Estructura de los materiales

Todos los materiales están integrados por átomos los que se organizan de diferentes maneras, dependiendo del material que se trate y el estado en el que se encuentra. “Gas - Sólido – Líquido”

Un sólido es un material que posee forma y volumen definidos y que es una sustancia constituida por átomos metálicos, átomos no metálicos, iones ó moléculas.

Los sólidos se pueden clasificar teniendo en cuenta el arreglo interno de sus partículas, en amorfos y cristalinos.

Materiales amorfos

Materiales en los que sus átomos siempre están en desorden o desalineados aún en su estado sólido. No presentan una disposición interna ordenada por lo tanto no tienen ningún patrón determinado. Amorfo quiere decir que no tienen forma.

Materiales cristalinos

Cuando las moléculas que componen un sólido están acomodadas regularmente, decimos que forman un cristal, y al sólido correspondiente le llamamos sólido cristalino o fase. Porque las partículas macroscópicas que los forman (los cristales) tienen formas regulares: si examinamos cristales de cloruro de sodio bajo una lente de aumento, veremos que los cristales tienen forma de pequeños cubos.

                                  Representación geométrica de la estructura cristalina

                                                              structuras Cerámicas

Estructuras de los Polímeros

Checar el sigiente video:
http://www.youtube.com/watch?v=RDIgDQu-uMo

Concepto y caracterización de sistemas cristalinos

Un cristal puede ser definido como un sólido compuesto de átomos arreglados en orden, en un modelo de tipo repetitivo. La distancia interatómica en un cristal de cualquier material definido es constante y es una característica del material. Debido a que el patrón o arreglo de los átomos es repetido en todas direcciones, existen restricciones definidas en el tipo de simetría que el cristal posee.

La forma geométrica de los cristales es una de las características de cada sal pura o compuesto químico, por lo que la ciencia que estudia los cristales en general, la cristalografía, los ha clasificado en siete sistemas universales de cristalización:

Sistema Cúbico

Las sustancias que cristalizan bajo este sistema forman cristales de forma cúbica, los cuales se pueden definir como cuerpos en el espacio que manifiestan tres ejes en ángulo recto, con “segmentos”, “látices”, ó aristas” de igual magnitud, que forman seis caras o lados del cubo. A esta familia pertenecen los cristales de oro, plata, diamante, cloruro de sodio, etc.

Sistema Tetragonal

Estos cristales forman cuerpos con tres ejes en el espacio en ángulo recto, con dos de sus segmentos de igual magnitud, hexaedros con cuatro caras iguales, representados por los cristales de oxido de estaño.

Sistema Ortorrómbico

Presentan tres ejes en ángulo recto pero ninguno de sus lados o segmentos son iguales, formando hexaedros con tres pares de caras iguales pero diferentes entre par y par, representados por los cristales de azufre, nitrato de potasio, sulfato de bario, etc.

Sistema Monoclínico

Presentan tres ejes en el espacio, pero sólo dos en ángulo recto, con ningún segmento igual, como es el caso del bórax y de la sacarosa.

Sistema Triclínico

Presentan tres ejes en el espacio, ninguno en ángulo recto, con ningún segmento igual, formando cristales ahusados como agujas, como es el caso de la cafeína.

Sistema Hexagonal

Presentan cuatro ejes en el espacio, tres de los cuales son coplanares en ángulo de 60°, formando un hexágono bencénico y el cuarto en ángulo recto, como son los cristales de zinc, cuarzo, magnesio, cadmio, etc.

Sistema Romboédrico

Presentan tres ejes de similar ángulo entre sí, pero ninguno es recto, y segmentos iguales, como son los cristales de arsénico, bismuto y carbonato de calcio y mármol.

Elementos de importancia económica, industrial y ambiental en el país o en la región.

