Atomo
Atomo es la unidad mas pequeña de un elemento químico que mantiene su identidad o sus propiedades, y que no es posible dividir mediante procesos químicos. También es considerado el componente basico que posee todas las propiedades químicas de todos los elementos. Los atomos poseen un núcleo, protones y neutrones rodeado por electrones. Los atomos de diferentes elementos poseen diferente números de protones, el mas simple es el hidrogeno.
Su Denso núcleo representan el 99.9%, y el concepto como bloque basico e indivisible que compone la materia del universo fue postulado por la escuela atomista en la antigua Grecia. Sin embargo, su existencia no quedó demostrada hasta el siglo XIX. Con el desarrollo de la física nuclear en el siglo XX se comprobó que el atomo puede ser subdividirse en partículas mas pequeñas.

Estructura atómica
A pesar de que “atomo” significa indivisible, hoy día se sabe que el atomo esta formado por partículas mas pequeñas las llamadas partículas subatómicas.
El núcleo es la parte central del atomo y contiene partículas con carga positiva, y en él se concentra casi toda la masa del mismo. Sin embargo, ocupa una fracción muy pequeña del volumen del atomo.
Alrededor del núcleo se encuentran electrones, partículas de carga negativa y masa muy pequeña comparada con la de los protones y neutrones: un 0.05% aproximadamente. Los electrones se encuentran alrededor del núcleo, ligados por la fuerza electromagnética que este ejerce sobre ellos, yocupando la mayor parte del tamaño del atomo en la llamada nube de electrones.

El núcleo atómico
El núcleo atómico se encuentra formado por nucleones, los cuales pueden ser de dos clases
• Protones: una partícula con carga eléctrica positiva igual a una carga elemental, y una masa de 1,67262 × 10–27 kg.
• Neutrones carentes de carga eléctrica, y con una masa un poco mayor que la del protón (1 × 10–27 kg)

El núcleo mas sencillo es el hidrogeno, formado únicamente por un protón. El núcleo del siguiente elemento en la tabla periódica es el Helio, se encuentra formado por dos protones y dos neutrones. La cantidad de protones contenidos en el núcleo del atomo se conoce como número atómico, el cual se representa por la letra Z y se escribe en la parte inferior izquierda del símbolo químico. Es el que se distingue a un elemento químico de otros. Según lo descrito anteriormente, el número atómico del hidrogeno (1H), y el del helio (2He).
La cantidad total de nucleones que contiene un atomo se conoce como número masico, representado por la letra A y escrito en la parte superior izquierda del símbolo químico, Para los ejemplos dados anteriormente el número masico del hidrogeno es 1 (1H), y el del helio, 4 (4He).
Existen también atomos que tienen el mismo número atómico, pero diferente número masico, los cuales se conocen como isótopos. Por ejemplo, existen tres isótopos naturales del hidrógeno, el protio (1H), el deuterio (2H) y el tritio (3H). Todos poseen las mismaspropiedades químicas del hidrógeno, y pueden ser diferenciados únicamente por ciertas propiedades físicas.
Otros términos menos utilizados relacionados con la estructura nuclear son los isótonos, que son atomos con el mismo número de neutrones. Los isobaros son atomos que tienen el mismo número masico.
Debido a que los protones tienen cargas positivas se deberían repeler entre sí, sin embargo, el núcleo del atomo mantiene su cohesión debido a la existencia de otra fuerza de mayor magnitud, aunque de menor alcance conocida como la interacción nuclear fuerte.

