INSTITUTO TECNOLÓGICO DE CIUDAD VICTORIA

Propiedad De Los Materiales

UNIDAD 2: ESTRUCTURA DE LOS MATERIALES

EQUIPO 4:

MARIBEL CASTRO CASTRO

CHINTYA VANESSA BARAJAS SANTILLAN

CHRISTOPER GERARDO SILVA VALLEJO

JORGE CHARLES CARREÓN

PROFESOR: JOSÉ RAUL RUIZ SAVALA

HORA 7:00 AM a 8:00 PM

1

2.4 ESTRUCTURA DE LOS MATERIALES ORGÁNICOS E INORGÁNICOS

Los compuestos orgánicos son sustancias químicas que contienen carbono, formando enlaces covalentes carbono-carbono y/o carbono-hidrogeno. En muchos casos contienen oxígeno, nitrógeno azufre fosforo, boro halógenos y otros. La base de las estructuras orgánicas son el carbono y el hidrogeno.

Los principales materiales orgánicos son la madera, el papel, el hule, la piel, la paja y derivados del petróleo entre otros. En los derivados del petróleo tenemos a los termoplásticos como pueden ser los polímeros, monómeros, etileno, metano, benceno, polietileno, entre otros.

Por su entidad molecular son generalmente materiales más blandos e inestables que los inorgánicos.

Se consideran materiales inorgánicos aquellos en cuya estructura intervienen elementos metálicos y no metálicos. Los materiales inorgánicos se clasifican en varias familias generales de propiedades semejantes: los hidruros, las sales binarias, los óxidos, los ácidos oxigenados, las sales oxiacidas y las bases.

Otros ejemplos de materiales inorgánicos son: silicatos (cerámicas), vidrio, cemento.

Tienen una estructura hexagonal, los distintos modos de empaquetamiento dan lugar a las llamados fases polimórficas (fases alotrópicas para los elementos), que da a los materiales distintas propiedades. Por ejemplo de todos son bien conocidas las distintas apariencias y propiedades del elemento químico del carbono, que se presenta en dos formas cristalinas muy diferentes el diamante y el grafito.

2

2.4.1 Orgánicos: Grafito y Diamante

El grafito es negro, blando con brillo metálico, refractario y se exfolia con facilidad. En la dirección perpendicular a las capas presentan una conductividad de la electricidad baja y que aumentan con la temperatura, comportándose como un semiconductor. A lo largo de las capas la conductividad es mayor y aumenta proporcionalmente a la temperatura comportándose como un conductor semimetálico. Un lubricante excelente, lo que sugiere que sus átomos deben estar distribuidos (empaquetados) de un modo que puedan entenderse sus propiedades.

Sin embargo, el diamante es transparente y muy duro, por lo que debe esperarse que sus átomos estén muy fijamente unidos. De todas las formas del carbono que se encuentran en la naturaleza o en el comercio, la más pura es el diamante.

Por lo que, sus estructuras sub-microscópicas (a nivel atómico) dan cuenta de sus diferencias. Aunque los dos están formados por carbono el grafito es muy blando y el diamante es el mineral más duro según la escala de Mohs. En cualquiera de sus formas el carbono es insoluble en todos los solventes comunes.

En la misma relación mutua en que se encuentran el azufre a y el azufre 13, se hallan el grafito y el diamante.

En efecto, tanto el uno como el otro están formados por carbono puro y difieren en cuanto a la forma de sus cristales y a algunas de sus propiedades físicas: color, dureza, etc.

3

2.4.4 Inorgánicos: silicatos, ciclo silicatos, inosilicatos, filosilicatos, vidrio, cemento

Silicatos

Los silicatos son el grupo de minerales de mayor abundancia, pues constituyen más del 95% de la corteza terrestre, además del grupo de más importancia geológica por ser patogénicos, es decir, los minerales que forman las rocas. Todos los silicatos están compuestos por silicio y oxígeno. Estos elementos pueden estar acompañados de otros entre los que destacan aluminio, hierro, magnesio o calcio.

Son una familia de compuestos cuya unidad estructural es el SiO44- el cual tiene

una geometría tetraédrica, en la cual un átomo de Silicio se encuentra en el centro y los átomos de Oxígeno en los vértices.

Si se protona completamente el ión SiO44- se obtiene ácido silícico el cual se

convierte en (SiO2)2H2O.

Dentro de los silicatos se en encuentran:

Ciclo silicatos

Son una división de minerales de la clase silicatos compuestos por átomos de silicio y oxígeno unidos por enlace covalente, con uniones iónicas con cationes muy diversos, produciendo los distintos minerales que componen esta familia.

