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Facultad de ciencias económicas y administrativas
Departamento de calidad y producción
PROPIEDADES
MECÁNICAS Y FÍSICAS
MECÁNICAS:
Describen la respuesta de un material a la aplicación de fuerzas o
cargas externas.
FÍSICAS:
Comprenden el comportamiento eléctrico, óptico, magnético,
químico, etc.
Ejemplos representativos, aplicaciones y
propiedades para cada categoría de
materiales
Ejemplo de aplicación
Metales y aleaciones
Fundición gris
Bloques de motor para
automóvil
Cerámicos y vidrios
SiO2-Na2O-CaO Vidrios para ventanas
Polímeros
Polietileno
Empaque de alimentos
3
Propiedades
Fundible, maquinable,
amortigua vibraciones
Transparente,
aislante térmico
Fácilmente moldeable en
películas delgadas,
flexible y hermético
Continuación
Ejemplos de aplicación
Semiconductores
Silicio
Transistores y circuitos
integrados
Materiales Compuestos
Carburo de
Herramientas de corte
Tungsteno cobalto (WC-Co)
4
Propiedades
Comportamiento eléctrico
único
Alta dureza pero buena
resistencia al choque
Relación Microestructura - Propiedades
MICROESTRUCTURA
PROPIEDADES
DESEMPEÑO
PROCESAMIENTO
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Resistencias representativas de diversas categorías de materiales.
6
Corte de un motor de un cohete. La
sección delantera es de compresión y
opera a temperaturas bajas a
intermedias, y con frecuencia se usan
partes de titanio. La sección trasera es
de combustión y opera a temperaturas
altas; requiere superaleaciones base
níquel. La cubierta externa está
sometida a bajas temperaturas, y son
satisfactorios
los
materiales
compuestos y las aleaciones base
aluminio. (Courtesy of GE Aircraft
Engines.)
7
Diversidad de partes complejas de cerámica,
incluyendo impulsores y sus álabes,
permiten que las turbinas funcionen más
eficientemente a temperaturas mayores.
(Courtesy of Certech, Inc.)
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La
polimerización
se
produce
cuando
moléculas
pequeñas,
representadas por las esferas, se combinan para producir moléculas más
largas o polímeros. Las moléculas de polímero pueden tener una
estructura formada por muchas cadenas, enredadas pero no unidas
(termoplásticos) o pueden formar redes tridimensionales cuyas cadenas
tienen enlaces cruzados (termoestables).
8
Los polímeros se usan en
una diversidad de
dispositivos electrónicos,
como estos interruptores
de palanca para
computadora, donde se
requiere resistencia a la
humedad y baja
conductividad. (Courtesy
of CTS Corporation.)
9
Los circuitos integrados
para computadora y otros
dispositivos electrónicos
se basan en el
comportamiento eléctrico
exclusivo de los materiales
semiconductores.
(Courtesy of Rogers
Corporation.)
El ala en X para los
helicópteros avanzados es
de un material compuesto
por un polímero reforzado
con fibra de carbono.
(Courtesy of Sikorsky
Aircraft Division—United
Technologies
Corporation.)
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Aplicación del tetraedro a los aceros laminados para chasis de
automóvil. Observar que la microestructura – síntesis y el
procesamiento – composición se interconectan entre si y afectan la
relación desempeño – costo.
10
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Normalmente el aumento
de temperatura reduce la
resistencia de un material.
Los polímeros sólo son
adecuados para bajas
temperaturas. Algunos
materiales compuestos,
como los de carbonocarbono, las aleaciones
especiales y los cerámicos,
tiene propiedades
excelentes a altas
temperaturas.
Corrosión, fatiga, rapidez de
deformación.
11
Selección de materiales
Tendencias en el uso de materiales
Estructura atómica y enlaces
interatómicos





The Structure of the Atom
The Electronic Structure of the Atom
The Periodic Table
Atomic Bonding
Binding Energy and Interatomic Spacing
ESTRUCTURA
La estructura de un material se relaciona con la disposición de sus
componentes internos
Muchas de las propiedades de los materiales dependen de su
estructura aunque su composición sea la misma y es aquí donde se
aprecia la relación estructura y propiedades.
•
Macroestructura (Dimensiones mayores a 1000 nm)
•
Se aprecia: porosidad, aspectos externos y características de la
superficie.