Nube de electrones
Se denomina nube de electrones o nube atómica o corteza atómica a la parte externa de un atomo, región que rodea al núcleo atómico, y en la cual orbitan los electrones. Los electrones poseen carga eléctrica negativa y estan unidos al núcleo del atomo por la interacción electromagnética. Los electrones al unirse al núcleo desprenden una pequeña porción de carga negativa y de esta se forma la nube de electrones. Posee un tamaño unas 50.000 veces superior al del núcleo sin embargo apenas posee una masa de 9 × 10–31 kg.
El diametro del núcleo atómico es por lo menos 10.000 veces menor que el diametro total del atomo, y en éste se encuentra casi la totalidad de la masa atómica. La nube atómica esta constituida por capas electrónicas, cuyo número puede variar de 1 a 7, y que se designan con las letras K, L, M, N, O, P y Q
La cantidad de electrones de un atomo en su estado basal es igual a lacantidad de protones que contiene en el núcleo, es decir, al número atómico, por lo que un atomo en estas condiciones tiene una carga eléctrica neta igual a 0.

Estructuras Cristalinas
Los materiales cristalinos estan formados por atomos. Las fuerzas que mantienen unidos los atomos en los cristales, hacen que los atomos adopten ciertos modelos geométricos cuya forma depende del número y clase de atomos. Los metales, como todos los elementos químicos, estan formados por atomos. Los tamaños de los atomos se miden en unidades de Angstrom, un angstrom es igual a 10-8 cm, es decir, un centímetro “contiene” 100 millones de Angstroms.
La primera clasificación que se puede hacer de materiales en estado sólido, es en función de cómo es la disposición de los atomos o iones que lo forman. Si estos atomos o iones se colocan ordenadamente siguiendo un modelo que se repite en las tres direcciones del espacio, se dice que el material es cristalino. Si los atomos o iones se disponen de un modo totalmente aleatorio, sin seguir ningún tipo de secuencia de ordenamiento, estaríamos ante un material no cristalino o amorfo. En el caso de los materiales cristalinos, existe un ordenamiento atómico (o iónico) de largo alcance que puede ser estudiado con mayor o menor dificultad.

Ion es una partícula cargada eléctricamente constituida por un atomo o molécula que no es eléctricamente neutra. Conceptualmente esto se puede entender como que, a partir de un estado neutro de un atomo o partícula, se hanganado o perdido electrones; este fenómeno se conoce como ionización.
Los iones cargados negativamente, producidos por haber mas electrones que protones, se conocen como aniones (que son atraídos por el anodo) y los cargados positivamente, consecuencia de una pérdida de electrones, se conocen como cationes (los que son atraídos por el catodo).
Reticulado: Arreglo tridimensional de puntos en el que cada punto tiene los mismos vecinos y toma forma de red o retícula.

Celda unidad
Se define como celda unitaria, la porción mas simple de la estructura cristalina que al repetirse mediante traslación reproduce todo el cristal. Todos los materiales cristalinos adoptan una distribución regular de atomos o iones en el espacio.
Se trata de un arreglo espacial de atomos que se repite en el espacio tridimensional definiendo la estructura del cristal. Se caracteriza por tres vectores que definen las tres direcciones independientes del sistema de coordenadas de la celda. Esto se traduce en seis parametros de red, que son los módulos, a, b y c, de los tres vectores, y los angulos α, β y γ que forman entre sí. Estos tres vectores forman una base del espacio tridimensional, de tal manera que las coordenadas de cada uno de los puntos de la red se pueden obtener a partir de ellos por combinación lineal con los coeficientes enteros.
La posición de un atomo dentro de la celda unidad se describe normalmente usando coordenadas fraccionarias. La simetría traslacional de una estructuracristalina se caracteriza mediante la red de Bravais, existen 14 redes de Gravais diferentes y todas las estructuras cristalinas minerales conocidas encajan en una de esas 14 disposiciones. Estas redes pueden ser
• Tipo P: Se denomina primitiva y tiene puntos de red en los vértices de la celda.
• Tipo I: Red centrada en el interior. Esta presenta puntos de red en los vértices de la celda y en el centro de la celda.
• Tipo F: Red centrada en todas las caras. Presenta puntos de red en los centros de todas las caras, así como en los vértices.
• Tipo C: Red centrada en la base. Una red tipo C se refiere al caso en el que la simetría traslacional coloca puntos de red en los centros de las caras delimitados por las direcciones a y b así como en el origen.
Ademas de la simetría traslacional descrita en una red cristalina existen elementos de simetría. Estos elementos son
• Centro de inversión.
• Plano de reflexión.
• Ejes de rotación de orden 2, 3, 4 y 6.
• Ejes de rotación inversión de orden 3, 4 y 6.
Los elementos de simetría anteriores pueden coexistir en una estructura cristalina dando lugar a lo que se conoce como grupo puntual de simetría. Existen 32 grupos puntuales de simetría y el nombre alude a que las operaciones asociadas forman un grupo matematico y los elementos tienen un punto en común que no se mueve al realizar las operaciones.
Cuando se acoplan traslación con los ejes de rotación y planos de simetría surgen nuevos elementos de simetría: ejeshelicoidales y planos de deslizamiento.
Cuando se combinan los 32 grupos puntuales de simetría con los elementos de simetría traslacional y las 14 redes de Bravais se obtienen los 230 grupos espaciales de simetría posibles. Estos grupos determinan los tipos y posiciones de los elementos de simetría que son posibles para una estructura cristalina.

