Características de estructuras cristalinas de metales, fcc, bcc y hcp

R. Balart Gimeno, V. Moreno García, J. Gómez Caturla, R. Tejada Oliveros, J. Ivorra Martínez

Introducción

Los materiales metálicos cristalizan, fundamentalmente, en 3 estructuras cristalinas de empaquetamiento compacto: la estructura cúbica centrada en caras (fcc), la estructura cúbica centrada en el cuerpo (bcc), y la hexagonal compacta (hcp). Cada una de estas estructuras ofrece unas características que son la base para entender su comportamiento macroscópico. Entre los parámetros de las estructuras, destaca el número de átomos de la celda unidad, el índice de coordinación, y el factor de empaquetamiento atómico. Una simple representación tridimensional de las celdas unidad, permite identificar estos parámetros de forma sencilla.

Además, los parámetros de red (a, b, c) de cada celda unidad muestran los valores numéricos de las dimensiones de las aristas de las respectivas estructuras cristalinas. Estos parámetros de red están directamente relacionados con el radio atómico del elemento metálico y, junto con el peso atómico de dicho elemento, permiten obtener el valor teórico de la densidad del material metálico correspondiente. Es posible encontrar ligeras diferencias entre el valor teórico de la densidad de un metal considerando únicamente parámetros de red, y el valor real. Ello se debe a la precisión en el valor del radio atómico, y a las imperfecciones propias de las estructuras metálicas policristalinas.


Objetivos

Al finalizar el estudio con este Laboratorio Virtual, serás capaz de:

1. Identificar el número de átomos, el índice de coordinación y el factor de empaquetamiento atómico de cada una de las celdas unidad de las estructuras cristalinas de los metales, teniendo en cuenta la representación 3D de cada una de las celdas unidad.

2. Calcular los parámetros de red (a, b, y c) de las estructuras cristalinas de los metales, a partir del radio atómico, y analizar la relación entre ellos.

3. Calcular la densidad teórica de un material metálico, considerando la dimensión del radio atómico y el peso atómico del elemento metálico correspondiente, y valorar las diferencias en relación con la densidad real.


Instrucciones

Para aprovechar al máximo este Laboratorio Virtual, es recomendable que sigas los siguientes pasos:

1. En primer lugar, debes seleccionar la estructura cristalina: cúbica centrada en las caras (fcc), cúbica centrada en el cuerpo (bcc), o hexagonal compacta (hcp).

2. A continuación debes introducir el valor del radio atómico (en nanómetros), y el peso atómico (g/mol) del elemento metálico cuyos parámetros deseas obtener.

3. Pulsa el botón “Calcular”. Con ello, obtendrás los parámetros de la estructura cristalina seleccionada (número de átomos, índice de coordinación y factor de empaquetamiento atómico), así como los parámetros de red (aristas a, b y c) de la celda unidad correspondiente a la estructura cristalina seleccionada, y su densidad teórica (en g/cm3).

4. Para sacar el máximo provecho de este Laboratorio es conveniente que, previamente al cálculo de los parámetros, realices un análisis de cada una de las estructuras cristalinas intentando razonar los parámetros característicos, así como la relación entre radio atómico y parámetros de red. Con ello, podrás obtener el valor de la densidad teórica, y compararlo con la densidad real del metal estudiado. Una vez realizado el análisis inicial, puedes comparar los resultados del análisis con la información que ofrece el laboratorio virtual.


Conclusiones

Los metales cristalizan fundamentalmente en 3 estructuras cristalinas: cúbica centrada en las caras (fcc), cúbica centrada en el cuerpo (bcc), y hexagonal compacta (hcp). El análisis de la celda unidad permite obtener los parámetros más relevantes de cada una de estas estructuras cristalinas: el número de átomos de celda unidad, el índice de coordinación y el factor de empaquetamiento atómico. Además, si se conoce el radio atómico de un elemento metálico, así como su peso atómico, es posible obtener los parámetros de red (aristas a, b, y c), y la densidad teórica. Las diferencias entre la densidad teórica y la real en un metal, se debe a pequeñas diferencias de precisión en la medición del radio atómico y a las imperfecciones propias de las estructuras policristalinas.