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 matriz Partículas : Partículas en una matriz Matriz : 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 1897 Carga y masa del electrón Carga y masa de iones Rutherford • Determinó que las radiaciones de rayos 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 Masa Masa relativa Carga Carga relativa Partícula 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 Anión Na → Na+ + 1 eCl + 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 Covalente Covalente = Coparticipación de electrones Es 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 I C=C I I Enlace Covalente Las energías de enlace están asociadas con enlaces múltiples C–C C=C C≡C 370 kJ/mol 680 kJ/mol 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 Metálico Hierro 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 Polietileno Covalente y Sec. ~ 120ºC Cu Metálico 1.083ºC Ar Secundario (Ind.) - 189ºC H2O Secundario (Per) 0ºC ~3.550ºC 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 = 4.3 Au = 2.5 Benceno (0ºC) = 0.2 Punto de Fusión (ºC) Alto NaCl = 801 Muy Alto Diamante = 3800 Variable Mo = 2610 Hg = -38.8 Bajo Benceno = 5.5 Coef. Expansión Moderado Muy Bajo Moderado Muy Alto Cond. Eléctrica Escasa en Pequeña en sólido. Grande sólido y fundido en solución y fundido Grande Pequeña Estructura BCC Estructura FCC Estructura HCP
