Asignatura : Ciencia de Materiales II Docente : Ing. Químico Tatiana Grigorieva de GaliciaSesión : Nº 1
LOS MATERIALES NO METALICOS
NOCIONES GENERALES
1. Grupos principales de materiales no metálicos.2. Tipos de enlaces químicos en los materiales no metálicos.3. Propiedades especiales.
UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DEL PERUFacultad de Ingeniería de Transporte y Software
1. MATERIALES NO METALICOS
GRUPOS PRINCIPALES
MATERIALES
NO METALICOS
POLIMEROS
METALICOS
CERAMICOS Y VIDRIOS
MATERIALES COMPUESTOS
MATERIALES NATURALES
TIPOS DE PROPIEDADES
ECONOMICASPrecio y Disponibilidad
Reciclabilidad
FISICAS Densidad
MECANICAS
Módulos
Dureza
Tenacidad a la fractura, etc.
TERMICASConductividad térmica
Coeficiente de dilatación térmica
ELECTRICAS Y MAGNETICASConstante dieléctrica
Resistividad
INTERACCION CON EL ENTORNO Corrosión, oxidación, desgaste.
PRODUCCIÓNFacilidad de fabricación
Acabado
ESTETICAS
Color
Textura
Aspecto
2. ENLACES QUIMICOS
PRIMARIOS(enlaces fuertes)
SECUNDARIOS(enlaces débiles)
Iónicos
Covalentes
Metálicos
De dipolos permanente
Dipolares variables
ENLACE IONICO
Pueden formarse:- Entre elementos muy electropositivos (metálicos) - Entre elementos muy electronegativos (no metálicos).
Proceso de ionización- transferencia de electrones desde los átomos de los elementos electropositivos a los átomos de los elementos electronegativos (de metales a no metales), produciéndose cationes cargados positivamente y aniones cargados negativamente.
Las fuerzas iónicas de enlace se deben a la atracción electrostática de los iones de carga opuesta.
Ejemplo: NaCl
Na Cl Na+ Cl -
Radio atómico ó iónico, nm
0,192 0,099 0,095 0,181
FUERZAS INTERIONICAS PARA UN PAR DE IONES
Consideramos un par de iones con carga opuesta que se aproximan hasta lograr una separación .
La fuerza neta entre los iones de carga opuesta es igual a la suma de las fuerzas de atracción y de repulsión:
Aplicando la ley de Coulomb:
donde: Z1, Z2 = número de electrones cedidos o aceptados por los átomos durante la formación del ión.
e= carga del electrón (1,60x10-19 C).
= distancia de separación de los iones.
= permitividad en el vacío (8,85x10-12 C2/(N.m2)).
a
repulsiónF
atracciónF
totalF
24
221
24
)2
)(1
(
ao
eZZ
ao
eZeZ
atracciónF
a0
Las fuerzas de repulsión entre un par de iones:
donde n y b son constantes
n varía desde 7 a 9 para el NaCl n= 9
Entonces la fuerza total entre un par iónico es:
1na
nbrepulsiónF
124
221
na
nb
ao
eZZ
totalF
ENERGÍA INTERIONICA PARA UN PAR DE IONES
La energía potencial total entre un par de iones con cargas opuestas, a las que se les acerca hasta estar muy juntos:
Donde:
el 1er termino (energía de atracción) representa la energía liberada cuando los iones se acercan y es negativa porque el producto de (+Z1)(- Z2) es negativo.
el 2do término (energía de repulsión) representa la energía absorbida cuando los iones se aproximan es positiva.
La energía total es mínima cuando los iones están separados a la distancia del equilibrio (r+R)
nab
ao
eZZ
totalE
4
221
DISPOSICION DE LOS IONES EN LOS SOLIDOS IONICOS
Los iones pueden considerarse esféricos.
Los cationes elementales son mas pequeños que sus átomos y los aniones son mas grandes.
Cuando los iones se acomodan juntos en un solido, lo hacen sin una orientación preferente, de aquí que el enlace iónico sea de carácter no direccional.
El acomodamiento de iones en un sólido iónico se procede bajo la necesidad de mantener la neutralidad eléctrica del solido.
r catión < R elemento
R anión > R elemento
Los cristales iónicos pueden tener estructuras muy complejas
Las energías reticulares y los puntos de fusión de los sólidos con enlace iónico son relativamente altos
ENLACE COVALENTE
El enlace covalente se forma entre átomos con pequeñas diferencias de electronegatividad y ubicados muy próximos en la tabla periódica.
En el enlace covalente, los átomos generalmente comparten sus electrones externos s y p con otros átomos , de modo que cada átomo alcanza la configuración electrónica de gas noble.
En el enlace covalente pueden formarse enlaces múltiples de pares de electrones por un átomo consigo mismo o con otros átomos.
Energías y longitudes de algunos enlaces covalentes
ENLACE COVALENTE EN MOLECULAS QUE CONTIENEN CARBONO
HIDROCARBUROS
Moléculas unidas en forma covalente que contienen carbono y el hidrógeno.
El carbono puede unirse consigo mismo formando moléculas con enlaces simples, dobles, triples.
Enlace Reactividad
Doble +
Triple
Simple -
En las moléculas de hidrocarburos se realiza la hibridación de los orbitales del átomo de carbono.
BENCENO: C6H6 Enlaces tipo σ y (anillo de 6 electrones)
ENLACES SECUNDARIOS
Los enlaces secundarios son relativamente débiles en relación con los primarios y tiene energías de solo entre 4 y 42 kJ/mol.
Estos enlaces se forman por la atracción electrostática de los dipolos eléctricos dentro de los átomos o moléculas.
