UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIEMENTALFRANCISCO DE MIRANDA

ÁREA DE TECNOLOGÍADEPARTAMENTO

MECÁNICA Y TECNOLOGÍA DE LA PRODUCCIÓNMATERIA CS. DE LOS MATERIALES

TEMA 2. ESTRUCTURA ELECTRÓNICA Y ARREGLOAS ATÓMICOS

Definición de Átomo: es una unidad estructural básica de todos los materiales de

ingeniería, está formado por el núcleo y los electrones, en el núcleo se encuentran los

protones (carga +) y los neutrones (carga neutra) y alrededor del núcleo se

encuentran los electrones (carga -).

Enlaces: fuerza de atracción que mantiene unidos a los átomos en sus formas

combinadas, se dividen en primarios y secundarios.

•Enlaces Primarios: son aquellos que desarrollan fuerzas interatómicas grandes,

entre los cuales tenemos; enlace iónico, enlace covalente y enlace metálico.

−Enlace Covalente: se forma debido a que los átomos se comparten uno o varios

pares de electrones entre sí. La fuerza de los enlaces proviene de la atracción entre

los electrones compartidos y los núcleos positivos.

−Enlace Iónico: es aquel que ocurre cuando un átomo cede sus electrones de

valencia a otro, el átomo que cede se convierte en catión (positivo) y el que recibe se

transforma en un anión (negativo), la atracción electrostática une a los iones. Los

materiales con este tipo de enlace presentan mala conductividad eléctrica y un punto

de fusión muy alto. Ej. Cloruro de sodio (NaCL)

Los metales que presentan este tipo de enlace tienen mala conductividad eléctrica

y térmica. Ej. El metano.

−Enlace Metálico: se produce debido a que los elementos metálicos ceden sus

electrones de valencia para formar un conjunto de electrones que rodea a los

átomos. La atracción electrostática une los electrones de valencia y los núcleos

positivos. Los materiales que presentan este tipo de enlace poseen buena

conductividad eléctrica y térmica y por lo general son muy duros.

Arreglos Atómicos: se refiere a la disposición espacial de los átomos en un

material; si no se consideran las imperfecciones que aparecen en los materiales,

entonces existen tres niveles de arreglo atómico; sin orden, orden de corto alcance

y orden de largo alcance.

1. Sin Orden: en este tipo de arreglo atómico, los átomos no tienen orden y llenan

de materia aleatoria el espacio en el cual está confinado el gas.

2. Orden de Corto Alcance: en este caso el arreglo atómico espacial se extiende solo hacia sus átomos vecinos mas cercanos.

3. Orden de Largo Alcance: en este caso el arreglo atómico espacial se extiende por

todo el material, los metales, semiconductores y muchos cerámicos e incluso

algunos polímeros tienen una estructura cristalina en la cual los átomos forman

un patrón repetitivo regular en forma de rejilla o de red.

Red: es el conjunto de puntos, conocidos como puntos de red, que están organizados

siguiendo un patrón periódico de forma que el entorno de cada punto en la red es

idéntico, uno o más átomos quedan asociados a cada punto de la red.

Estructura Cristalina: se refiere al tamaño, forma y organización atómica dentro de la

red. Es un modelo regular tridimensional de átomo, iones y moléculas en el espacio.

Celda Unitaria o Redes de Bravais: es la subdivisión de la red cristalina que sigue

conservando las características generales de toda la red. Las celdas unitarias se

pueden definir de forma muy simple a partir de dos vectores (2D) o tres vectores (3D).

Éstas tienen a su vez sus propios parámetros de red y un volumen determinado.

Celda Unitaria representada por esferas rígidas.

Red Cristalina representada por un paralelepípedo

Sistemas Cristalinos: •Cúbicos

•Tetragonales

•Ortorrómbicos

•Hexagonal

•Romboédrica

•Monoclínica

•TriclínicosSólido Cristalino representado por

esferas rígidas

Tipos de Sólidos Cristalinos

Estructura Cúbica centrada en el Cuerpo (body centered cubic BCC): está

formada por un átomo del metal en cada uno de los vértices de un cubo y un átomo

en el centro. Los metales que cristalizan en esta estructura son; hierro alfa, titanio,

tungsteno, molibdeno, niobio, vanadio, cromo, circonio, talio, sodio y potasio.

