¡Descarga Propiedades químicas de los materiales. y más Apuntes en PDF de Ciencia de materiales solo en Docsity!
Ingeniería de materiales
Tema
Propiedades químicas de los materiales.
Saber
Explicar las propiedades químicas: estructura atómica, enlaces, reactividad, oxidación, corrosión, desgaste y aleaciones. El objetivo de este tema es examinar la estructura atómica (el núcleo que consiste en protones y neutrones y los electrones que rodean el núcleo) a fin de tener una base para comprender cómo afecta la estructura atómica las propiedades, el comportamiento y las aplicaciones resultantes de los materiales de ingeniería. Se estudiará que la estructura de los átomos afecta los tipos de enlaces que mantienen unidos los materiales entre sí. Estos distintos tipos de enlaces afectan la idoneidad de los materiales para las aplicaciones de ingeniería en el mundo real. El diámetro de los átomos por lo regular se mide utilizando la unidad angstrom (Á o 1x10- (^10) m). El análisis minucioso del arreglo atómico permite distinguir entre materiales que son amorfos (aquellos que carecen de un ordenamiento de largo alcance de átomos o iones) o cristalinos (aquellos que exhiben arreglos periódicos de átomos o iones). Tipos y ejemplos de Sólidos cristalinos ejemplos de sólidos cristalinos son el diamante, el cuarzo, el antraceno, el hielo seco, el cloruro de potasio o el óxido de magnesio, azúcar, diamante en joyas, sal común, Agua, Hielo, talco para los pies (oxido de titanio), rutilo Tipos y Ejemplos de Sólidos Amorfos: Plásticos o Polímeros: sólidos amorfos formados por macromoléculas orgánicas constituidas principalmente por carbono (C), hidrógeno (H), oxígeno (O) y otros elementos en menor cantidad Polietileno
Polipropileno Nailon PET Polímeros termoplásticos Polímeros termoestables Elastómeros Polímeros expandidos o espumas Vidrios: es un sólido amorfo con la estructura de un líquido formados principalmente por sílice, sosa y cal Alquitrán Roca volcánica Basalto Obsidiana
Estructura atómica
Visualización real de los estados de Stark de un átomo de hidrógeno. Fuente: A. S. Stodolna et al (2013) Hydrogen Atoms under Magnification: Direct Observation of the Nodal Structure of Stark States Phys. Rev. Lett. 110, 213001
El número atómico de un elemento es igual al número de protones en cada átomo. Por tanto, un átomo de hierro, el cual contiene 26 protones, tiene un número atómico de 26. El átomo como un todo es eléctricamente neutro debido a que el número de protones y electrones es igual. La mayor parte de la masa del átomo está contenida dentro del núcleo. La masa de cada protón y neutrón es de 1.67 X 10-24^ g, pero la masa de cada electrón es de sólo 9.11 x 10-28^ g. La masa atómica M, la cual es igual a la masa total del número promedio de protones y neutrones en el átomo en unidades de masa atómica, también es la masa en gramos de la constante de Avogadro NA de átomos. La cantidad NA= 6.022 X 1023 átomos/mol es el número de átomos o moléculas en un mol. Por tanto, la masa atómica tiene unidades de g/mol. La unidad de masa atómica, o uma, es una unidad alterna para la masa atómica, la cual es 1/ la masa del carbono 12 (es decir, el átomo de carbono con 12 nucleones, seis protones y seis neutrones). Como ejemplo, un mol de hierro contiene 6.022 X 1023 átomos y tiene una masa de 55.847 g o 55.847 urna. Los cálculos que incluyen la masa atómica de un material y la constante de Avogadro son útiles para comprender más acerca de la estructura de un material. Ejercicios Calcule el número de átomos en 100 g de plata (Ag). SOLUCION El número de átomos puede calcularse a partir de la masa atómica y la constante de Avogadro. A partir del apéndice A, la masa atómica, o peso, de la plata es de 107.868 g/mol.
