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Difraccion de Rayos X

Algo de Historia…

❖ Hace algo más de un siglo en 1895 Wilhelm Conrad Röntgen, científico alemán, descubrió una radiación, desconocida hasta entonces, la cual llamo Rallos X, capaz de penetrar en los cuerpos opacos.

❖ El descubrimiento de los Rayos X, y su aplicación al estudio de materiales, revoluciono a lo largo de los años los campos de la Fisica, la Química y la Biología

¿Qué son los rayos X?

❖ Los rayos X son radiaciones electromagnéticas, como lo es la luz visible, y lo único que los distingue de las demás radiaciones es su longitud de onda del orden de 10-10 metros que equivalen a un Ángstrom.

Difracción de rayos X.❖ La difracción es un fenómeno característico de las

ondas, que consiste en la dispersión de las ondas cuando se interaccionan con un objeto ordenado.

❖ La difracción de rayos X es el único método que permite, tras un procedimiento generalmente largo y complicado, “determinar de modo exacto la estructura molecular de cualquier producto, ya sea un fármaco, un compuesto inorgánico, un mineral, una proteína o incluso un virus.

¿Qué sucede en la difracción?

❖ Un experimento de difracción consiste en la irradiación con rayos X de estos pequeños cristales, que actúan dispersándolos sólo en unas direcciones determinadas, con intensidades que dependen de cómo se ordenan los átomos a nivel microscópico.

Difractómetro de rayos X.❖ Se compone de lo siguiente:

❖ 1) Un generador que alimenta el tubo de rayos X.

❖ 2) Un tubo de rayos X compuesto por por la fuente de electrones acelerados (cátodo) y la fuente de rayos X (anticátodo de Cu, Co, Fe)

❖ 3) Un goniómetro de tipo vertical, controlado automáticamente sobre un rango angular con un porta muestras.

❖ 4) Monocromador (transmite un estrecha banda de longitudes de onda)

❖ 5) Detector (contador de centelleo) *determina la energía de radiación.

❖ 6) Sistema de enfriamiento del tubo de rayos X

❖ 7) Computadora con los programas internos.

Funcionamiento.❖ Los rayos X producidos pasan a través e una ranura que orienta el

haz, haciendo incidir sobre la muestra.

❖ Se produce la difracción del haz de rayos X al incidir en un plano de la red cristalina del material irradiado.

❖ Los rayos X difractados son filtrados por un cristal analizador (monocromador), el cual absorbe las radiaciones.

❖ Las radiaciones ya filtradas, son detectadas por el contador, cuya función es ampliar las radiaciones que sobre él inciden.

❖ Las radiaciones amplificadas son registradas en una computadora.

Muestra.

❖ La muestra cristalina se muele hasta obtener un polvo fino y homogéneo, lo que garantiza la orientación de los cristales en todas las direcciones posibles.

❖ Las muestras se disponen n tubos capilares de paredes de vidrio o de celofán y se introducen n le haz de radiación.

Análisis de la muestra.

❖ Define la celda unitaria y el empaquetamiento molecular e la red cristalina.

❖ La estructura tridimensional e una molécula en el estado solido.

❖ La coordinación atómica tridimensional.

❖ Contactos intermoleculares tales como puentes de hidrógeno.

Interpretación del análisis.

❖ Un difractograma consiste e una gráfica onde se encuentran una serie de picos, representando cada uno de ellos la distancia interplanar de un cristal.

❖ La altura del pico depende la intensidad e reflexiones que lo causaron en un determinado ángulo.

Características generales del difractogarama.

❖ Fondo del difractogarama: Es la altura de la base del difractograma, va siempre condicionado por las sustancias amorfas mezcladas con los cristales.

❖ Separación de picos: Se determinan los valores en grados. Estos valores se traducen con la ecuación de Bragg-Wulf.

❖ Intensidad del pico: Al pico de mayor altura se le asigna un valor de intensidad igual a 100, dando a los demás una intensidad relativa respecto al pico más grande.

Aplicaciones de la difracción de rayos x❖ Identificación de aguas cristalinas desconocidas❖ Análisis cualitativo y cuantitativo de fases cristalinas❖ Caracterización y desarrollo de nuevos materiales❖ Control de calidad de materias primas y productos finales ❖ Especificación de arcillas❖ Determinación de transformación de fase ❖ Determinación de parámetros estructurales ❖ Determinación del grado de orden estructural ❖ Detección de imperfecciones estructurales.

Para que sirve

❖ Es una técnica que sirve para determinar la estructura detallada de un material, es decir, permite conocer la posición que ocupan los átomos, iones o moléculas que lo forman. Debido a este ordenamiento podemos determinar propiedades tanto físicas como químicas de los materiales.

Tipo de cristal

❖ Una muestra policristalina contiene una gran cantidad de pequeños cristales (de tamaño entre 10-7 y 10-4 m) que adoptan aleatoriamente todas las orientaciones posibles. Algunos planos hkl en algunos de los cristales estarán orientados, por casualidad, al ángulo de Bragg para la reflexión.

Estudio de texturas

❖ Cada grano de agregado poli cristalino tiende a ser diferente por su orientación cristalográfica , según el material y la orientación pueden determinar si el agregado cristalino en su estructura que se mantiene agrupado o distribuido y esta se determina por los picos de difracción.

❖ Las orientaciones preferentes son las de orientación agrupadas tales como metales , cerámicos , películas semiconductoras

❖ Las estructuras mas frecuentes son en forma de fibras y laminas

❖ En la mayoría de los granos las estructuras tiene la misma dirección cristalográfica

❖ En las laminares se puede determinar por medio de la suma de orientaciones ideales o componentes de textura, realizando una descripción grafica llamada figura de polo

Figura polo❖ Es una proyección estereográfica (esférica) que marca la

variación de densidades con la orientación del polo , la proyección estereográfica muestra la proyección en ángulos y direcciones en 3D.

❖ Y esta equivale ala intercepción de vectores en una esfera imaginaria

Textura❖ La orientación es muy importante a nivel industrial ya que

determina el ciertos parámetros en su características fiscas y químicas

❖ digamos que tenemos una lamina con tan solo 10 granos su orientación ya es conocida , las orientaciones de cada grano por polo es de 3 polos en planos ( 100 )paralelos es decir 30 polos en total

Si su orientación es distribuida tipo textura cubo porque cada grano esta orientado con sus planos 100 y dirección 001

Difracción de rayos x a Temperatura variable

❖ Es posible seguir el grado de avance de una reacción química se utilizara la temperatura necesaria y una fuente de rayos x de alta intensidad junto con un detector sensible

❖ La temperatura puede alterarse para observar si el producto es reversible o se trasforma cambiando de fase al enfriarse .

Aplicaciones

❖ Un ejemplo seria para seguir los cambios de fase, en una reacción de Ni con Sn-Pb fundida 60% de peso Sn en un proceso isotérmico atrevez de la técnica se puede saber que disminuirá la intensidad

❖ Otro ejemplo corresponde a la reacción entre el MgO y Al2O3 para dar el óxido mixto. Como se puede apreciar desaparecen los picos correspondientes a los reactivos y aparecen los del producto.

Aplicaciones

❖ Otro ejemplo puede ser la cristalización a partir de hidróxido de circonio amorfo de una forma tetragonal metaestable de ZrO2. El patrón de difracción se registró cada 10º en el intervalo comprendido entre 330º-410ºC. A 360ºC comienza la cristalización apareciendo el pico 111. A 390ºC aparecen los picos (202), (220), (222) y (311). A 410ºC aparecen los picos (200) y (002).

Ejemplo de patrón de difracción