El desarrollo económico en México favoreció la concentración territorial de la industria. Hasta 1970 no se aplicó ningún criterio ambiental para su desarrollo, aunque había indicios de impactos crecientes sobre la contaminación atmosférica y la generación de residuos. El resultado de una política de bajos precios de petróleo propició su uso intensivo y, con ello, un crecimiento de la demanda energética más acelerada. En la segunda parte de la década de los 70’s, la reestructuración productiva de la industria se modificó debido al crecimiento petrolero. La petroquímica básica se convirtió en la actividad con mayor contribución a la contaminación, también la producción de fibras sintéticas, resinas, fertilizantes, plásticos, pinturas y pigmentos, y gases industriales que pasaron a ser las actividades más relevantes por su impacto potencial al ambiente (Quadri, 1994).
En México, la industria petrolera en su conjunto ha tenido un gran impacto negativo en materia ambiental. Por la amplia gama de productos derivados del petróleo, no ha sido posible evaluar cuantitativamente la contaminación involucrada desde la fase de explotación hasta la obtención de los petroquímicos básicos (Saval, 1995).
El suelo y subsuelo constituyen un recurso natural difícilmente renovable que desempeña funciones entre las que destaca su papel como medio filtrante durante la recarga del manto acuífero y la protección de los mismos, también están integrados al escenario donde ocurren los ciclos biogeoquímicos, hidrológicos y las redes tróficas, además de ser el espacio donde se realizan las actividades agrícolas, ganaderas y soporte de la vegetación (Saval, 1995).

Elemento de Importancia Económica:

Hidrogeno (H) Los principales uso del hidrogeno son:

a)    para la producción de amoniaco (N3H) por el proceso (Haber).

b)    En la producción del ácido clorhídrico al combinarse con cloro, en la síntesis del alcohol metilito (CH3OH) al combinar con monóxido de carbono.

c)    Refinación de petróleo.

d)    Hidrogeno de aceite.

Boro (B) este no metal se utiliza como fertilizante foliar y edáfico.

Carbono (C) este metal es importante ya que forma parte de numerosos compuestos y son importantes para la vida cotidiana del ser humano.

También forma parte de las estructuras de las grasas o lípidos de la cual la parte estructural esta formada por el glicerol y glicerina el cual es un alcohol.

El carbono también forma parte de las estructuras de ácidos nucleicos, vitaminas.

Nitrógeno (N) la mayor parte del nitrógeno se encuentra en el aire de la atmósfera y se usa para fabricar amoniaco al combinarse con el hidrogeno en su forma liquida, el nitrógeno se utiliza como congelante.

Oxigeno (O) este elemento también se encuentra en el aire de la atmósfera y es muy importante en la vida del ser humano ya que el depende de su respiración.

También se utiliza ampliamente en la industria y también se utiliza en la soldadura autógena o acetilénica.

Flour (F) los usos de los fluoruros principalmente el fluoruro de sodio se utiliza en la fluoración del agua potable y en las pastas dentales para prevenir las caries.

Cloro (Cl) se utiliza para la elaboración de plástico disolvente, pesticidas, producto farmacéutico, refrigerante y colorante. También se utiliza en la desinfección y para blaquiar textiles.

Bromo (Br) los compuestos orgánicos que contienen bromo se utilizan como intermediarios en las síntesis industriales de colorantes. Los bromuros inorgánicos se utilizan como medicina en el blanqueo de tejidos y en fotografías bromuro de plata.

Yodo (I) sus compuestos no se usan tan extensamente como las de otros halógenos del grupo 7ª y sus principales  usos: productos farmacéuticos, pinturas, para fotografía en su forma de yoduro de plata y también como desinfectantes.

Elemento de  Importancia Industrial:

Aluminio es resistente a la corrosión, se puede laminar e hilar por los que se emplea en la construcción de vehículos, aviones y utensilios domésticos. Se extrae de la bauxita por reducción electrolítica.

Cobalto se emplea en la elaboración de aceros especiales debido a su alta resistencia al calor, corrosión y fricción. Se emplea en herramienta mecánica de alta velocidad, imanes y motores. En forma de polvo, se emplea como pigmento azul para el vidrio. Su isótopo radiactivo se emplea en el Instituto Nacional de Investigación Nuclear (ININ) de México, por que produce radiaciones gamma.

Mercurio es resistente a la corrosión y un bueno conductor eléctrico. Se usa en la fabricación de instrumentos de presión, baterías, termómetro, barómetro, amalgamas dentales, sosa cáustica, medicamentos e insecticidas.

Antimonio se utiliza, metal de imprenta, baterías y textiles.

Plata se emplea en la acuñación de monedas y manufacturas de vajillas y joyas, en fotografías, aparatos eléctricos, aleaciones y soldaduras.

