Materiales Metálicos UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER Estructura de los Materiales Ingeniería Mecánica - Departamento de Diseño Mecánico, Materiales y Procesos Ismael H. García Materiales Metálicos UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER ESTRUCTURA DE LOS MATERIALES ESRUCTURA ATOMICA 10-10 m ESTRUCTURA CRISTALINA 10-10 - 10-9 m MICROESTRUCTURA 10-8 - 10-6 m MACROESTRUCTURA >10-6 m PROPIEDADES DE LOS MATERIALES Materiales Metálicos UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER Estructura atómica UNIVERSIDAD FRANCISCO Estructura atómica DE PAULA SANTANDER Núcleo: Protones + neutrones 10-15 -10-14 m Electrones giran alrededor del núcleo Nube electrónica: 10-10 m Número Atómico: Número protones Masa, gramos (g) Masa, U.M.A. Carga, culombios, (C) Protón 1,673 x 10-24 1,007277 + 1,602 x 10-19 Neutrón 1,675 x 10-24 1,008665 0 Electrón 9,109 x 10-28 0,000549 - 1,602 x 10-19 UNIVERSIDAD FRANCISCO Estructura atómica DE PAULA SANTANDER Masa atómica: masa de un átomo en unidades de masa atómica (uma). Es igual a la suma de P y N en un átomo Peso atómico: masa relativa (promedio) de la mezcla natural de los isotopos de un elemento. Isotopos: Átomos de un mismo elemento con diferente cantidad de neutrones. Masa, gramos (g) Masa, U.M.A. Carga, culombios, (C) Protón 1,673 x 10-24 1,007277 + 1,602 x 10-19 Neutrón 1,675 x 10-24 1,008665 0 Electrón 9,109 x 10-28 0,000549 - 1,602 x 10-19 Estructura atómica UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER El núcleo está rodeado por una nube de electrones con carga negativa. La forma como están distribuidos los electrones en el átomo explican la mayoría de propiedades de un material. Enlace químico, reactividad química, propiedades eléctricas, magnéticas y ópticas. UNIVERSIDAD FRANCISCO Los números cuánticos DE PAULA SANTANDER Los números cuánticos n=1 n=4 n=2 l=0 l=0 l=1 n=3 s mS= +1/2 p mS= -1/2 n=2 n=1 n=3 l=0 l=1 l=2 n=4 l=0 l=1 l=2 l=3 Principal (n) acimutal (l) d magnético (m) spin (ms) El número cuántico principal (n) determina el tamaño de las órbitas, y por tanto la distancia al núcleo de un electrón vendrá determinada por este número cuántico. Puede tomar valores: 1,2,3… (K,L,M,..) UNIVERSIDAD FRANCISCO Los números cuánticos DE PAULA SANTANDER Los números cuánticos n=1 n=4 n=2 l=0 l=0 l=1 n=3 s mS= +1/2 p mS= -1/2 n=2 n=1 n=3 l=0 l=1 l=2 n=4 l=0 l=1 l=2 l=3 Principal (n) acimutal (l) d magnético (m) spin (ms) El número cuántico acimutal (l) determina la excentricidad de la órbita, al aumentar su valor aumenta su excentricidad y, por tanto, más aplanada será la elipse que recorre el electrón. Puede tomar los valores: 0, 1..,n-1 (s,p,d,f) UNIVERSIDAD FRANCISCO Los números cuánticos DE PAULA SANTANDER Los números cuánticos n=1 n=4 n=2 l=0 l=0 l=1 n=3 s mS= +1/2 p mS= -1/2 n=2 n=1 n=3 l=0 l=1 l=2 n=4 l=0 l=1 l=2 l=3 Principal (n) acimutal (l) d magnético (m) spin (ms) El número cuántico magnético (m) determina la orientación espacial de las órbitas, de las elipses. Puede tomar valores: -l,…,0,…,l. UNIVERSIDAD FRANCISCO Los números cuánticos DE PAULA SANTANDER Los números cuánticos n=1 n=4 n=2 l=0 l=0 l=1 n=3 s mS= +1/2 p mS= -1/2 n=2 n=1 n=3 l=0 l=1 l=2 n=4 l=0 l=1 l=2 l=3 Principal (n) acimutal (l) d magnético (m) spin (ms) El número cuántico de spin (s, ms). puede tomar los valores +1/2 ó -1/2 Los números cuánticos UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER Los números cuánticos UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER Niveles de energía de los orbitales del átomo de hidrógeno (1 electrón) Los números cuánticos UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER Niveles de energía de los orbitales de un átomo polielectrónico Los números cuánticos UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER La configuración electrónica del átomo indica la manera en que están distribuidos los electrones entre los distintos orbitales atómicos. Principio de Aufbau (o de construcción): Afirma que los orbitales con menor energía se llenan antes que las de mayor energía. Principio de exclusión de Pauli: No es posible que dos electrones de un átomo tengan los mismos cuatro números cuánticos. Sólo dos electrones pueden coexistir en el mismo orbital atómico y deben tener espines diferentes. Los números cuánticos Principio de Aufbau UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER UNIVERSIDAD FRANCISCO Configuración electrónica DE PAULA SANTANDER 2 8 18 32 