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Ciencia de los Materiales
Estructura de los materiales
Ciencia e Ingeniería de Materiales
Tipos de materiales
• Metálicos• Polímeros• Cerámicos• Compuestos (Composites)• Electrónicos• Biomateriales/Nanomateriales
Tabla periódica
Metales
• Combinación de elementos metálicos• Pueden estar combinados con no metálicos• Inorgánicos y con estructura cristalina• Buenos conductores eléctricos y térmicos, alta
resistencia mecánica, moderada plasticidad y alta tenacidad
• Ej.: Cobre, Aluminio, Hierro, Titanio
Cerámicos
• Combinación de elementos metálicos y no metálicos• Materiales inorgánicos que pueden ser cristalinos,
no cristalinos o mezcla de ambos.• Alta dureza, buena resistencia mecánica y al
desgaste.• Muy buen aislante.• Resisten el choque térmico• Ej.: Porcelana, vidrio, Ladrillos refractarios
Polímeros
• Moléculas orgánicos y casi siempre son no cristalinos.
• Baja conductividad eléctrica y muy utilizado como aislante térmico.
• Baja densidad y baja temperatura de descomposición.
• Ej.: Plásticos, Poly vinyl Chloride (PVC), Polyester y cauchos.
Compuestos
• Mezclas de dos o más materiales.• Consisten en un material de relleno y un aglutinante.• Los materiales están trabados o unidos
mecánicamente, nunca disuelto uno en el otro.• Principales tipos:
Fibrosos : Fibras en una matrizPartículas : Partículas en una matrizMatriz : Pueden ser cerámica, metálica o polimérica
• Ej.: PRFV (Plástico reforzado con fibra de vidrio), hormigón armado (barras de acero reforzadas en cemento y arena).
Electrónicos
• Poseen propiedades eléctricas intermedias.• Sus propiedades eléctricas son sensibles a la
presencia de impurezas.• Se utilizan en la industria electrónica para la
fabricación de circuitos integrados.
Nanomateriales
• Largo característico < 100nm.• Son más duros y resistentes que los materiales
macizos.• Poseen características de biocompatibilidad.• Su desarrollo también está orientado al campo de
los transistores y diodos.
El Átomo
• Demócrito (V a.C) Concepto de átomo• Dalton 1804 Átomos y Moléculas• Faraday 1834 Iones • Helmholtz 1860 Átomos de electricidad• Hittor 1869 Generación rayos
catódicos• Thomson 1897Carga y masa del electrón
Carga y masa de iones
Rutherford• Determinó que las radiaciones de rayos a pasaban a
través de finas láminas metálicas, demostrando que los átomos tenían huecos.
• Átomo elemental (Hidrógeno), 1 ión positivo y 1 electrón.
• Ley de Coulomb, equilibrio entre fuerzas de atracción vs. Centrifuga.
• Contradice a Maxwell (electromagnetismo), emisión energía a través de ondas electromagnéticas.
• La radiación de luz es a través de determinadas frecuencias o niveles de energía (cuantos).
Cuantificación de la energía• Max Plank (1900) definió al quantum (o átomo de energía). La
menor cantidad de energía que se requiere para emitir o absorber una radiación. Dicha variación es de a “saltos” y no continua. La energía de un quantum es:
E = h . f (Fotón)h = Constante de Plank = 6.626176 x 10-34 y f = frecuencia de la radiación
• Como la energía está cuantificada, tenemos:E = n. h . f
n = Número cuántico, que varía de 1 a 7• La emisión de radiación se logra excitando a los átomos,
aumentando la energía cinética de sus electrones, permitiendo dar un salto de energía.
Calentamiento (Energía termoiónica)Bombardeo electrónico (emisión secundaria)Campos eléctricos negativos intensos (emisión de campo)Aplicación de una radiación (emisión fotoeléctrica)
Números cuánticos
• Principal n Nivel o capa de energía
• Secundario l (Subniveles s, p, d y f)
• Magnético m Orientación espacial frente
a un campo magnético.
