2.5. ENLACE IONICO

La atracción electrostática entre átomos de diferente carga eléctrica genera un tipo de enlace conocido como enlace iónico. Es necesario que para que pueda darse dicho enlace uno de los átomos pueda ceder electrones y por el contrario el otro pueda ganar electrones, es decir, se produce la unión entre átomos que pasan a ser cationes y aniones. Este tipo de enlace generalmente se produce entre un elemento metálico (electropositivo) y elemento no metálico (electronegativo).  

Un ejemplo típico de este tipo de enlace lo  es  el cristal iónico cloruro de sodio ( NaCl )  sal común. En este enlace tiene lugar la transferencia de un electrón del átomo de sodio al átomo de cloro, como se observa a continuación:

Por ejemplo, durante la reacción del sodio con el cloro:sodio (en la derecha) pierde su única valencia de electrones al cloro (a la derecha),

        

Resultando en...un ión de sodio cargado positivamente (izquierda) y un ión de cloro cargado negativamente (derecha).

    

Note que cuando el sodio pierde su electrón de valencia, se hace más pequeño, mientras que el cloro se hace más grande cuando gana una valencia de electrón adicional. Esto es típico de los tamaños relativos de iones a átomos. Después que la reacción tiene lugar, los iones cargado Na+  y Cl- se sujetan gracias a las fuerzas electroestáticas, formando así un enlace iónico.

Los compuestos iónicos  comparten muchas características en común:

Los enlaces iónicos se forman entre metales y no metales, Al nombrar compuestos iónicos simples, el metal siempre viene primero, el no metal segundo

(por ejemplo, el cloruro de sodio), Los compuestos iónicos se disuelven fácilmente en el agua y otros solventes polares, En una solución, los compuestos iónicos fácilmente conducen electricidad, Los compuestos iónicos tienden a formar sólidos cristalinos con temperaturas muy altas.

Cristal de Cloruro de Sodio 

Cl-1 Na+1 Cl-1 Na+1 Cl-1

Na+1 Cl-1 Na+1 Cl-1 Na+1

Cl-1 Na+1 Cl-1 Na+1 Cl-1

Na+1 Cl-1 Na+1 Cl-1 Na+1

Esquema de Cristal NaCl

Un aspecto importante dentro de los enlaces químicos iónicos es el de las fuerzas repulsivas eléctricas, las fuerzas que mantienen la estructura con el índice de ordenación indicado es debido a la fuerza de Coulomb, muy intensas, lo cual permite puntos de fusión elevados, para fundir un cristal iónico se hace necesario deshacer la red cristalina, es decir separar los iones.

2,000°Kelvin 1,713°c

 

Al2O3::Cr SiO2

2.6.- ELEMENTOS QUE FORMAN COMPUESTOS IÓNICOS

Generalmente, un elemento alcalino o del Grupo I A  ( Li, Na, K, Rb, Cs, Fr )  y  un  elemento halógeno o del Grupo VII A  ( F, Cl, Br, I ) , formarán cristales iónicos. Algunos de los compuestos que mantienen

enlaces iónicos se encuentran  NaCl, LiF, KBr, NaF, KI, CaO, MgO, BeO, MgS, BaS, RbSe. (Como se puede observar el enlace se da entre un metal y un no metal)

Primero da nombre al anión y luego al catión. Recuerda que el catión se escribe primero en la fórmula. Los cationes monoatómicos utilizan el nombre del elemento. Los aniones monoatómicos toman su nombre de la raíz del nombre del elemento más el sufijo – uro.

Ej. El compuesto CsBr contiene el anión bromuro.

Para diferenciar entre múltiples números de oxidación del mismo elemento, el nombre de la fórmula química debe indicar el número de oxidación del catión. Este se expresa en números romanos dentro de paréntesis después del nombre del catión. Ejemplo: Fe+² y O ¯² tiene la fórmula FeO y se llama óxido de hierro. Fe+³ y O¯² tiene la fórmula Fe 2 O 3 se llama óxido de hierro (III)

Si el compuesto tiene un ión poli atómico, simplemente nombra el ión. Ejemplo: NaOH Hidróxido de sodio.

