5.1. Estructuras cristalinas. Defectos cristalinos

Actividad

Sólidos cristalinos.

Un material puede solidificar como:

  • Sólido cristalino, cuando los átomos, iones o moléculas que lo constituyen se empaquetan siguiendo posiciones espaciales predeterminadas formando cristales. Los sólidos cristalinos tienden a adoptar estructuras internas geométricas siguiendo líneas rectas y planos paralelos.Y su aspecto externo depende de la siguiente serie de factores:
    • Composición química. El sólido puede ser una sustancia simple o un compuesto, y puede contener impurezas que alteren la estructura cristalina y otras propiedades, como el color o la consistencia.
    • Temperatura y presión. Ambas influyen en la formación de los cristales y en su crecimiento; en general, los cristales se forman a altas presiones y elevadas temperaturas.
    • Espacio y tiempo. El crecimiento tridimensional de un cristal puede verse limitado por el espacio y el tiempo. A menudo la falta de espacio es responsable del aspecto imperfecto de algunos cristales en su forma externa.
  • Sólido amorfo, cuando los elementos que constituyen el sólido no ocupan posiciones espaciales predeterminadas, por lo que no presentan estructuras ordenadas y no forman redes cristalinas: El vidrio y la cera son claros ejemplos de este tipo de sólidos.

Estructuras cristalinas.

La estructura interna de los cristales viene representada por la llamada celdilla unidad o elemental que es el menor conjunto de átomos que mantienen las mismas propiedades geométricas de la red y que al expandirse en las tres direcciones del espacio constituyen una red cristalina. El tamaño de esta celdilla viene determinado por la longitud de sus tres aristas (a, b, c), y la forma por el valor de los ángulos entre dichas aristas (α, β , γ).

Celda unitaria
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Auguste Bravais, en el siglo XIX fue el primero en proponer la hipótesis de la estructura reticular de los minerales. En la actualidad se han podido describir catorce redes cristalinas, llamadas redes de Bravais.

 

De las catorce redes de Bravais, casi todos los metales elementales y aleaciones metálicas, cistalizan en los siguientes tres tipos:

  • BCC
  • FCC
  • HCP

 

Red cúbica centrada en el cuerpo
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de Cdang bajo GDFL

Red Cúbica Centrada en el Cuerpo (BCC, Body Centred Cubic)

La red representa un cubo cuyo parámetros son:

  • aristas: a = b = c
  • ángulos entre aristas: α = β = γ = 90°
  • cantidad de átomos: 8 átomos en los vértices del cubo y 1 átomo en el centro del cubo.

 

EJEMPLOS: Feα, Mo, Na, ...
Red cúbica centrada en las caras
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de Cdang bajo GDFL

Red Cúbica centrada en las Caras (FCC, Face Centred Cubic)

La red tiene forma de cubo, cuyos parámetros son:

  • aristas: a = b = c
  • ángulos entre aristas: α = β = γ = 90°
  • cantidad de átomos: 8 átomos en los vértices del cubo y 6 en los centros de cada una de las caras.

EJEMPLOS: Feγ, Ni, Co, Cu, Al, Ti, ...

Red hexagonal compacta
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de Cdang bajo
GDFL

Red Hexagonal Compacta (HCP, Hexagonal Close Packing)

La red tiene forma de prisma recto de base es un hexaedro, cuyos parámetros son:

  • aristas: a = b ≠ c
  • ángulos entre aristas: α = β = 90°; γ = 120°
  • cantidad de átomos: 12 átomos están dispuestos en los vértices de la red, 2 átomos en el centro de la base y 3 átomos en el interior de la red.

EJEMPLOS: Ti, Co, Cd, Mg, ...

 

Defectos cristalinos.

Podemos afirmar que no existen cristales perfectos sino que en general contienen algún tipo de imperfección o defecto. Estas alteraciones influyen en las cualidades de los materiales, alterando las propiedades estudiadas en temas anteriores como: físicas, mecánicas, etc.

Los más importantes son:

Defectos puntuales. Son los que se propagan en una dirección afectando a una fila de la red cristalina y afectan a un único punto en la red, afectando a los átomos próximos. Dentro de este grupo de imperfecciones tendríamos:

  • Vacancias, son puntos vacíos en la estructura de la red que tiene el material, que deberían haber estado ocupados por átomos.
  • Átomo intersticial, es un átomo que se ha colocado en los huecos o intersticios de la red. Suelen ser de menor tamaño que los átomos que componen la red.
  • Átomo sustitucional, es un átomo diferente que sustituye en la red a uno de los originales
  • Dislocaciones, consisten en líneas adicionales de átomos insertadas en la estructura cristalina.

Defectos de superficie. Son aquellos que se propagan a través de un plano o dos dimensiones.

Defectos volumétricos. Son aquellos que se propagan en 3 dimensiones, provocando una gran alteración en la red.