•
Microestructura (Dimensiones entre 10 a 1000 nm)
•
Se aprecia tamaño, distribución y orientación de los granos
(grano porción de material dentro del cual el ordenamiento
atómico es idéntico)
•
Nano estructura (10-100nm ):
Organización de los átomos varios cientos o miles de átomos en moléculas
•
Cristalina: organización regular de los átomos, ejemplo de estos son:
•
los metales
•
Semiconductores
•
muchos cerámicos
•
algunos polímeros
•
No cristalinos o amorfos: organización irregular de los átomos
•
Algunos cerámicos
•
Muchos polímeros
A qué tamaño ocurren nuestros fenómenos de
interés?
orbital electrons:
n = principal
quantum number
1
n=3 2
Nivel atómico ~ 10-10 m
Estructura Cristalina ~ 10-8 m
Estructura granular ~ 10-6 m
Microscopia SEM(Scanning
Electron Microscopy
18
Microscopia AFM
(Atomic Force Microscope)
19
EL ÁTOMO
Tamaño del átomo (m)
 Núcleo 10–14 (Núcleos más pesados)
 Electrón (10 -16 )
 Radio atómico (10-10)
Es el resultado de interacción de fuerzas fundamentales.
TIPO FUERZA
ALCANCE
FUERZA
RELATIVA
Nuclear Fuerte
3x10-15
1041
Nuclear Débil
< 10-15
1038
Electromagnetismo
Infinito
1039
Gravitación
Infinito
1
20
EL ATOMO
El átomo es la unidad estructural de los materiales de uso en
ingeniería .
 Núcleo: contiene neutrones y protones
 Periferia: Contiene los electrones por atracción electrostática
Masa (gr)
Carga (culombios)
Protón
1.673 * 10(-24)
1.602*10(-19)
Neutrón
1.674 * 10(-24)
Electrón
9.109* 10(-28)
1.602*10(-19)
La nube electrónica constituye casi todo el volumen del átomo pero solo una pequeña
parte de su masa
BOHR ATOM
orbital electrons:
n = principal
quantum number
1
2
n=3
Adapted from Fig. 2.1,
Callister 6e.
Nucleus: Z = # protons
= 1 for hydrogen to 94 for plutonium
N = # neutrons
Atomic mass A ≈ Z + N
MODELO ATÓMICO DE LA MECÁNICA ONDULATORIA
El modelo de la mecánica ondulatoria considera
que el electrón presenta la dualidad ondaparticula que no ocupa posiciones discretas
alrededor del núcleo (modelo de Bohr) sino que
su posición se considera la probabilidad de
encontrarlo alrededor del núcleo
El movimiento se describe mediante los
principios matemáticos que rigen el movimiento de
las ondas
a) Modelo atómico de Bohr y b)
según la mecánica ondulatoria
en función de la distribución
electrónica
23
NÚMERO ATÓMICO, MASA ATÓMICA
El número atómico Z: Es igual a la cantidad de protones que tiene un átomo.
–La identidad química de un átomo queda identificada por su # atómico, que en un
átomo neutro representa el mismo numero de electrones, ejemplo, el numero
atómico del Nitrógeno es 7, o lo que es lo mismo, “cada átomo en el universo que
contenga 7 protones se llama Nitrógeno”
La masa atómica A:(g/mol)
Se puede expresar como la suma de las masa de los
protones y neutrones en el núcleo en un átomo .
Masa atómica= # protones + # neutrones
A= Z (# atómico) + N
De la misma forma N= A-Z
Moles: En 1 mol hay 6,023 *10(23) átomos o moléculas
Ejemplo
•
•
•
•
Calcular la cantidad de átomos en 100 g de plata (Ag).
Sol:
Masa atómica (Ag): 107.868 g(mol)
NA= 6,023 *10^(23) átomos /mol
• 100𝑔 ∗
6.023∗1023 á𝑡𝑜𝑚𝑜𝑠/𝑚𝑜𝑙
=5,58*1023
107.868𝑔/𝑚𝑜𝑙
25
Ejemplo
• Para niquelar una parte de acero con 200 𝑖𝑛2 de
superficie, con una capa de 0.002 in de espesor
de níquel: a) ¿cuántos átomos de níquel se
requieren? b) ¿Cuántos moles de níquel se
requieren?
