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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTONOMA DE HONDURAS

EN EL VALLE DE SULA (UNAH – VS)
DEPARTAMENTO DE QUÍMICA.

QI-482 METALURGIA APLICADA.

1. ESTRUCTURA Y CRISTALIZACION DE LOS METALES.

La materia esta constituida por elementos, que son cuerpos simples y que
se diferencian entre sí por su actividad química y sus propiedades físicas.

A su vez los elementos constan de partículas muy pequeñas, llamadas

átomos, los cuales poseen una estructura característica, distinta de cada
cuerpo simple (elemento).

ESTRUCTURA DEL ATOMO.

Los átomos de todos los cuerpos o elementos están constituidos por
electrones, protones y neutrones, estando concentrada su masa, casi toda,
en el núcleo, el cual posee los protones, (o cargas positivas), y los
neutrones (o partículas eléctricamente neutras). El diámetro del núcleo es
del orden de 10-12 cm. Magnitud muy pequeña si se compara con el
diámetro del átomo, el cual es del orden de 10-12 cm. Por consiguiente, el
átomo se puede considerar que esta formado por un núcleo muy pequeño
cargado positivamente, y por un numero de electrones (cargas negativas),
que giran a su alrededor y contrarrestan la carga nuclear. Como las cargas
las cargas eléctricas del protón y del electrón son de igual valor, pero de
signo opuesto, para que el átomo sea eléctricamente neutro, debe contener
el mismo número de protones que de electrones.

PESO ATOMICO. Un peso atómico (masa atómica relativa) de

un elemento de una fuente especificada es la razón de la masa media por
átomo del elemento respecto a 1/12 de la masa de un átomo 12C. ... Por
definición un mol es el número de átomos que están contenidos en
exactamente 12 gramos de carbono de masa isotópica 12 (12C).

NUMERO ATOMICO Expresa y es igual al número de electrones y

protones en el átomo.

SISTEMA PERIODICO DE LOS ELEMENTOS. En la tabla periódica de

Mendeleev los elementos conocidos en ese entonces, aparecían ordenados
en orden creciente de sus pesos atómicos, hallando que esta ordenación
aparecía agrupados los elementos de propiedades físicas y químicas
semejantes.
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Los metales y no metales se encuentran separados en el sistema periódico

por una diagonal de elementos. Los elementos a la izquierda de la diagonal
son los metales, y los elementos a la derecha son los no metales, los
elementos que integran esta diagonal (Boro, Silicio, Germanio, Arsénico,
Antimonio, Telurio, Polonio y Astato), tienen propiedades tanto metálicas
como no metálicas (Metaloides).

Los elementos metálicos se pueden combinar unos con otros y también con
otros elementos formando compuestos, disoluciones y mezclas. Una mezcla
de dos o más metales o de un metal y ciertos no metales como el carbono
se denomina aleación. Las aleaciones de mercurio con otros elementos
metálicos son conocidas como amalgamas.

ISÓTOPOS Los núcleos atómicos de algunos elementos presentan la

particularidad de contener un número de neutrones superior o inferior al
normal. Esto trae como consecuencia una variación del peso atómico, sin
que él numero atómico sufra ninguna modificación.

Así, por ejemplo el deuterio, un isótopo del Hidrógeno contiene en su núcleo

un neutron y un protón, por lo que su peso atómico es el doble del
correspondiente al átomo de Hidrógeno normal, sin que su comportamiento
químico se altere.

CLASIFICACION DE LOS ELEMENTOS Como se menciono arriba los

Elementos se clasifican en metales, no metales y metaloides.

METALES. Propiedades (a). Su existencia en estado sólido bajo forma

cristalina; (b).Sus conductividades térmicas y eléctricas relativamente altas.
(c). Su capacidad para deformarse plásticamente, (d). Su reflectividad de la
Luz relativamente alto (brillo metálico).

METALOIDES. Participan de algunas propiedades de los metales y otras de

los no metales, generalmente poseen una conductividad pequeña, si bien su
Plasticidad es nula o muy pequeña.

NO METALES. Grupo VII B y Nitrógeno, Oxigeno, Fósforo y Azufre, los

gases nobles pertenecen a los no metales.

EL ENLACE ATOMICO. Los cuerpos pertenecientes al estado sólido, se

pueden agrupar en dos categorías: Sólidos Verdaderos y Amorfos.

