FORMAS, MATERIALES Y TÉCNICAS
TEMA 1 : INTRODUCCIÓN A LOS MATERIALES
1. ESTRUCTURA DE LOS MATERIALES
RELACIÓN ESTRUCTURA-PROPIEDADES-PROCESADO
Las propiedades de cualquier material dependen de la estructura y se pueden controlar con el
procesamiento. No siempre se puede modificar la estructura.
La estructura de un material es lo que determina las propiedades de un material y se puede
modificar en algunas ocasiones. La estructura es un concepto muy amplio y que en concreto depende
de la escala de observación en la que nos encontremos. Es decir, en función de dicha escala y el punto
en el que está, la estructura cambiará. Así, por ejemplo, en la macroescala, el punto más alto, se
encuentran aquellas cosas superiores a 1 mm y que podemos observar con nuestros propios ojos. En el
último punto, la escala subatómica, por ejemplo, se encuentran aquellas características menores a 0,1
nm.
La macroestructura es la forma de un objeto porque lo podemos ver a simple vista, también sus
características, como, por ejemplo, si tiene poros. La microestructura está dentro de la microescala
y engloba aquellos aspectos que hay que ver con un microscopio. Más abajo todavía está el arreglo y
la estructura atómicos, que son aspectos de la estructura que determinan gran cantidad de las
propiedades del objeto, pero no se pueden ver con un microscopio.
La estructura atómica es la estructura interna de los átomos individuales. Es decir, es la manera
en la que se organizan
Modelo planetario de la estructura atómica: el átomo está constituido por una serie de electrones
que orbitan alrededor del núcleo (formado por protones y neutrones).
Masa atómica (A)= nº de protones + nº de neutrones en el núcleo.
Número atómico (Z)= nº de protones en el núcleo, identifica a cada uno de los elementos.
· Isótopo 12C: A=12 (6 protones+6 neutrones)
· Isótopo 13C: 13 (6 `protones + 7 neutrones)
Los dos tienen 6 protones, por tanto, su número atómico es 6. Z=6, identifican al elemento como
Carbono.
Configuración electrónica: describe cómo los electrones están ordenados en niveles o capas
y orbitales en un átomo.
Electrones de valencia: Electrones que ocupan el nivel energético más externo, también
llamado nivel o capa de valencia. Participan en el enlace químico entre átomos, cuya naturaleza
determina algunas de las propiedades de los materiales.
1.1 ESTRUCTURA ATÓMICA
, Todos los elementos han sido clasificados en la tabla periódica de acuerdo con la configuración
electrónica. En dicha tabla los elementos se encuentran según una disposición de números atómicos
crecientes en 7 hileras horizontales denominadas periodos. La disposición es tal que todos los
elementos que coinciden en una columna o grupo tienen estructuras electrónicas de valencia similares
y por tanto propiedades físicas y químicas similares.
Se observa que la mayoría de los elementos se clasifican como metales. Estos elementos se
denominan electropositivos porque pueden perder electrones y cargarse positivamente. Los elementos
situados a la derecha en la tabla periódica se denominan electronegativos porque pueden aceptar
fácilmente electrones y cargarse negativamente.
Están ordenados por filas según su nº atómico (Z). Grupo=mismo nº de electrones.
Los principios del enlace atómico se pueden ilustrar considerando la atracción entre dos átomos
aislados que se van aproximando desde una distancia de separación infinita. A grandes distancias, las
interacciones son despreciables, pero al aproximarse, cada átomo ejerce fuerzas sobre el otro. Estas
fuerzas son de dos tipos: atractivas (FA ) y repulsivas (FR) y su magnitud depende de la distancia
interatómica (d). La fuerza resultante entre los dos átomos es la suma de las componentes repulsiva
y atractiva:
FN = FA + FR
Cuando los componentes de ambas fuerzas son iguales, la resultante es nula:
F A + FN = 0
Entonces se alcanza el estado de equilibrio. Los centros de los dos átomos permanecen separados
por la distancia de equilibrio (d0), que corresponde a un mínimo en la energía. Una vez que alcanzan
esta posición de equilibrio los átomos contrarrestarán cualquier intento de ser alejados o aproximados
con una fuerza de atracción o de repulsión respectivamente.
