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Propiedades físicas, químicas y mecánicas
Tipo: Apuntes
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1. Introducción En el universo de los materiales de ingeniería, los metales ocupan un lugar importante. Como parte de su formación, es deseable que el ingeniero de hoy tenga en su arsenal de conocimientos una comprensión de la estructura de los metales que le permita explicar sus propiedades y comportamiento en aplicaciones específicas. Los metales, como todos los elementos químicos, están formados por átomos. Para muchos propósitos, es útil y legítimo pensar en los átomos como esferas rígidas. Entonces podemos hablar sobre el tamaño de diferentes elementos en función de su radio atómico. Los tamaños atómicos se miden en unidades Ångström, un Ångstrom son 10 - 8 cm, es decir, un centímetro "contiene" 100 millones de Ångström. En materiales líquidos los átomos están en movimiento aleatorio, no mantienen posiciones fijas. Cuando los materiales se solidifican durante el enfriamiento, el movimiento atómico se detiene. En estado sólido, los átomos pueden adoptar una disposición tridimensional definida, en cuyo caso se dice que tienen una estructura cristalina. Forman cristales. Algunos materiales no están ordenados después de la solidificación, su estructura está desordenada, se dice que son amorfos. Todos los metales forman cristales en estado sólido. El vidrio es un ejemplo clásico de materiales amorfos. Algunos materiales pueden ser amorfos o cristalinos dependiendo del enfriamiento. Esto se aplica, por ejemplo, al SiO2 (óxido de silicio), que forma cuarzo cuando es cristalino y vidrio cuando es amorfo. Por lo tanto, los sólidos cristalinos tienen matrices ordenadas regulares de componentes mantenidos unidos por fuerzas intermoleculares uniformes, mientras que los componentes de los
sólidos amorfos no están dispuestos en matrices regulares. El objetivo de aprendizaje de este informe es conocer las propiedades características de los sólidos cristalinos y amorfos.
2. Estructuras cristalinas Son sólidos con organización atómica espacial y pueden ser Monocristales y Policristales (varios cristales unidos, es lo más habitual). Los átomos se organizan espacialmente con localizaciones que forman redes espaciales tridimensionales con planos de simetría. Estas estructuras tridimensionales son los cristales. Los materiales cristalinos pueden estar formados por un solo cristal, pero lo habitual es que tengan un número muy grande de cristales. Los cristales han crecido hasta que chocan unos contra otros formando los denominados: Granos. Entre los materiales cristalinos existen diversas organizaciones espaciales posibles, dependiendo de la naturaleza química de los átomos que compongan el material. Las distintas organizaciones espaciales dan lugar a diferentes propiedades mecánicas y características físicas de los materiales. 2.1.Estructuras cristalinas y propiedades físicas Dado que cada red tiene una estructura y un enlace diferente, cuentan con diferentes propiedades físicas tales como las desigualdades en la solubilidad, el punto de fusión y la conductividad, por nombrar algunas. 2.2.Estructura de red cúbica centrada en las caras (FCC) Se trata de una red cúbica con un átomo o ion en cada una de las 4 esquinas del cubo, más un átomo en el centro de cada una de las 6 caras del cubo. De ahí el nombre de estructura de red cúbica centrada en las caras.
positiva (cationes). Los no metales, en cambio, se cargan negativamente al ganar electrones. El enlace iónico, por tanto, implica la formación de fuertes fuerzas electrostáticas entre iones de carga opuesta en una estructura cristalina. Estos compuestos, llamados cristales iónicos, pueden organizarse en redes cristalinas iónicas gigantes. Se denominan gigantes porque están formadas por un gran número de iones iguales, dispuestos en un patrón repetitivo. Un ejemplo es el Cloruro de sodio, NaCl. En la red de cloruro de sodio, los iones Na+ y Cl- se atraen entre sí en direcciones opuestas. Los iones están empaquetados en forma cúbica, y los negativos son de mayor tamaño que los positivos. Propiedades físicas:
Un ejemplo es el grafito, un alótropo del carbono; es decir, que está completamente formado por átomos de carbono. El grafito es una estructura covalente gigante porque pueden existir millones de átomos de carbono en una sola molécula. Los átomos de carbono se disponen en anillos hexagonales y varios anillos se unen para formar una capa. El grafito es un material único con algunas propiedades y usos muy interesantes. Los enlaces que comparten los átomos de carbono en una capa son enlaces covalentes fuertes. Cada átomo de carbono hace 3 enlaces covalentes simples con otros 3 átomos de carbono. Hay fuerzas intermoleculares débiles entre las capas. El diamante es otro alótropo del carbono y una estructura covalente gigante. Tanto el diamante como el grafito están hechos completamente de carbono, pero tienen