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2…. Ejemplo Ni 28e-: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d8 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d8 4s2 2n2 UNIVERSIDAD FRANCISCO La tabla periódica s1 DE PAULA SANTANDER s2 p1 p2 p3 p4 p5 p6 Elementos de transición d1 d2 d3 d4 d5 d6 d7 d8 d9 d10 f1 f2 f3 f4 f5 f6 f7 f8 f9 f10 f11 f12 f13 f14 Elementos de transición interna UNIVERSIDAD FRANCISCO La tabla periódica DE PAULA SANTANDER 1s H 1s1 He 1s2 Li 1s2 2s1 Be 1s2 2s2 B 1s2 2s2 2p1 C 1s2 2s2 2p2 2s 2p La tabla periódica UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER Regla de Hund La distribución electrónica más estable en los subniveles es la que tiene mayor número de espines paralelos. C 1s2 2s2 2p2 x x √ La tabla periódica UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER UNIVERSIDAD FRANCISCO La tabla periódica DE PAULA SANTANDER Anomalías de configuración electrónica Grupo 6 (Cr, Mo) : Grupo 11 (Cu, Ag, Au): s2 d4 s2 d9 s1 d5 s1 d10 Hay una estabilidad ligeramente mayor con los subniveles semillenos (d5) y completamente llenos (d10) Como se puede observar en: esta tabla periódica diagrama diagrama2 La tabla periódica UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER Paramagnetismo y Diamagnetismo Las sustancias paramagnéticas son aquellas atraídas por un imán. Átomos con uno o más espines desapareados. Las sustancias diamagnéticas son repelidas ligeramente por un imán. Átomos con todos los electrones apareados. UNIVERSIDAD FRANCISCO La tabla periódica DE PAULA SANTANDER Niveles energéticos y movimiento de electrones Energía asociada a cada electrón depende principalmente de su distancia al núcleo, y por tanto de n. 2π 2 me 4 13,6 E=− 2 2 =− 2 n h n h constante de Planck 6,63x10-34 J.s Fotón emitido Δ E = E f − Ei ΔE = h ν = hc λ Electronegatividad UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER ELECTRONEGATIVIDAD Y ELECTRONES DE VALENCIA La electronegatividad de un elemento representa la capacidad de un átomo de atraer hacia sí los electrones en un enlace químico. Los elementos con una baja electronegatividad se denominan electropositivos y tienden a formar cationes, mientras que los de alta electronegatividad se denominan electronegativos y tienden a formar aniones. Los electrones en los niveles de energía externos son aquellos que serán utilizados en la formación de compuestos y a los cuales se les denomina como electrones de valencia (máximo 8). Electronegatividad UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER ELECTRONEGATIVIDAD La electronegatividad es una propiedad química que mide la capacidad de un átomo para atraer hacia él los electrones, o densidad electrónica, cuando forma un enlace en una molécula Materiales Metálicos UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER Los elementos electropositivos, tienen pocos electrones de valencia (1,2,3) son conocidos como elementos metálicos. Los elementos electronegativos, tienen bastantes electrones de valencia (5,6,7), son conocidos como elementos no metálicos. Los elementos con 8 electrones de valencia, son conocidos como gases nobles. Materiales Metálicos UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER Enlace químico Ingeniería Mecánica - Departamento de Diseño Mecánico, Materiales y Procesos Ismael H. García Enlace químico UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER Prácticamente todas las sustancias que encontramos en la naturaleza están formadas por átomos. Las intensas fuerzas que mantienen unidos los átomos en las distintas sustancias se denominan enlaces químicos. Enlace químico UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER ¿Por qué se unen los átomos? Los átomos se unen porque, al estar unidos, adquieren una situación más estable que cuando estaban separados. Enlace químico UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER Para muchos propósitos, con la ayuda de modelos simples es suficiente para entender la tendencia de las propiedades físicas y químicas. Los enlaces químicos fuertes se describen mediante tres conceptos: enlace iónico, enlace covalente y enlace metálico. Enlace Atómico Enlace metálico Átomos muy electropositivos. Todos los átomos ceden sus electrones de valencia. Enlace no direccional. UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER Enlace Atómico Enlace metálico UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER Temperaturas de fusión elevadas, por lo que son sólidos a temperatura ambiente (excepto el mercurio que es líquido). Buenos conductores del calor y la corriente eléctrica, debido a la libertad de movimiento de los electrones por todo el metal. Dúctiles (se pueden estirar para formar hilos) y maleables (se pueden trabajar para formar láminas finas). Enlace Atómico Enlace metálico UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER Temperaturas de fusión elevadas, por lo que son sólidos a temperatura ambiente (excepto el mercurio que es líquido). Buenos conductores del calor y la corriente eléctrica, debido a la libertad de movimiento de los electrones por todo el metal. Dúctiles (se pueden estirar para formar hilos) y maleables (se pueden trabajar para formar láminas finas). Enlace Atómico UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER Enlace iónico Átomo electropositivo – Átomo electronegativo. Cede electrones Recibe electrones Catión Anión Enlace no direccional. Enlace Atómico UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER Enlace iónico Las propiedades características de los materiales con enlaces iónicos son: Los sólidos iónicos naturales tienen estructura cristalina. Tienen dureza elevada, y puntos de fusión y ebullición altos. Son solubles en disolventes polares como el agua. Cuando se encuentran disueltos en soluciones acuosas tienen una conductividad alta. Enlace Atómico Enlace iónico UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER Cambia el ordenamiento de las capas. El material tiende a romperse Frágiles: Se rompen sin deformarse al someterse a fuerzas suficientemente grandes. Enlace Atómico UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER Enlace covalente El enlace covalente se forma entre átomos con pequeñas diferencias de electronegatividad y ubicados muy próximos en la tabla periódica. Por lo general átomos electronegativos. En el enlace covalente los átomos generalmente comparten sus electrones externos s y p con otros átomos, de modo que cada átomo alcanza la configuración de gas noble. Enlace Atómico Enlace covalente UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER Enlace Atómico Enlace covalente UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER Propiedades de los materiales con enlaces covalentes Si en el material solo existen enlaces covalentes, se tiene dureza elevada y altos puntos de fusión y ebullición, ejemplo la sílice y el diamante. Sin embargo, la mayoría de compuestos con estos enlaces, también presentan enlaces secundarios y por tanto se disminuyen considerablemente estas propiedades. La solubilidad de estos compuestos es mínima en disolventes polares, y nula su capacidad conductora. Enlace Atómico UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER Enlaces secundarios – Dipolo inducido Enlace Atómico UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER Enlaces secundarios – Dipolo permanente 105º (a) Molécula de agua mostrando el dipolo permanente (b) Enlace entre moléculas de agua por atracción entre los dipolos. Enlace Atómico UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER Enlaces secundarios en materiales poliméricos Nylon 6.6 Kevlar Ciencia de los Materiales UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER UNIVERSIDAD FRANCISCO Enlace Atómico DE PAULA SANTANDER Fuerza de enlace (Iónico) F atracción Fuerza - 0 + F neta Distancia interiónica, a F repulsión a<a0 r R a=a0 a>a0 a0 = r + R a0 Fatrac. q1 q 2 ( Z 1e)( Z 2 e) Z1 Z 2 e 2 =− =− =− 2 2 4πε 0 x 4πε 0 a 4πε 0 a 2 Frep nb = − n +1 a UNIVERSIDAD FRANCISCO Enlace Atómico DE PAULA SANTANDER Energía de enlace (Iónico) E repulsión Energía - 0 + E neta Distancia interiónica, a E atracción a<a0 r R a=a0 a>a0 a0 = r + R a0 Eneta = Eatracción + Erepulsión Z1Z 2 e 2 b + n = 4πε 0 a a UNIVERSIDAD FRANCISCO Enlace Atómico DE PAULA SANTANDER Fuerza de enlace – Módulo de Young Esfuerzo Alto E Bajo E deformación UNIVERSIDAD FRANCISCO Enlace Atómico DE PAULA SANTANDER Energía de enlace – Expansión térmica Energía neta Δa Distancia interiónica, a ΔE = ∆ ∆ Los materiales con curvas pronunciadas con un valle hondo tienen bajos coeficientes de dilatación térmica lineal UNIVERSIDAD FRANCISCO Enlace Atómico DE PAULA SANTANDER Enlaces mixtos Enlace iónico – covalente ( % de caracter iónico = 1 − e −1 / 4 ( X A − X B )2 )*100% Enlace metálico – covalente % de caracter covalente = metalitivi dad del elemento * 100 metalitivi dad del carbono Enlace metálico UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER DESARROLLO DEL TALLER