Metal Ctte reticular (a), nm

Radio atómico R*, nm

Cromo 0.289 0.125Hierro 0.287 0.124

Molibdeno 0.315 0.136Potasio 0.533 0.231Sodio 0.429 0.185

Tántalo 0.330 0.143Wolframio 0.316 0.137vanadio 0.304 0.132

Algunos metales con estructuras cristalinas bcc a temperatura ambiente (20 0c), sus constantes reticulares y sus radios atómicos.

Estructura Cúbica centrada en las Caras (FACE centered cubic FCC): A demás

de haber un átomo en cada esquina del cubo, hay uno en el centro de cada cara,

pero ninguno en el centro del cubo.

Cada átomo está rodeado por doce átomos adyacentes y los átomos de las caras

están en contacto. Está constituida por un átomo en cada vértice y un átomo en

cada cara del cubo. Los metales que cristalizan en esta estructura son: hierro gama,

cobre, plata, platino, oro, plomo y níquel.

Metal Ctte de red (a), nm Radio atómico R*, nm

Aluminio 0.405 0.143Cromo 0.3615 0.128Hierro 0.408 0.144Plomo 0.495 0.175Níquel 0.352 0.125Platino 0.393 0.139Plata 0.409 0.144

Estructura Hexagonal Compacta (hexagonal close packed HCH): esta

estructura está determinada por un átomo en cada uno de los vértices de un

prisma hexagonal, un átomo en las bases del prisma y tres átomos dentro de la

celda unitaria.

Cada átomo está rodeado por doce átomos y estos están en contacto

según los lados de los hexágonos bases del prisma hexagonal.

La figura usual de la red hexagonal compacta muestra dos planos

básales en forma de hexágonos regulares, con un átomo tanto en cada esquina del

hexágono como en el centro. Además hay tres átomos regulares en forma de

triángulo a la mitad de la distancia entre los dos planos básales. Los metales que

presentan esta estructura son; magnesio, berilio, cinc, cadmio y hafnio.

Algunos metales con estructuras cristalinas fcc a temperatura ambiente (20 0c), sus constantes de red y sus radios atómicos.

MetalCttes de red, nm

a c

Radio atómico R, nm

Relaciónc/a

% de variación de la

relación ideal

Cadmio 0.2973 0.5618 0.149 1.89 +15.7

Cinc 0.2665 0.4947 0.133 1.856 +13.6

HCP idea 1.633 0

Magnesio 0.3209 0.5209 0.160 1.623 -0.66

Cobalto 0.2057 0.4069 0.125 1.623 -0.66

Circonio 0.3231 0.5148 0.160 1.593 -2.45

Titanio 0.2950 0.4683 0.147 1.587 -2.81

Berilio 0.2286 0.3584 0.113 1.586 -3.98

Algunos metales con estructuras HCP a temperatura ambiente (200c), sus constantes de red y sus radios atómicos y sus constantes c/a.

Parámetros de la Red: son aquellos que permiten describir el tamaño y la forma de

la celda unitaria, incluye las dimensiones de los costados de la celda unitaria y los

ángulos. Donde la longitud es medida en nanómetros (nm) y Angstrom. Es la longitud

de los lados de la celda unitaria.

Números de Átomos por celda Unitaria: es el producto del número de átomos por

punto de red multiplicado por el número de puntos de red existentes por celda

unitaria. Por tanto, el número de puntos de red proviene de todas las porciones de

esquinas en una celda unitaria. CS= 1, BCC= 2, FCC= 4, HCP= 6.

También podemos describir al número de átomos por celda unitaria como el número

de átomos que posee cada celda. Una celda cuadrada, por ejemplo, poseerá un nodo

por celda ya que cada esquina la comparte con cuatro (4) celdas más.