Tecnologia De Materiales

La ciencia e ingeniería de los materiales es un campo multidisciplinario que se ocupa de la creación de materiales nuevos y el mejoramiento de los actuales mediante el estudio de sus características fundamentales, procesamiento y microestructura para lograr un óptimo desempeño en una aplicación particular.

Los materiales de ingeniería se pueden clasificar de acuerdo a sus características en 4 categorías principales:

Metales y aleaciones.

Cerámicos.

Polímeros.

Semiconductores.

Materiales compuestos.

Los materiales de cada una de estas categorías tienen propiedades comunes, muchas de ellas pueden ser explicadas en función de sus enlaces atómicos, los cuales están determinados por el comportamiento de los electrones que orbitan alrededor del núcleo. Iniciaremos explicando algunas características de los materiales a nivel atómico.

Electronegatividad

La electronegatividad describe la tendencia de un átomo a ganar un electrón, cargándose negativamente, es decir ionizándose. Esta característica aumenta de derecha a izquierda y de abajo hacia arriba en la tabla periódica. Los elementos que pierden electrones con facilidad, adquiriendo carga positiva, se denominan electropositivos. En la siguiente tabla se observa la electronegatividad de algunos elementos con respecto a su posición en la tabla periódica:

Cuando la diferencia de esta propiedad no sea especialmente significativa en los elementos que forman el enlace, y la electronegatividad de los elementos sea alta, nos encontraremos ante un enlace covalente, de las características antes mencionadas. Por otro lado, si la diferencia entre las electronegatividades de los elementos del compuesto es baja, y también la propia de sus elementos, se constituirá un enlace metálico. Por último, si existe una gran diferencia en esta propiedad entre los elementos del compuesto, estaremos ante un enlace iónico, ya que el elemento menos electronegativo cederá casi por completo sus electrones al otro elemento, de gran electronegatividad.

Enlace atómico

El enlace atómico es la fuerza que existe entre dos o más átomos y que permite que se mantengan unidos. Esto se produce debido a la interacción que experimentan electrones de la última capa de los átomos con los núcleos de otros átomos.

Curva de energía de enlace

Para que un enlace atómico exista como tal, deben reunirse una serie de condiciones; por un lado debe existir una energía mínima capaz de estabilizar el enlace y evitar su ruptura, por otro lado también tiene que haber una longitud mínima que posibilite ese enlace, la cual llamaremos longitud de enlace o distancia de enlace. A grandes distancias, las fuerzas de interacción atómica son muy pequeñas, pero a medida que se aproximan los átomos, empieza a manifestarse una fuerza de atracción entre ellos; sin embargo, a medida que las capas externas del átomo empiezan a juntarse, existe una fuerza de repulsión, por lo que existe un punto de mínima energía donde el sistema tiende al equilibrio.

Tipos de enlace

Los clasificaremos en dos categorías, enlaces primarios y enlaces secundarios.

El enlace primario es un enlace relativamente fuerte, producto de transferir o compartir electrones en los orbitales externos. En esta categoría encontramos tres tipos de enlaces:

Metálicos.

Covalentes.

Iónicos.

Los enlaces secundarios son enlaces cuya fuerza de atracción es electrostática y relativamente débil, en esta categoría tenemos a:

Enlaces van der Waals

Enlace metálico

En este caso los electrones de valencia son electrones deslocalizados, es decir, ceden sus electrones para formar una “nube” de electrones que no están asociados a un átomo en particular sino a cualquier átomo próximo, característica que se extiende por todo el material. Esta característica les da su alta conductividad eléctrica, ya que los electrones se mueven libremente a pesar de estar compartidos, y las partes centrales cargadas positivamente, se mantienen unidas entre sí por atracción mutua hacia el electrón, produciendo una fuerte unión metálica.

Debido a la libertad que sus electrones tienen dentro del sistema, proporcionan características como la maleabilidad y la ductilidad, la conductividad eléctrica y térmica, así como brillo en su superficie.

Enlace covalente

Los materiales ligados de esta forma comparten electrones entre dos o más de sus átomos. El nombre de covalente viene de que los átomos enlazados comparten sus electrones de valencia. Otra característica de los enlaces covalentes es que son direccionales, es decir, tienen una dirección fija y definida debido a la distribución compartida de los electrones de valencia, formando un ángulo de enlace.

