Materiales De Ingenieria

RELACION DE LOS ENLACES QUIMICOS Y LOS MATERIALES DE INGENIERIA Y SUS PROPIEDADES

Para dar una definición de lo que es un material, primero debe entenderse como es que está conformado. Lo primero es que un material está compuesto por elementos, generalmente los elementos químicos encontrados en la naturaleza y representados en la tabla periódica. Sin embargo, esto no es todo, en los materiales estos elementos están relacionados por una composición química definida. Un ejemplo muy sencillo es la sal común, su fórmula química es NaCl, lo que significa que hay un átomo de Sodio (Na) por cada átomo de Cloro (Cl) y es la única forma de obtener este compuesto.

El último factor importante de un material es el acomodo de estos elementos, es decir, su estructura, los materiales están caracterizados por tener una estructura, determinada y única, si este acomodo cambia, cambiarán las características del material y por lo tanto se hablará de este como una variación o como otro material distinto.

En ciencia e ingeniería de materiales, existe además otra distinción para los materiales, y es que deben tener un uso específico, si no es así, entonces se les denomina únicamente sustancia. Por ejemplo, el agua (H2O) en estado líquido es una sustancia, pero al enfriarse y convertirse en hielo, se puede usar como un material de construcción, por lo tanto, esta misma agua solidificada, al tener un uso práctico, se le considera un material.

En resumen, los materiales están formados por elementos, con una composición y estructura única y que además, pueden ser usados con algún fin específico.

1. Enlaces químicos y moleculares

1.1 Fuerzas y energía de enlace

Cuando se forman enlaces entre átomos existe afinidad química entre estos. Cuando no hay afinidad química, los átomos no se unen, cada uno de ellos está bien separado de los demás, y los elementos son gaseosos a temperaturas y presiones ordinarias. Cuando hay afinidad química, existe una fuerza de atracción electroestática (cuolómbica) positiva de largo alcance, FA, que acerca mucho los átomos unos a otros. Cuando los átomos están muy próximos entre sí, se manifiesta una fuerza de repulsión negativa, FR, cuyo origen es la repulsión mutua de los electrones, e1 y e2. La fuerza de enlace total, FB, es la suma de las fuerzas de atracción y repulsión; es decir,

FB = FA + FR

1.2 Tipos de enlaces atómicos y moleculares

El enlace químico entre átomos acontece siempre que hay una disminución neta en la energía potencial en el átomo enlazado. Es decir, los átomos en estado enlazado se encuentran en condiciones enérgicas más estables. En general, el enlace químico entre átomos se puede dividir en dos grupos: enlaces primarios o fuertes y enlaces segundarios o débiles.

 Enlaces atómicos primarios

Son aquellos que desarrollan fuerzas interatómicas, pueden dividirse en las tres clases siguientes:

 Enlaces iónicos: En este tipo de enlace actúan fuerzas intermoleculares relativamente grandes, por transferencia electrónica se producen iones positivos y negativos que se mantienen unidos por fuerzas de Coulomb (atracción entre iones cargados positivamente fuerte.

 Enlaces covalentes. Actúan fuerzas interatómicas relativamente grandes creadas por la compartición de electrones entre átomos dando lugar a la formación de un enlace direccional.

 Enlaces metálicos. Actúan fuerzas interatómicas relativamente grandes creadas por la compartición de electrones deslocalizados que conducen a la formación de un fuerte enlace no direccional entre átomos.

 Enlaces atómicos secundarios y moleculares

 Enlaces de dipolo permanente. Son enlaces intermoleculares relativamente débiles formados entre moléculas que poseen dipolos permanentes. Un dipolo existe en una molécula debido a una asimetría en la distribución de densidad electrónica. El enlace de hidrogeno es un caso especial de interacción.

 Enlace de dipolo oscilante. Enlaces muy débiles de dipolo electrónico se producen debido a la distribución asimétrica de densidades electrónicas en un átomo entorno a su propio núcleo. Este tipo de enlace se denomina oscilante puesto que la densidad electrónica está continuamente cambiando con el tiempo

1.3 Enlaces atómicos primarios y moleculares

1.3.1 El enlace iónico: es el resultado de trasferencia de electrones de un átomo a otro. Este enlace se forma entre un átomo electropositivo y uno electronegativo. El átomo electropositivo cede sus electrones y el átomo electronegativo los acepta. Como resultado de este proceso se forman iones positivos (con valencia +n1) y negativos (con valencia – n2) con configuraciones de capa cerrada. En estas condiciones, los iones con cargas +n1 y – n2 experimentan atracción mutua. La fuerza de repulsión se manifiesta cuando las configuraciones electrónicas de capa cerrada iónica comienzan a superponerse.