Sólidos Verdaderos: Presentan una ordenación geométrica de sus átomos

y Moléculas, que confieren a sus estructuras un carácter cristalino.
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Amorfos. Si bien son sólidos a temperaturas normales no presentan una

ordenación regular de sus átomos y moléculas, sino que la distribución de
estos depende del azar, tal como en los líquidos, son ejemplos de sólidos
Amorfos el alquitrán, el vidrio y la cera.

Los átomos y moleculas en las estructuras cristalinas, pueden estar ligados

entre sí, con cuatro tipos de enlace:

a. ENLACE IONICO. Los átomos cuya capa electrónica externa se

encuentra saturada con ocho electrones (o bien con dos, si los electrones
están situados solo en una capa) son muy estables químicamente. Los
elementos a los que como el sodio les sobra un electrón, tenderán a
cederlo con objeto de contar con una capa saturada, la cual, tras la
cesión de ese electrón, será la más externa.

Al ceder un electrón, el átomo queda con más protones que electrones,

originándose un Ion positivo o cation, por el contrario, el átomo de cloro
tiene siete electrones en la capa externa, tendera a captar este electro
para completarla. Cuando esto sucede el cloro tendrá una carga
negativa, convirtiéndose en un Ion negativo o anion; por esto cuando un
ion de sodio se une con un ion de cloro se forma una unión de átomos
debido a la fuerte atracción electrostática que se crea entre las cargas
contrarias.
La conductividad eléctrica es mala; la carga eléctrica se transfiere
mediante el movimiento de iones completos, lo que, por su tamaño, no
se desplazan tan fácilmente como los electrones.

b. ENLACE COVALENTE. Los átomos de algunos elementos alcanzan una

configuración electrónica estable, compartiendo uno o más electrones de
su capa externa con otros átomos contiguos. Por ejemplo, un átomo de
silicio, que tiene una valencia de cuatro, obtiene ocho electrones en su
capa externa de energía al compartir sus electrones con otros cuatro
átomos de silicio que lo rodean. Esto da lugar a un fuerte enlace entre
los átomos, debido a la atracción que ejercen los núcleos positivos sobre
los electrones compartidos.

Aunque los enlaces covalentes son muy fuertes, los materiales enlazados
de esta manera por lo general tienen pobre ductibilidad y mala
conductividad eléctrica y térmica. Para que se mueva un electrón y
pueda transportar corriente, debe romperse el enlace covalente, lo que
requiere de altas temperaturas o voltajes. Muchos materiales cerámicos,
semiconductores y polímetros están total o parcialmente enlazados
mediante enlaces covalentes, lo que explica la razón por la cual el vidrio
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se rompe cuando se cae y por que los ladrillos son buenos materiales
aislantes.
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c. ENLACE METALICO. En la estructura metálica, los átomos de un mismo

metal no pueden ser enlazados simplemente por enlace iónico o
covalente, ya que para que se verifique el primero tendrían que existir
iones con cargas opuestas, y para que se realice el segundo, existir un
numero suficiente de electrones de valencia. Por ello el enlace metalico
se caracteriza porque los electrones de valencia son compartidos por más
de dos átomos. Este enlace puede realizarse porque cada uno de los
átomos del metal se desprende de sus electrones de valencia, los cuales
dan lugar a una “nube” o “mar” de electrones.

Estos electrones no se encuentran ligados a ningún átomo en particular,

sino que se mueven con gran libertad entre los iones metálicos positivos
en niveles de energía determinados. La cohesión entre los iones
metálicos se mantiene en virtud de la atracción mutua experimentada
por estos iones y la nube electrónica que los envuelve.
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d. FUERZAS DE VAN DER WAALS. Este tipo de enlace es característico

de los átomos neutros, y así resulta la única fuerza de enlace que reúne
entre si los átomos de los gases nobles.

Cuando los átomos se aproximan, los centros de carga positiva y

negativas se separan, engendrando una débil fuerza atractiva entre ellos.
Estas fuerzas se ponen de manifiesto únicamente a bajas temperaturas,
ya que solo entonces las fuerzas de atracción, aunque débiles, pueden
vencer la agitación térmica de los átomos.

2. ESTRUCTURA CRISTALINA DE LOS METALES.

En el cuerpo cristalino, donde los átomos están agrupados en un orden

definido, se puede encontrar propiedades muy distintas en diferentes
direcciones, es decir, el cuerpo cristalino es ANISOTROPICO; Al
contrario cuando las propiedades físicas son iguales en todas las
direcciones ISOTROPICAS, como es el caso de los cuerpos amorfos.