Enlace
Existen cuatro mecanismos importantes por medio de los cuales se enlazan los átomos en los materiales de ingeniería. Éstos son:
- enlaces metálicos;
- enlaces covalentes;
- enlaces iónicos, y
- enlaces de van der Waals. Los primeros tres tipos de enlaces son relativamente fuertes y se conocen como enlaces primarios (enlaces relativamente fuertes entre átomos adyacentes que resultan de la transferencia o compartición de los electrones orbitales externos). Las fuerzas de van der Waals son enlaces secundarios y se originan a partir de un mecanismo distinto y son relativamente más débiles. Enlaces químicos
Enlace iónico.
Ion: aquel átomo que al perder o ganar un electrón de su número acostumbrado queda cargado eléctricamente. Características: Está formado por metal (IA, IIA y IIIA,1,2,3 átomos en su última capa) + no metal (V, VI, VII electrones en su última capa) No forma moléculas verdaderas, existe como un agregado de aniones (iones negativos) y cationes (iones positivos).
Está formado por elementos no metálicos. Pueden ser 2 o 3 no metales. Pueden estar unidos por enlaces sencillos, dobles o triples, dependiendo de los elementos que se unen. Las características de los compuestos unidos por enlaces covalentes son: Los compuestos covalentes pueden presentarse en cualquier estado de la materia: solido, líquido o gaseoso. Son malos conductores del calor y la electricidad. Tienen punto de fusión y ebullición relativamente bajos. Son solubles en solventes polares como benceno, tetracloruro de carbono, etc., e insolubles en solventes polares como el agua.
Tipos de enlaces covalentes
Los enlaces covalentes se clasifican en: COVALENTES POLARES COVALENTES NO POLARES COVALENTES COORDINADO PROPIEDADES Las principales propiedades de los compuestos covalentes son: Pueden existir, en condiciones ambiente, en los estados gaseoso, líquido y sólido. Cuando se presentan en estado sólido, poseen puntos de fusión y ebullición más bajos, comparados con los de las sustancias iónicas o metálicas. Algunas son solubles en agua, otras son solubles en solventes orgánicos y otros aún, son solubles en ambas. Normalmente, no son conductoras de electricidad, ni siquiera puros, ni aún disueltos en agua. La excepción a esta regla ocurre en el caso de los ácidos, que cuando están en solución, conducen la corriente eléctrica. Un ejemplo de compuesto covalente apolar es el oxígeno, presente en el aire que respiramos, disuelto en el agua de los ríos y mares en los cuales los peces respirar y en el proceso de combustión de la parafina de una vela. Un ejemplo de compuesto covalente polar es el monóxido de dihidrógeno, conocido popularmente como agua. Considerada un solvente universal, el agua corresponde al 70% en masa de nuestro cuerpo. Ella debería ser un gas, pero debido a la fuerte interacción entre sus moléculas, conocida por “enlace de hidrógeno”, en temperatura y presión ambientes, su estado físico es líquido.
Los compuestos binarios covalentes Incluye: Óxidos de no metales, anhídridos ácidos Halogenuros de no metales Hidruros no metálicos
Enlace metálico.
El enlace metálico se produce cuando se combinan metales entre sí. Los átomos de los metales necesitan ceder electrones para alcanzar la configuración de un gas noble. En este caso, los metales pierden los electrones de valencia y se forma una nube de electrones entre los núcleos positivos. El enlace metálico se debe a la atracción entre los electrones de valencia de todos los átomos y los cationes que se forman.