En el contexto de la mecánica cuántica, los electrones de valencia pertenecientes originalmente a los átomos neutros se comparten entre los dos átomos que constituyen la molécula. Los electrones se comparten de tal manera que la densidad de probabilidad de los electrones en un volumen pequeño, en un punto del espacio y en un momento dado, es mayor en torno al átomo electronegativo y, por tanto, este átomo adquiere la carga negativa. Esta es la base de una propiedad cualitativa que los químicos denominan electronegatividad . Para que la energía de atracción sea máxima y la energía de repulsión sea mínima, los vecinos inmediatos de un ion positivo (catión) deben ser iones negativos (aniones), y viceversa. Existe cierta libertad en cuanto al empaquetamiento de los iones unos alrededor de otros; por consiguiente, el enlace iónico carece de direccionalidad. No obstante, es necesario equilibrar las cargas positivas y negativas, tanto en términos locales y macroscópicos; en consecuencia, los electrones se localizan en el átomo electronegativo. El ejemplo típico de enlace iónico es el cloruro de sodio, en donde para formarse, el sodio debe ceder un electrón al cloro, quedando un sodio con carga neta positiva y un cloro con carga neta negativa (Figura 1.1). Los cerámicos son ejemplos de materiales con enlaces iónicos y se utilizan con gran eficacia para soportar ambientes de alta temperatura y como aisladores y dieléctricos, pero son muy frágiles a causa de la naturaleza localizada del enlace.

Figura 1.1. Enlace iónico entre los átomos de cloro y sodio. La trasferencia de electrones de Na hasta Cl genera un catión (Na+) y un anión (Cl-). El enlace iónico se debe a la atracción coulómbica entre los iones de carga opuesta.

Principales propiedades:

 Conducción Eléctrica: la conductividad de los materiales iónicos es relativamente mala. Para que exista conductividad, los iones deben moverse con el campo eléctrico; pero, debido a que son pesados, se mueven con gran lentitud y son, por lo tanto, malos conductores térmicos y eléctricos a temperaturas bajas. Cuando se encuentra en el estado líquido o disuelto, son conductores de la electricidad. Se produce gracias a la disociación de los iones, quedando estos libres.

 En estado sólido, por el contrario, son aislantes eléctricos.

 Puntos altos de fusión y ebullición. La energía de enlace como consecuencia de la formación de enlaces iónicos es relativamente grande y, por ende, los materiales son de alto punto de fusión.

 Son generalmente muy frágiles.

 Ductilidad: No se observa ya que al aplicar un esfuerzo se produce fractura frágil, debido principalmente a que un corrimiento de planos atómicos necesariamente altera el ordenamiento de la respectiva molécula.

 Se usan para soportar ambientes de alta temperatura.

 Son duros y Quebradizos.

 Buenos conductores térmicos.

 Los Cerámicos son los materiales que surgen de este tipo de enlace

1.3.2 Enlace covalente: El enlace iónico no es direccional. En oposición al el enlace covalente que es una naturaleza altamente direccional. El nombre “covalente” se deriva de la distribución compartida, cooperativa, de electrones de valencia entre dos átomos adyacentes. En otras palabras, En este enlace cada uno de los átomos aporta un electrón. Los orbitales de las capas de valencia de ambos átomos se combinan para formar uno solo que contiene a los 2 electrones como se puede observar en la figura (Figura 1.2.).

Figura 1.2. Esquema de un enlace covalente. Ambos átomos comparten electrones para formar un solo enlace.

Una particularidad importante de estos enlaces es que se pueden formar entre átomos del mismo tipo, entre los cuales puede haber muy poca o ninguna formación de enlaces iónicos, el enlace covalente se forma entre átomos con pequeñas diferencias de electronegatividad y ubicados muy próximos en la tabla periódica, generalmente se comparten sus electrones externos s y p con otros átomos, de modo que alcanza la configuración electrónica de gas noble. En un enlace covalente sencillo, cada uno de los dos átomos contribuye con un electrón a la formación del par de electrones del enlace, y las energías de los dos átomos asociadas con el enlace covalente son menores (más estables) como consecuencia

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