Estados de Agregación de la Materia y Estructura Cristalina

Estados de agregación de la materia

Líquido: capacidad de fluir y adaptarse a la forma del recipiente que lo contiene. Difícilmente compresibles. Fuerzas de cohesión intermedias.

Gaseosos: fuerzas de cohesión débiles, forma y volumen variable, gran fluidez, se adaptan al espacio que los contiene, son fácilmente compresibles, densidad muy baja.

Sólido: forma y volumen propio, gran resistencia a deformación (incompresibles). Rígidos y no pueden fluir, duros y muy resistentes.

Estado cristalino

Representación de las partículas de los sólidos mediante puntos situados en los nudos de una determinada red espacial.

Amorfos: no tienen ni forma ni estructura cristalina

Cristalinos: compuestos por átomos, moléculas o iones organizados de una forma periódica en tres dimensiones formando una red (modelo atómico de esferas rígidas) Estructura tridimensional llamada red cristalina.

La celda unidad es la unidad estructural fundamental y define la estructura cristalina mediante su geometría y por la posición de los átomos dentro de ella.

Sólidos cristalinos

• Atómicos: los nudos de la red están ocupados por átomos neutros que se unen entre si mediante enlaces covalentes. Elevada dureza y puntos de fusión elevados.
• Iónicos: nudos ocupados alternativamente por un ion positivo y otro negativo, enlace iónico. En forma solida son malos conductores, en estado fundido o disolución muy buenos conductores. Se rompen con facilidad.
• Metálicos: nudos ocupados por átomos metálicos positivos (cationes). Muy buenos conductores eléctricos y térmicos. Duros, dúctiles y maleables. Puntos de fusión y ebullición elevados.
• Moleculares: constituidos por empaquetamientos moleculares unidos entre si por fuerzas de Van Der Waals. Puntos de fusión no son elevados, malos conductores de electricidad.

POLIMORFISMO Y ALOTROPÍA

Existen muchas sustancias que tienen mas de una forma cristalina estable, este fenómeno se llama polimorfismo y en el caso de los elementos químicos alotropía.

Si dos sustancias distintas tienen la misma estructura cristalina se llaman isomorfas.

Los puntos críticos son las temperaturas a las que se producen las transformaciones alotrópicas de los metales y aleaciones.

MATERIALES POLICRISTALINOS

La mayoría de los solidos cristalinos son un conjunto de cristales pequeños o grano. Este tipo de material se denomina policristalino.

Etapas de solidificación de una muestra policristalina:

• Formación de núcleos de cristalización: aparecen pequeños cristales o núcleos en distintas posiciones
• Crecimiento de los cristales pequeños: algún cristal obstruye el crecimiento de su vecino. Los granos pequeños crecen por la sucesiva adición a la estructura de átomos de líquido subenfriado. Los extremos de granos adyacentes interaccionan entre sí al finalizar el proceso de solidificación. Aparecen granos de formas irregulares. Bajo el microscopio la estructura de los granos aparece con líneas oscuras en los limites de grano (región donde se unen dos granos)

ANISOTROPIA

Aquellas sustancias cuyas propiedades son independientes de la dirección de la medida se denominan isotrópicas.

Las propiedades físicas de algunos monocristales dependen de la dirección cristalográfica tomada para su medida. Esta propiedad se denomina Anisotropía. El grado de anisotropía se incrementa al disminuir la simetría estructural.

IMPERFECCIONES CRISTALINAS

Defectos puntuales: en la síntesis de materiales es imposible evitar la formación de impurezas, pueden situarse en el lugar de un átomo de la estructura pura (sustitucional) o en un lugar fuera de la red cristalina (intersticial). Otro defecto común son las vacantes, posiciones de la red cristalina en las que el átomo que debería ocuparlas se encuentra ausente.

Defectos lineales: reciben el nombre de dislocaciones y pueden ser en cuña, helicoidales o mixtas.