La energía de enlace entre estos dos átomos (U0) corresponde a la energía en el punto mínimo y
representa la energía necesaria para separar estos dos átomos una distancia infinita.
ENLACE INTERATÓMICO
, Enlace primario Supone transferencia o compartición de electrones. Produce una unión entre
átomos adyacentes relativamente fuertes
Iónico
Transferencia de electrones de un átomo a otro.
Características:
Se forma entre elementos con electronegatividades muy diferentes (alejados en la tabla
periódica), normalmente elementos metálicos y no metálicos.
Forma redes cristalinas sólidos cristalinos
No direccional: la magnitud del enlace es la misma en todas las direcciones alrededor del
ión.
Para que el enlace sea estable todos los iones positivos deben tener como vecinos más
cercanos iones con carga negativa y viceversa.
Energía del enlace muy elevada.
Covalente
Los átomos comparten electrones de valencia. Enlace característico de materiales cerámicos (en
estado sólido) y de materiales poliméricos (solo dentro de las cadenas).
Características:
Se forma entre elementos con electronegatividades parecidas (próximos en la tabla
periódica) o entre átomos no metálicos idénticos.
Cada uno de los átomos contribuye al enlace con, por lo menos, un electrón y los electrones
compartidos pertenecen por igual a los dos átomos.
Direccional: los átomos que intervienen en el enlace ocupan posiciones específicas en el
espacio en relación el uno al otro.
Energía del enlace muy elevada.
El enlace covalente forma:
Moléculas compuestos moleculares:
-Moléculas pequeñas (H20)
-Macromoléculas (polietileno)
-Los enlaces son covalentes dentro de las moléculas, pero estas se unen entre sí mediante enlaces
Van der Waals.
Redes tridimensionales:
, -Redes cristalinas (ej. Diamante)
-Redes amorfas (vidrio de sílice)
Metálico
Enlaces compartidos entre varios átomos.
Características:
Se forma entre átomos metálicos idénticos.
Los electrones de valencia no están asociados a ningún átomo en particular, si no que
forman una nube electrónica (conjunto de electrones compartidos entre varios átomos)
Los electrones tienen libertad de movimiento (electrones deslocalizados). Por eso, los
metales son buenos conductores térmicos y eléctricos.
Forman redes cristalinas sólidos cristalinos.
No direccional
Cada uno de estos tres tipos de enlace surge una tendencia de los átomos a adquirir una
configuración electrónica estable, correspondiente al gas inerte, llenando completamente de electrones
el nivel de valencia.
Enlace secundario o enlace de Van der Waals Surgen de los dipolos atómicos o moleculares.
En esencia, un dipolo aparece si hay alguna separación entre las regiones positivas y negativas de un
átomo o molécula. El enlace es el resultado de la atracción entre el extremo positivo de un dipolo y la
región negativa del vecino. Implican atracción relativamente débil entre átomos.
Dipolo: carga eléctrica resultante de la disposición física de los átomos en la molécula de
agua.
1.2 ARREGLO ATÓMICO
Es la distribución de los átomos en el espacio
Niveles de organización de los átomos:
DESORDEN: distribución irregular y aleatoria de los átomos.
Líquidos y gases atómicos (ej Ar)
ORDENAMIENTO DE CORTO ALCANCE: distribución regular de los átomos restringida a
los circunvecinos.