Cobre usado principalmente como conductor eléctrico, en la elaboración de monedas y aleaciones como el latón y bronce.

Plomo se emplea para la fabricación de de barias y acumuladores, de pinturas, soldaduras e investigaciones nucleares.

Hierro se utiliza en la industria, el arte y la medicina. Para fabricar acero, cemento, fundiciones de metales ferrosos, además es un componente importante de la sangre contenido en la hemoglobina.

Oro es el patrón monetario internacional, sus aleaciones se emplean en joyerías, y ornamentos, piezas dentales y equipo científicos de elaboración. En la actualidad se ha reemplazado por iridio y rutenio en la joyera, y en piezas dentales, por platino y paladio.

Elementos de Importancia Ambiental:

Bromo sus vapores contamina el aire, además sus compuestos derivados solo la crimogenos y venenosos.

Azufre sus óxidos (SO2 Y SO3) contaminan el aire y mezclados con agua producen la lluvia ácida. Algunas sustancias como los derivados clorados, sulfatos y ácidos son corrosivos, el gas H2S es sumamente toxico y contamina el aire.

Cadmio contamina el agua y el aire es constituyente de algunos fertilizantes que contaminan el suelo.

Mercurio contamina el agua, el aire y causa envenenamiento. Las algas lo absorben, luego los peces y finalmente el hombre. Los granos lo retienen y como el hombre los ingiere, lo incorpora a sus tejidos. También puede absorberse por la piel.

Antimonio el envenenamiento por antimonio se produce por ingestión, inhalación de vapor y principalmente por un gas llamado estibina.

Arsénico en general, todos sus compuestos y derivados son altamente tóxicos.

Fósforo debido a que se emplea en la síntesis de pinturas, plaguicidas y fertilizantes, contaminan el aire, el suelo y el agua.

Plomo contaminan el aire, el agua y el suelo (produce graves daños a la agricultura), y cuando se inhala o se ingiere como alimento, se acumula en el cuerpo y produce una enfermedad conocida como saturnismo.

Cloro sus vapores contaminan el aire y son corrosivo. En forma de clorato, contamina el agua, además de forma mezcla explosiva con compuestos orgánicos que dañan el hígado y el cerebro. Algunos medicamentos que contienen cloro afectan al sistema nervioso.

Cromo en su forma de cromato soluble contamina el agua. Sus compuestos son perjudiciales para el organismo, pues destruyen todas las células.

Manganeso los polvos y humos que contienen manganeso causan envenenamientos y atrofian el cerebro, cuando se inhala, además de contaminar el agua.

tambien pueden checar el video siguiente:

http://www.youtube.com/watch?v=RDIgDQu-uMo

ESTRUCTURA AMORFA.

Estructura Amorfa se presenta como un amontonamiento caótico de subestructuras idénticas. La estructura cristalina se presenta en forma de repetición de subestructuras estrictamente periódicas, en las que domina el paralelismo; el cuarzo es el ejemplo más habitual. Por otra parte, en los cristales se distingue un orden a larga distancia, con una organización rigurosamente periódica de las subestructuras, en tanto que en las estructuras.

Amorfas, las subestructuras siguen líneas quebradas al azar y el orden sólo se discierne a corta distancia. En la difracción también se refleja esta diferencia; la imagen que produce un haz de partículas -fotones, electrones, neutrones- que incide en un cristal amorfo conlleva un punto de impacto central, que corresponde a las partículas no desviadas, rodeado de anillos que corresponden a las distancias medias que son las más frecuentes entre los átomos. Pero, cuando el haz incide en un cristal, la perfecta periodicidad de las estructuras atómicas implica difracciones regulares de las partículas, que tienen lugar en direcciones privilegiadas y características de la estructura del cristal. La imagen se asemeja a una rejilla, en la que se distinguen unos puntos espaciados de forma regular que se llaman reflexiones de Bragg.

Descripción de las propiedades de los sólidos amorfos.

Un sólido amorfo consiste en partículas acomodadas en forma irregular y por ello no tienen el orden que se encuentra en los cristales. Ejemplos de sólidos amorfos son el vidrio y muchos plásticos.

Los sólidos amorfos difieren de los cristalinos por la manera en que se funden. Si controlamos la temperatura de un sólido cristalino cuando se funde, encontraremos que permanece constante. Los sólidos amorfos no tienen temperatura de fusión bien definida; se suavizan y funden en un rango de temperatura y no tienen “punto de fusión” característico.

