Generalidades de los Materiales y Estructura Atómica

Generalidades de los Materiales

• Materia: Todo aquello que tiene masa y ocupa un espacio.
• Materiales: Sustancias utilizadas para crear estructuras, objetos y productos, a menudo sin transformación química mayoritaria durante su función.
• Estructura: El tipo de enlace entre átomos y su organización espacial influye en las propiedades del material.

Estructura Atómica

• Número atómico (Z): Número de protones en el núcleo de un átomo.
• Número másico (A): Número de protones más neutrones en el núcleo de un átomo.
• Masa atómica: La masa de protones y neutrones en el núcleo de un átomo.
• Estado fundamental: Los electrones ocupan los niveles de energía más bajos.
• Configuración electrónica: Describe la disposición de los electrones en los diferentes niveles de energía.
• Electrones de valencia: Electrons en el nivel de energía más externo que participan en los enlaces.

Fuerzas Interatómicas

• Curva de energía potencial: Describe las fuerzas atractivas y repulsivas entre átomos.
• Atracción: Fuerzas electrostáticas entre partículas con cargas opuestas.
• Repulsión: Fuerzas entre partículas con cargas iguales.
• Fuerza de enlace: Fuerza neta de atracción o repulsión entre átomos o iones en función de la distancia.
• Estado de equilibrio: La fuerza de atracción iguala a la fuerza de repulsión, resultando en una distancia de equilibrio.
• Energía de enlace: La energía necesaria para separar dos átomos o iones.

Enlaces

• Enlaces primarios: Comparten o intercambian electrones para alcanzar una configuración electrónica estable.
  • Enlace iónico: Transferencia de electrones entre átomos con electronegatividades muy diferentes (cerámicos).
  • Enlace covalente: Átomos comparten electrones con electronegatividades similares, formando enlaces direccionales (polímeros, cerámicos covalentes).
  • Enlace metálico: Electrones de valencia compartidos entre varios átomos, formando una nube electrónica que otorga alta conductividad eléctrica y térmica (metales).
• Enlaces secundarios: Se basan en fuerzas electrostáticas entre moléculas.
  • Fuerzas de Van der Waals: Interacciones tipo dipolo, fuerzas débiles.
  • Puentes de hidrógeno: Se forman entre átomos de hidrógeno y átomos electronegativos en moléculas, fuerzas más fuertes que las de Van der Waals.

Clasificación de los Materiales

• Por Tipo de Enlace: Metales, sólidos inorgánicos (cerámicos), sólidos orgánicos (polímeros).
• Por Naturaleza Química: Metales, cerámicos, polímeros, compuestos.
• Otras Clasificaciones: Según uso, propiedades químicas, aplicaciones, etc.

Materiales Metálicos y Aleaciones

• Metales puros: Hierro, aluminio, magnesio, titanio, zinc, cobre, estaño, plomo, níquel.
• Aleaciones: Acero (Fe-C), aceros aleados (Fe-C-X), latones (Cu-Zn), bronces (Cu-Sn).
• Enlace Metálico: Conductividad térmica y eléctrica elevada, resistencia mecánica alta, ductilidad y conformabilidad.

Materiales Cerámicos

• Compuestos: Elementos metálicos y no metálicos unidos por enlaces iónicos y/o covalentes.
• Cerámicos amorfos: Vidrios
• Cerámicos cristalinos: NaCl.
• Cerámicos oxídicos: Al2O3, MgO, SiO2
• Cerámicos no oxídicos: Si3Ni4, SiC, WC, BN.
• Propiedades: Dureza y resistencia elevadas, baja ductilidad y conformabilidad, baja conductividad eléctrica y térmica.

Materiales Poliméricos

• Compuestos orgánicos: Basados en C, H y otros elementos no metálicos.
• Moléculas de cadena larga: Monómeros unidos por enlaces covalentes.
• Tipos: Termoplásticos (cadenas lineales), termoestables (redes).
• Propiedades: Ligereza, resistencia a la corrosión, aislantes eléctricos, baja resistencia mecánica a altas temperaturas.

Materiales Compuestos

• Combinación: Dos o más materiales de diferente naturaleza para maximizar las propiedades deseables.
• Matriz y refuerzo: Matriz (metálica, cerámica, polimérica) y refuerzo (láminas, fibras, partículas).
• Ejemplos: Aleaciones de Al reforzadas, polímeros reforzados con fibra de vidrio o carbono, madera, hormigón.

Consideraciones Ambientales

• Toxicidad: Carácter nocivo de los materiales.
• Reciclabilidad: Capacidad de reutilización.
• Biodegradabilidad: Descomposición natural en sustancias más simples.

Microestructura

• Cerámico comercial: Fabricado calentando polvos cristalinos a alta temperatura.

Procesado

• Técnicas de fabricación:
  • Moldeo, soldadura, conformado, compactación y sinterización, mecanizado, técnicas aditivas.

Selección de Materiales

• Relación Ternaria: Estructura-propiedades-procesado.
• Etapas del proceso de selección
  1. Funciones del producto.
  2. Diseño provisional.
  3. Propiedades requeridas de los materiales.
  4. Posibles materiales, disponibilidad.
  5. Procesos de fabricación.
  6. Propuesta de materiales y procesos.
  7. Revisión del diseño si necesario.

Importancia de las Propiedades

• Es necesario conocer: Propiedades mecánicas, térmicas, ópticas, magnéticas, químicas, sensoriales para una selección adecuada del material.

Este cuestionario abarca los conceptos básicos sobre los materiales, su estructura atómica y las fuerzas interatómicas. Explora el número atómico, la masa atómica y la configuración electrónica, así como la importancia de los electrones de valencia. Ideal para estudiantes interesados en química y física de materiales.