Silicatos en los que las unidades forman anillos de tres y seis tetraedros.

4

Algunos ejemplos de ciclo silicatos son: turmalina, cordierita, rubelita, benitoita, dioptasa, etc.

Estructura molecular de la dioptasa

Estructura de la cordierita

Los ciclos silicatos corresponden a la unión de tres o más tetraedros de [SiO4]4− por sus vértices, formando un anillo cerrado, simple o doble, el cual puede tener enlaces iónicos con un metal como por ejemplo: sodio, calcio, hierro, aluminio, potasio, magnesio, etc.

Inosilicatos

Son una división de minerales de la clase silicatos compuestos por átomos de silicio y oxígeno unidos por enlace covalente, con uniones iónicas con cationes muy diversos, produciendo los distintos minerales que componen esta división. Silicatos en los cuales los tetraedros forman filamentos de longitud indefinida.

5

Corresponden a la unión de un átomo de silicio con cuatro átomos de oxígeno, conformando un tetraedro, con dos de sus vértices unidos covalentemente a los átomos de silicio de tetraedros vecinos, constituyendo así largas cadenas de tetraedros unidos por vértices, y que pueden ser cadenas simples o dobles.

Las cadenas, que se suelen traducir en hábitos cristalinos fibrosos, están unidas entre ellas por enlaces iónicos con iones metálicos como por ejemplo sodio, calcio, hierro, aluminio, potasio, magnesio, etc.

Inosilicatos de cadena simple

Los de cadena simple o piroxenos, tienen una cadena de tetraedros unidos por un vértice, con fórmula química (SiO3

2−)n, dando siempre proporciones Si: O de 1:3.

Inosilicatos de cadena doble

Los de cadena doble o anfíboles, tienen dos cadenas de tetraedros unidas entre sí por vértices, con fórmula química (Si4O11

6−)n, dando siempre proporciones Si: O de 4:11.

6

Filosilicatos

Son una subclase de los silicatos que incluye minerales comunes en ambientes muy diversos y que presentan, como rasgo común, un hábito hojoso o escamoso derivado de la existencia de una exfoliación basal perfecta. Esto es consecuencia de la presencia en su estructura de capas de tetraedros de dimensionalidad infinita en dos direcciones del espacio. La fórmula química de estos compuestos siempre tiene el anión (Si2O5

2−)n, que forma enlaces iónicos con cationes metálicos colocados entre las láminas, estabilizando la red cristalina. Son en general muy blandos y de peso específico bajo. Algunos de ellos tienen gran interés económico.

Silicatos en los cuales se forman láminas compuestas de tetraedros.

Modelo poliédrico de la lámina de tetraedros de sílice

Grupo de la serpentina Antigorita - Mg3Si2O5(OH)4

Crisotilo - Mg3Si2O5(OH)4

Lizardita - Mg3Si2O5(OH)4

Grupo de la arcilla Caolinita - Al2Si2O5(OH)4

Illita - (K,H3O)(Al, Mg, Fe)2(Si, Al)4O10[(OH)2,(H2O)] Esméctica Montmorillonita - (Na, Ca)0.33(Al, Mg)2(Si4O10)(OH)2·nH2O Vermiculita - (MgFe, Al)3(Al, Si)4O10(OH)2·4H2O Talco - Mg3Si4O10(OH)2

Pirofilita - Al2Si4O10(OH)2

Grupo de la mica Biotita - K(Mg, Fe)3(AlSi3O10)(OH)2

Moscovita - KAl2(AlSi3O10)(OH)2

Flogopita - KMg3Si4O10(OH)2

Lepidolita - K(Li, Al)2-3(AlSi3O10)(OH)2

Margarita - CaAl2(Al2Si2O10)(OH)2

Glauconita - (K, Na)(Al, Mg, Fe)2(Si, Al)4O10(OH)2

Grupo de la clorita Clorita - (Mg, Fe)3(Si, Al)4O10(OH)2•(Mg, Fe)3(OH)6

7

Vidrio

Los Vidrios son materiales que habiendo sido fundidos previamente se hacen rígidos sin cristalizar durante el proceso de enfriamiento. En cierta forma, el Vidrio se asemeja a un líquido sub-enfriado.

Las estructuras vítreas se producen uniendo los tetraedros de sílice u otros grupos iónicos para formar una estructura reticular no cristalina (amorfa).

