Estados de Agregación de la Materia

Los estados fundamentales de la materia se distinguen por las fuerzas de cohesión y la movilidad de sus partículas:

• Líquido: Posee capacidad de fluir y adaptarse a la forma del recipiente que lo contiene. Son difícilmente compresibles y presentan fuerzas de cohesión intermedias.
• Gaseoso: Se caracteriza por fuerzas de cohesión débiles, forma y volumen variables. Se adaptan al espacio que los contiene, son fácilmente compresibles y tienen una densidad muy baja.
• Sólido: Posee forma y volumen propios. Presenta gran resistencia a la deformación (son incompresibles), son rígidos, no pueden fluir, y son duros y muy resistentes.

Estructura de los Sólidos: Cristalinos y Amorfos

La organización interna de los sólidos define sus propiedades macroscópicas.

Clasificación Estructural

• Cristalinos: Compuestos por átomos, moléculas o iones organizados de forma periódica en tres dimensiones, formando una red espacial (modelo atómico de esferas rígidas). La estructura tridimensional se denomina red cristalina.
• Amorfos: Carecen de una estructura cristalina o forma definida.

La celda unidad es la unidad estructural fundamental que define la estructura cristalina mediante su geometría y la posición de los átomos en su interior.

Tipos de Sólidos Cristalinos

Los sólidos cristalinos se clasifican según la naturaleza de las partículas que ocupan los nudos de la red:

Sólidos Cristalinos

• Atómicos: Los nudos de la red están ocupados por átomos neutros unidos mediante enlaces covalentes. Presentan elevada dureza y puntos de fusión elevados.
• Iónicos: Los nudos están ocupados alternativamente por un ion positivo y otro negativo, unidos por enlace iónico. En estado sólido son malos conductores, pero muy buenos conductores en estado fundido o disolución. Se rompen con facilidad.
• Metálicos: Los nudos están ocupados por cationes metálicos positivos. Son muy buenos conductores eléctricos y térmicos. Son duros, dúctiles y maleables, con puntos de fusión y ebullición elevados.
• Moleculares: Constituidos por empaquetamientos moleculares unidos por fuerzas de Van der Waals. Tienen puntos de fusión no elevados y son malos conductores de electricidad.

Fenómenos de Estructura Cristalina

Polimorfismo y Alotropía

Existen muchas sustancias que presentan más de una forma cristalina estable. Este fenómeno se denomina polimorfismo, y en el caso específico de los elementos químicos, se conoce como alotropía.

Si dos sustancias distintas poseen la misma estructura cristalina, se denominan isomorfas.

Los puntos críticos son las temperaturas a las cuales se producen las transformaciones alotrópicas en metales y aleaciones.

Materiales Policristalinos

La mayoría de los sólidos cristalinos están formados por un conjunto de cristales pequeños denominados granos. Este tipo de material se denomina policristalino.

Etapas de Solidificación de una Muestra Policristalina

1. Formación de núcleos de cristalización: Aparecen pequeños cristales o núcleos en distintas posiciones.
2. Crecimiento de los cristales pequeños: Los granos crecen por la adición sucesiva de átomos del líquido subenfriado. El crecimiento de un cristal puede ser obstruido por su vecino. Al finalizar la solidificación, los extremos de granos adyacentes interaccionan, resultando en granos de formas irregulares. Bajo el microscopio, la estructura de los granos muestra líneas oscuras en los límites de grano (la región donde se unen dos granos).

Anisotropía

Aquellas sustancias cuyas propiedades son independientes de la dirección de la medida se denominan isotrópicas.

En contraste, las propiedades físicas de algunos monocristales dependen de la dirección cristalográfica tomada para su medida. Esta propiedad se denomina Anisotropía. El grado de anisotropía se incrementa al disminuir la simetría estructural.

Imperfecciones Cristalinas

La síntesis de materiales siempre conlleva la presencia de defectos en la red cristalina.

Defectos Puntuales

• Impurezas: Pueden situarse en el lugar de un átomo de la estructura pura (sustitucional) o en un lugar fuera de la red cristalina (intersticial).
• Vacantes: Posiciones de la red cristalina en las que el átomo que debería ocuparlas se encuentra ausente.

Defectos Lineales

Reciben el nombre de dislocaciones y pueden ser de tipo cuña, helicoidales o mixtas.

Defectos Planares

• Frontera de grano: Es el defecto planar más importante. La estructura atómica de esta frontera depende del ángulo que forman los granos entre sí. Estas fronteras se llenan de dislocaciones y pueden analizarse mediante ataque químico y microscopía (óptica o electrónica).
• Maclas: Región del material donde existe la imagen espejo de la estructura a través de uno de sus planos. Pueden aparecer durante la deformación plástica o la solidificación, y son características de materiales con estructura FCC.

Solidificación y Crecimiento Cristalino

Cristalización

La cristalización es el proceso por el cual los átomos, iones o moléculas se ordenan para formar una red cristalina determinada. Requiere que la temperatura descienda hasta alcanzar la temperatura de solidificación, momento en el cual la energía térmica es lo suficientemente baja para que las fuerzas de cohesión superen las fuerzas de vibración, permitiendo la ordenación atómica.

Este proceso tiene lugar en dos etapas:

1. Nucleación de los gérmenes o embriones: La ordenación más elemental se denomina embrión. Para convertirse en núcleos estables, deben alcanzar un radio crítico.
2. Crecimiento de los cristales: Desarrollo de los núcleos formados.

Tipos de Nucleación

• Homogénea: Los embriones se originan por el propio acercamiento de los átomos en el seno del núcleo.
• Heterogénea: La nucleación se produce a partir de cualquier superficie ajena al propio metal o aleación (ej. paredes del molde).

El tamaño y la forma del grano final dependen de la velocidad de nucleación y crecimiento. Para que se dispare el crecimiento de cristales durante la solidificación, es necesario disminuir la temperatura varios grados por debajo de la temperatura de fusión del metal; a este fenómeno se le conoce como subenfriamiento. El subenfriamiento puede reducirse mediante el uso de impurezas o mediante nucleación heterogénea.

La superficie de encuentro de los cristales o granos al finalizar la solidificación se denomina frontera de grano, regiones de máxima energía debido a la acumulación de defectos en la estructura cristalina.

Cuando un metal se funde en un molde estacionario, se producen granos equiaxiales (pequeños y redondeados cerca de la superficie) y granos columnares (grano alargado y delgado en la parte central y superficial al aire).

Soluciones Sólidas

Una solución sólida es un sólido que contiene dos o más elementos cuyos átomos se encuentran distribuidos aleatoriamente formando una sola fase. En una solución binaria, el elemento mayoritario es el disolvente y el menor es el soluto.

Tipos de Soluciones Sólidas

• Sustitucionales: Los átomos de impurezas sustituyen a los átomos del disolvente en posiciones de la red cristalina. Suelen darse cuando se cumplen las reglas de Hume-Rothery.
• Intersticiales: Los átomos de soluto ocupan huecos entre los átomos del disolvente que forman la red cristalina.

Difusión

La difusión es el desplazamiento o migración de partículas a través de la red cristalina debido a diferencias de concentración o a la agitación térmica.

Mecanismos de Difusión

• Sustitucional o por vacantes: Un átomo se desplaza desde su posición de equilibrio hasta una vacante. Solo es posible si hay suficiente energía de activación (EA).
• Intersticial: Los átomos intersticiales pueden difundirse mejor cuanto menor es su diámetro.

Factores que Afectan la Difusión

La difusión es más rápida cuanto:

• Menor es el tamaño atómico.
• Mayor es el número de huecos intersticiales.
• Mayor es la temperatura.