La aleación más importante, el acero, es intersticial: podríamos decir que los pequeños átomos de carbono (radio de 77pm) están disueltos en el hierro (radio de 126pm). Al aumentar la cantidad del carbono, el acero se vuelve más duro. Con 0.2% de C se tienen aceros blandos para: (clavos y cadenas); con 0.6% se tienen aceros medios (los de rieles o vigas); y con 1% aceros de alta calidad (cuchillos, resortes, herramientas y similares). Además del carbono, se puede formar aleaciones con otros elementos, como Cr y Ni, con los que se produce el acero inoxidable. El peltre es una aleación (85% Sn, 7.3% Cu, 6% Bi, 1.7%Sb) es muy empleada en utensilios de cocina. El latón (67%Cu, 33%Zinc) se utiliza en la fabricación de diversos artículos de ferretería. Las hojas de rasurar tienen una aleación de Cr- Pt. Los audífonos de los equipos de música portátiles emplean un imán permanente de Co- Sm PROPIEDADES El enlace metálico explica muchas características físicas de las sustancias metálicas, tales como fuerza, maleabilidad, ductilidad, conducción de calor y de la electricidad, y brillo o lustre (devuelven la mayor parte de la energía lumínica que reciben). Propiedades de los metales 1) Temperaturas de fusión y ebullición muy elevadas. Son sólidos a temperatura ambiente (excepto el mercurio que es líquido). 2) Buenos conductores de la electricidad (nube de electrones deslocalizada) y del calor (facilidad de movimiento de electrones y de vibración de los restos atómicos positivos). 3) Son dúctiles (facilidad de formar hilos) y maleables (facilidad de formar láminas) al aplicar presión. Esto no ocurre en los sólidos iónicos ni en los sólidos covalentes dado que, al aplicar presión en estos casos, la estructura cristalina se rompe. 4) Son en general duros (resistentes al rayado). 5) La mayoría se oxida con facilidad. Todas estas propiedades pueden explicarse mediante el enlace metálico.
Reactividad
En química, la reactividad se refiere a la capacidad de una sustancia para sufrir una reacción química, ya sea con ella misma o con otras sustancias o reactivos, transformándose en uno o varios productos y liberando energía. Es un concepto amplio que se puede estudiar desde varios puntos de vista, uno termodinámico y otro cinético. Desde un punto de vista termodinámico, a mayor reactividad menos energía es necesaria para iniciar la reacción y/o mayor energía se libera en la reacción. Desde un punto de vista cinético, a mayor reactividad mayor velocidad de transformación de los reactivos.
Oxidación
El nombre de la reacción química, "oxidación", se deriva del hecho que, en la mayoría de los casos, la transferencia de electrones se lleva a cabo adquiriendo átomos de oxígeno, pero es importante recalcar que también se da la oxidación sin involucrar el intercambio de oxígeno.
En términos simples, durante la reacción una sustancia cede electrones y otra los gana (reducción), por lo que es más conveniente el término "redox" para referirnos al proceso - Redox es una abreviación de "reducción/oxidación", y se refiere a todas aquellas reacciones químicas en donde átomos cambian su estado de oxidación. Siempre que ocurre una oxidación hay liberación de energía. Esta energía puede ser liberada de manera lenta, como es el caso de la oxidación o corrosión de los metales, o bien, puede ser liberada de forma muy rápida y explosiva como es el caso de la combustión. La oxidación está presente en todos lados y ocurre en lugares que no imaginamos. Existen varios tipos de oxidación, como la combustión, y algunas de ellas, como podremos ver, ocurren dentro del organismo. La respiración, uno de los tipos de oxidación, es el proceso fisiológico por medio del cual las plantas intercambian dióxido de carbono (CO2) por oxígeno (O2). Mediante este importante proceso la planta es capaz de realizar la fotosíntesis. Por otra parte, dentro de los tipos de oxidación, nos encontramos con la fermentación. La fermentación es un proceso catabólico de oxidación del que se obtiene, como producto final, un compuesto orgánico. Este compuesto final es el que dictará de qué tipo de fermentación se trata. Esta puede ser, láctica, alcohólica, butírica, acética o de la glicerina.