Los Vidrios de Silicato son los vidrios más usados. La Sílice fundida, formada a partir de SiO2 puro se mezcla con óxidos "formadores de vidrio" tales como PbO, Al2O3 y "modificadores" (desvitrificadores) tales como CaO y Na2O.

Los Vidrios no silicáticos se pueden producir a partir de BeF2, GeO2, B2O3. Algunos vidrios se producen combinando SiO2 y B2O3.

SiO2 en estado cristalino SiO2 en estado vítreo

Cemento

El Cemento Portland se fabrica al mezclar arcillas (que son silicatos), caliza y algunos componentes menores. Estos se cuecen a 1700 °C para formar una escoria de silicatos.

Tanto el Ca2SiO4 como el Ca3SiO5 son componentes importantes del cemento como lo son los análogos del aluminio que se forman a partir del contenido de aluminio de las arcillas.

La Escoria, que se compone de estos otros silicatos, aluminatos y otros componentes menores (pero también importantes), se pulveriza para obtener el Cemento. Por "hidratación", una mezcla de arena y cemento forma un fluido que puede ser vaciado. Suele agregarse grava o roca triturada como refuerzo de la matriz de silicato, la mezcla en conjunto fragua para formar lo que se conoce como Concreto. La química de estos sistemas es complicada y sigue en estudio.

8

2.4.3 Grupo de los feldespatos, feldespatoides, escapolitas, zeolitas

Grupo de los feldespatos

Los feldespatos son los minerales más abundantes de la corteza terrestre, tienen un esqueleto de tetraedros SiO4- y AlO4- con iones de potasio, sodio o calcio que ocupan lugares apropiados en la estructura. Se pueden considerar como soluciones sólidas de tres compuestos ideales agrupadas en un subgrupo llamado feldespatos alcalinos o plagioclasa, formado por ortoclasa, albita y anortita. En los feldespatos alcalinos el sodio y el potasio sólo son intercambiables hasta cierto límite. Los feldespatos potásicos ortoclasa (u ortosa) y microclina generalmente contienen solo una pequeña cantidad de albita en solución sólida con ortoclasa, mientras el feldespato sódico albita generalmente contiene poca ortoclasa junto a la albita predominante. Sin embargo, la albita y la anortita forman una serie continua de minerales conocidos colectivamente como plagioclasa. (8). Comienza con la anortita, byotownita, labradorita, andesita, oligoclasa, albita, esta es la serie de plagioclasas.

Los feldespatos suelen presentar una buena exfoliación en dos direcciones formando ángulos de 90º. La dureza de los minerales de este grupo es aproximadamente 6 y su peso específico varía entre 2.55 y 2.76 con excepción de los feldespatos de bario, más pesados.

Los minerales de este grupo responden a la fórmula general XZ4O8 con:

X: Ba, Ca, K, Na, NH4, Sr;

Z: Al, B, Si.

La composición de los feldespatos más comunes puede expresarse en función del sistema: ortoclasa (KAlSi3O8) - albita (NaAlSi3O8) - anortita (CaAl2Si2O8). (7).

Microclina. KAlSi3O8.

Cristaliza en el sistema triclínico, presenta cristales muy parecidos a la ortoclasa, pueden presentar maclas; algunas laminillas se cruzan a casi 90° dando una estructura de tratan característica, y con esta singular propiedad se distingue rápidamente. Tiene color verde fuerte, Se emplea fundamentalmente en la fabricación de porcelanas. Cuando se calienta a altas temperaturas funde y obra como un cemento. Se emplea para elaborar los esmaltes para pintar sobre porcelanas. Igualmente se emplean en la fabricación de vidrios.

9

Grupo de los feldespatoides.

Los feldespatoides son silicatos anhidros, químicamente parecidos a los feldespatos, excepto por su menor contenido en silicio (aproximadamente un tercio menos), formándose a partir de soluciones ricas en álcalis y pobres en sílice. Por consiguiente los feldespatoides nunca podrán aparecer en rocas sobresaturadas en sílice, con cuarzo primario.

Las estructuras de estos minerales están íntimamente relacionadas con las de los feldespatos, sin embargo, algunos de ellos tienden a formar cavidades estructurales mayores que en el caso de los feldespatos, debidos a enlaces tetraédricos de cuatro y seis miembros, lo que justifica un mayor intervalo en sus pesos específicos, así como una facultad para contener aniones extraños, tales como Cl en el caso de la sodalita, CO3 para la carnotita, SO4 para la noseana y SO4, S y Cl en el caso de la lazurita.

Clasificación y aplicaciones

Simples

Son aquellos feldespatoides que presentan únicamente aniones silicato, son:

Leucita: KAlSi2O6, utilizada como fuente de sales potásicas.