Defectos planares: nos centramos en el defecto planar mas importante que ocurre en la frontera de grano. La estructura atómica de la frontera de grano depende del ángulo que forman los granos entre sí. Estas fronteras se llenan de dislocaciones con lo que mediante el ataque químico adecuado se pueden analizar bajo un microscopio óptico o electrónico. Otro ejemplo de defecto planar son las maclas, región del material donde existe la imagen espejo de la estructura a través de uno de sus planos. Pueden aparecer durante la deformación plástica o durante el proceso de solidificación. Son características de materiales con estructura FCC.

SOLIDIFICACION Y CRECIMIENTO CRISTALINO

Cristalización: proceso por el cual los átomos, iones o moléculas se ordenan para formar una red cristalina determinada. Es necesario que la temperatura descienda hasta alcanzar la temperatura de solidificación, entonces la energía de los átomos es lo suficientemente baja como para que las fuerzas de cohesión sean mas fuertes que las de vibración (de origen térmico), por lo que los átomos pueden ordenarse, alinearse y formar la red cristalina correspondiente.

Tiene lugar en dos etapas, nucleación de los gérmenes o embriones y crecimiento de los cristales.

La ordenación más elemental de átomos se denomina embrión, han de tener un radio determinado (superior al crítico) para que se conviertan en núcleos estables. La nucleación puede ser homogénea, si los embriones se originan por propio acercamiento de los átomos en el seno del núcleo, o heterogénea, cuando se produce a partir de cualquier superficie ajena a la propia aleación o metal (paredes del molde)

La etapa de crecimiento de los cristales es el desarrollo de los núcleos formados. El tamaño y la forma de grano del material depende de la velocidad de nucleación y crecimiento. Los metales se funden hasta que se alcanza una fase liquida uniforme. A continuación, se reduce la temperatura. La solidificación comienza con la formación de núcleos estables en la fase liquida que van creciendo de tamaño hasta llenar el volumen delimitado por el molde. La nucleación inicial puede ser homogénea si el metal proporciona los átomos que se requieren para formar los núcleos. Para que se dispare el crecimiento de cristales durante la solidificación es necesario disminuir la temperatura varios grados por debajo de la temperatura de fusión del metal. A este hecho se le conoce con el nombre de subenfriamiento. Este subenfriamiento puede reducirse mediante el uso de impurezas o formación del núcleo solido sobre una superficie en cuyo caso hablaremos de nucleación heterogénea. La superficie de encuentro de los cristales o granos al crecer y finalizar la solidificación se denomina frontera de grano, regiones con máxima energía, debido a la acumulación de defectos en la estructura cristalina.

Cuando un metal se funde en un molde estacionario se producen granos equiaxiales (pequeños y redondeados cerca de la superficie) y granos columnares (grano alargado y delgado en la parte central y superficial al aire).

SOLUCIONES SÓLIDAS

Sólido que contiene dos o más elementos cuyos átomos se encuentran distribuidos aleatoriamente en la estructura y forman una sola fase. En una solución binaria el elemento mayoritario se denomina disolvente y el menor soluto. Pueden ser sustitucionales, si los átomos de impurezas sustituyen a los átomos del disolvente en posiciones de la red cristalina, o intersticiales, si por el contrario los átomos de soluto ocupan huecos entre los átomos de disolvente que forman la red cristalina. Las sustitucionales suelen darse cuando se cumplen las reglas de Humme-Rothery

DIFUSION

Desplazamiento o migración de partículas a través de la red cristalina debido a diferencias de concentración o a la agitación térmica.

Mecanismos

• Sustitucional o por vacantes: un átomo se desplaza desde su posición de equilibrio hasta la vacante. Solo es posible el salto si hay suficiente EA.
• Intersticial: los átomos intersticiales pueden difundirse mejor cuanto menor es su diámetro.

Factores

Es más rápida cuanto menor tamaño atómico, mayor numero de huecos intersticiales y mayor temperatura.