En los seres vivos la fermentación es un proceso bastante común, ya que se da en microorganismos como las bacterias y también en las levaduras, así como también en el tejido muscular de animales y humanos cuando el aporte de oxígeno en las células no es suficiente para generar una contracción muscular o para llevar a cabo los procesos metabólicos. Existen dos tipos conocidos de oxidación: Oxidación lenta. Aquella que se produce por causa del oxígeno contenido en el aire o en el agua, esa que hace que los metales pierdan su brillo y sufran corrosión al estar expuestos demasiado tiempo al ambiente. Oxidación rápida. Aquella que ocurre en reacciones químicas violentas como la combustión, generalmente exotérmicas (liberan energía en forma de calor), y se produce fundamentalmente en elementos orgánicos (con contenido de carbono e hidrógeno).
Corrosión
Corrosión es el ataque destructivo de un metal por reacción química o electroquímica con su medio ambiente La corrosión es un proceso natural, en el cual se produce una transformación del elemento metálico a un compuesto más estable, que es un óxido. Observemos que la definición que hemos indicado no incluye a los materiales no-metálicos. Otros materiales, como el plástico o la madera no sufren corrosión; pueden agrietarse, degradarse, romperse, pero no corroerse. Generalmente se usa el término “ oxidación” o “ aherrumbramiento” para indicar la corrosión del hierro y de aleaciones en las que éste se presenta como el metal base, que es una de las más comunes. La corrosión causa un enorme daño a la economía de los países. Esto se manifiesta en la pérdida irreversible anualmente de millones de toneladas de metales. Por ejemplo, a causa de la corrosión se pierde cerca del 10% de todo el metal ferroso producido. En una serie de industrias, aparte de las pérdidas, los óxidos de los metales formados como resultado de la corrosión, impurifican los productos. Para evitarlo se generan gastos adicionales, especialmente en la industria alimenticia y en la fabricación de reactivos químicamente puros etc. Naturaleza de la corrosión La corrosión se subdivide en:
Química Electroquímica Corrosión química Por corrosión química se entiende la destrucción del metal u otro material por la acción de gases o líquidos no electrolíticos (gasolina, aceites etc.). Un ejemplo típico de corrosión química es la oxidación química de metales a altas temperaturas. En la corrosión química, sobre la superficie del metal se forma una película de óxidos. La solidez de esta película es diferente para los diferentes metales y aleaciones. En las aleaciones de hierro con carbono, la película de óxidos es débil, se destruye con facilidad y la oxidación continúa realizándose hacia el interior de la pieza. En otros metales y aleaciones las películas de óxido son muy resistentes. Por ejemplo, al oxidarse el aluminio, sobre su superficie se origina una película firme de óxidos que protege el metal contra la oxidación ulterior. Corrosión electroquímica Se denominan así a los procesos que se desarrollan por acción de electrólitos sobre el metal. Los procesos electrolíticos pueden ser muy complejos en dependencia de la naturaleza del metal y del electrólito, pero en general corresponden a una reacción de oxidación-reducción, en la que el metal sufre un proceso de oxidación y se destruye (se disuelve). Al mismo tiempo el hidrógeno presente en la solución acuosa se reduce y se desprende oxígeno elemental de la disolución que corroe adicionalmente el metal. Las aguas naturales que contienen sales, el aire húmedo, las soluciones ácidas, de álcalis o salinas son los electrólitos más comunes con los que entran en contacto los metales en la práctica. La tendencia de los metales a ceder a la disolución sus iones, se llama presión de disolución. Cada metal tiene su propia presión de disolución. A consecuencia de esto, si se colocan diferentes metales dentro de un mismo electrólito, cada uno adquiere diferente potencial eléctrico y forman pares galvánicos. En estos pares el metal con potencial más bajo (mayor presión de disolución), pasa a ser él; ánodo y se destruye, es decir se oxida o pasa a la disolución. El segundo metal con potencial mayor actúa como cátodo y no se disuelve. Con esto se explican los procesos que se desarrollan durante la corrosión electroquímica de los metales técnicos (aleaciones). Al sumergir tal metal en el electrolítico, sus diferentes partes adquieren diferentes potenciales y como en el interior del metal estos componentes están en corto circuito, entonces este sistema se puede considerar como un conjunto de múltiples pares galvánicos conectados La destrucción del metal comienza desde la superficie del sistema metal-medio y se propaga paulatinamente dentro del metal. Tipos de corrosión Las destrucciones por corrosión pueden dividirse en los siguientes tipos principales: Corrosión uniforme Corrosión local Corrosión intercristalina