2.7. PROPIEDADES FISICAS Y COMPUESTOS IÓNICOS

PROPIEDADES DE LOS COMPUESTOS IONICOS

Punto de ebullición: Si ponemos al fuego un recipiente con agua, como el fuego está a mayor temperatura que el agua, le cede calor y la temperatura del agua va aumentando, lo que podemos comprobar si ponemos un termómetro en el agua. Cuando el agua llega a 100 °C, empieza a hervir, convirtiéndose en vapor de agua, y deja de aumentar su temperatura, pese a que el fuego sigue suministrándole calor: al pasar de agua a vapor de agua todo el calor se usa en cambiar de líquido a gas, sin variar la temperatura.

La temperatura a la que una sustancia cambia de líquido a gas se llama punto de ebullición y es una propiedad característica de cada sustancia, así, el punto de ebullición del agua es de 100 °C, el del alcohol de 78 °C y el hierro hierve a 2750 °C.

Punto de fusión: Si sacas unos cubitos de hielo del congelador y los colocas en un vaso con un termómetro verás que toman calor del aire de la cocina y aumentan su temperatura. En un principio su temperatura estará cercana a -20 °C (depende del tipo de congelador) y ascenderá rápidamente hasta 0 °C, se empezará a formar agua líquida y la temperatura que permanecerá constante hasta que todo el hielo desaparezca.

Igual que en el punto de ebullición, se produce un cambio de estado, el agua pasa del estado sólido (hielo) al estado líquido (agua) y todo el calor se invierte en ese cambio de estado, no variando la temperatura, que recibe el nombre de punto de fusión. SE trata de una temperatura característica de cada sustancia: el punto de fusión del agua es de 0 °C, el alcohol funde a -117 °C y el hierro a 1539 °C.

Sustancia Punto de fusión (°C) Punto de ebullición (°C)

Agua

Alcohol

Hierro

Cobre

Aluminio

0

-117

1539

1083

660

100

78

2750

2600

2400

Plomo

Mercurio

328

-39

SÓLIDOS DUROS Y QUEBRADIZOS.

Poseen altos puntos de fusión.

Baja conductividad térmica.

Son malos conductores de la electricidad en estado sólido.

2.8. ENLACE COVALENTE

El enlace covalente se debe la compartición de electrones que experimentan simultáneamente atracciones de aproximadamente la misma magnitud, por dos o más átomos, la cual rebaja la energía y hace, por consiguiente, que el sistema resultante sea más estable que los átomos por separado.

Toda la teoría del enlace covalente debe ser capaz de explicar tres aspectos fundamentales del mismo

Las proporciones en que los átomos entran a formar parte de la molécula y el número total de átomos de esta.

La geometría de la molécula.

La energía de la molécula.

Solo mediante teorías cuánticas es posible abordar de manera satisfactoria el estudio del enlace covalente, porque la disminución de energía por formación del mismo es debida fundamentalmente a que es imposible localizar un cierto electrón en un determinado sitio lo que origina el concepto de compartición de electrones. Las atracciones electrostáticas también intervienen en el enlace, pero en mucha menor medida.

Propiedades del enlace covalente

ORDEN DE ENLACE: El orden de enlace O.E es., un intento de estimar del numero de enlaces entre pares de átomos en la molécula y de establecer una relación con la descripción de Lewis.

LONGITUD DE ENLACE: La longitud de enlace es la distancia que existe entre los núcleos de dos átomos que están enlazados de manera covalente, compartiendo uno o más pares de electrones. La longitud de enlace está muy relacionado con la energía de enlace, debido a que dos átomos se unirán covalentemente sólo si estando unidos su estado de energía es menor que estando separados.

FUERZA DE ENLACE: La fuerza de enlace es directamente proporcional al orden de enlace e inversamente proporcional a la longitud de éste. Además, a mayor fuerza de enlace, mayor será la

energía del mismo, y mayor la energía necesaria para disociar dicho enlace. Estos últimos dos parámetros, energía de enlace y energía de disociación de enlace son los que se utilizan para medir la fuerza del mismo.

