2.11 ENLACE METALICO Y ELEMENTOS SEMICONDUCTORES.
UN ENLACE METÁLICO ES UN ENLACE QUÍMICO QUE MANTIENE UNIDOS LOS ÁTOMOSDE LOS METALES ENTRE SÍ. ESTOS ÁTOMOS SE AGRUPAN DE FORMA MUY CERCANAUNOS A OTROS, LO QUE PRODUCE ESTRUCTURAS MUY COMPACTAS. SE TRATA DEREDES TRIDIMENSIONALES QUE ADQUIEREN LA ESTRUCTURA TÍPICA DEEMPAQUETAMIENTO COMPACTO DE ESFERAS. EN ESTE TIPO DE ESTRUCTURA CADAÁTOMO METÁLICO ESTÁ RODEADO POR OTROS DOCE ÁTOMOS (SEIS EN EL MISMOPLANO, TRES POR ENCIMA Y TRES POR DEBAJO). ADEMÁS, DEBIDO A LA BAJAELECTRONEGATIVIDAD QUE POSEEN LOS METALES, LOS ELECTRONES DE VALENCIASON EXTRAÍDOS DE SUS ORBITALES Y TIENE LA CAPACIDAD DE MOVERSE LIBREMENTEA TRAVÉS DEL COMPUESTO METÁLICO, LO QUE OTORGA LAS PROPIEDADESELÉCTRICAS Y TÉRMICAS DE LOS METALES.
SEMICONDUCTORES
UN SEMICONDUCTOR ES UNA SUSTANCIA QUE SE COMPORTA COMO CONDUCTOR OCOMO AISLANTE DEPENDIENDO DEL CAMPO ELÉCTRICO EN EL QUE SE ENCUENTRE.LOS ELEMENTOS QUÍMICOS SEMICONDUCTORES DE LA TABLA PERIÓDICA SE INDICANEN LA TABLA SIGUIENTE.
Elemento
Grupo
Electrones enla última capa
-
-
-
-
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 enlacecovalente, 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, 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
Una celda unitaria es la unidad estructural que se repite en un sólido, cada sólido cristalino se representa con cada uno de los siete tipos de celdas unitarias que existen y cualquiera que se repita en el espacio tridimensional forman una estructura divida en pequeños cuadros. A un modelo simétrico, que es tridimensional de varios puntos que define un cristal se conoce como una red cristalina.
La clasificación que se puede hacer de materiales, es en función de cómo es la disposición de los átomos o iones que lo forman.
Si estos átomos o iones se colocan ordenadamente siguiendo un modelo que se repite en las tres direcciones del espacio, se dice que el material es cristalino
Si los átomos o iones se disponen de un modo totalmente aleatorio, sin seguir ningún tipo de secuencia de ordenamiento, estaríamos ante un material no cristalino ó amorfo.
Por conveniencia la mayoría de los materiales de la ingeniería están divididos en:
Materiales metálicos: estos materiales son sustancias inorgánicas que están compuestas de uno o más elementos metálicos, pudiendo contener también algunos elementos no metálicos, ejemplo de elementos metálicos son hierro cobre, aluminio, níquel y titanio mientras que como elementos no metálicos podríamos mencionar al carbono.
Los materiales de cerámica: como los ladrillos, el vidrio la loza, los aislantes y los abrasivos, tienen escasas conductividad tanto eléctrica como térmica y aunque pueden tener buena resistencia y dureza son deficientes en ductilidad, confortabilidad y resistencia al impacto.
Polímeros, en estos se incluyen el caucho (el hule), los plásticos y muchos tipos de adhesivos. Se producen creando grandes estructuras moleculares a partir de moléculas orgánicas obtenidas del petróleo o productos agrícolas.
2.14 ESTADO SOLIDO (CRISTALINO)
Los sólidos se pueden dividir en dos formas: en amorfos y cristalinos.