Desgaste por abrasión: Este fenómeno se presenta en la mayoría de los procesos productivos. El material es removido de una superficie por el movimiento de partículas duras o en libertad de movimiento que se deslizan contra la superficie. Desgaste por deslizamiento: Este tipo de desgaste es causado debido a un constante contacto entre dos superficies metálicas en presencia de material abrasivo y con o sin lubricación. Desgaste por erosión: Es originado debido al flujo de una mezcla de partículas químicos que son transportadas por un líquido a altas temperaturas y que impactan la superficie de la pieza. Desgaste por corrosión: Este desgaste es causado por la formación de una película de oxido en la superficie la cual debilita el metal. Al ser una capa de óxido frágil, se expone a los fenómenos de deslizamiento y es removida. Desgaste por cavitación: Ocurre cuando un líquido en circulación está sujeto a cambios rápidos de presión o temperatura que causan formación de burbujas las cuales colapsan y perforan el metal. Los recubrimientos de mejor comportamiento en condiciones de desgaste por abrasión – corrosión son los que poseen una capa superior cerámica, ya que estos poseen una mayor resistencia al ataque químico comparado con los poseen una capa superior metálica.
Aleaciones
Se conoce como aleación a la combinación de dos o más elementos metálicos, para constituir un nuevo material que tenga las propiedades de sus ingredientes.
Las aleaciones suelen considerarse por lo general como mezclas, dado que no se producen reacciones químicas entre los elementos juntados, es decir, sus átomos no se entrelazan ni cambia la constitución de sus moléculas. Por lo general, se combina en las aleaciones distintos materiales metálicos, aunque también pueden combinarse uno metálico con otro no metálico, para alterar así sus propiedades. Pero el material resultante siempre tendrá características metálicas: brillo, buena conducción térmica y eléctrica, mayor o menor dureza, maleabilidad y ductilidad, etc. Este es un procedimiento usual en la industria siderúrgica y de los materiales, y es la única forma de obtener sustancias como el bronce o el latón. Toda aleación se compone de dos ingredientes como mínimo: un material de base al cual se le añaden los materiales aleantes, que pueden ser uno solo o varios. Las propiedades puntuales del resultado dependerán directamente de las propiedades de los elementos involucrados, así como de la proporción entre ellos. Por ende, al añadir más cantidad de material aleante, se modifican más las características del material de base. Dependiendo del caso, la proporción entre unos y otros puede consistir en porcentajes mínimos (0,2 a 2%) o mucho más elevados y notorios. Tipos de aleaciones Las aleaciones se clasifican comúnmente atendiendo a la predominancia de un elemento sobre los demás en la mezcla (por ejemplo, se habla de las aleaciones del cobre, independientemente de cuáles sean los demás ingredientes). Sin embargo, también se las divide conforme a la cantidad de ingredientes involucrados, del siguiente modo: Aleaciones binarias. Integran dos elementos (elemento base y elemento aleante). Aleaciones ternarias. Integran tres elementos (elemento base y dos aleantes). Aleaciones cuaternarias. Integran cuatro elementos (elemento base y tres aleantes). Aleaciones complejas. Integran cinco o más elementos (elemento base y cuatro o más aleantes). Por último, suele distinguirse entre aleaciones pesadas y aleaciones ligeras, dependiendo de las propiedades del elemento de base. Así, las aleaciones del aluminio son ligeras, mientras que las del hierro son pesadas. Ejemplos de aleación Acero. Una aleación fundamental para las industrias humanas, constituye un material resistente pero maleable, resultante de la mezcla de hierro y diversos elementos: carbono, principalmente, pero también silicio, azufre y oxígeno. El carbono vuelve al hierro más resistente a la corrosión, aunque más quebradizo, así que se añade en un porcentaje pequeño. Latón. Muy utilizado en para fabricar recipientes, en especial para alimentos no perecederos (latas), así como en la tubería y grifería domésticas, el latón se obtiene mediante la aleación de cobre y zinc. Es un metal muy dúctil y maleable que brilla con facilidad al ser pulido.