2.9 COMPARACION DE LAS PROPIEDADES ENTRE UN COMPUESTO IONICO Y UNO COVALENTE

Los compuestos iónicos y covalentes exhiben marcadas diferencias en sus propiedades físicas generales debido a que sus enlaces son de distinta naturaleza. En los compuestos covalentes existen dos tipos de fuerzas de atracción. Una de ellas es la que mantiene unidos a los átomos de una molécula. Una medida cuantitativa de esta atracción es la energía de enlace.

La otra fuerza de atracción opera entre las moléculas y se llama fuerza intermolecular. Como las fuerzas intermoleculares suelen ser más débiles que las fuerzas que mantienen unidos a los átomos de una molécula, las moléculas de un compuesto covalente se unen con menos fuerza. En consecuencia, los compuestos covalentes casi siempre son gases, líquidos o sólidos de bajo punto de fusión. Por otro lado, las fuerzas electrostáticas que mantienen unidos a los iones en un compuesto iónico por lo común son muy fuertes, de modo que los compuestos iónicos son sólidos a temperatura ambiente y tienen puntos de fusión elevados. Muchos compuestos iónicos son solubles en agua, y sus disoluciones acuosas conducen la electricidad debido a que estos compuestos son electrólitos fuertes.

La mayoría de los compuestos covalentes son insolubles en agua, o si se llegan a disolver, sus disoluciones acuosas por lo general no conducen electricidad porque estos compuestos son no electrólitos. Los compuestos iónicos fundidos conducen electricidad porque contienen cationes y aniones que se mueven libremente; los compuestos covalentes líquidos o fundidos no conducen electricidad porque no hay iones presentes. En la tabla 9.3 se comparan algunas propiedades generales de un compuesto iónico común, el cloruro de sodio, con las de un compuesto covalente, el tetracloruro de carbono (CCI4)

2.10 FUERZA DEL ENLACE COVALENTE

La energía de disociación del enlace, D, se define como la diferencia de energía entre el mínimo de la curva de energía potencial de la molécula diatómica y la energía de los átomos separados. Cuanto mayor es la energía de disociación del enlace mayor es la fuerza de unión entre los átomos que forman dicho enlace. Esto es un aspecto importante a considerar cuando se estudien las reacciones que una molécula puede sufrir, pues unamolécula cuyos átomos estén fuertemente unidos necesitará una energía de activación alta para poder reaccionar.

Cuando se hace uso de las fuerzas de enlace en ciclos termodinámicos, es más conveniente emplear la entalpía de disociación del enlace, ΔHd, que es la variación de entalpía para la reacción de disociación (1):

A−B (g) →A(g) + B(g) (1)

La entalpía de disociación del enlace difiere de la energía del enlace en RT.

2.11 ENLACES METALICOS Y SEMICONDUCTORES

ENLACE METÁLICO

Los átomos de los elementos metálicos se caracterizan por tener pocos electrones de valencia (electrones de la última capa) características:

• Alta conductividad eléctrica y térmica, tanto en estado sólido como fluido.• Ductilidad y maleabilidad.• Puntos de fusión y ebullición variables.• Este enlace metálico existe en todos los metales puros y en la mayoría de las aleaciones; se

da en estado sólido y líquido, pero desaparece en estado gaseoso.• Los electrones de valencia presentan gran movilidad lo que confiere al metal su elevada

conductividad tanto eléctrica como térmica.• Los iones que forman la red metálica son todos iguales, pudiéndose desplazar de unas

posiciones a otras equivalentes con relativa facilidad, lo que explica la ductilidad y maleabilidad de los metales.

CONDUCTORES

En los conductores sólidos la corriente eléctrica es transportada por el movimiento de los electrones; y en disoluciones y gases, lo hace por los iones.

Conductores sólidos: Metales

Características físicas:

estado sólido a temperatura normal, excepto el mercurio que es líquido. opacidad, excepto en capas muy finas. buenos conductores eléctricos y térmicos. brillantes, una vez pulidos, y estructura cristalina en estado sólido. dureza o resistencia a ser rayados; resistencia longitudinal o resistencia a la rotura; elasticidad o capacidad de volver a su forma original después de sufrir deformación; maleabilidad o posibilidad de cambiar de forma por la acción del martillo; (puede batirse o

extenderse en planchas o laminas) resistencia a la fatiga o capacidad de soportar una fuerza o presión continuadas ductilidad: permite su deformación forzada, en hilos, sin que se rompa o astille.