Sistemas cristalinos existentes

Sistema Cristalino Ejes Angulos entre ejes
Cúbico
a = b = c α = β = γ = 90°
Tetragonal
a = b ≠ c α = β = γ = 90°
Ortorrómbico
a ≠ b ≠ c ≠ a α = β = γ = 90°
Hexagonal
a = b ≠ c α = β = 90°; γ = 120°
Trigonal (o Romboédrica) a = b = c α = β = γ ≠ 90°
Monoclínico
a ≠ b ≠ c ≠ a α = γ = 90°; β ≠ 90°
Triclínico
a ≠ b ≠ c ≠ a α ≠ β ≠ γ
α, β, γ ≠ 90°
Elementos de simetría

El tipo de sistema normal cristalino depende de la disposición simétrica y repetitiva de las caras que forman el cristal. Dicha disposición es consecuencia del ordenamiento interno de sus atomos y, por lo tanto, característico de cada mineral. Las caras se dispondran según los elementos de simetría que tenga ese sistema, siendo uno de ellos característico de cada uno de los 7 sistemas:
Sistema Cristalino Elementos característicos
Cúbico
Cuatro ejes ternarios
Tetragonal
Un eje cuaternario (o binario derivado)
Ortorrómbico
Tres ejes binarios o tres planos de simetría
Hexagonal
Un eje senario (o ternario derivado)
Trigonal (o Romboédrica) Un eje ternario
Monoclínico
Un eje binario o un plano de simetría
TriclínicoUn centro de simetría o bien ninguna simetría

1) Sistema cristalino cúbico: El sistema cristalino cúbico, también llamado isométrico, es uno de los siete sistemas cristalinos existentes en cristalografía. Es común en muchos minerales, como por ejemplo en la pirita o la galena
Existen tres variedades principales, entre otras, de este tipo de cristal
Los cristales de este sistema se clasifican en las cinco clases siguientes:
• Tetartoidal
• Diploidal
• Hextetrahedral
• Gyroidal
• Hexoctahedral
2) Sistema cristalino tetragonal: El sistema cristalino tetragonal es uno de los siete sistemas cristalinos existentes en cristalografía. Ejemplos de minerales con este sistema son la calcopirita o la pirolusita.
Los cristales de este sistema se clasifican en las siete clases siguientes
• Diesfenoidal
• Piramidal
• Dipiramidal
• Escalenohedral
• Piramidal Ditetragonal
• Trapezohedral
• Dipiramidal-Ditetragonal
•
3) Sistema cristalino ortorrómbico: El sistema cristalino ortorrómbico, es uno de los siete sistemas cristalinos existentes en cristalografía. Muchos minerales cristalizan en este tipo de red, como por ejemplo el olivino o el topacio

Los cristales de este sistema se clasifican en las tres clases siguientes
• Pyramidal
• Disphenoidal
• Dipyramidal

4) Sistema cristalino hexagonal: En cristalografía y cristaloquímica, el sistema cristalino hexagonal es uno de los siete sistemas cristalinos. Tiene la misma simetría que un prisma regular con unabase hexagonal; hay sólo una red de Bravais hexagonal. Por ejemplo, el grafito cristaliza bajo esta forma.