los materiales están formados por elementos, con una composición y estructura única y que, además, pueden ser usados con algún fin especifico. Los materiales se clasifican de forma muy general en: Metales Cerámicos Polímeros Materiales compuestos Sin embargo, está clasificación no es única, pues los materiales se pueden dividir por su estructura, por sus propiedades físicas y químicas, por sus usos en industrias específicas, etc. Las Propiedades de los materiales son el conjunto de características que hacen que el material se comporte de una manera determinada ante estímulos externos como la luz, el calor, las fuerzas, el ambiente, etc.… Los materiales que se necesitan para elaborar un determinado producto se diferencian entre sí y los vamos a elegir en función de sus propiedades. Las propiedades de los materiales se pueden agrupar en base a distintos criterios. Nosotros, desde un punto de vista técnico, vamos a establecer la siguiente clasificación: Propiedades sensoriales Propiedades físico-químicas Propiedades mecánicas Propiedades tecnológicas https://www.edu.xunta.es/espazoAbalar/sites/espazoAbalar/files/datos/1464947174/ contido/22_propiedades_mecnicas.html
Resultado de aprendizaje
Realizará un reporte donde integre las fichas técnicas de los materiales, componentes de un producto donde considere su clasificación, composición, estructura, síntesis, procesamiento, funcionamiento, propiedades físicas, tecnológicas y químicas. Realizar ficha tencia de Acero inoxidable y Aluminio ¿Qué debe incluir una ficha técnica? Una de las referencias más importantes que manejamos en los materiales de construcción es la ficha técnica. La ficha técnica de un material debería especificar al menos: La composición del material. Las características físico-químicas y propiedades, con referencia a los ensayos realizados que las confirman, en su caso. Los usos posibles y recomendados o campos de aplicación. Las instrucciones de uso. Las condiciones de necesarias de los elementos con los que puede interactuar. Las condiciones físico-ambientales de uso. Los modos, sistemas, volúmenes o unidades de suministro habitual. Las condiciones de almacenaje. Las características necesarias de mantenimiento. Las posibles precauciones y/o recomendaciones de seguridad. Igualmente aportar imágenes de terminación, aplicación, suministro, etc. nos son de gran interés si queremos hacernos una idea rápida de aspecto, ejecución, etc. Pese a que se trate de una parte importantísima de definición de ejecución de una obra encontramos que no siempre las fichas técnicas proporcionan estos datos, y por el contrario abundan las definiciones como: Excelente durabilidad, máxima capacidad mecánica, resistente a la mayoría de los productos químicos, ideal para acabados arquitectónicos, buen poder cubriente, recomendado para la mayoría de las superficies, etc. La hemos extraído de fichas técnicas reales. Como te puedes dar cuenta, estas indicaciones no solo no aportan nada, sino que cubren posibles fallos futuros. Si algo es “recomendado para la mayoría de las superficies” y no funciona sobre la que tú eliges te encuentras con un problema de difícil reclamación y a veces de solución. ¿Qué significa excelente durabilidad? ¿Durabilidad a qué? ¿Cuánta y bajo qué condiciones? ¿Qué hago si la ficha técnica del producto que quiero utilizar no especifica mis necesidades? Nuestra recomendación es solicitar por escrito la información al fabricante. Es quien tiene que certificar la idoneidad del producto para su uso y las condiciones necesarias para su aplicación, así como la durabilidad y comportamiento esperado. Mientras, esperamos que los fabricantes redacten fichas técnicas más informativas y efectivas. Se agradecería.