Características químicas:

Valencias positivas: Tienden a ceder electrones a los átomos con los que se enlazan. Tienden a formar óxidos básicos. Energía de ionización baja: reaccionan con facilidad perdiendo electrones para formar iones

positivos o cationes

Características eléctricas:

mucha resistencia al flujo de electricidad. todo átomo de metal tiene únicamente un número limitado de electrones de valencia con los que

unirse a los átomos vecinos. superposición de orbitales atómicos de energía equivalente con los átomos adyacentes La elevada conductividad eléctrica y térmica de los metales se explica así por el paso de electrones

a estas bandas con defecto de electrones, provocado por la absorción de energía térmica. Ejemplos de metales conductores: Cobre. Este material es un excelente conductor de las señales

eléctricas y soporta los problemas de corrosión causados por la exposición a la intemperie, por eso se usa para los cables. También el aluminio es un buen conductor. La más baja conductividad eléctrica la tiene el bismuto, y la más alta (a temperatura ordinaria) la plata.

SEMICONDUCTORES:

Entre los semiconductores comunes se encuentran elementos químicos y compuestos, como el silicio, el germanio, el selenio, el arseniuro de galio, el seleniuro de cinc y el teluro de plomo.

Para incrementar el nivel de la conductividad se provocan cambios de temperatura, de la luz o se integran impurezas en su estructura molecular.

Estos cambios originan un aumento del numero de electrones liberados (o bien huecos) conductores que transportan la energía eléctrica.

Los cuatro electrones de valencia (o electrones exteriores) de un átomo están en parejas y son compartidos por otros átomos para formar un enlace covalente que mantiene al cristal unido.

Para producir electrones de conducción, se utiliza energía adicional en forma de luz o de calor (se maneja como temperatura), que excita los electrones de valencia y provoca su liberación de los enlaces, de manera que pueden transportar su propia energía.

Tipos de semiconductores

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Semiconductores intrínsecos

Un cristal de silicio forma una estructura tetraédrica similar a la del carbono mediante enlaces covalentes entre sus átomos, en la figura representados en el plano por simplicidad. Cuando el cristal se encuentra a temperatura ambiente, algunos electrones pueden, absorbiendo la energía necesaria, saltar a la banda de conducción, dejando el correspondiente hueco en la banda de valencia (1). Las energías requeridas, a temperatura ambiente son de 1,1 y 0,72 eV para el silicio y el germanio respectivamente.

Obviamente el proceso inverso también se produce, de modo que los electrones pueden caer desde el estado energético correspondiente a la banda de conducción, a un hueco en la banda de valencia liberando energía. A este fenómeno, se le denomina recombinación. Sucede que, a una determinada temperatura, las velocidades de creación de pares e-h, y de recombinación se igualan, de modo que la concentración global de electrones y huecos permanece invariable. Siendo n la concentración de electrones (cargas negativas) y p la concentración de huecos (cargas positivas), se cumple que:

ni = n = p

siendo ni la concentración intrínseca del semiconductor, función exclusiva de la temperatura. Si se somete el cristal a una diferencia de tensión, se producen dos corrientes eléctricas. Por un lado la debida al movimiento de los electrones libres de la banda de conducción, y por otro, la debida al desplazamiento de los electrones en la banda de valencia, que tenderán a saltar a los huecos próximos (2), originando una corriente de huecos en la dirección contraria al campo eléctrico cuya velocidad y magnitud es muy inferior a la de la banda de conducción.

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Semiconductores extrínsecos

Si a un semiconductor intrínseco, como el anterior, le añadimos un pequeño porcentaje de impurezas, es decir, elementos trivalentes o pentavalentes, el semiconductor se denomina extrínseco, y se dice que está dopado. Evidentemente, las impurezas deberán formar parte de la estructura cristalina sustituyendo al correspondiente átomo de silicio.

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Semiconductor extrínseco tipo n

Es el que se ha dopado con elementos pentavalentes (As, P o Sb).

