Estructuras Cristalinas, Defectos y Química del Agua en Ingeniería de Materiales

Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de Materiales

Estructuras Cristalinas Metálicas

Las estructuras cristalinas definen las propiedades de los materiales metálicos. Se caracterizan por su celda unidad, el número de átomos por celda, el número de coordinación y el factor de ocupación.

Tipos de Estructuras Cúbicas y Hexagonales

1. Estructura Cúbica Centrada en el Interior (BCC): Se basa en una celda unidad cúbica en la que encontramos átomos en los vértices y en el centro.

   • Nº de átomos: 2
   • Nº de coordinación: 6
   • Factor de Ocupación (Focup): 68%
   • Ejemplos: Cromo, Molibdeno, Vanadio.

2. Estructura Cúbica Simple (SC): Los átomos se encuentran situados solo en los vértices.

   • Nº de átomos: 1
   • Nº de coordinación: 6
   • Factor de Ocupación (Focup): 52,3%
   • Ejemplo: Polonio.

3. Red Cúbica Compacta Centrada en las Caras (FCC): Se basa en un sistema cúbico donde los átomos están en los vértices y en los centros de las caras.

   • Nº de átomos: 4
   • Nº de coordinación: 12
   • Factor de Ocupación (Focup): 74%
   • Ejemplos: Níquel, Plata, Cobre, Aluminio.

4. Red Hexagonal Compacta (HCP): Se basa en una celda unidad que es un prisma hexagonal, donde tenemos átomos en los vértices y en los centros de la cara hexagonal, y otros tres átomos internos situados en el plano ecuatorial.

   • Nº de átomos: 6
   • Nº de coordinación: 12
   • Factor de Ocupación (Focup): 74%
   • Ejemplos: Magnesio, Cobalto, Zinc, Berilio.

Cálculos Iónicos y Comprobaciones en el Agua

Aspectos fundamentales para la caracterización química del agua:

1. El balance de cationes y aniones debe ser igual, es decir, $\Sigma Cat = \Sigma An$. Si falta la concentración de HCO₃⁻, esta se puede extraer de la alcalinidad total.
2. La suma de ppm de sustancias disueltas menos ½ de HCO₃⁻ debe dar aproximadamente el residuo seco.
3. La dureza en meq/L debe ser igual a la concentración de Ca²⁺ y Mg²⁺.
4. Si en un análisis falta la concentración de sodio (Na⁺) y potasio (K⁺), es posible obtenerla mediante el balance iónico.

Defectos Estructurales en Sólidos

Los defectos estructurales son imperfecciones en la red cristalina, independientes de las impurezas químicas. Se clasifican según su dimensionalidad:

Defectos Puntuales (Cero Dimensionales)

A cualquier temperatura por encima del cero absoluto, existe una proporción de defectos puntuales relacionados con la agitación térmica.

Tipos de Defectos Puntuales

• Vacantes: Se produce la salida de un par iónico (uno positivo y otro negativo) de su posición reticular.

• Intersticiales: Un átomo o ion ocupa un hueco o posición que normalmente está vacía.

Defectos Puntuales en Compuestos Cerámicos

En compuestos cerámicos, los huecos se mueven de un sitio a otro. La vacante se conoce como defecto de Schottky y el defecto intersticial se conoce como defecto de Frenkel.

Relación con la Temperatura

La concentración de defectos está relacionada con la temperatura mediante la siguiente expresión (donde $N_d$ es el número de defectos y $N$ es el número de posiciones):

$$\ln\left(\frac{N_d}{N}\right) = \ln C - \frac{E_v}{K}\left(\frac{1}{T}\right)$$

A mayor temperatura, mayor cantidad de defectos.

Conceptos Asociados

• Energía de Activación ($E_v$): Es la energía necesaria para crear un defecto.
• Mecanismos de Difusión: Tienen que ver con la presencia de huecos o vacantes, permitiendo el movimiento atómico dentro del sólido.

Defectos Lineales (Unidimensionales)

Son las Dislocaciones, asociadas normalmente a deformaciones mecánicas. Se definen como un semiplano extra de átomos dentro de la estructura cristalina.

Tipos de Dislocaciones

• De borde o arista.
• Dislocación helicoidal.
• Dislocación mixta.

Para definir las dislocaciones, también debemos hablar de su magnitud, representada por el Vector de Burgers.

Defectos Superficiales (Bidimensionales)

Estos defectos son de naturaleza bidimensional (aunque el texto original los mencione como tridimensionales, se refieren a fronteras).

• Mezclas: Se separan dos regiones de cristales.
• Frontera de Grano: Los materiales policristalinos se agrupan en agrupaciones de granos. Es importante conocer el número de granos y el índice del tamaño de los mismos.

Defectos Tridimensionales (Volumétricos)

Se refieren a regiones extensas del material, como los sólidos no cristalinos.

• No existe orden de largo alcance.
• Son las estructuras típicas de los vidrios.
• Solo hay orden de corto alcance.