propiedades completamente diferentes. Esto se debe a la diferencia en la estructura cristalina de los dos compuestos. En el diamante, los átomos de carbono están dispuestos en una estructura tetraédrica. Cada átomo de carbono establece 4 enlaces covalentes simples con otros 4 átomos de carbono. Esta geometría tetraédrica hace que el diamante sea el material más duro del mundo. Otro ejemplo de estructura covalente gigante es el dióxido de silicio (IV), también conocido como sílice. El sílice es el principal componente de la arena y, también, se utiliza en la formación de vidrio. Al igual que el diamante, los átomos de la sílice están dispuestos en una geometría tetraédrica, que hace que el óxido de silicio (IV) sea muy duro. Propiedades físicas: Redes cristalinas covalentes simples:
Dentro de esta red, hay electrones libres en la capa exterior de los átomos metálicos. Estos electrones libres también se conocen como electrones deslocalizados; son libres de desplazarse por la estructura, lo que permite la formación de iones positivos. Esto, a su vez, hace que se produzca un enlace metálico. Un ejemplo de red cristalina metálica es el cobre, cuyos iones tienen una carga 2+. El cobre forma una red cúbica centrada en las caras (FCC). En una red FCC, hay un átomo en cada vértice del cubo, y hay un átomo en el centro de cada cara del cubo. Los metales forman estructuras metálicas gigantes, ya que están formados por millones de átomos. Propiedades físicas:
2.3.1. La corrosión se define como el deterioro de un material a consecuencia de un ataque químico (productos ácidos, sales, alcalinos, etc.) o electroquímico del entorno (oxígeno, humedad, lluvia ácida, contaminación, etc.). Los mecanismos de deterioro son diferentes según se trate de materiales metálicos, poliméricos o cerámicos. En los metálicos, el mecanismo de deterioro es la oxidación. 2.3.2. La oxidación se define como el proceso mediante el cual un átomo pierde electrones; en un principio, el término oxidación se utilizaba para referirse a las combinaciones del oxígeno con otros elementos. Por ejemplo, en presencia del oxígeno el hierro se enmohece (se oxida) y el carbón arde. En el caso del hierro, el oxígeno se combina lentamente con el hierro formando óxido ferroso (Fe 2 O 3 ); mientras que en la combustión, se combina rápidamente con el carbón para formar dióxido de carbono (CO 2 ). Así, se diferencian la oxidación “lenta” y "rápida”. Sin embargo, se observó que otros elementos no metálicos se combinaban con las sustancias de la misma manera que el oxígeno. Por ejemplo, el oxígeno, el antimonio y el sodio arden en atmósfera de cloro y el hierro en presencia de flúor. Por ello, y porque todas estas reacciones eran semejantes, hoy en día se da esa definición más general de oxidación. En cuanto a la oxidación interesan tres aspectos: la facilidad con la que se oxida el material, la naturaleza de la película de oxido que se forma y la velocidad a la cual ocurre la oxidación. Por ejemplo, el acero y sus aleaciones se oxidan con bastante facilidad en contacto con la humedad, mientras que el aluminio crea una capa de óxido que lo recubre, protegiéndolo de una mayor oxidación.
r = m. n / v donde m se puede estimar a partir del número de Avogadro, N, y el peso molecular del metal, Pm, en la forma: m = Pm / N 2.4.2. MODULO DE ELASTICIDAD Las propiedades elásticas se determinan por la fuerza necesaria para producir un cambio unitario en la forma de una probeta, y se calculan como la relación de las tensiones (s) a las deformaciones resultantes (e). En el caso de admitir su linealización, se puede representar por la pendiente de la curva en el entorno del punto de equilibrio a0 en la curva F = f (x) de las fuerzas interatómicas, Así pues, el módulo de elasticidad E viene definido por: 𝐸 = (𝑑𝐹/𝑑𝑥)𝑑 0 y establece la modelización de la ley de Hooke. Con el mismo criterio podría deducirse el módulo de cizallamiento (Et). ósea si se refiriera a fuerzas de cortadura (Fc) que tienden a hacer deslizar unos planos cristalográficos sobre sus vecinos un ángulo definido por G. Es decir: 𝐸𝑐 = (𝑑𝐹𝐶 /𝑑𝑇)𝑑 0 2.4.3. PUNTO DE FUSIÓN Ilustraciones 1. Punto de fusión
El punto de fusión de un metal es la temperatura a la que se encuentra en equilibrio con la forma líquida. En este punto las energías potenciales de ambas formas son similares, y sus energías cinéticas muy distintas, por causa del movimiento caótico de los átomos que no fijan su posición con la ordenación característica del cristal. El calor latente de fusión es representación de la diferencia entre estas energías cinéticas entre la fase líquida y sólida.
3. Estructura no cristalina Los materiales no cristalinos (o también llamados amorfos) no presentan la propiedad de arreglo tridimensional. Se podría describir como poliedros de coordinación, o moléculas de cadena larga. Además, sus átomos se colocan de manera aleatoria. Estas también se pueden encontrar en el cuerpo humano, como el tejido conectivo y el cartílago.