Un sólido cristalino: Se caracteriza por poseer rigidez y orden de largo alcance; sus moléculas, átomos o iones ocupan posiciones específicas.
El centro de cada una de las posiciones se llama punto reticular, y el orden geométrico de estos puntos reticulares se llama estructura cristalina.
Son ejemplos de estos sólidos las sales inorgánicas, los metales, muchos compuestos orgánicos, los gases solidificados (hielo seco: dióxido de carbono), etc.
Sólidos Amorfos: Sus moléculas carecen de disposición definida, de orden molecular de largo alcance. Ej: el vidrio, el fósforo rojo, la resina, el azufre amorfo y muchos materiales plásticos.
Tipos de celdas unitarias
2.15 Concepto y caracterización de sistemas cristalinos.
EL CONCEPTO DEL CRISTAL
Un cristal es un sólido homogéneo que presenta una estructura interna ordenada de sus constituyentes químicos, sean átomos, iones o moléculas.
La estructura cristalina, no es exclusiva de los minerales. Hay muchas sustancias cristalinas de origen orgánico, como el azúcar o las concreciones calcáreas de las conchas de moluscos, o de origen artificiales, como el acetato de plomo.
ESTRUCTURA CRISTALINA
La celda fundamental o celda unitaria o malla es la distribución de átomos, iones o moléculas más pequeñas, cuya repetición definida origina todo el conjunto cristalino.
En teoría este proceso se podría repetir indefinidamente hasta que se obtuviera el más pequeño conjunto de átomos, ordenados del mismo modo, y con la misma forma de cada uno de los fragmentos mayores. Estaríamos, entonces, ante la celda fundamental del cristal las formas poliédricas de caras planas, típicas de las sustancias cristalinas, indican que el cristal crece a diferentes velocidades en las distintas direcciones del espacio.
Un cristal se origina por acumulación de un pequeño conjunto de átomos. En consecuencia, si el crecimiento se produjera a la misma velocidad en todas las direcciones, los cristales serían esféricos.
LA RED CRISTALINA
La disposición ordenada de los constituyentes químicos en sucesiones a lo largo de los ejes, y los planos del cristal, es decir, en las tres direcciones del espacio, forman una red cristalina.
Repetición de la celda inicial en todos los espacios.
LOS NODOS
Cada uno de los constituyentes químicos, considerados, como puntos geométrico, recibe el nombre de nudo o nodo.
Esto se les ponen en filas y se repite cada cierta distancia característica, denominada periodo.
EL PLANO RETICULAR
Un conjunto de filas paralelas y equidistantes. Los espacios delimitados por los nodos, se denominan mallas. Las redes planas se forman geométricamente con la translación en dos direcciones de los constituyentes químicos que forman el cristal.
La intersección de varias filas originaría un nodo. Los constituyentes químicos se sitúan, normalmente, en estas intersecciones, aunque no siempre es así. También ocupan otros lugares como el centro de las caras de la celda fundamental. (pueden aparecer en medio).
EL RETÍCULO ESPACIAL
La superposición de varios planos reticulares da lugar al retícula espacial
Una línea del retículo corresponden a la arista del cristal
Un plano corresponde a la cara del cristal
El retículo se correspondería con el propio cristal
LOS ELEMENTOS DE SIMETRÍA
En los cristales, se pueden definir tres clases de elementos de simetría: ejes, planos y centros
Un eje de simetría es una línea que pasa por el centro del cristal, el cristal al dar la vuelta entorno a ella, ocupa 2, 3, 4, ó 6, veces la misma posición.
Si la posición se ocupa dos veces es binario
Si la posición se ocupa tres veces es ternario
Si la posición se ocupa cuatro veces es cuaternario
Si la posición se ocupa seis veces es senario
Un plano de simetría es un plano que divide el cristal en dos partes, cada una de las cuales es la imagen especular de la otra.