Ej: agua en estado gaseoso, polietileno, vidrio de sílice (SiO2)
ORDENAMIENTO DE LARGO ALCANCE: disposición regular y repetitiva de átomos en el
espacio (estructura cristalina)
TEMA 1 : INTRODUCCIÓN A LOS MATERIALES
1. ESTRUCTURA DE LOS MATERIALES
RELACIÓN ESTRUCTURA-PROPIEDADES-PROCESADO
Las propiedades de cualquier material dependen de la estructura y se pueden controlar con el
procesamiento. No siempre se puede modificar la estructura.
La estructura de un material es lo que determina las propiedades de un material y se puede
modificar en algunas ocasiones. La estructura es un concepto muy amplio y que en concreto depende
de la escala de observación en la que nos encontremos. Es decir, en función de dicha escala y el punto
en el que está, la estructura cambiará. Así, por ejemplo, en la macroescala, el punto más alto, se
encuentran aquellas cosas superiores a 1 mm y que podemos observar con nuestros propios ojos. En el
último punto, la escala subatómica, por ejemplo, se encuentran aquellas características menores a 0,1
nm.
La macroestructura es la forma de un objeto porque lo podemos ver a simple vista, también sus
características, como, por ejemplo, si tiene poros. La microestructura está dentro de la microescala
y engloba aquellos aspectos que hay que ver con un microscopio. Más abajo todavía está el arreglo y
la estructura atómicos, que son aspectos de la estructura que determinan gran cantidad de las
propiedades del objeto, pero no se pueden ver con un microscopio.
La estructura atómica es la estructura interna de los átomos individuales. Es decir, es la manera
en la que se organizan
Modelo planetario de la estructura atómica: el átomo está constituido por una serie de electrones
que orbitan alrededor del núcleo (formado por protones y neutrones).
Masa atómica (A)= nº de protones + nº de neutrones en el núcleo.
Número atómico (Z)= nº de protones en el núcleo, identifica a cada uno de los elementos.
· Isótopo 12C: A=12 (6 protones+6 neutrones)
· Isótopo 13C: 13 (6 `protones + 7 neutrones)
Los dos tienen 6 protones, por tanto, su número atómico es 6. Z=6, identifican al elemento como
Carbono.
Configuración electrónica: describe cómo los electrones están ordenados en niveles o capas
y orbitales en un átomo.
Electrones de valencia: Electrones que ocupan el nivel energético más externo, también
llamado nivel o capa de valencia. Participan en el enlace químico entre átomos, cuya naturaleza
determina algunas de las propiedades de los materiales.
1.1 ESTRUCTURA ATÓMICA
, Todos los elementos han sido clasificados en la tabla periódica de acuerdo con la configuración
electrónica. En dicha tabla los elementos se encuentran según una disposición de números atómicos
crecientes en 7 hileras horizontales denominadas periodos. La disposición es tal que todos los
elementos que coinciden en una columna o grupo tienen estructuras electrónicas de valencia similares
y por tanto propiedades físicas y químicas similares.
Se observa que la mayoría de los elementos se clasifican como metales. Estos elementos se
denominan electropositivos porque pueden perder electrones y cargarse positivamente. Los elementos
situados a la derecha en la tabla periódica se denominan electronegativos porque pueden aceptar
fácilmente electrones y cargarse negativamente.
Están ordenados por filas según su nº atómico (Z). Grupo=mismo nº de electrones.
Los principios del enlace atómico se pueden ilustrar considerando la atracción entre dos átomos
aislados que se van aproximando desde una distancia de separación infinita. A grandes distancias, las
interacciones son despreciables, pero al aproximarse, cada átomo ejerce fuerzas sobre el otro. Estas
fuerzas son de dos tipos: atractivas (FA ) y repulsivas (FR) y su magnitud depende de la distancia
interatómica (d). La fuerza resultante entre los dos átomos es la suma de las componentes repulsiva
y atractiva:
FN = FA + FR
Cuando los componentes de ambas fuerzas son iguales, la resultante es nula:
F A + FN = 0
Entonces se alcanza el estado de equilibrio. Los centros de los dos átomos permanecen separados
por la distancia de equilibrio (d0), que corresponde a un mínimo en la energía. Una vez que alcanzan
esta posición de equilibrio los átomos contrarrestarán cualquier intento de ser alejados o aproximados
con una fuerza de atracción o de repulsión respectivamente.
