La estructura de los materiales

¿Por qué es importante la estructura cristalina en las propiedades de los materiales?

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Las propiedades de los materiales, dependen de diversos factores como los tipos de átomos, la estructura que forman o el tipo de enlace que conforman al material. El conocimiento de estos factores, nos permite predecir el comportamiento de cualquier material cuando es sometido a diferentes trabajos. En esta entrada vamos a centrarnos en explicar, las consecuencia en las propiedades de los materiales, dependiendo del tipo de estructura de estos.

La estructura de un material, se entiende como la organización de las partículas que lo conforman (iones o moléculas). Dependiendo de la organización de estas partículas, se distinguen dos tipos de estructuras:

. Estructura amorfa: Las partículas que conforman el material están dispuestas sin seguir una estructura ordenada. Estos material se caracterizan por no poseer una forma bien definida.
. Estructura cristalina: Las partículas que conforman el material están dispuestas de manera regular y ordenada, y se van repitiendo en tres dimensiones, formando redes cristalinas. Este tipo de estructura es la más común en los sólidos.

El estado cristalina, también se caracteriza por ser el único, realmente sólido. En el que las moléculas e iones, ocupan posiciones fijas respecto a sus átomos, es decir que las partículas permanecen fijas. A la manera en la que se ordenan los átomos en una estructura cristalina, se conoce como red cristalina. Y a la porción más simple de una estructura cristalina, que se repite por todo el cristal se conoce como celda unitaria.

A continuación, vamos a ver las propiedades de los distintos tipos de cristales y el justificamiento con su estructura:

Los primeros son los cristales metálicos, estos se caracterizan, por tener una estructura sencilla, en el que toda la estructura, está ocupada por átomos iguales, rodeados por una nube de electrones, que mantiene juntas esas partículas. Debido a este tipo des estructura los metales, se caracterizan por ser muy densos, duros y debido a la capa de electrones muy buenos conductores de la electricidad y el calor.

Las estructuras cristalinas metálicas, rara vez son perfectas y presentan imperfecciones (alteración de la red espacial), produciendo variaciones en las propiedades del material, tales como:

. Menor conductividad eléctrica: Esto se produce porque los electrones se dispersan por la estructura cristalina y generando menos movilidad de estos.
. Ductilidad: La presencia de dislocaciones en la estructura cristalina, genera un aumento en su ductilidad. Si la estructura fuera perfecta, sería muy difícil romper el metal, sin embargo, la presencia de dichas dislocaciones, facilitan la deformación permanente del material.
. Fragilidad: La ausencia de dislocaciones en la estructura cristalina lo hace más frágil, por lo que resultará mas fácil de romper.
. Dureza: El desplazamiento de dislocaciones en la estructura cristalina, provoca un aumento considerable de la dureza del metal.

El segundo tipo de estructuras cristalinas que encontramos son los sólidos covalantes. Este tipo de cristales unen todos los átomos que forman el material, y por tanto presentan un enlace muy fuerte, por lo que la separación de partículas requiere de mucha energía. Los materiales que tienen un enlace covalente se caracterizan por:

. Temperatura de fusión: Debido a la fuerza del enlace covalente, la energía necesaria para separar los átomos es alta y por tanto las temperaturas de fusión son más altas.
. Conductividad eléctrica: La falta de libertad de movimiento de los electrones presentes en un enlace covalente impide la existencia de electrones deslocalizados capaces de transportar corriente eléctrica a través del cristal, por lo que su conductividad es nula.
. Dureza: La dureza es la resistencia a ser rayados que poseen los materiales. Para que un material sea rayado se requiere de la energía suficiente para separar a sus átomos. Como la energía que se requiere es muy alta, los cristales covalentes son muy duros.
. Conductividad térmica: Es bastante limitada porque la transferencia del calor, desde las regiones calientes hacia las frías, se realiza a través de vibraciones atómicas, proceso muy lento en este tipo de materiales debido a la direccionalidad y gran fuerza del enlace covalente.

Otra de las estructuras más comunes que presentan algunos materiales, son los cristales iónicos. Este tipo de cristal está formado por enlaces cargados, por tanto la fuerza que mantiene unidas a las partículas, es la electrostática. Las propiedades que presentan los materiales con enlaces iónicos son:

. Temperatura de fusión: Como el enlace entre iones es bastante fuerte, la energia reticular es bastante alta, por lo que para poder separar las partículas se necesitará altas temperaturas.
. Fragilidad: Los sólidos iónicos son bastantes frágiles, ya que si se les aplica una fuerza, se produce el enfrentamiento entre iones del mismo signo, debido al desplazamiento de las capas.
. Dureza: Como hemos mencionado los enlaces iónicos son bastante fuertes, por lo que presentarán una alta dureza.
. Conductividad eléctrica: Para que una sustancia pueda conducir la electricidad, debe contener partículas cargadas (electrones o iones) que se puedan mover libremente. En los sólidos iónicos, los iones ocupan unas posiciones fijas en el cristal y sólo pueden vibrar entorno a esas posiciones, pero no tienen libertad de movimiento. Sólo cuando están disueltos o fundidos los iones son libres para moverse y conducir la electricidad.

Estos son las estructuras cristalinas más comunes que podemos encontrar los materiales. Como ya hemos podido ver, la estructura de los materiales afecta enormemente a sus propiedades por lo que es importante conocer este parámetro a la hora de escoger y trabajar con diferentes materiales, viendo cuales son nuestras necesidades y que materiales se adapta mejor a ellas.