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