Al tener éstos elementos 5 electrones en la última capa, resultará que al formarse, como antes, la estructura cristalina, el quinto electrón no estará ligado en ningún enlace covalente, encontrándose, aún sin estar libre, en un nivel energético superior a los cuatro restantes. Si como antes, consideramos el efecto de la temperatura, observaremos que ahora, además de la formación de pares e-h, se liberarán también los electrones no enlazados, ya que la energía necesaria para liberar el electrón excedente es del orden de la centésima parte de la correspondiente a los electrones de los enlaces covalentes (en torno a 0,01 eV).

Así, en el semiconductor aparecerá una mayor cantidad de electrones que de huecos; por ello se dice que los electrones son los portadores mayoritarios de la energía eléctrica y puesto que este excedente de electrones procede de las impurezas pentavalentes, a éstas se las llama donadoras. Aún siendo mayor n que p, la ley de masas se sigue cumpliendo, dado que aunque aparentemente sólo se aumente el número de electrones libres, al hacerlo, se incrementa la probabilidad de recombinación, lo que resulta en un disminución del número de huecos p, es decir:  :n > ni = pi > p, tal que: n·p = ni

2 Por lo que respecta a la conductividad del material, ésta aumenta enormemente, así, por ejemplo, introduciendo sólo un átomo donador por cada 1000 átomos de silicio, la conductividad es 24100 veces mayor que la del silicio puro.

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Semiconductor extrínseco tipo p

Es el que se ha dopado con elementos trivalentes (Al, B, Ga o In).

En este caso, las impurezas aportan una vacante, por lo que se las denomina aceptoras (de electrones, se entiende). Ahora bien, el espacio vacante no es un hueco como el formado antes con el salto de un electrón, si no que tiene un nivel energético ligeramente superior al de la banda de valencia (del orden de 0,01 eV).

En este caso, los electrones saltarán a las vacantes con facilidad dejando huecos en la banda de valencia en mayor número que electrones en la banda de conducción, de modo que ahora son los huecos los portadores mayoritarios.

Al igual que en el caso anterior, el incremento del número de huecos se ve compensado en cierta medida por la mayor probabilidad de recombinación, de modo que la ley de masas también se cumple en este caso:

p > pi = ni > n, tal que: n·p = ni2

AISLANTES:

Presentan una resistencia al paso de corriente eléctrica hasta 2,5 × 1024 veces mayor que la de los buenos conductores eléctricos como la plata o el cobre.

Aislantes sólidos:

En los sistemas de aislamiento de transformadores destacan las cintas sintéticas PET (tereftalato de polietileno), PEN (naftalato de polietileno) y PPS (sulfito de polifenileno) que se utilizan para envolver los conductores magnéticos de los bobinados. Tienen excelentes propiedades dieléctricas y buena adherencia sobre los alambres magnéticos.

Un buen aislante entre vueltas de las bobinas de transformadores es el cartón prensado o pressboard, el cual da forma a estructuras de aislamiento rígidas.

2.12 TEORIA DE BANDAS

La teoría de bandas está basada en la mecánica cuántica y procede de la teoría de los orbitales moleculares (TOM). En esta teoría, se considera el enlace metálico como un caso extremo del enlace covalente, en el que los electrones de valencia son compartidos de forma conjunta y simultánea por todos los cationes. Desaparecen los orbitales atómicos y se forman orbitales moleculares con energías muy parecidas, tan próximas entre ellas que todos en conjunto ocupan lo que se franja de denomina una “banda de energía”.

Aunque los electrones van llenando los orbitales moleculares en orden creciente de energía, estas son tan próximas que pueden ocupar cualquier posición dentro de la banda.

La banda ocupada por los orbitales moleculares con los electrones de valencia se llama banda de valencia, mientras que la banda formada por los orbitales moleculares vacíos se llama banda de conducción. A veces, ambas bandas se solapan energéticamente hablando.

Este modelo explica bastante bien el comportamiento eléctrico no solo de las sustancias conductoras sino también de las semiconductoras y las aislantes.

En los metales, sustancias conductoras, la banda de valencia se solapa energéticamente con la banda de conducción que está vacía, disponiendo de orbitales moleculares vacíos que pueden ocupar con un mínimo aporte de energía, es decir, que los electrones están casi libres pudiendo conducir la corriente eléctrica.

