SOLIDOS


En esta página veremos algunos aspectos que involucran a "SOLIDOS CRISTALINOS". Comenzaremos definiendo:

RED CRISTALINA: Patrón de ordenamiento de las partículas en el cristal.

CELDA UNITARIA: Unidad de repetición más pequeña capaz de reproducir la estructura del cristal. En un cristal existe un número limitado de celdas unitarias.
 
 
 
 
 
 

¿DE QUE DEPENDEN LAS PROPIEDADES DE LOS SÓLIDOS CRISTALINOS?


 

TIPOS DE CRISTALES:

Atómicos

Moleculares

Covalentes

Iónicos

Metálicos
 

De cada uno de los TIPOS DE CRISTALES analizaremos:
 

PARTICULAS QUE LOS CONSTITUYEN

FUERZAS ENTRE LAS PARTÍCULAS

PUNTO DE FUSIÓN

CONDUCCION DE CALOR Y ELECTRICIDAD

OTRAS PROPIEDADES: [dureza, maleabilidad, etc.]

EJEMPLOS

GENERALIDADES
 
 

ATOMICOS

PARTICULAS: átomos.

FUERZAS: de dispersión de London.

PUNTO DE FUSIÓN: muy bajo.

CONDUCCIÓN DEL CALOR Y LA ELECTRICIDAD: pobre.

OTRAS PROPIEDADES: blandos.

EJEMPLOS: Ar, Kr.
 
 

MOLECULARES

PARTICULAS: moléculas polares y no polares.
 
 

FUERZAS ENTRE PARTICULAS:
 


PUNTO DE FUSIÓN: bajo, moderadamente bajo.

CONDUCCIÓN: pobre.

OTRAS PROPIEDADES: blandos.

EJEMPLOS: CO2, CH4, H2O, O2.
 
 

COVALENTES

PARTICULAS: átomos unidos en redes de enlaces covalentes. Estructuras abiertas, no compactas.

FUERZAS: enlaces covalentes [más fuertes que las fuerzas intermoleculares].

PUNTO DE FUSIÓN: muy alto.

CONDUCCIÓN: pobre [electrones localizados en los enlaces covalentes].

OTRAS PROP.: muy duros [abrasivos, material de corte y molienda].

EJEMPLOS: diamante; Carburo de silicio SiC; cuarzo, SiO2.
 
 

CRISTALES IONICOS

PARTICULAS: iones.

FUERZAS ENTRE PART.: atracción electrostática.

PUNTO DE FUSIÓN: elevado [las partículas se atraen fuertemente].

CONDUCCION DE CALOR Y ELECT.: muy pobre, no conducen. [TP: conducen fundidos].

PROPIEDADES: duros y frágiles.
 

            X  O   X   O   X----->                     X=ANIÓN                    X  O    X    O    X
    <-------X    O   X   O  X                         O=CATIÓN                  X  O    X     O   X
                                                                                                            los cationes O se repelen
                                                                                                            los aniones X se repelen
 


"LOS CRISTALES IÓNICOS SON QUEBRADIZOS"


GENERALIDADES:

1] Dado un empaquetamiento compacto existen tantos huecos octahédricos como partículas corresponden a la celda elemental y el doble de huecos tetraédricos.

2] El volumen de los aniones es en general mayor que el de los cationes.

3] Si la relación del radio del catión dividido el radio del anión está comprendida entre 0.22 £ rc/ra£0.41 el catión ocupará huecos tetrahédricos, si 0.41 £ rc/ra£0.73 el catión ocupará huecos octahédricos.

Otros efectos que influyen sobre el tipo de huecos ocupados es la distorsión de su densidad de carga electrónica por cationes de carga elevada y radio pequeña, la polarización, la estequiometría del compuesto.

NUMERO DE COORDINACION:para los sólidos iónicos es el número de iones de carga contraria que se encuentran como vecinos más próximos de un ion dado.

DEBEMOS RECORDAR QUE:

1] El número de coordinación del catión [anión en el caso de la fluorita, CaF2] viene dado por el tipo de hueco que ocupa:

Tetraédrico : No de coordinación 4

Octahédrico: Nó de coordinación 6

2] El producto del número de coordinación por el coeficiente estequiométrico de la fórmula del compuesto iónico debe ser igual para ambos iones.