5) Sistema cristalino trigonal: El sistema cristalino trigonal, es uno de los siete sistemas cristalinos existentes en cristalografía. Es seguido por la estructura molecular de muchos minerales, como por ejemplo en la turmalina o el rubí.
Existe una modalidad principal de este tipo de red cristalina:
Los cristales de este sistema se clasifican en las cinco clases siguientes:
• Piramidal
• Romboédrico
• Piramidal Ditrigonal
• Trapezoédrico
• Escalenoédrico Hexagonal

6) Monoclínico: En Cristalografía, una red monoclínica es un sistema cristalino que consta de un eje binario, un plano perpendicular a éste y un centro de inversión. La denotación de la red monoclinica es 2/m.

7) Triclínico: En cristalografía, un sistema cristalografico triclínico es uno de los 7 Sistemas cristalinos. Un sistema cristalografico esta descrito por tres vectores base. En el sistema triclínico, el cristal esta descrito por vectores de longitud desigual, tal como en el sistema ortorrómbico. Ademas, ninguno de ellos es ortogonal con algún otro.

Volumen de una celda: El volumen de un paralelepípedo cuyos lados sean vectores , , esta dado por el triple producto escalar:

Por conveniencia, colocaremos el vector sobre el eje x, y el vector sobre el plano xy, entonces tendremos los siguientes vectores:

Para poder hacer el triple producto escalar, es necesario conocer loscomponentes de . Los podemos averiguar haciendo los siguientes productos escalares

Por lo tanto:
cx = ccosβ

Factor de empaquetamiento atómico de e.c, bcc, fcc y hcp.
Características de la celda unitaria: En el caso mas sencillo, a cada punto de red le correspondera un atomo, pero en estructuras mas complicadas, como materiales ceramicos y compuestos, cientos de atomos pueden estar asociados a cada punto de red formando celdas unitarias extremadamente complejas. En el primer caso, pueden obtenerse sencillamente diversas características de la red cristalina.
Parametro de red. Es posible determinar el valor del parametro de red (longitud de los lados de la celda unitaria) sin mas que localizar en la celda la dirección a lo largo de la cual los atomos entran en contacto. A estas direcciones se las denomina direcciones compactas.'
Número de coordinación. Es el número de atomos que se encuentran en contacto con un atomo en particular, o el número de atomos mas cercanos. El maximo es 12.
Factor de empaquetamiento. Fracción del espacio de la celda unitaria ocupada por los atomos, suponiendo que éstos son esferas sólidas.
Factor de empaquetamiento = (atomos por celda)x(volumen atomo)/(volumen celda)
Densidad. A partir de las características de la red, puede obtenerse la densidad teórica mediante la siguiente expresión:
Densidad = (atomos por celda) x (masa atómica)/(Número de Avogadro)x(volumen celda)

Estructura a (r) Número de
coordinaciónFactor de
empaquetamiento Ejemplos
Cúbica simple (CS) a = 2r 6 0,52 Hg
Cúbica centrada en el cuerpo (CC) a = 4r/√3 8 0,68 Fe, Ti, W, Mo, Nb, Ta, K, Na, V, Cr, Zr

Cúbica centrada en las caras (CCC) a = 4r/√2 12 0,74 Cu, Al, Au, Ag, Pb, Ni, Pt

Hexagonal compacta (HC) a = 2r
c/a =1,633 12 0,74 Ti, Mg, Zn, Be, Co, Zr, Cd

Sc: cúbica simple
Bcc: cúbica centrada en el cuerpo
Fcc: cúbica centrada en las caras
Hcp: hexagonal compacta

Polimorfismo y alotropía

Polimorfismo: Capacidad de un material sólido de existir en mas de una estructura cristalina, todas ellas con la misma composición de elementos químicos.