En el estado sólido, los átomos acusan cierta permanencia de posiciones

que da lugar a la formación de cristales, sin embargo los átomos no
permanecen fijos en sus posiciones sino que oscilan alrededor de ellas,
estableciéndose un equilibrio dinámico. Al agruparse los átomos
ordenadamente en el espacio, se determina una red tridimensional
llamada RED ESPACIAL, obtenida al unir todos los átomos entre sí
mediante rectas imaginarias y que el cristal esta constituido por una
serie de celdas iguales, de simetría igual a la del cristal.
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La menor de estas celdas, que posee los mismos elementos de simetría

que el cristal, se denomina Celdilla Unitaria o Fundamental, la cual, en
cada metal, viene definida por los parámetros a, b, c que indican la
longitud de sus aristas y por los ángulos  (formado por b y c), 
(formado por a y c) y  (formado por a y b)

Existen solamente 14 tipos de redes espaciales, clasificados en los siete

sistemas cristalinos que se indican a continuación:
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ESTRUCTURA EJES ANGULOS ENTRE EJES

Cubica A = b = c Todos los ángulos de 90°
Tetragonal A = b ≠ c Todos los ángulos de 90°
Ortorrómbica A ≠ b ≠ c Todos los ángulos de 90°
Hexagonal A = b ≠ c Dos ángulos de 90°
Un ángulo de 120°
Romboédrica A=b=c Todos los ángulos son iguales y ninguno
es de 90°
Monoclínica A≠b≠c Dos ángulos de 90°
Un ángulo () distinto de 90°
Triclínico A≠b≠c Todos los ángulos son distintos y
ninguno es de 90°

La mayoría de los metales cristalizan en dos sistemas: Hexagonal y cúbico

RED ESPACIAL CUBICA CENTRADA EN EL CUERPO: Es un cubo

centrado, compuesto de nueve átomos, ocho de los cuales se hallan en los
vértices y uno en el centro.

Ejemplo de metales con sistema cristalino cúbico centrado en el cuerpo

son litio, sodio, potasio, vanadio, cromo, hierro, molibdeno.

RED CUBICA CENTRADA EN LAS CARAS. La celdilla unitaria de esta

red consta de 14 átomos; ocho de los cuales se hallan en los vértices del
cubo y uno en el centro de cada cara del cubo (6 átomos).

RED HEXAGONAL. Es una celda hexagonal en forma de prisma

sexangular con los átomos dispuestos en doce vértices y además hay tres
átomos dentro de la celdilla.
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NUMERO DE ATOMOS POR CELDA UNITARIA.

Cada una de las celdas unitarias esta definida por un numero especifico de
puntos de red. Por ejemplo, las esquinas de las celdas se identifican fácilmente,
igual que las posiciones de centrado en el cuerpo (centro de la celda) y
centrada en las caras (centros de las seis caras de la celda). Al contar los
números de puntos de red que corresponden a una celda unitaria, se deben
identificar los puntos de red que van a ser compartidos por mas de una celda
unitaria, un punto de red en la esquina de una celda unitaria estará compartido
por siete celdas unitarias adyacentes, solo una octava parte de cada esquina
corresponde a una celda en particular. Por tanto, él numero de puntos de red
provenientes de todas las posiciones de esquina en una celda unitaria es:

(1/8)(Punto de red/esquina)(8 esquina / celda) = 1 punto de red /celda

Las esquinas contribuyen en un 1/8 de un punto las caras con ½ y las

posiciones en el centro del cuerpo contribuyen con todo un punto de red.

El numero de átomos por celda unitaria es el producto del numero de átomos

por punto de red multiplicado por él numero de puntos de red existentes por
celda unitaria. En la mayoría de los metales, se localiza un átomo en cada
punto de red, por lo que el número de átomos es igual al número de puntos de
red.

Ejemplo
Determine él número de puntos de red por celda unitaria en los sistemas
cristalinos cúbicos.

En la celda unitaria simple, los puntos de red están localizados solo en las
esquinas del cubo, entonces:

Puntos de red/celda unitaria = (8 esquinas)(1/8) = 1

En la celda unitaria cúbica centrada, los puntos de red están localizados en las
esquinas y en el centro del cubo, entonces:

Puntos de red/celda unitaria = (8 esquinas)(1/8) + 1 centro)(1)= 2

En la celda unitaria centrada en las caras, los puntos de red están localizados
en las esquinas y en las caras del cubo, entonces:

Puntos de red/celda = (8 esquinas)(1/8) +(6 caras)(1/2) = 4