Estructuras en sólidos

En este módulo se discutirá sobre la disposición que adoptan los átomos y/o iones en el estado sólido.

Se introducirá el concepto de cristalinidad y no cristalinidad; y en los sólidos cristalinos se hablará del concepto de celda unidad y se presentarán las estructuras cristalinas más frecuentes en metales, polimeros y cerámicos.

Cristalinidad y celda unidad
Los materiales sólidos se pueden clasificar según la regularidad con que se situán los átomos o iones. 

En un material cristalino, los átomos se sitúan en una disposición repetitiva o periódica a lo largo de muchas distancias atómicas; es decir, existe un orden de largo alcance con un patrón tridimensional que el material adquiere cuando solidifica. Los metales, muchas cerámicas y ciertos polímeros adquieren estructura cristalinas en condiciones normales de solidificación. 

El orden de largo alcance no existe en los materiales que no cristalizan. Estos materiales son los denominados no cristalinos  o amorfos.

El orden atómico de los sólidos cristalinos indica que grupos de átomos forman un patrón que se repite en el espacio. Al describir esta estructura conviene dividirla en las pequeñas entidades que se repiten.

Una celda unidad es la unidad tridimensional de repetición o patrón que adoptan los átomos o iones en la estructura cristalina. La celda unidad de la mayoría de las estructuras cristalinas son paralepípedos o prismas con tres conjuntos de caras paralelas.

Propiedades de los sólidos cristalinos
Algunas propiedades de los sólidos cristalinos dependen de la estructura cristalina del material; es decir, de la ordenación espacial de átomos, iones y moléculas.

Existen un elevado número de estructuras cristalinas diferentes que tienen, todas ellas, orden atómico de largo alcance. Estas estructuras varían desde las relativamente simples a las excesivamente complejas de los materiales cerámicos y poliméricos. 

Al describir la estructura cristalina se consideran los átomos (o iones) como esfera sólidas de diámetros bien definidos. El el denominado modelo atómico de esferas rígidas, en el cual las esferas representan átomos macizos en contacto.

Estructuras cristalinas de los metales
El enlace atómico de este grupo de materiales es metálico y de naturaleza no direccional. Por consiguiente, no hay restricciones en cuanto al número y posición de átomos vecinos más próximos; lo cual conduce, para la mayoría de los metales a estructuras cristalinas con gran número de vecinos muy próximos y densamente empaquetados. Utilizando el modelo de esferas rígidas mentado a la descripción de los metales, cada esfera representa un catión en la estructura cristalina.

Tabla 1. Radios atómicos y estructuras cristalinas de algunos metales 

La tabla 1 indica el radio atómico para algunos metales. La mayoría de los metales más corrientes cristaliza en una de las tres estructuras cristalinas siguientes: cúbica centrada en las cara, cúbica centrada en el cuerpo y hexagonal compacta.

• Estructura cristalina cúbica centrada en las caras

Los átomos se localizan en los vértice y en los centros de todas las caras del cubo que representa la celda unidad. Cristalizan en esta estructura el cobre, aluminio, plata y oro.

Imagen 1. Estructura cristalina cúbica centrada en las caras: (a) representación de la celda unidad mediante esferas rígidas, (b) celda unidad representada mediante esferas reducidas.

• Estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo

Algunos metales que adquieren esta estructura en el proceso de solidificación son: Fe(a), Cr, Ni, Mo, Ti (b), K, Na, Zr.

• Estructura cristalina hexagonal compacta

Algunos metales que adquieren esta estructura en el proceso de solidificación son: Mg, Co, Zr, Ti (a), Be, Zn y Cd.

Imagen 2. Estructuras cristalinas (a) Hexagonal compacta, (b) Cúbica centrada en el cuerpo.

Impurezas sólidas. La mayoría de los metales más familiares no son altamente puros, sino aleaciones en las cuales se añaden intencionadamente átomos extraños para conseguir un metal de características específicas. Corrientemente los metales se alean para conseguir resistencia mecánica y resistencia a la corrosión.

Adicionando átomos de impurezas a un metal se forma una disolución sólida y/o una nueva segunda fase, dependiendo del tipo de impureza, de su concentración y de la temperatura de la aleación.

Disoluciones sólidas. Una disolución sólida se forma cuando, al adicionar átomos de soluto a un material disolvente, la estructura cristalina se mantiene y no se forma ninguna otra nueva estructura.

Una disolución sólida también es composicionalmente homogénea; los átomos de impurezas se dispersan libre y uniformemente dentro del sólido.

En las disoluciones sólidas aparecen defectos puntuales, debido a las impurezas, de dos tipos: sustitucionales e intersticiales.

Imagen 3. Defectos puntuales en sólidos del tipo sustitucional.

En las disoluciones sólida con defectos puntuales del tipo sustitucional, los átomos de impurezas o soluto reemplazan o sustituyen a los átomos del disolvente. 

Existen varias condiciones entre átomos de disolvente y de soluto que determinan el grado de solubilidad. Una condición es el factor tamaño: cantidades apreciables de soluto pueden acomodarse en un disolvente sólido sólo si la diferencia entre los radios atómicos de ambos tipos de átomos es menor del +-15%. 

En otros términos: si los átomos del soluto crean grandes distensiones en la red, aparece una nueva fase. Otra condición es el denominado factor electroquímico. Cuanto más electropositivo es un elemento y más electronegativo el otro, mayor es la probabilidad de que formen un compuesto intermetálico, o una disolución sólida sustitucional. Además, influye la valencia relativa de los dos tipos de átomos. En igualdad de condiciones, un metal de valencia mayor tiene más tendencia a solubilizar que un metal de valencia inferior. El requisito final para la completa solubilidad en estado sólido es que ambos tipos de elementos tengan la misma estructura cristalina.

Imagen 4. Defectos puntuales en sólidos del tipo intersticial.

En las disoluciones sólidas con defectos puntuales del tipo intersticial, los átomos de impurezas llenan los vacíos o los intersticios atómicos del disolvente. Las posiciones intersticiales son relativamente pequeñas en los materiales metálicos que tienen factores de empaquetamiento relativamente elevados. Por consiguiente, los diámetros atómicos de las impurezas intersticiales deben ser considerablemente menores que los del disolvente.

El carbono forma disoluciones intersticiales al adicionarse al hierro; la concentración máxima de carbono es de un 2%. 

Imagen 5. Defectos de plano en sólidos del tipo límite de grano.

Otros defectos en sólidos que aparecen en estructuras cristalinas son los denominados defectos de línea o disolocaciones que pueden ser de diversos tipos: de arista, helicoidales, etc. En las disoluciones sólidas, fruto de las impurezas, también aparecen defectos en plano, tales como límites de grano, maclas o apilamientos.

Estructuras cristalinas de cerámicos

Estructuras cristalinas de polímeros

Esta sección se irá ampliando gradualmente a lo largo de las próximas semanas.

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