Estructuras de Cristal Metálico

Habilidades para Desarrollar

• Describir los diferentes tipos de celdas unitarias y aleaciones

La mayoría de los metales quieren tener altos números de coordinación (muchos vecinos por cada átomo). El mayor número de coordinación posible con esferas es 12. Hay 2 arreglos regulares que dan 12 vecinos, y se les llama empaque cerrado. Estas son las formas más densas posibles de organizar las esferas. Ambos se basan en planos hexagonales de átomos que se apilan. Los átomos de cada plano se asientan en los agujeros del plano inferior. Mira la figura.

por Vida de Riley vía Wikimedia Commons

Las esferas A grises representan el plano inferior. Los agujeros en este plano están etiquetados B y C. La siguiente capa pasará sobre los agujeros B o los agujeros C. No importa cuál. Los 2 tipos de empaque cerrado provienen de lo que sucede con la tercera capa. Si las capas son ABAB (que es equivalente a ACAC o BCBC), eso forma un tipo de empaque cerrado, llamado hexagonal cerrado, o hcp. El otro tipo de empaque cerrado tiene capas ABCABC y se llama cúbico cerrado o ccp. Cubic Close-packed también se llama cúbico centrado en la cara o fcc porque es una estructura cúbica con un átomo en cada cara y esquina del cubo. Cada átomo en una estructura muy empaquetada tiene 12 vecinos (6 en su plano, y 3 en los planos arriba y abajo).

Los átomos de una capa están en rojo y los átomos de la capa B están en amarillo. Observe que el arreglo general hace una estructura hexagonal (los vectores de celosía se etiquetan a, b, c). Por Maghemita vía Wikimedia Commons.

Los átomos de una capa están en verde, átomos de capa B rosa y átomos de capa C azul. Observe que el arreglo general hace una estructura cúbica con átomos en las esquinas y caras del cubo (los vectores de celosía se etiquetan a, b, c). Por Maghemita vía Wikimedia Commons.

No todos los metales hacen estructuras muy empaquetadas. Algunos tienen una estructura cúbica simple (solo un átomo en cada esquina de la celda unitaria cúbica), por lo que en este caso cada átomo tiene un número de coordinación de 6. Otra estructura más común se llama cúbica centrada en el cuerpo o bcc, en la que hay un átomo en cada esquina y en el centro de la celda unitaria cúbica, de manera que cada átomo tiene 8 vecinos. Aquí hay una vista diferente de la celda unitaria bcc, usando una imagen “llena de espacio” de los átomos. Observe que cada esquina de la celda unitaria en realidad tiene 1/8 de un átomo. (Si hubiera un átomo entero en cada esquina, entonces obtendríamos la estructura equivocada cuando apilamos las celdas unitarias).

Vista llena de espacio de la celda unitaria bcc, de Cdang y Samuel Dupre, vía Wikimedia Commons.

Aleaciones

Las aleaciones son soluciones o compuestos metálicos. Algunas aleaciones tienen diferentes átomos metálicos dispuestos en una estructura regular. Estas aleaciones tienen una fórmula precisa, como el Ni ₃ Al. Otros tienen un reemplazo aleatorio de un tipo de átomo metálico por otro, como las aleaciones de oro/plata. Tanto el oro como la plata tienen la estructura fcc/ccp y los átomos son de tamaños similares, por lo que pueden hacer mezclas con casi cualquier% de Au y Ag. A esto se le llama aleación sustitutiva porque un tipo de átomo sustituye a otro. Un tercer tipo tiene un átomo más pequeño (como el carbono en el acero) que ocupa algunos de los agujeros entre el átomo de metal mayoritario. A esto se le llama aleación intersticial. Las aleaciones son importantes para muchas aplicaciones porque tienen diferentes propiedades en comparación con los metales puros.

Enlace exterior

• CrashCourse Química: Haciendo Sólidos (11 min)

Colaboradores y Atribuciones

• Emily V Eames (City College of San Francisco)