada una de estas redes se les denomina Red de Bravais.
En el espacio los polígonos se transforman en poliedros. Sólo existen 7 tipos de poliedros capaces de rellenar, por repetición, todo el espacio. Estos poliedros forman lo que se denomina sistemas cristalinos. tetragonal hexagonal monoclínico cúbico ortorrómbico romboédrico triclínico
LAS 14 REDES DE BRAVAIS. SISTEMAS CRISTALINOS α = β = ɣ = 90º a = b = c α = β = ɣ = 90º a = b c α = β = ɣ = 90º a b c α = β = 90º ɣ a b c
LAS 14 REDES DE BRAVAIS. SISTEMAS CRISTALINOS ROMBICO α β ɣ 90º a b c α = β = ɣ 90º a = b = c ángulos a 90º y 120º a1= a2 = a3 c
PUNTO RETICULAR Se refiere a la ubicación que poseen los átomos, iones o moléculas en un sistema cristalino respecto al sistema de ejes coordenado elegido y en relación con las dimensiones de la celda unidad. 1, 0, 0, 1 0, 1, 0, 1 1, 1, -1, 0
INDICES DE MILLER Permiten identificar planos y direcciones en un cristal. Con ellos se puede evidenciar fácilmente las simetrías del cristal. Se definen como los recíprocos de las intersecciones que el plano determina con los ejes coordenados. En el sistema cúbico el origen está situado en uno de los vértices de la celda unidad y los ejes (x, y, z) coinciden con las aristas. En el sistema hexagonal, el origen se sitúa en el centro de la base hexagonal de la celda unidad y z posee los ejes (a 1,a 2,a 3,z). z a 3 y a 2 x a 1
INDICES DE MILLER 1. Se identifica el plano cristalino y se determinan las intersecciones de este con los ejes coordenados. 2. Se invierten las coordenadas del plano. En el caso de que no haya intersección, el índice toma valor 0. 3. Encontrar los números enteros más pequeños, para ello se multiplican por el mínimo común múltiplo (A) 4. Queda representado el plano: (h, k, l): h = A/m; k = A/n; l = A/p Plano que no pasa por el origen: x /1 + y/ + z/ = 1 1/1, 1/, 1/ 1, 0, 0 Índices de Miller: (1 0 0)
z Sistema Cúbico y x z z x y x y
z Sistema Hexagonal (0 0 0 1) (0 1 1 0) a 3 a 2 a 1 (1 0 1 0) (1 1 2 0)
DIRECCIONES CRISTALOGRAFICAS Se definen mediante un vector: Con origen en el origen del sistema de ejes coordenados. Con extremo en algún punto o vértice de la red. Están siempre representadas por un número entero. z [1 1 1] [1 2 1] y [1 0 0] x
DIRECCIONES CRISTALOGRAFICAS Desde el origen de coordenadas del sistema se traza un vector. Se determina la longitud del vector proyección en cada uno de los ejes, en función de las dimensiones de la celda unidad. Estos números se multiplican o se dividen por un factor común para reducirlos al valor entero menor. Los índices se encierran en un corchete [uvw] o [uvtw]. Los números enteros corresponden a las proyecciones reducidas a lo largo de los ejes coordenados. No se usan fracciones.
NUMERO DE COORDINACION El número de coordinación (NC) indica el número de vecinos - en contacto - que tiene un átomo. Varía de 1 a 12 y depende de: La Valencia del átomo El empaquetamiento atómico: Tamaños de los átomos Distribución espacial de los átomos.
r/r NC Arreglo geométrico < 0.155 2 0.155 3 0.225 4 0.414 6 0.732 8 1 12
Ejemplos de Números de Coordinación Compuesto por un único elemento (C). Diamante NC carbono en el diamante = 4
Ejemplos de Números de Coordinación Más de un elemento Cloruro de sodio NC NC Cl = 6 Na = 6 Arena silicia NC Si = 4 NC O = 2
CCaC Estructura Cristalina del NaCl
FACTOR DE EMPAQUETAMIENTO (FE) Es la fracción de volumen en una celda unidad que está ocupada por átomos, iones o moléculas. Es adimensional y considera a las partículas como esferas rígidas. Volumen de las partículas: Volumen de la celda: a x b x c Ej.: celda cúbica: a 3
El empaquetamiento compacto representa el aprovechamiento más eficaz del espacio cuando se empaquetan esferas iguales, ósea, en los metales. El volumen ocupado por las esferas es del 74%.