Un centro de simetría es un punto interior del cristal que divide en dos partes iguales a cualquier segmento, pase por el y enlaza juntos equivalentes.
LOS SISTEMAS CRISTALINOS
Existen 32 clases de cristales según sus características de simetría, que se organizan en 14 tipos de redes tridimensionales, las 14 redes de Bravais.
El número de combinaciones posibles de los elementos de simetría es finito.
La posesión de elementos de simetría en común permite agrupar las 32 clases cristalinas en 7 grupos, los sistemas cristalinos. Estos sistemas quedan definidos por las constantes cristalográfica, es decir, el tamaño característico de las aristas, y el ángulo que forman entre si en la s celdas fundamentales de cada tipo de cristal.
Los sistemas cristalinos son: cúbico o isométrico, triclínico, monoclínico, rómbico, tetragonal, hexagonal y trigonal o romboédrica.
Cada celda unidad queda determinada por la longitud de sus aristas a, b, y c que se cortan en un punto, y por el valor de sus ángulos ð, ð, γð que forma dichas aristas. Estos valores reciben el nombre de constantes cristalográficas y varían de una celdas a otras.
En la naturaleza existen siete tipos de células fundamentales, que se llaman: triclínico, monoclínico, cúbico, rómbico, hexagonal, romboédrico, tetragonal.
En ocasiones la estructura interna de los edificios cristalinos, presenta imperfecciones debidas a impurezas dentro de la red cristalina o a la sustitución de unas partículas elementales por otras. Por ello se forman cristales defectuosos. Estos defectos, originas determinados colores, contribuyen a la formación de piedras preciosas, permiten la flexibilidad de algunos metales o aumentan su resistencia y dureza. El ser humano aprueba estas imperfecciones en importantes aplicaciones, como en el funcionamiento de transistores y del láser.
ELEMENTOS MORFOLÓGICOS DE UN CRISTAL
Las caras que corresponden a los planos reticulares, las aristas o filtros de nodos de los bordes de una cara y los vértices que son los nudos o puntos terminales de las aristas.
2.16 ESTADO VÍTREO
El estado vítreo es amorfo, caracterizado por la rápida ordenación de las moléculas para obtener posiciones definidas.
Los cuerpos en estado vítreo se caracterizan por presentar un aspecto sólido con cierta dureza y rigidez y que ante esfuerzos externos moderados se deforman de manera general mente elástica.
. Sin embargo, al igual que los líquidos, estos cuerpos son óptimamente isótopos, transparentes a la mayor parte del espectro electromagnético de radiación visible. Cuando se estudia su estructura interna a través de medios como la difracción de rayos X, da lugar a bandas de difracción difusas similares a las de los líquidos. Si se calientan, su viscosidad va disminuyen do paulatinamente –como la mayor parte de los líquidos- hasta alcanzar valores que permiten su deformación bajo la acción de la gravedad, y por ejemplo tomar la forma del recipiente que los contiene como verdaderos líquidos. No obstante, no presentan un punto claramente marcado de transición entre el estado sólido y el líquido o "punto de fusión".
Los cuerpos en estado vítreo no presentan una ordenación interna determinada, como ocurre con los sólidos cristalinos. Sin embargo en muchos casos se observa undesorden ordenado, es decir, la presencia de grupos ordenados que se distribuyen en el espacio de manera total o parcialmente aleatoria.
2.17 ESTRUCTURA AMORFA
“Cuando las partículas se sitúan en el espacio de forma desordenada.”
La estructura amorfa, de la que el vidrio es un ejemplo habitual, se presenta como un amontonamiento caótico de subestructuras idénticas.