En los semiconductores y en los aislantes, la banda de valencia no se solapa con la de conducción. Hay una zona intermedia llamada banda prohibida.

En los semiconductores, como el Silicio o el Germanio, la anchura de la banda prohibida no es muy grande y los electrones con suficiente energía cinética pueden pasar a la banda de conducción, por esa razón, los semiconductores conducen la electricidad mejor en caliente. Sin embargo, en los aislantes, la banda prohibida es tan ancha que ningún electrón puede saltarla. La banda de conducción está siempre vacía.

 

2.13 ESTRUCTURA DE LOS MATERIALES

2.1.1 Sistemas cristalográficos

Los cristalógrafos han demostrado que son necesarias solo siete tipos diferentes de celda unidad para

crear todas las redes puntuales. La mayor parte de estos siete sistemas cristalinos presentan variaciones

de la celda unida básica. A. J. Bravais mostró que catorce celdas unidad estándar podían describir todas

las estructuras reticulares posibles .Hay cuatro tipos de celdas unidad:

Sencilla

Centrada en el cuerpo

Centrada en las caras

Centrada en la base

En el sistema cúbico hay tres tipos de celdas unidad: cúbica sencilla, cúbica centrada en el cuerpo y

cúbica centrada en las caras. En el sistema ortorrómbico están representados los cuatro tipos. En el

sistema tetragonal hay solo dos: sencilla y centrada en el cuerpo. En el sistema monoclínico tiene celdas

unidad sencilla y centrada en la base, y los sistemas romboedríco hexagonal y triclínico, tienen solo una

celda unidad .1

Un sólido cristalino se construye a partir de la repetición en el espacio de una estructura elemental

paralelepipédica denominada celda unitaria. En función de los parámetros de red, es decir, de las

longitudes de los lados, o ejes, del paralelepípedo elemental y de los ángulos que forman, se distinguen

7 sistemas cristalinos:

Sistema Cristalino Ejes Ángulos entre ejes

Cúbico a = b = c α = β = γ = 90º;

Tetragonal a = b ≠ c α = β = γ = 90º

Ortorrómbico a ≠ b ≠ c ≠ a α = β = γ = 90º

Hexagonal a = b ≠ c α = β = 90º; γ = 120º

Trigonal (o Romboédrica) a = b = c α = β = γ ≠ 90º

Monoclínico a ≠ b ≠ c ≠ a α = γ = 90º; β ≠ 90º

Triclínico a ≠ b ≠ c ≠ aα ≠ β ≠ γ

(Todos distintos de 90º)

En función de las posibles localizaciones de los átomos en la celda unitaria se establecen 14 estructuras

cristalinas básicas, las denominadas redes de Bravais.2

Las Redes de Bravais o celdas unitarias, son paralelepípedos que constituyen la menor subdivisión de

una red cristalina que conserva las características generales de toda la retícula, de modo que por simple

traslación del mismo, puede reconstruirse el sólido cristalino completo.

Combinando los 7 sistemas cristalinos con las disposiciones de los puntos de red mencionados, se

obtendrían 28 redes cristalinas posibles. En realidad, como puede demostrarse, sólo existen 14

configuraciones básicas, pudiéndose el resto obtener a partir de ellas. Estas estructuras se denominan

redes de Bravais.

La estructura hexagonal compacta es un caso especial de estructura hexagonal, en la que se sitúan

tres puntos reticulares en el interior del hexágono, resultando la celda unitaria mostrada en la figura.3

2.1.2 Estructura cristalina

Todos los materiales están integrados por átomos los que se organizan de diferentes maneras,

dependiendo del material que se trate y el estado en el que se encuentra. Cuando un material se

encuentra en forma de gas, sus átomos están más dispersos o desordenados (a una mayor distancia

uno de otro) en comparación con los átomos de ese mismo material pero en estado líquido o sólido.

Existen materiales en los que sus átomos siempre están en desorden o desaliniados aún en su estado

sólido, a estos materiales se les llama materiales amorfos, un ejemplo es el vidrio, al que se considera

como un líquido solidificado.