Dipolos permanentes
Es un enlace que se origina por la atracción de moléculas con dipolos permanentes. Cada molécula tiene centros de carga positiva y negativa separados a una cierta distancia.
Ejemplo: enlace puente de hidrógeno (H con F, O, N o Cl), que existe también en algunos polímeros.
Molécula Momento dipolar (debyes) Molécula Momento dipolar (debyes)
H2O 1,84 CH3 Cl 2,00
H2 0,00 CH Cl3 1,10
CO2 0,00 H Cl 1,03
CCl4 0,00 NH3 1,46
Dipolos variables (inducidos)
Entre los átomos puede formarse un enlace dipolar muy débil debido a la distribución asimétrica de las densidades electrónicas alrededor de sus núcleos.
La densidad electrónica cambia continuamente con el tiempo de allí su nombre.
ENLACES MIXTOS
Combinaciones del enlace primario: Iónico - covalente Metálico - covalente Metálico - iónico iónico – covalente – metálico
Metales tales como el titanio o el hierro tienen enlaces mixtos metálico- covalentes.
Los compuestos unidos en forma covalente tales GaAs y Zn Se tienen cierta cantidad de carácter iónico.
3. PROPIEDADES ESPECIALES
Materiales poliméricos
La mayoría no son cristalinos (algunos son mezclas de regiones cristalinas y no cristalinas).
La mayoría son malos conductores de electricidad.
Algunos son buenos aislantes eléctricos.
Tienen bajas densidades.
Tienen bajas temperaturas de ablandamiento.
Aplicaciones:
• Cuerdas, bolsas de aire en el sistema de aterrizaje del Mars Pathfinder;
• El blindaje antimetralla en los motores jet de avión, de protección a pasajeros en caso de explosión;
• Neumáticos funcionales que funcionan desinflados; • Guantes contra cortes, raspones y otras lesiones; • Chaleco antibalas. • Revestimiento para la fibra óptica .• Se emplean en las mezclas con otros polímeros parachoques para
autos.• En la señalización de carreteras.• Revestimientos anticorrosivos
Cerámicos La gran dureza. Pueden ser cristalinos, no cristalinos o mezcla de ambos. Resistencia a las altas temperaturas. Fragilidad. Peso ligero. Poca fricción. Propiedades aislantes.
Aplicaciones:• Motores de tecnología de punta (válvulas, pernos)• Cojinetes.• Losetas cerámicas del transportador espacial.• Herramientas de corte.
• Carburo de boro (B4C), usado en algunos helicópteros y cubiertas de tanques.
• Base para revestimientos antidesgaste y anticorrosivos utilizados en
plantas industriales.
Revestimientos Cerámicos
Cerámica de Ingeniería
Tubos y Codos
Materiales compuestos
Un material compuesto puede definirse como dos o más materiales integrados .Los constituyentes conservan sus propiedades y el nuevo compuesto tendrá propiedades distintas a la de cada uno de ellos Ejemplo: resina (aglomerante)+ relleno (refuerzo).
Los componentes no suelen disolverse entre sí y pueden identificarse físicamente.
Principales desventajas de la mayoría de los materiales compuestos: Fragilidad. Baja tenacidad.
Aplicaciones:• Alas y los motores de avión C-17(fibra de carbono y resina epóxica).• Carrocería de los automóviles modernos.• Herramientas.
Materiales electrónicos.Son importantes por su avanzada tecnología.
El más importante – Silicio puro, al que se modifica de distintos modos para cambiar sus características eléctricas.
Aplicación:• Microelectrónica (circuitos integrados): robots, computadoras, etc.
Competencia entre los materiales.
La competencia de materiales en un automóvil (USA):
Factores:
• El precio
• Los nuevos materiales con las propiedades específicas
• Nuevos procesos
Año Peso de automóvil,kg
% de hierro y acero fundidos
% de plásticos
%de aluminio
1978 1800 60 10-20 3-5
1985 1400 50 10-20 5-10
1997 1476 7,4
disminuye casi constante
aumenta
Avances recientes en la ciencia y tecnología de los materiales y tendencias futuras.
Materiales inteligentes
Modifican sus propiedades, estructura o funciones según los estímulos ambientales externos que detectan.
-Aleaciones con memoria de forma, cerámicas piezoeléctricas.
Nanomateriales (característica: tamaño menor a 100 nm).
Nuevas propiedades.
MAZDA
En los automóviles para la “limpieza” de los gases de la cámara de combustión, se utilizan unos catalizadores especiales, los cuales contienen los metales muy costosos como Pt(Platino) y Pd(Paladio),pero con el tiempo las partículas del metal se pegan entre si, disminuyendo de esta forma el rendimiento del catalizador.
Por estas razones se utiliza una gran cantidad de Pt y Pd, lo que repercute en el precio del automóvil.
Pero MAZDA elaboró el catalizador con el uso de la nanotecnología en el cuál los nanopartículas del metal (5 nm) se distribuyen de forma rígida sobre una base cerámica y no se forman los aglomerados durante el calentamiento.
Esto permite disminuir la cantidad del metal (costoso) en 70 -90% sin que se disminuya la calidad del catalizador ,además permite el funcionamiento del catalizador en las condiciones más duras de su explotación.
Pila de nanotubos (nanofibrrllas)
Los Ipod, noutboock, cámaras de video ,celulares utilizan baterías de litio. La capacidad de estas baterías es limitada (2 horas de trabajo).
Se inventaron(Stanford) un acumulador que puede trabajar 20 horas seguidas. El ánodo de este acumulador es un “bosque” de nanofibras de silicio depositado en una base de acero, la cuál garantiza una excelente conductividad.
Foto de nanofibras antes (A) y después (B) de saturación con el Litio.