Un sólido amorfo consiste en partículas acomodadas en forma irregular y por ello no tienen el orden que se encuentra en los cristales. Los sólidos amorfos difieren de los cristalinos por la manera en que se funden. Los sólidos amorfos no tienen temperatura de fusión bien definida; se suavizan y funden en un rango de temperatura y no tienen “punto de fusión” característico. Los sólidos amorfos, al igual que los líquidos y gases, son isotrópicos, es decir sus propiedades son iguales en todas las direcciones. Esto se debe a la falta de regularidad en el ordenamiento de las partículas en los sólidos amorfos, lo cual determina que todas las direcciones sean equivalen tes.
Los materiales amorfos están constituidos por un elevado número de agregados cristalinos, cada uno de ellos constituido por alrededor de 100 átomos. Estos agregados cristalinos están dispersos en el sólido y se enlazan entre sí mediante una “red” cuya naturaleza hay que especificar. La limitación en el número de átomos en el agregado proviene del hecho de que no se pueden conseguir agregados compactos de mayor tamaño con energía suficientemente pequeña como para estabilizar la estructura.
El estado vítreo es amorfo, caracterizado por la rápida ordenación de las moléculas para obtener posiciones definidas.
Los cuerpos en estado vítreo se caracterizan por presentar un aspecto sólido con cierta dureza y rigidez y que ante esfuerzos externos moderados se deforman de manera generalmente elástica. Sin embargo, al igual que los líquidos, estos cuerpos son ópticamente isótropos, transparentes a la mayor parte del espectro electromagnético de radiación visible. Cuando se estudia su estructura interna a través de medios como la difracción de rayos X, da lugar a bandas de difracción difusas similares a las de los líquidos. Si se calientan, su viscosidad va disminuyendo paulatinamente –como la mayor parte de los líquidos- hasta alcanzar valores que permiten su deformación bajo la acción de la gravedad, y por ejemplo tomar la forma del recipiente que los contiene como verdaderos líquidos. No obstante, no presentan un punto claramente marcado de transición entre el estado sólido y el líquido o "punto de fusión".
Todas estas propiedades han llevado a algunos investigadores a definir el estado vítreo no como un estado de la materia distinto, sino simplemente como el de un líquido subenfriado o líquido con una viscosidad tan alta que le confiere aspecto de sólido sin serlo. Esta hipótesis implica la consideración del estado vítreo como un estado metastable al que una energía de activación suficiente de sus partículas debería conducir a su estado de equilibrio, es decir, el de sólido cristalino.
Las sustancias susceptibles de presentar un estado vítreo pueden ser tanto de naturaleza inorgánica como orgánica, entre otras:
·
Elementos químicos: Si, Se, Au-Si, Pt-Pd, Cu-Au.
·
Óxidos: SiO2, B2O3, P2O5, y algunas de sus combinaciones.
·
Compuestos: As2S3, GeSe2, P2S3, BeF2, PbCl2, AgI, Ca(NO3)2.
·
Siliconas (sustancias consideradas como semiorgánicas)
PROPIEDADES CARACTERÍSTICAS DE UN MATERIAL VÍTREO
Estado de la materia caracterizado por poseer una disposición atómica que no muestra una estructura ordenada de largo alcance, como es característico del estado cristalino. El aspecto atómico es el de un líquido, con los átomos distribuidos en posiciones aleatorias y cuyo único rasgo de cierta regularidad es una separación entre átomos vecinos aproximadamente constante. Sin embargo, el tiempo de permanencia de estos átomos en sus posiciones de equilibrio es relativamente.
Podemos definir a un vidrio como un líquido que ha perdido su habilidad para fluir, o bien, como un material sólido amorfo con características estructurales de líquido y que presenta una transición vítrea. La manera más fácil de formar un vidrio es enfriando un líquido lo suficientemente rápido para evitar que la cristalización ocurra.
Para entender el proceso de transformación de líquido a vidrio se pueden monitorear los cambios de entalpía o volumen en función de la temperatura. La figura 1 muestra cómo, al bajar la temperatura de un líquido, dos cosas pueden ocurrir: 1) Si el líquido cristaliza, se observa una discontinuidad en la propiedad observada a la temperatura de fusión (línea punteada), correspondiente a una transformación de primer orden.