Nefelina: (Na, K) AlSiO4, idealmente simple, aunque en la naturaleza siempre contiene algo de potasio. El principal uso es la explotación como material bruto en la industria del vidrio.

Anal cima

Complejos

Son aquellos feldespatoides que incluyen aniones extraños además del silicato:

Cancrinita: (Na, Ca)7-8(Al6Si6O24) (CO3SO4)1,5-2·5H2O

Hauyna: (Na, Ca)4-8Al6Si6(O,S)24(SO4,Cl)1-2

Lazurita: (Na, Ca)7-8(Al, Si)12(O,S)24[(SO4),Cl2,(OH)2]

Noseana: Na8Al6Si6O24SO4·H2O

Petalita: LiAlSi4O10

Sodalita: Na8Al6Si6O24Cl2

Cristaliza en sistema isométrico, es muy rara la presencia de cristales pero cuando llegan a aparecer son de forma dodecaédrica, tiene una exfoliación débil, su color es generalmente azul, aunque se presenta en color rosado raras veces. Su color azul es la característica principal para su identificación, utilizado como piedra ornamental.

10

Grupo de las escapolitas.

Las escapolitas son minerales metamórficos con fórmulas que recuerdan las de los feldespatos. Existe una serie completa de soluciones sólidas entre la marialita 3NaAlSi3O8*NaCl y la meionita 3CaAl2Si2O8*CaSO4 o CaCO3.

En esta serie hay una sustitución completa de Na por Ca con compensación de carga efectuada como en los feldespatos por sustitución concomitante de Si por Al .también hay sustitución completa de CO3, S y Cl2 entre sí.

Anal clima NaAlSi2O6*H2O.

Presenta cristalografía de modo isométrico, sus cristales en forma de trapezoides; tiene un color blanco a transparente, la característica de este mineral es que sus cristales no se desarrollan mucho, además de estar incrustados en la roca matriz. Aún no se encontrado aplicaciones.

Grupo de las zeolitas.

Las zeolitas están formadas por armazones de AlO4 y SiO4 muy abiertos, con grandes espacios de interconexión o canales. Dichos canales retienen iones de Na, Ca o K así como moléculas de agua ligadas por enlaces de hidrógeno a los cationes de la estructura. Esta estructura justifica la capacidad que tienen las zeolitas de desprender agua de manera continua a medida que se les calienta y a temperaturas relativamente bajas, dejando intacta la estructura del mineral. Por otra parte la zeolita deshidratada puede rehidratarse fácilmente simplemente sumergiéndola en agua. Por estas propiedades los de este grupo suelen emplearse como desecantes en la eliminación de agua en hidrocarburos.

Por otra parte, en función del tamaño de los canales las zeolitas son capaces de absorber diferentes moléculas, por lo que resultan muy apropiadas como elementos tamizadores moleculares.

Igualmente, son empleadas por sus propiedades de intercambio catiónico, empleándose para ablandar el agua (rebajar el contenido en Ca2+ del agua). Las zeolitas son minerales secundarios originados por la acción lixiviante de aguas termales sobre feldespatos o feldespatoides. Es un mineral índice de zonas metamórficas de grado muy bajo, definiendo la llamada "facies zeolítica". La palabra "zeolita" palabra deriva del griego "zeo" hiervo y "litos" piedra por la propiedad de estos minerales a fundir con marcada intumescencia. (9).

Estilbita NaCa2Al3Si13O36*14H2O

Cristaliza en el sistema monoclínico, con cristales tabulares, o agregados en gorma de haces, presenta exfoliación perfecta paralela, tiene un color blanco, muy raras veces amarillo. Es característico su exfoliación y los grupos de haces de cristales que presenta.

11

2.5. ESTRUCTURA DE LOS MATERIALES CERÁMICOS

Recordemos que los cerámicos son materiales que contienen tanto compuestos de elementos metálicos como no metálicos, que están unidos por enlaces iónicos y/o covalentes.

Enlace atómico: parcial o totalmente iónico

Iones metálicos: cationes (ceden sus electrones, +), aniones (aceptan electrones).

Estructuras cristalinas, compuestas de dos o más elementos.

La estructura está determinada por: el valor de la carga eléctrica de los iones (el cristal debe ser eléctricamente neutro) y los tamaños relativos de los cationes y aniones (número de coordinación).

2.5.1 Estructura de los materiales cerámicos cristalinos

Tienen estructuras cristalinas más complejas que la de los materiales metálicos.