Por otro lado, los enlaces pueden ser simples, o de doble o triple enlace, en función del número de pares que compartan.

Como las uniones covalentes son muy fuertes, los materiales con este tipo de enlace suelen ser duros, frágiles y con escasa conductividad eléctrica, las cuales son características de los materiales cerámicos. Por ejemplo, cuando se dobla una barra de silicio, el enlace debe romperse para provocar un reacomodo, igual que para dejar fluir una corriente eléctrica, el enlace debe romperse para liberar un electrón, necesitándose altas temperaturas o voltajes muy altos para lograrlo.

Enlace iónico

Cuando en un material se encuentra presente más de un tipo de átomo, uno de ellos puede donar sus electrones de valencia a un átomo diferente, ocupando el nivel energético externo del segundo átomo. Por lo tanto, el átomo que cede electrones queda con una carga eléctrica positiva (catión) y el que recibe con una carga eléctrica negativa (anión), y esa atracción genera enlaces iónicos que suelen ser muy fuertes. Un ejemplo es la sal común (NaCI).

Entre las características del compuesto resultante está la de formar una red sólida y estable, por lo que lo denominaremos cristal. Por lo general son frágiles, ya que al aplicar una fuerza se rompe el equilibro entre iones provocando la ruptura de éste.

Se caracteriza por tener puntos altos de fusión y ebullición, debido a que sus iones están unidos muy fuertemente. El compuesto formado es soluble en agua. Cuando se encuentra en el estado líquido o disuelto, son conductores de la electricidad eléctrica. Se produce gracias a la disociación de los iones, quedando éstos libres. En estado sólido, por el contrario, son aislantes eléctricos.

Enlaces por fuerzas de van der Waals

Este tipo de enlace se produce sin necesidad de transferir o compartir electrones, sino por medio de cargas electrostáticas entre átomos debido a ligeras distorsiones en la distribución de carga de éstos, es decir, algunas partes de la molécula tienden a tener carga positiva y otras negativa, uniendo débilmente a moléculas con cargas contrarias. Esto da lugar a una energía de enlace bastante menor, por lo tanto es considerado un enlace secundario. Un ejemplo de este tipo de enlaces es el que se da entre cadenas moleculares de algunos polímeros como el PVC, que a pesar de estar formadas por cadenas de moléculas con enlaces covalentes fuertes, tienen una gran ductilidad debido al deslizamiento entre cadenas al romperse estos enlaces débiles.

Glosario:

Enlace primario: Tipo de enlace relativamente fuerte producto de transferir o compartir electrones en los orbitales externos.

Enlace secundario: Tipo de enlace débil producto de atracciones electrostáticas ente moléculas.

Electronegatividad: Tendencia de un átomo a ganar un electrón, cargándose negativamente, es decir ionizándose

Existen 3 niveles de ordenamiento en los átomos de los materiales: desordenación, ordenamiento particular (corto alcance) y ordenamiento general (de largo alcance). En este caso analizaremos las redes de largo alcance, en donde un arreglo atómico específico se distribuye por todo el material.

Celdas unitarias

Es la menor subdivisión de una red, y estas celdas retienen las características generales de toda la retícula. Hasta el momento se han identificado catorce tipos diferentes de celdas unitarias o redes de Bravais (se pronuncia Bravé) agrupadas en siete sistemas cristalinos.

Algunas de las celdas unitarias más comunes son:

Estructura cúbica simple (CS). La celda unitaria es un cubo de arista a0 con un punto de red definido en cada uno de sus vértices.

Estructura cúbica centrada en el cuerpo (BCC). La celda unitaria es un cubo de arista a0. Tiene un punto de red definido en cada uno de sus vértices y un punto de red en el centro del cubo.

Estructura cúbica centrada en la cara (FCC). La celda unitaria es un cubo de arista a0. Tiene un punto de red en cada uno de sus vértices y un punto de red en cada uno del centro de sus caras.

Algunas de las propiedades más importantes de las celdas unitarias son las siguientes:

Parámetro de red. En el caso de las celdas unitarias cúbicas, esta sería longitud de los lados del cubo (aristas). El parámetro de red se simboliza por a0, y se especifica a temperatura ambiente

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