2) Si la cristalización es “ignorada”, el líquido pasa a un estado metaestable superenfriado (línea gris obscuro) y la curva permanece con la misma pendiente. Al continuar enfriando llega un momento en que la pendiente de la curva sufre un cambio y a esta temperatura se le conoce como temperatura de transición vítrea (Tg) y es a la temperatura a la cual el vidrio es formado.
Las propiedades del vidrio común son una función tanto de la naturaleza de las materias primas como de la composición química del producto obtenido. Esta composición química se suele representar en forma de porcentajes en peso de los óxidos más estables a temperatura ambiente de cada uno de los elementos químicos que lo forman. Las composiciones de los vidrios silicatos sódicos más utilizados se sitúan dentro de los límites que se establecen en la tabla adjunta.
2.19 METALURGIA, PRINCIPALES METALES Y ALEACIONES UTILIZADAS EN LA INDUSTRIA.
Principales metales utilizados en la industria:
Metal:
Cada uno de los elementos químicos buenos conductores del calor y de la electricidad, con un brillo característico y sólidos a temperatura ordinaria
Hierro:
Es un metal reductor que se combina principalmente con el oxígeno, el azufre y el cloro. Reduce los ácidos cuyo anión no es reducible produciendo un desprendimiento hidrógeno.
Cobre:
Metal rojizo, maleable y dúctil. Es un excelente conductor de la electricidad. Sus métodos de obtención se agrupan en dos grupos: por vía seca, que consiste en una serie de oxidaciones, fusiones y reducciones de los minerales y por vía húmeda, en el que se tuestan primero los minerales con el sulfuro de hierro o pirita, transformándose el cobre en sulfato.
Plomo
Es un metal pesado, dúctil, maleable, blando y flexible; por lo que es muy fácil de modelar. Su número atómico es el 82, su peso atómico 207'22, y su símbolo el Pb.
Zinc:
Presenta una coloración blanca azulada. Es un metal algo blando. Cuando se funde es frágil, sin embargo, cuando está laminado adquiere una mayor resistencia, e incluso es posible darle forma.
Aluminio
Es un metal blando; tiene poca resistencia a la rotura y bajo límite elástico. Tiene un buen poder reflector. Su densidad en estado sólido es de 2'7; Su punto de fusión es de 660ºC y su temperatura de ebullición, de 2500ºC. Es un metal muy reactivo. Se combina en caliente con los halógenos, el oxígeno el nitrógeno y el carbono.
Principales aleaciones utilizadas en la industria:
Alnico: Aleación formada principalmente de cobalto, aluminio y níquel aunque también puede contener hierro, cobre y en ocasiones titanio. Su uso principal es en aplicaciones magnéticas.
Acero: aleación de hierro y carbono donde el carbono no supera el 2,1% en peso[ de la composición de la aleación, alcanzando normalmente porcentajes entre el 0,2% y el 0,3%.
Alpaca: aleación ternaria compuesta por zinc, cobre y níquel con un color y brillo parecido al de la plata, caracterizan por su ductibilidad, y por la facilidad para ser trabajadas a temperatura ambiente.
Constantán: Aleación generalmente formada por un 55% de cobre y un 45% de níquel (Cu55Ni45). Se caracteriza por tener una resistencia eléctrica constante en un amplio rango de temperaturas, es uno de los materiales más utilizados para la fabricación de monedas.
Magnam: aleación de magnesio (mg) que se le añade manganeso (mn), aluminio (al) y zinc (zn). Es un metal muy difícil de conseguir ya que solo se usa para experimentos y construcción de solo algunos instrumentos.
Zamak: Aleación de cobre, zonz con aluminio , magnesio y cobre.Tiene dureza, resistencia a la tracción, y temperatura de fusión de 386 °C.. Es un material barato.
|
No hay comentarios:
Publicar un comentario