• Spin ms Momento angular
Giro sobre su propio eje
Modelo atómico de Bohr
Átomo
Partícula
MasaMasa relativa
CargaCarga relativa
Kg C
Protón 1.672 10-27 1 +1.602 10-19 +1
Electrón 0.905 10-30 0 -1.602 10-19 -1
Neutrón 1.672 10-27 1 0 0
Ne = 2 n2
Estados de la materia
Según la relación de fuerzas atómicas y moleculares
• Gas Fa > Fm• Líquido Corto alcance• Sólido Largo alcance Celda
Enlaces
Fuertes• Iónico (Heteropolar)• Covalente (Homopolar)• Metálico
Débiles o Secundarios• Fuerzas de Van der Waals• Puentes de Hidrógeno
Enlace Iónico• Transferencia de electrones
Catión Na → Na+ + 1 e-
Anión Cl + 1 e- → Cl-
• Atracción electrostática• No direccional• Número de coordinación, eficiencia de
empaquetamiento (r/R)• Entre elementos de IA y IIA con VIIA y VIA
Enlace Iónico
• Fuerza de atracción electrostática
Fc = - K / a2
a = distancia entre centros
K = k0 (Z1.q). (Z2.q)
K0 = cte
Z1 y Z2 = Valencias de los iones
q = Carga electrón
Enlace Iónico
• Fuerza de repulsión
Fr = l . e-a/p
l y p = Constantes experimentales
a0 = Distancia de equilibrio para:
Fc + Fr = 0
a0 = r Na+ + rCl-
Energía de enlace
Enlace iónico
Enlace CovalenteCovalente = Coparticipación de electronesEs un enlace direccional (ángulo de enlace)Bajo Número de Coordinación y estructuras
atómicas más abiertas.
Molécula de Cloro (Cl2)Cl – Cl
Molécula de Etileno (C2H4 )H H I IC = C I IH H
Enlace Covalente
Las energías de enlace están asociadas con enlaces múltiples
C – C 370 kJ/mol
C = C 680 kJ/mol
C ≡ C 890 kJ/mol
Enlace covalente
Enlace covalente
Enlace Metálico
• Distribución compartida de electrones y adireccional
• Electrones deslocalizados (nube)• Principio de Heisenberg• El enlace se restablece después de
realizada una deformación plástica.• Adireccionalidad = Nº Coordinación alto
Enlace metálico
Enlace metálico
Enlace Secundario
• También llamado de Van der Walls• Enlace sin transferencia ni distribución
compartida de electrones• Enlace entre átomos y moléculas de naturales
cuántica con valor de energía muy baja.• Mecanismos de enlace es similar al iónico por
atracción de cargas opuestas.• Dos átomos neutros pueden desarrollar entre
ellos carga muy débil.
Enlace Secundario
• La atracción depende de distribuciones asimétricas de las cargas, dentro del átomo o la molécula.
• Esta asimetría se llama dipolo.• Los dipolos pueden ser:
- Inducidos (de baja energía de enlace) (Ar)
0.99 kJ/mol o 0.24 kcal/mol
- Permanentes (Puente de Hidrógeno).
21 kJ/mol o 5 kcal/mol
Enlace Secundario• Las propiedades del agua derivan del Puente
de Hidrógeno
- Expansión del agua al congelarse.
(Alineamiento regular y repetitivo de moléculas)
- Al fundirse, las moléculas retienen el puente de hidrógeno, pero se empacan en un arreglo más denso.
- Alto punto de ebullición del agua• Esta asimetría se llama dipolo.• Este enlace es típico de lo polímeros.
Enlace Secundario
Tabla Comparativa
Material Enlace Ejemplo
Metal MetálicoHierro y aleaciones ferrosas
Cerámica/Vidrio Iónico/Covalente Sílice
Polímeros Covalente y Secundario Polietileno
Semiconductores Covalente o Covalente/Iónico
Silicio o Sulfuro de Cadmio
Tabla Comparativa
Material Enlace Punto de Fusión
ClNa Iónico 801ºC
C (Diamante) Covalente ~3.550ºC
Polietileno Covalente y Sec. ~ 120ºC
Cu Metálico 1.083ºC
Ar Secundario (Ind.) - 189ºC
H2O Secundario (Per) 0ºC
Tabla Comparativa
Propiedad Iónico Covalente Metálico Van der Waals
Resistencia Mecánica y Dureza
Elevada Muy Alta Variable Baja
Dureza (Mohs) CaF = 4.0 Diamante = 10 Pt = 4.3Au = 2.5
Benceno (0ºC) = 0.2
Punto de Fusión (ºC)
AltoNaCl = 801
Muy AltoDiamante = 3800
VariableMo = 2610Hg = -38.8
BajoBenceno = 5.5
Coef. Expansión Moderado Muy Bajo Moderado Muy Alto
Cond. Eléctrica Escasa en sólido. Grande en solución y fundido
Pequeña en sólido y fundido
Grande Pequeña