Ejemplo: CdCl2 el cadmio ocupa huecos octahédricos

No de coordinación del catión: 6 x 1 [coef. esteq.]: 6

Entonces 6=c x 2 Þc = 3

Se escribe Coord. 6: 3
 
 

ALGUNAS ESTRUCTURAS TIPICAS
Estequiom octaed.  tetraed. Coordinac. Red tipo
CA

[cc cara]

1 C   6:6 NaCl
CA   ½ C 4:4 Blenda
CA2 ½ C   6:3 CdI2
C2A   1C 4:8 Li2O
C2A3 2/3 C   6:4 Al2O3

Debemos recordar que el número de coordinación tiende a aumentar al aumentar el tamaño del catión respecto al del anión. Los aniones [gral. más grandes], se ubican constituyendo tetraedros, octaedros o en una celda cúbica al aumentar el tamaño del catión.
 
 

METALICOS

PARTICULAS: átomos [iones positivos que ocupan los sitios de la red cristalina y electrones deslocalizados].

FUERZAS: enlace metálico.

PUNTO DE FUSIÓN: Bajo [Hg], moderado y alto.

CONDUCCIÓN DEL CALOR: muy buenos. Los electrones se excitan térmicamente y pasan a niveles más bajos de su banda de conducción. El proceso inverso hace que se libere calor.

CONDUCCIÓN DE LA ELECTRICIDAD: muy buenos. Los electrones deslocalizados pueden moverse libremente.

OTRAS PROPIEDADES: blandos a muy duros. Brillantes. Dúctiles y maleables [por su empaquetamiento compacto que permite el deslizamiento de las capas densas].
 

 <-----   X  X   X   X   X                                                                    X   X   X   X   X
             X   X   X   X   X ----->                                                                     X  X   X   X   X
                                          LAS CAPAS  DE   ATOMOS SE DESPLAZAN CON FACILIDAD

                                                                                                  
"LOS CRISTALES METÁLICOS NO SON QUEBRADIZOS, SON

MALEABLES"

EJEMPLOS: Na, Ca, Fe, Zn, Al.

GENERALIDADES:

NUMERO DE COORDINACION: es el número de partículas [átomos, moléculas] vecinas más cercanas a una determinada partícula. En las estructuras compactas de los cristales metálicos un átomo está rodeado de por 12 átomos vecinos más cercanos.

ALGUNOS EJEMPLOS DE ESTRUCTURAS CRISTALINAS QUE PRESENTAN LOS SÓLIDOS METÁLICOS.

ESTRUCTURAS COMPACTAS.

Hexagonal compacta:

En las Fig 1 y Fig. 2 se representan las estructuras compactas hexagonales.

Cúbica compacta:

En las Fig. 3 y Fig. 4 se representan las estructuras cúbicas compactas (cúbicas centradas en las caras).

ESTRUCTURAS NO COMPACTAS

Cúbica centrada en el cuerpo

En la Fig. 5 se representa la estructura cúbica centrada en el cuerpo.
 
 

INDICES DE MILLER







EJEMPLOS:

Planos:

Fig. 6, Fig. 7 y Fig. 8

Familias de planos:

Fig. 10
 
 

DEFECTOS DE LAS ESTRUCTURAS

CRISTALINAS



                                                                                Autointersticiales

                                                                                Vacantes
                                            Cristales no iónicos
                                                                          Por impurezas : Sustitucional

                                                                                                   Intersticial

DEFECTOS PUNTUALES
                                                                                Defecto de Frenkel

                                                                                 Defecto de Schottky
 
                                                                                 Defecto de Farbe

                                            Cristales iónicos
                                                                                                Sustitucional
                                                                        Por impurezas
                                                                                                Intersticial
 

                                                            de borde

DEFECTOS DE LINEA                    de tornillo

                                                           mixtas
 
 

DEFECTOS PLANARES O INTERFACIALES: Borde de grano.
 
 






DEFECTOS PUNTUALES

En cristales no iónicos
 
 

Autointersticiales (self intersticial): Un átomo de un cristal puede ocupar el lugar intersticial entre los átomos que lo rodean. No ocurre espontáneamente puede inducirse por radiación.

Fig.11

Vacantes (vacancy) : se producen debido a la pérdida del átomo que se encontraba en una posición en la red.

Solidificación, vibraciones atómicas.

Proporción 1/10000

Difusión de átomos en estado sólido a altas temperaturas.

Fig. 11

Por impurezas: se presentan en cristales covalentes y metálicos.

