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Unidad I

Estructura, arreglos y movimientos de los átomos

Dr. Edgar García HernándezDivisión de Estudios de Posgrado e Investigación/Departamento de

Ingeniería Química y Bioquímica

e-mail: eddgarcia@hotmail.com

© 2013 ITZ

• Conocer la clasificación de los materiales,

según su estructura atómica, así como

también sus arreglos atómicos.

• Que el alumno conozca los tipos de

dislocaciones y su origen así como sus

efectos en los materiales.

• Conocer los movimientos atómicos que se

tiene al aplicar a un material ciertos

tratamientos y trabajos mecánicos que

ocasionan la difusión.

Contenido

1.1. Introducción a la ciencia e ingeniería de los

materiales

1.2. Estructura atómica

1.3. Arreglos atómicos y iónicos

1.4. Imperfecciones en los arreglos atómicos y

iónicos

1.5. Movimientos de átomos y iones en los

3

1.1. Introducción a la ciencia e

ingeniería de materiales

La ingeniería es la profesión en la que se

aplica con criterio un conocimiento de las

ciencias matemáticas y naturales, adquirido

por el estudio, la experiencia y la práctica,

con objeto de desarrollar formas de

utilización económica de los materiales y las

fuerzas de la naturaleza para el beneficio de

la humanidad.4

5

Energía de ionización Afinidad electrónica

6

Radio atómico Electronegatividad

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8

9

1.2. Estructura atómica

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Interacciones primarias

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19

20

The percent ionic character of a bond

between elements A and B (A being the

most electronegative) may be approximated

by the expression:

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The remaining nonvalence electrons and atomic

nuclei form what are called ion cores, which

possess a net positive charge

equal in magnitude to the total valence electron

charge per atom.

22

Problemas

1. Offer an explanation as to why covalently

bonded materials are generally less

dense than ionically or metallically

bonded ones.

2. Compute the percents ionic character of

the interatomic bonds for the following

compounds: TiO2, ZnTe, CsCl, InSb, and

MgCl

23

1. Explain why hydrogen fluoride (HF) has a

higher boiling temperature than hydrogen

chloride (HCl) (19.4 vs. -85 oC), even

though HF has a lower molecular weight.

2. On the basis of the hydrogen bond,

explain the anomalous behavior of water

when it freezes. That is, why is there

volume expansion upon solidification?

24

1.3. Arreglos atómicos y iónicosThis photograph shows a

diffraction pattern produced for a

single crystal of gallium arsenide

using a transmission electron

microscope. The brightest spot

near the center is produced by the

incident electron beam, which is

parallel to a 110 crystallographic

direction. Each of the other white

spots results from an electron

beam that is diffracted

by a specific set of

crystallographic

planes. (Photograph courtesy of

Dr. Raghaw S. Rai, Motorola, Inc.,

Austin, Texas.)

25

Solid materials may be classified according

to the regularity with which atoms or ions are

arranged with respect to one another.

1. crystalline materials.

2. Semi crystalline materials.

3. Noncrystalline or amorphous

materials

26

A crystalline material is one in which the

atoms are situated in a repeating or periodic

array over large atomic distances; that is,

long-range order exists, such that upon

solidification, the atoms will position

themselves in a repetitive three-dimensional

pattern, in which each atom is bonded to its

nearest-neighbor atoms. All metals, many

ceramic materials, and certain polymers

form crystalline structures under normal

solidification conditions.

27

Celda UnitariaUnit cells for most crystal structures are

parallelepipeds or prisms having three sets

of parallel faces; one is drawn within the

aggregate of spheres (Figure 3.1c), which in

this case happens to be a cube. A unit cell is

chosen to represent the symmetry of the

crystal structure, wherein all the atom

positions in the crystal may be generated by

translations of the unit cell integral distances

along each of its edges. 28

Estructuras cristalinas metálicas

Table 3.1 presents the atomic radii for a

number of metals. Three relatively simple

crystal structures are found for most of the

common metals: face-centered cubic, body-

centered cubic, and hexagonal close

packed.

29

30

31

FCC

BCC

32

HCP

33

Two other important characteristics of a

crystal structure are the coordination

number and the atomic packing factor

(APF). For metals, each atom has the

same number of nearest-neighbor or

touching atoms, which is the coordination

number.

For face-centered cubics, the coordination

number is 12.

34

The APF is the fraction of solid sphere

volume in a unit cell, assuming the atomic

hard sphere model, or

35

Calculando la densidad de metales

36

Ejercicios• Show that the atomic packing factor for

BCC is 0.68.

• Some hypothetical metal has the simple

cubic crystal structure shown in Figure

3.40. If its atomic weight is 70.4 g/mol and

the atomic radius is 0.126 nm, compute its

density.

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Materiales cristalinos cerámicos

Because ceramics are composed of at least

two elements, and often more, their crystal

structures are generally more complex than

those for metals. The atomic bonding in

these materials ranges from purely ionic to

totally covalent; many ceramics exhibit a

combination of these two bonding types, the

degree of ionic character being dependent

on the electronegativities of the atoms.

38

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Estabilidad de estructuras cristalinas

cerámicas

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Continuación….

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Estructuras tipo AX

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Estructuras tipo AmXp

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46

Estructuras tipo AmBnXp

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Calculando la densidad de cerámicos

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Polimorfismo y Alotropía

Some metals, as well as nonmetals, may

have more than one crystal structure, a

phenomenon known as polymorphism.

When found in elemental solids, the

condition is often termed allotropy. The

prevailing crystal structure depends on

both the temperature and the external

pressure.

50

Polimorfismo y AlotropíaOne familiar example is found in carbon as

discussed in the previous section: graphite

is the stable polymorph at ambient

conditions, whereas diamond is formed at

extremely high pressures. Also, pure iron

has a BCC crystal structure at room

temperature, which changes to FCC iron at

912C (1674F). Most often a modification of

the density and other physical properties

accompanies a polymorphic transformation.51

Carbono

52

Carbono

53

Carbono

54

Sistemas cristalinos

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Materiales cristalinos poliméricos

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Imperfecciones en cristales

• Realmente no existen cristales perfectos

sino que contienen varios tipos de

imperfecciones y defectos, que afectan a

muchas de sus propiedades físicas y

mecánicas y también influyen en algunas

propiedades de los materiales a nivel de

aplicación ingenieril tal como la capacidad

de formar aleaciones en frío, la

conductividad eléctrica y la corrosión.

69

Imperfecciones en cristales

• Las imperfecciones se clasifican según su

geometría y forma así:

– Defectos puntuales o de dimensión cero

– Defectos lineales o de una dimensión

llamados también dislocaciones

– Defectos de dos dimensiones

• También deben incluirse los defectos

macroscópicos tales como fisuras, poros y

las inclusiones extrañas.

• 70

Defectos Puntuales

71

72

Dislocación de Tornillo

73

Dislocación de Borde

74

Dislocaciones Mixtas

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76

77

Defectos de Superficie

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Fin de la Unidad I

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