Los sólidos amorfos, al igual que los líquidos y gases, son isotrópicos, es decir sus propiedades son iguales en todas las direcciones. Esto se debe a la falta de regularidad en el ordenamiento de las partículas en los sólidos amorfos, lo cual determina que todas las direcciones sean equivalentes.

La característica más notoria de estos materiales es la ausencia de orden de largo alcance. Esto significa que, al contrario de lo que ocurre en un cristal, el conocimiento de las posiciones atómicas de una región no nos permite predecir cuales serán las posiciones atómicas en otra región más o menos distante. A corto alcance sólo en el caso de los gases se puede realmente hablar de aleatoriedad, ya que tanto en los líquidos como en los gases se observan valores de densidad que sólo son compatibles con empaquetamientos más o menos compactos de átomos. Ahora bien, la obtención de estos empaquetamientos impone ciertas restricciones, esto es lo que nos permite hablar de orden de corto alcance. Este orden de corto alcance está siempre presente, sin embargo entre el sólido cristalino y el líquido hay bastantes diferencias, mientras que entre el líquido y el sólido amorfo encontramos bastantes semejanzas. Sin embargo el número de átomos que rodea a un átomo dado y la distancia interatómica media son similares en las fases sólida y líquida como corrobora la similitud encontrada en los valores de la densidad de cada fase. Básicamente hay tres modelos que intentan explicar la estructura de un amorfo.

Modelo microcristalino:

Los materiales amorfos están constituidos por un elevado número de agregados cristalinos, cada uno de ellos constituido por alrededor de 100 átomos. Estos agregados cristalinos están dispersos en el sólido y se enlazan entre sí mediante una “red” cuya naturaleza hay que especificar. La limitación en el número de átomos en el agregado proviene del hecho de que no se pueden conseguir agregados compactos de mayor tamaño con energía suficientemente pequeña como para estabilizar la estructura.

Modelo poliédrico:

De nuevo estamos ante un empaquetamiento de átomos, enlazados según una configuración tetraédrica. Sólo para pequeños números de átomos consigue empaquetamientos perfectos con baja energía; para números elevados de átomos hay que empezar a admitir un cierto grado de frustración. Tampoco es capaz de definir la naturaleza de la “red” en la que los agregados están dispersos. Los aglomerados resultantes en este modelo poseen ejes de rotación de orden de cinco, elemento de simetría prohibido en los cristales.

Modelo de empaquetamiento denso al azar:

Este modelo fue propuesto inicialmente por Bernal para explicar la estructura de los líquidos. Su interés actual es fundamentalmente histórico. Se trata de ir ensamblando esferas de forma de forma que la configuración sea lo más compacta posible. En cada etapa vamos añadiendo una nueva esfera tan cerca como sea posible del centro del agregado correspondiente. Las cuatro primeras esferas constituirán un tetraedro regular porque este es el poliedro que permite un empaquetamiento más denso, sin embargo a medida que el número de esferas vaya aumentando, la configuración irá perdiendo capacidad puesto que no podemos rellenar completamente el espacio a base de tetraedros regulares. Para determinar la distribución de átomos en un material y por tanto acercarnos al tipo de orden que presento podemos hacer un análisis de rayos X. En las gráficas siguientes representamos la intensidad de la radiación dispersada en función del ángulo de difracción, para diferentes estructuras.

En un gas se mantiene prácticamente constante como corresponde a una distribución aleatoria de átomos. En el caso de líquidos y sólidos amorfos no podemos hablar de periodicidad pero se observa una fuerte modulación que efectivamente indica un cierto grado de corto alcance. Finalmente en el sólido cristalino las direcciones de dispersión están perfectamente bien definidas dando lugar a las líneas típicas de difracción.

Propiedades características de un material vítreo

Basado en lo anterior y en el hecho de que las industrias que producen vidrios (industrias farmacéutica, de polímeros, cerámica, etcétera) han reconocido la importancia de la determinación de Tg.

Las aplicaciones potenciales de substancias similares a la trehalosa crean la necesidad de realizar una investigación sistemática a fin de determinar si éstas poseen propiedades adecuadas para su uso como encapsulantes de biomoléculas