En el caso de los metales, cuando estos están en su estado sólido, sus átomos se alinean de manera

regular en forma de mallas tridimensionales. Estas mallas pueden ser identificadas fácilmente por sus

propiedades químicas, físicas o por medio de los rayos X. Cuando un material cambia de tipo de malla al

modificar su temperatura, se dice que es un material polimorfo o alotrópico.

Cada tipo de malla en los metales da diferentes propiedades, no obstante que se trata del mismo

material, así por ejemplo en el caso del hierro aleado con el carbono, se pueden encontrar tres diferentes

tipos de mallas: la malla cúbica de cuerpo centrado, la malla cúbica de cara centrada y la malla

hexagonal compacta. Cada una de estas estructuras atómicas tiene diferentes números de átomos,

como se puede ver en las siguientes figuras.

Malla cúbica de

cuerpo centrado

Malla cúbica de cara

centrada

Malla hexagonal

compacta

La malla cúbica de cuerpo de cuerpo centrado. Es la estructura que tiene el hierro a temperatura

ambiente, se conoce como hierro alfa. Tiene átomos en cada uno de los vértices del cubo que integra a

su estructura y un átomo en el centro. También se encuentran con esta estructura el cromo, el molibdeno

y el tungsteno.

La malla cúbica de cara centrada aparece en el hierro cuando su temperatura se eleva a

aproximadamente  a 910ºC, se conoce como hierro gamma. Tiene átomos en los vértices y en cada una

de sus caras, su cambio es notado además de por los rayos X por la modificación de sus propiedades

eléctricas, por la absorción de calor y por las distancias intermoleculares. A temperatura elevada el

aluminio, la plata, el cobre, el oro, el níquel, el plomo y el platino son algunos de los metales que tienen

esta estructura de malla.

La malla hexagonal compacta se encuentra en metales como el berilio, cadmio, magnesio, y titanio. Es

una estructura que no permite la maleabilidad y la ductilidad, es frágil.

Modificar a una malla de un metal permite la participación de más átomos en una sola molécula, estos

átomos pueden ser de un material aleado como el carbón en el caso del hierro, lo que implica que se

puede diluir más carbón en un átomo de hierro. Si se tiene en cuenta que el carbón es el que, en ciertas

proporciones, da la dureza al hierro, entonces lo que se hace al cambiar la estructura del hierro es

permitir que se diluya más carbón, con lo que se modifican sus propiedades.

Otra de las características de los metales que influye notablemente en sus propiedades es el tamaño de

grano, el cual depende de la velocidad de enfriamiento en la solidificación del metal, la extensión y la

naturaleza del calentamiento que sufrió el metal al ser calentado.

Grano de las estructuras metálicas

Cuando un metal en su estado líquido se enfría sus cristales se van solidificando formando estructuras

dendríticas, las que crecen uniformes hasta que se encuentran con otra estructura que también ha

estado creciendo, en ese lugar de encuentro de las dos estructuras se forman los límites de los granos

de los materiales. Entre más lento el enfriamiento de un material, mayor uniformidad en el crecimiento de

los granos, o sea estos serán de menor tamaño.

Un material con granos pequeños será más duro que un con granos grandes, debido a que los granos

grandes tienden a fracturarse y deslizarse uno sobre el otro, lo que no sucede con los granos pequeños.

La mejor forma de determinar el tamaño de grano de un material es por medio de microscopio

metalúrgico, el que actúa por medio de un rayo de luz que se lanza sobre una superficie pulida al espejo

y limpiada con una mezcla de 3% de ácido nítrico y 97% de alcohol, para eliminar lo que se conoce

como metal untado.

Microscopio para la medición de grano en un metal

1

La mayoría de los metales elementales alrededor del 90 % cristalizan en tres estructuras cristalinas

densamente empaquetadas: cúbica centrada en el cuerpo (BCC), cúbica centrada en las caras (FCC) y

hexagonal compacta (HCP) . La estructura HCP es una modificación más densa de la estructura

cristalina hexagonal sencilla.

La mayor parte de los metales están cristalizadas en esas estructuras densamente empaquetadas

debido a que se libera energía a medida que los átomos se aproximan y se enlazan cada vez más

estrechamente entre sí. De este modo, dichas estructuras densamente empaquetadas se encuentran es

disposiciones u ordenamientos de energía cada vez más baja y estable.2