naturaleza de la estructura cristalina

Naturaleza de la estructura cristalina
Según hemos visto, una pareja de átomos sometidos a unas acciones externas, de presión y temperatura, determinadas adquirirán la posición de equilibrio que corresponde a la distancia d0, en la que se encuentra el mínimo de energía potencial.


 
La curva de energía potencial, figura 3.20, es la agregación de dos más simples: a) la de atracción,dimanante de las fuerzas atractivas electrostáticas por el enlace, b) las de repulsión, de corto alcance, consecuencia de la interacción de los orbitales externos de los átomos cuando las distancias interatómicas se reducen.
Las energías potenciales de atracción y las correspondientes fuerzas son causa de los diversos tipos de enlaces químicos entre los átomos que son diferencia principal entre lasdiversas familias de materiales. Entre ellas citaremos:
- Enlace iónico.
- Enlace covalente.
- Enlace metálico.

Figura 3.21. Energía potencial interatómica.


Figura 3.22. Formación de un par iónico.


3.1 ENLACE IONICO
Es el que se percibe en las uniones de átomos de diferente electronegatividad que son por principio donadores y aceptores de electrones, respectivamente. Es el casode NaCl con elementos metálicos, Na, como elemento donador, y el no metálico, Cl, como el elemento aceptor, figura 3.22.
En el proceso de ionización, los electrones del metal son transferidos al del no metal con lo que se alcanza mayor estabilidad, mínima energía libre.


Ión
Radio iónico (nm)
Li+
Na+
K+
Rb+
Cs+
F-
Cl-
Br-
I-
0.060
0.095
0.133
0.148
0.169
0.1360.181
0.195
0.216
Tabla 3.1. Radio atómico de algunos elementos seleccionados.

Figura 3.23. Fuerzas frente a la distancia de separación, a.

 

Las fuerzas de enlace Fa son debidas a las de atracción electrostática entre iones de carga opuesta. El modelo es del tipo:

(3.6)
donde:     . Ki es una constante negativa de los elementos enlazados, función de las cargas electrónicas                  transferidas.
                . e es la carga del electrón.
                . a es la distancia interatómica.
La representación de estas energías o fuerzas es, según la figura 3.23, fuertemente creciente con la disminución de la distancia a.
Los sólidos sustentados por enlace iónico son los materiales cerámicos: óxidos metálicos, sales de ácidos hidrácidos, etc. Obedecen acomposiciones estequiométricas de los componentes.
Los iones elementales tienen una distribución de carga con simetría esférica, lo que asemeja a esferas con un radio característico. En la tabla 3.1 se observan radios de los elementos iónicos.
Debido a la interacción de los electrones no compartidos, entre los diversos iones aparecen las fuerzas de repulsión, Fr, de signo opuesto a las deatracción, que obedecen al modelo:
Fr = b / an                      (3.7)
siendo b y n característicos del par iónico enlazante. La representación de las fuerzas de repulsión es la que se observa en la figura 3.20, fuertemente crecientes con la disminución del parámetro a.
La distancia interatómica de equilibrio viene definido por la igualdad entre las fuerzas atractivas y repulsivas, es decir: Fa = Fr                      (3.8)
 - Ki (e2/a2) = b/an      (3.9)

(3.10)
La distancia interatómica de equilibrio, a0, es característica de cada par de iones enlazantes.
 
3.1.1 Disposición espacial de átomos
El empaquetamiento de iones en un sólido se realiza tendiendo a alcanzar una energía potencial mínima en las tres dimensiones. Las variables que influyen sobre el mínimo deenergía son:
1. Neutralidad eléctrica de la carga en la molécula, lo que se alcanza con las composiciones estequiométricas de sus componentes y la repetición de esta unidad en cualquier dirección.
2. Optimo aprovechamiento del espacio atendiendo a las dimensiones ocupadas por cada ión, idéntica a cada átomo. En esta hipótesis cada átomo se comporta como si fuera una esfera de radio iónico ai...