La energía de enlace entre estos dos átomos (U0) corresponde a la energía en el punto mínimo y
representa la energía necesaria para separar estos dos átomos una distancia infinita.
ENLACE INTERATÓMICO
, Enlace primario Supone transferencia o compartición de electrones. Produce una unión entre
átomos adyacentes relativamente fuertes
Iónico
Transferencia de electrones de un átomo a otro.
Características:
Se forma entre elementos con electronegatividades muy diferentes (alejados en la tabla
periódica), normalmente elementos metálicos y no metálicos.
Forma redes cristalinas sólidos cristalinos
No direccional: la magnitud del enlace es la misma en todas las direcciones alrededor del
ión.
Para que el enlace sea estable todos los iones positivos deben tener como vecinos más
cercanos iones con carga negativa y viceversa.
Energía del enlace muy elevada.
Covalente
Los átomos comparten electrones de valencia. Enlace característico de materiales cerámicos (en
estado sólido) y de materiales poliméricos (solo dentro de las cadenas).
Características:
Se forma entre elementos con electronegatividades parecidas (próximos en la tabla
periódica) o entre átomos no metálicos idénticos.
Cada uno de los átomos contribuye al enlace con, por lo menos, un electrón y los electrones
compartidos pertenecen por igual a los dos átomos.
Direccional: los átomos que intervienen en el enlace ocupan posiciones específicas en el
espacio en relación el uno al otro.
Energía del enlace muy elevada.
El enlace covalente forma:
Moléculas compuestos moleculares:
-Moléculas pequeñas (H20)
-Macromoléculas (polietileno)
-Los enlaces son covalentes dentro de las moléculas, pero estas se unen entre sí mediante enlaces
Van der Waals.
Redes tridimensionales:
, -Redes cristalinas (ej. Diamante)
-Redes amorfas (vidrio de sílice)
Metálico
Enlaces compartidos entre varios átomos.
Características:
Se forma entre átomos metálicos idénticos.
Los electrones de valencia no están asociados a ningún átomo en particular, si no que
forman una nube electrónica (conjunto de electrones compartidos entre varios átomos)
Los electrones tienen libertad de movimiento (electrones deslocalizados). Por eso, los
metales son buenos conductores térmicos y eléctricos.
Forman redes cristalinas sólidos cristalinos.
No direccional
Cada uno de estos tres tipos de enlace surge una tendencia de los átomos a adquirir una
configuración electrónica estable, correspondiente al gas inerte, llenando completamente de electrones
el nivel de valencia.
Enlace secundario o enlace de Van der Waals Surgen de los dipolos atómicos o moleculares.
En esencia, un dipolo aparece si hay alguna separación entre las regiones positivas y negativas de un
átomo o molécula. El enlace es el resultado de la atracción entre el extremo positivo de un dipolo y la
región negativa del vecino. Implican atracción relativamente débil entre átomos.
Dipolo: carga eléctrica resultante de la disposición física de los átomos en la molécula de
agua.
1.2 ARREGLO ATÓMICO
Es la distribución de los átomos en el espacio
Niveles de organización de los átomos:
DESORDEN: distribución irregular y aleatoria de los átomos.
Líquidos y gases atómicos (ej Ar)
ORDENAMIENTO DE CORTO ALCANCE: distribución regular de los átomos restringida a
los circunvecinos.
Ej: agua en estado gaseoso, polietileno, vidrio de sílice (SiO2)
ORDENAMIENTO DE LARGO ALCANCE: disposición regular y repetitiva de átomos en el
espacio (estructura cristalina)
