Lección
La teoría — Empaquetamiento cristalino: ¿cuánto espacio llena un metal?
Un cristal repite una celda unidad. Contar sus átomos tiene en cuenta el uso compartido: un átomo de esquina pertenece a ocho celdas, uno de cara a dos. La fracción de empaquetamiento es la porción de la celda dentro de los átomos, siendo cada átomo una esfera que apenas toca a sus vecinos más cercanos: φ = n · (4/3)πr³ / V, donde el radio r es la mitad de la distancia al vecino más cercano. La misma celda da la densidad, ρ = nM / (NAV), ya que contiene n átomos de masa conocida.
Qué significa cada símbolo
a- el parámetro de red: la arista de la celda cúbica, o la arista de la base hexagonal, medida por difracción de rayos X o de neutrones
n- átomos por celda, contando un átomo de esquina como ⅛ y un átomo de cara como ½
r- el radio de las esferas en contacto, la mitad de la distancia más corta entre los centros de dos átomos
φ- la fracción de empaquetamiento, la parte del volumen de la celda dentro de las esferas
- Supone
- Los átomos son esferas duras de un solo radio, que se tocan a lo largo de la distancia más corta en la red. Los parámetros de red son valores a temperatura ambiente de la recopilación de Wyckoff de 1963, excepto el hierro a 912 °C y el polonio a 283 K. El cristal es perfecto: sin átomos faltantes, sin impurezas, una sola mezcla de isótopos, el peso atómico estándar. Cada densidad que imprime la página es la densidad de rayos X de un cristal así; los poros y las vacantes en una muestra real solo pueden reducirla.
- Falla cuando
- Allí donde el átomo no sea una esfera dura, lo cual la página misma muestra dos veces: el radio del hierro cambia un 2,52% con sus vecinos, y el c/a del zinc indica que sus enlaces entre capas difieren de los de dentro de una capa. Para los compuestos, cuyos dos tipos de ion tienen dos radios y se empaquetan con otra regla. Y al nivel de partes por mil millones, donde las vacantes, las impurezas y la mezcla isotópica se tienen que medir, como hizo el proyecto Avogadro.
Problema resuelto al detalle
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Contar el número de Avogadro con una esfera de silicio 4 pasos
En 2017 la Coordinación Internacional de Avogadro presentó una esfera de 1 kg de silicio enriquecido al 99,9985% con silicio-28. Su masa molar era 27,976942674 g/mol, su parámetro de red 543,0996218 pm y su densidad 2320,068748 kg/m³. El silicio tiene la estructura del diamante. ¿Cuántos átomos hay en un mol?
Abre este problema en la herramienta
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La celda de diamante contiene ocho átomos: ocho esquinas a ⅛, seis caras a ½ y cuatro dentro.
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Su volumen es a³, con a = 5,430996218×10⁻⁸ cm: 1,6019114×10⁻²² cm³.
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Su masa es la densidad multiplicada por el volumen, 2,320068748 g/cm³ × 1,6019114×10⁻²² cm³ = 3,7165447×10⁻²² g, así que un átomo pesa un octavo de eso, 4,6456808×10⁻²³ g.
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Un mol de estos átomos pesa 27,976942674 g. Dividir entre la masa de un átomo los cuenta.
Respuesta
NA = 6,022140516×10²³ por mol, la cifra del propio artículo para todos los diez dígitos que da para esta esfera. La página hace la misma aritmética hacia adelante: pulsa Silicio y los 5,4307 Å del silicio natural, ocho átomos y 28,085 g/mol dan 2,329 g/cm³. Desde 2019, la constante de Avogadro está fijada por definición en 6,02214076×10²³, por lo que ahora la medición va en sentido contrario, desde átomos contados hasta una masa, y es uno de los dos métodos más exactos con los que se materializa el kilogramo.
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Referencias (3)
- Every room-temperature lattice parameter on the page, entry by entry, from Wyckoff's compilation as the Crystallography Open Database transcribes it: R. W. G. Wyckoff, Crystal Structures, vol. 1, 2nd edition. Interscience, New York, 1963; entries 9008460-9008565 of the Crystallography Open Database (crystallography.net). Polonium: W. H. Beamer and C. R. Maxwell, J. Chem. Phys. 17, 1293 (1949), COD 1509138.
- Iron's two lattice parameters at 912 °C, from neutron diffraction in the furnace: M. Onink, C. M. Brakman, F. D. Tichelaar, E. J. Mittemeijer, S. van der Zwaag, J. H. Root and N. B. Konyer, "The lattice parameters of austenite and ferrite in Fe-C alloys as functions of carbon concentration and temperature." Scripta Metallurgica et Materialia 29(8), 1993, pp. 1011-1016. DOI 10.1016/0956-716X(93)90169-S
- The silicon-28 sphere of the worked problem, and the Avogadro constant it gave: G. Bartl, P. Becker, B. Beckhoff et al. (33 authors), "A new ²⁸Si single crystal: counting the atoms for the new kilogram definition." Metrologia 54(5), 2017, pp. 693-715. DOI 10.1088/1681-7575/aa7820