Sustitucionales (sustitutional): la impureza se ubica reemplazando a un átomo de la red.

Aumento de la conductividad en el silicio puro.

Fig. 12

Intersticiales (Interstitial): las impurezas se ubican en los intersticios. El tamaño del átomo de la impureza debe ser pequeño. Ej: carbono en el hierro.

Fig. 12
 

en Cristales iónicos
 
 

Existe necesidad de mantener la electroneutralidad.

Defecto de Frenkel: Cuando un catión se mueve hacia la posición intersticial y genera una vacante. El conjunto vacante defecto intersticial es el defecto de Frenkel.

En un cristal iónico aumenta la conductividad del mismo.

Fig. 13

Defecto de Schottky: Cuando dos iones de carga opuesta se pierden se crea un par de huecos debidos a la ausencia del catión y anión.

Fig. 13

Por impurezas: las impurezas iónicas sustitucionales o intersticiales son también defectos en los cristales iónicos.

Ej: Sustitución del Ba2+ por Sr2+ en el BaS04

Fig. 14

Vacancias: A 1000 oC el NiO es verde aislador y a 1500 oC se crean vacancias y se forma Ni0.97O (negro semiconductor).

Fig. 15

Defecto de Farbe:  Un anión que está ausente es reemplazado por un electrón que migra hacia el lugar vacante.  Proporciona color al cristal
 
 

      DEFECTOS  DE LÍNEA O DISLOCACIONES

La red cristalina se distorsiona alrededor de una línea. Se crean durante la solidificación del sólido cristalino, por deformación plástica del cristal, por condensación de vacantes, por desajustes de tamaños atómicos en disoluciones sólidas.

De borde : Se genera por la inserción de un semiplano adicional de átomos.

Fig. 16

La distancia de desplazamiento de los átomos alrededor de una dislocación se denomina vertor b de deslizamiento o de Burgers y es perpendicular a la línea de dislocación [esta es perpendicular al plano del dibujo].
 
 
 
 

Hay una zona de compresión donde se insertó el plano y una de tracción por debajo del mismo.

Dislocación tornillo : Se genera en un plano que se somete a un esfuerzo de corte.

Se provoca un desplazamiento que genera una superficie de un plano en forma de espiral semejante al movimiento de un tornillo.

Aquí la línea de dislocación y el vector desplazamiento de b son paralelos [en la de borde eran perpendiculares].
 
 

Fig. 17
 

Mixtas: Existen dislocaciones mixtas [de borde + tornillo].
 

Fig 18

Fig.19
 

      DEFECTOS PLANARES O INTERFACIALES
 
 

Bordes de grano
 
 

Fig.20

Fig. 21
 

Los bordes de grano son imperfecciones en la superficie que separa los granos [cristales] de diferentes orientaciones en materiales policristalinos. Es una región de átomos mal distribuidos entre granos adyacentes.

En los metales los límites de grano se crean durante la solidificación cuando los cristales formados a partir de diferentes núcleos crecen simultáneamente y se encuentran unos con otros.

El borde de grano es una región estrecha El empaquetamiento atómico de los bordes de grano es algo menor que dentro de los granos.

El más bajo empaquetamiento atómico también permite la difusión más rápida de los átomos en la región de los bordes de grano.

La energía más alta de los bordes de grano y su estructura más abierta hacen de ellos una región más favorable para la nucleación y el crecimiento de precipitados.

A temperaturas normales los bordes de grano limitan el flujo plástico que permite el movimiento de dislocaciones.
 
 

IMPLICANCIAS DE LA PRESENCIA DE

DEFECTOS




a] La incorporación de impurezas en materiales semiconductores pueden incrementar su conductividad.

b]El conocimiento de las dislocacion es está estrechamente ligado a los procesos de deformación plástica de materiales.

c]La dureza de los metales puede incrementarse por el agregado de impurezas intersticiales o sustitucionales incrementan la tensión en la red. Se incrementa la resistencia al deslizamiento. Se dificulta la iniciación y continuidad de la deformación plástica.

d] La presencia de los bordes de grano afecta las propiedades de los materiales (cambio de propiedades ópticas, transparencia) . Fig. 22

e] Las propiedades de los materiales pueden modificarse a través de procesos de difusión en sólidos que involucran movimientos de vacancias y de impurezas intersticiales. (semiconductores) Fig. 23