Hay varias razones para esto:

1. Los átomos son de diferente tamaño.

2. Las fuerzas iónicas son también diferentes para cada material cerámico (silicio SiO2 diferente de la alúmina Al2O4).

3. Unión de más de dos elementos (óxidos complejos, MgAl2O4).

Existen dos características que componen los materiales cerámicos cristalinos que determinan la estructura cristalina: el valor de la carga eléctrica de los iones componentes y los tamaños relativos de los cationes y aniones.

El cristal debe ser eléctricamente neutro, o sea todas las cargas positivas de los cationes deben ser equilibradas por un número igual de cargas negativas de los aniones.

Los tamaños de los radios iónicos de los cationes y aniones, rc y rA respectivamente. Puesto que los elementos metálicos proporcionan electrones al ser ionizados, los cationes son generalmente menores que los aniones, por tanto el cociente rc / rA es menor que la unidad.

Las estructuras estables de los materiales cerámicos se forman cuando los aniones que rodean un catión están todos en contacto con el catión tal como se ilustra en la figura:

12

Estructuras cristalinas

a) Estructura cristalina tipo XY (X: catión, Y: anión)

Igual número de cationes y aniones. Un gran número de materiales cerámicos, incluyendo el CaO, el MgO, MnS, NiO, MnO, FeO, y el HfN poseen la estructura del cloruro de sodio, esta estructura es del tipo AX posee un número de coordinación tanto para los cationes y los aniones de 6, por consiguiente, el cociente del radio del catión y del anión está comprendido entre 0,414 y 0,732.

b) Estructura cristalina tipo XmYp

Número de cationes distinto del número de aniones m y p son diferentes de 1. El CaF2, el ThO2, el CeO2, el UO2, el ZrO2, el PuO2, y el HfO2, tienen la estructura de la florita, estos compuestos se destacan por la fórmula química XmYp, donde m y/o p son diferentes de 1.

Ejemplos: fluorita (CaF2), UO2, ThO2, etc.

c) Estructura cristalina tipo XmZnYp

Dos tipos de cationes (X y Z) y un anión (Y)

Ejemplos: perouskita (BaTiO3), SrZrO3, SrSnO3, espinela (MgAl2O4, FeAl2O4).

13

Fig. 6.4 Perouskita (BaTiO3)

Ti4+

O2-

Ba+2

2.5.2 Estructura de los silicatos cristalinos

Silicatos: materiales compuestos formados principalmente por silicio y oxígeno (mayoría de suelos, rocas, arcillas y arenas)

En vez de combinación de celdas unitarias, se usa combinación de tetraedros SiO4.

a) Sílice

Silicato más simple: dióxido de silicio o sílice

14

b) Silicatos más complejos

Uno, dos o tres de los átomos de oxígeno del tetraedro son compartidos por otros tetraedros. Estructuras de iones de Silicatos formados a partir de SiO4

15

2.5.3 Estructura de los vidrios cerámicos

Óxidos formadores de vidrio: Muchos vidrios inorgánicos están basados en el óxido de silicio, (SiO2), como formador de vidrio. La subunidad fundamental en los vidrios de sílice es el tetraedro SiO4 - en donde un átomo (ion) de silicio (Si4 +) se encuentra covalentemente enlazado a cuatro átomos de oxígeno. En la variedad de Sílice cristobalita, por ejemplo, los tetraedros SiO4 se encuentran unidos compartiendo vértices en una disposición regular produciendo un orden de largo alcance, en un vidrio corriente de sílice los tetraedros están unidos por sus vértices formando una red dispersa sin orden de largo alcance.

El óxido de boro B2 O3, es también un oxido formador de vidrio y por sí mismo forma subunidades que son triángulos planos con el átomo de boro ligeramente fuera de plano de los átomos de oxígeno. Sin embargo. En los vidrios de borosilicato a los que se han adicionado óxidos alcalinos y alcalinotérreos, los triángulos de óxido BO3- Pueden pasar a tetraedros BO4- , en los que los cationes alcalinos y alcalinotérreos proporcionan la electro neutralidad necesaria. El óxido de boro es un aditivo importante para muchos tipos de vidrios comerciales, con vidrios de borosilicato y aluminio borosilicato.

Vidrios de sílice

Sólido no cristalino, con un alto grado de distribución al azar.

Vidrios inorgánicos comunes (recipientes, ventanas, etc.): vidrios de sílice más óxidos (CaO y Na2O). Los cationes (Na+, Ca2+) enlazan los tetraedros, dando forma a una estructura vítrea, más probable que una cristalina.

16