3.3.Usos de las estructuras no cristalinas Semiconductores: las estructuras no cristalinas se utilizan para fabricar semiconductores, un dispositivo electrónico que controla el flujo de electrones utilizando un efecto transistor. Los semiconductores no cristalinos se utilizan en una amplia gama de dispositivos, como computadoras, teléfonos móviles y televisión. Ropa: Se usan para hacer ropa. La principal ventaja de estas estructuras es que no tiene forma específica para que pueda adaptarse fácilmente a la forma del cuerpo. Estas se usan en una variedad de ropa, como pantalones, camisas y suéteres. Implantes médicos: También se usan en la fabricación de implantes médicos, que son dispositivos que se colocan dentro del cuerpo para reemplazar o mejorar un órgano o una extremidad. Los implantes médicos no cristalinos se usan en una amplia gama de procedimientos médicos, como el reemplazo de articulaciones y el aumento de senos. Lentes de contacto: También se usan para hacer lentes de contacto, que son dispositivos colocados en el ojo para mejorar la visión. Las lentes de contacto de no cristalinas se utilizan en diversas aplicaciones, como la corrección de la miopía y el astigmatismo. Filtros: Se usan en la producción de filtro, un dispositivo con el que los contaminantes se eliminan del agua o el aire. El filtro consiste en un material permeable que permite el paso de líquido o gas, pero conserva la contaminación. 3.4.Principales propiedades de las estructuras no cristalinas Son materiales que carecen del orden estructural interno. A diferencia de los sólidos cristalinos, las no cristalinas no tienen una estructura periódica. En general, las estructuras no
cristalinas se forman cuando un líquido se enfría rápidamente, lo que evita que la estructura cristalina se forme antes del comportamiento del material. Debido a su falta de una estructura interna, los no cristalinos no tienen direccionalidad. Otra consecuencia de la falta de un orden estructural en los no cristalinos es que carecen de defectos estructurales. Los sólidos no cristalinos no muestran este problema porque no tienen una estructura cristalina en la que se pueden introducir imperfecciones. Debido a su estructura irregular, los no cristalinos son más formables y flexibles que los sólidos cristalinos. Aunque los sólidos amorfos faltan el orden estructural interno, muchos materiales amorfos tienen microestructuras internas complejas. 3.5.Ejemplos de estructuras no cristalinas 3.5.1. Minerales y plásticos Casi cualquier material cristalino puede adaptarse a una forma no cristalina (y viceversa). Esto sucede con algunos minerales, que, por razones geoquímicas, no podrían instalar formalmente sus cristales habituales. Otros, por otro lado, no forman cristales, sino vidrio; Este es el caso de la obsidiana. Por otro lado, los polímeros tienden a endurecerse de manera amorficial, ya que sus moléculas son demasiado grandes para determinar la estructura ordenada. Esto incluye resina, goma, espuma de poliestireno (anime), plástico, teflón, bakelita, entre otros.
Las estructuras no cristalinas tienden a tener una densidad ligeramente mayor que la de los sólidos cristalinos debido a su estructura compacta. Sin embargo, hay excepciones a esta regla, ya que algunos sólidos amorfos pueden ser menos densos que ciertos sólidos cristalinos. Debido a su estructura irregular, las estructuras no cristalinas son más maleables y flexibles que las estructuras cristalinas. Esta característica hace que muchos materiales no cristalinos sean utilizados en aplicaciones en las que es necesario un alto grado de deformación, como el caso de los plásticos y el vidrio. Debido a su ausencia de estructura interna, las estructuras no cristalinas no tienen direccionalidad. Esto significa que sus propiedades físicas son homogéneas en todas las direcciones. Por ejemplo, un cristal de cuarzo es capaz de refractar la luz en diferentes ángulos, lo que le confiere un efecto óptico distintivo. Sin embargo, un material amorfo, como el vidrio, refractará la luz de manera uniforme. 3.6.2. Propiedades químicas Como sabemos entre las estructuras no cristalinas encontramos a los plásticos, esto son hidrocarburos que están hechos de petróleo y se pueden convertir de nuevo en combustible líquido, por ello decimos que entre las propiedades químicas que encontramos en esta estructura es de la combustión. Así mismo el plástico también es un material inflamable. 3.6.3. Propiedades mecánicas Como se menciona en los ejemplos anteriores, la obsidiana es una estructura no cristalina, y está posee una dureza en la escala de Mohs es de 5 a 6.
La estructura cristalina se caracteriza que cuando se quiebran o fracturan, no originan fragmentos geométricos y de caras planas, si no fragmentos irregulares y con caras curvadas. Las estructuras no cristalinas son dúctiles a baja temperatura, lo que significa que son excelentes para su uso en aplicaciones a temperaturas extremadamente bajas y conservan sus propiedades. Por lo tanto, esta clase de material está predestinada a la industria aeroespacial. Las estructuras no cristalinas tienen un alto límite elástico combinado con una extensión elástica de casi el 2 %. Esto da lugar a muchas ventajas en la producción de implantes, sensores o articulaciones macizas, ya que la amortiguación se mejora significativamente.
4. Conclusiones - En un material cristalino, los átomos se sitúan en una disposición repetitiva o periódica a lo largo de muchas distancias atómicas; es decir, existe un orden de largo alcance tal que, al solidificar el material, los átomos se sitúan según un patrón tridimensional repetitivo, en el cuál cada átomo está enlazado con su vecino más próximo.