Alotropía: Cuando las sustancias polimorfas son elementos puros y los estados que toman en diferente red espacial se denominan estados alotrópicos.


El diamante y el grafito son dos atropos del carbono: formas puras del mismo elemento, pero que difieren en estructura.
La ferrita o hierro α, el hierro ß, el hierro γ o austenita y el hierro son estados alotrópicos del hierro.
Las propiedades alotrópicas se presentan en elementos que tienen una misma composición, pero aspectos diferentes; por lo tanto, la propiedad debe observarse en el mismo estado de agregación de la materia y es característico del estado sólido.

La explicación de las diferencias que presentan en sus propiedades se ha encontrado en la disposición de los atomos de carbono en el espacio.

Por ejemplo, en loscristales de diamante, cada atomo de carbono esta unido a cuatro atomos de carbono vecinos, adoptando una ordenación en forma de tetraedro que le confiere una particular dureza.

En el grafito, los atomos de carbono estan dispuestos en capas superpuestas y en cada capa ocupan los vértices de hexagonos regulares imaginarios.

De este modo, cada atomo esta unido a tres de la misma capa con mas intensidad y a uno de la capa próxima en forma mas débil. Esto explica por qué el grafito es blando y untuoso al tacto.

La mina de grafito de un lapiz forma el trazo porque, al desplazarse sobre el papel, se adhiere a éste una pequeña capa de grafito

El diamante y el grafito, por ser dos sustancias simples diferentes, sólidas, constituidas por atomos de carbono reciben la denominación de variedades alotrópicas del elemento carbono.

Se observa las formas alotrópicas del hierro sólido, BCC y FCC, a distintas temperaturas:
•Hierro α, ferrita: existe desde -273ºC a 768ºC y cristaliza en BCC.
•Hierro ß: existe desde 768ºC a 910ºC y cristaliza en BCC.
•Hierro γ, austenita: existe desde 910ºC a 1400ºC y cristaliza en FCC.
•Hierro δ: existe desde 1400ºC hasta su punto de fusión 1539ºC y cristaliza en BCC, pero con la arista de la celda unidad mas grande

Tamaño del grano en la solidificación de los metales
El tamaño de grano tiene un notable efecto en las propiedades mecanicas del metal. Los efectos del crecimiento de grano provocadospor el tratamiento térmico son facilmente predecibles. La temperatura, los elementos aleantes y el tiempo de impregnación térmica afectan el tamaño del grano.
En metales, por lo general, es preferible un tamaño de grano pequeño que uno grande. Los metales de grano pequeño tienen mayor resistencia a la tracción, mayor dureza y se distorsionan menos durante el temple, así como también son menos susceptibles al agrietamiento. El grano fino es mejor para herramientas y dados. Sin embargo, en los aceros el grano grueso incrementa la endurecibilidad, la cual es deseable a menudo para la arborización y también para el acero que se sometera a largos procesos de trabajo en frío.
Todos los metales experimentan crecimiento de grano a altas temperaturas. Sin embargo, existen algunos aceros que pueden alcanzar temperaturas relativamente altas (alrededor de 1800 F o 982 C) con muy poco crecimiento de grano, pero conforme aumenta la temperatura, existe un rapido crecimiento de grano. Estos aceros se conocen como aceros de grano fino. En un mismo acero puede producirse una gama amplia de tamaños de grano.
Existen diversos métodos para determinar el tamaño de grano, como se ven en un microscopio. El método que se explica aquí es el que utiliza con frecuencia los fabricantes. El tamaño de grano se determina por medio de la cuenta de los granos en cada pulgada cuadrada bajo un aumento de 100X. La figura A es una carta que representa el tamaño real de los granos tal como aparece cuando seaumenta su tamaño 100X. El tamaño de grano especificado es por lo general, el tamaño de grano austenítico. Un acero que se temple apropiadamente debe exhibir un grano fino.
Los detalles de la estructura de los metales no son facilmente visibles, pero las estructuras de grano de los metales pueden verse con un microscopio. Las características del metal, el tamaño de grano y el contenido de carbono pueden determinarse estudiando la micrografía
El porcentaje aproximado de carbón puede estimarse por medio de porcentaje de perlita (zonas oscuras) en los aceros al carbono recocidos. Para este propósito, se utilizan un microscopio metalúrgico y técnicas asociadas de foto microscopia. El microscopio metalúrgico de luz reflejada es similar a aquellos utilizados para otros propósitos, excepto que contiene un sistema de iluminación dentro del sistema de lentes para proveer iluminación vertical.

Método para determinar el tamaño del grano: una de las mediciones micro estructurales cuantitativas mas comunes es aquella del tamaño de grano de metales y aleaciones. Numerosos procedimientos han sido desarrollados para estimar el tamaño del grano, estos procesos estan sintetizados en detalles en la norma ASTM E112.Algunos tipos de tamaño de grano son medidos, tamaño de grano de la ferrita y tamaño de grano de la austenita. Cada tipo presenta problemas particulares asociados con la revelación de estos bordes de manera que puede obtenerse un rango exacto. Los principales métodos para ladeterminación del tamaño de grano recomendados por la ASTM(AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALES) SON:
Método de Comparación: mediante el método de prueba y error se encuentra un patrón que coincide con la muestra en estudio y entonces se designa el tamaño de grano del metal por número correspondiente al número índice del patrón mixto; se tratan de manera semejante, en cuyo caso se acostumbra especificar el tamaño de granos en términos de dos números que denota el porcentaje aproximado de cada tamaño presente. El método de comparación es mas conveniente y bastante preciso en muestra de granos de ejes iguales.
El número del tamaño de grano “N” puede obtenerse con la siguiente relación N=2 n-1
Método Planímetro: es el mas antiguo procedimiento para medir el tamaño de grano de los metales. El cual consiste en que un circulo de tamaño conocido (generalmente 19.8 mm f, 5000 mm de area) es extendido sobre una microfotografía o usado como un patan sobre pantalla de proyección. Se cuenta el número de granos que estan completamente dentro del circulo n1 y el número de granos que interceptan el circulo n2 para un conteo exacto los granos deben ser marcados cuando son contados lo que hace lento este método.
Método de Intercepción: El método de intercepción es mas rapido que el método planímetro debido a que la microfotografía o patrón no requiere marcas para obtener un conteo exacto. El tamaño de grano se estima contando por medio de una pantalla dividida de vidrio, o porfotomicrografía o sobre la propia muestra, el número de granos interceptados por una o mas líneas resta. Los granos tocados por el extremo de una línea se cuentan solo como medios granos. Las cuentas se hacen por lo menos en tres posiciones distintas para lograr un promedio razonable. La longitud de las líneas en milímetros, dividia entre el numero promedio de granos interceptados por ella da la longitud de intersección promedio o diametro de grano. el método de intersección se recomienda especialmente para granos que no sean de ejes iguales.

CLASIFICACIÓN DE LOS TAMAÑOS DE GRANO.
Existen diversos métodos para determinar el tamaño de grano, como se ven en un microscopio. El método que se explica aquí es el que utiliza con frecuencia los fabricantes. El tamaño de grano se determina por medio de la cuenta de los granos en cada pulgada cuadrada bajo un aumento de 100X. La figura A es una carta que representa el tamaño real de los granos tal como aparece cuando se aumenta su tamaño 100X. El tamaño de grano especificado es por lo general, el tamaño de grano austenítico. Un acero que se temple apropiadamente debe exhibir un grano fino.

UN ANGSTRON
El angstrom (Å) es una unidad de longitud empleada principalmente para expresar longitudes de onda, distancias moleculares y atómicas, etc. Se representa por la letra sueca Å
Su nombre proviene del nombre del físico sueco Anders Jonas Angstrom.
1 Å= 1 x 10-10 m = 0 nm