𝑔
• Sol: ρ(Ni)= 8.902 𝑐𝑚3 ; m(Ni)=58.71g/mol
26
Continuación ejemplo
• 𝑉 = 𝐴 ∗ 𝐸 = (200𝑖𝑛2 )*(0.002𝑖𝑛) = 0.4𝑖𝑛3
• 𝑉= 0.4𝑖𝑛3 *
2.54𝑐𝑚 3
=6.555𝑐𝑚3
1𝑖𝑛
•
𝑚
ρ=
𝑉
•
6.023∗1023 á𝑡𝑜𝑚𝑜𝑠/𝑚𝑜𝑙
58.35g*
=5.98*1023 atom
58.71𝑔/𝑚𝑜𝑙
𝑚 = ρ∗V= 58.35g
27
Continuación ejemplo
• 6.023*1023 átomos
5.98* 1023 átomos
1 mol
?
0.993 mol de Ni requeridos.
28
The Electronic Structure of the Atom
• Quantum numbers are the numbers that assign electrons in an
atom to discrete energy levels.
• A quantum shell is a set of fixed energy levels to which electrons
belong.
• The valence of an atom is the number of electrons in an atom that
participate in bonding or chemical reactions.
• Electronegativity describes the tendency of an atom to gain an
electron.
La Estructura Electrónica del Átomo
• N. C. Principal (n) se refiere a la capa cuántica a la cual pertenece
un electrón, se le asignan valores enteros. Si n=1 es K, n=2 es L,
n=3 es M, ...
• N. C. Azimutal (l): determina el número de niveles de energía de
cada capa cuántica.
l tiene todos los valores posibles y va desde 0 hasta n-1
•
•
•
•
s para l=0
p para l=1
d para l=2
f pada I=3
TERCER NUMERO CUÁNTICO
• N. C. Magnético (ml ):
– Describe la orientación del orbital en el espacio
– Expresa la cantidad de niveles de energía u orbitales para cada número
cuántico acimutal
– La cantidad total de números cuánticos magnéticos para cada l es 2l+1.
NUMERO CUÁNTICO DE SPIN
• Principio de exclusión de Pauli indica que en un orbital no pueden
estar presentes más de dos electrones, con giros electrónicos
opuestos. ms=+1/2 y – 1/2.
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Figura 1 La estructura atómica del sodio, número atómico 11, se muestra
los electrones en la capa cuántica K, L, y M.
33
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Figure 2.9 The complete set of quantum numbers for each of the 11
electrons in sodium, page 39
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Electronegatividad de algunos elementos en función de su posición en
la tabla periódica.
36
Regla del octeto y estructura de Lewis
A inicios del siglo XX, en 1916, de manera
independiente, los científicos Walter Kossel y Gilbert
Lewis concluyeron que la tendencia que poseen los
átomos de lograr estructuras similares a las del gas
noble más cercano explica la formación de los enlaces
químicos. Esta conclusión es mundialmente conocida
como la Regla del Octeto y se enuncia de la siguiente
manera:
“Cuando se forma un enlace químico los átomos reciben, ceden o
comparten electrones de tal forma que la capa más externa de
cada átomo contenga ocho electrones, y así adquiere la
estructura electrónica del gas noble más cercano en el sistema
periódico”.
STABLE ELECTRON CONFIGURATIONS
Stable electron configurations...
• have complete s and p subshells
• tend to be unreactive.
Adapted from Table 2.2,
Callister 6e.
4
SURVEY OF ELEMENTS
• Most elements:
Electron configuration not stable.
Electron configuration
1s1
1s2
(stable)
1s22s1
1s22s2
Adapted from Table 2.2,
1s22s22p1
Callister 6e.
1s22s22p2
...
1s22s22p6
(stable)
1s22s22p63s1
1s22s22p63s2
1s22s22p63s23p1
...
1s22s22p63s23p6
(stable)
...
1s22s22p63s23p63d10 4s246
(stable)
• Why?
Valence (outer) shell usually not filled completely.
5
Example
Comparing Electronegativities
Using the electronic structures, compare the electronegativities of
calcium and bromine.
Example SOLUTION
The electronic structures, obtained from Appendix C, are:
Ca: 1s22s22p63s23p6
Br: 1s22s22p63s23p63d10
4s2
4s24p5
Calcium has two electrons in its outer 4s orbital and bromine has seven
electrons in its outer 4s4p orbital. Calcium, with an electronegativity of
1.0, tends to give up electrons and has low electronegativity, but
bromine, with an electronegativity of 2.8, tends to accept electrons and is
strongly electronegative. This difference in electronegativity values
suggests that these elements may react readily to form a compound.
ELECTRONEGATIVITY
• Ranges from 0.7 to 4.0,
• Large values: tendency to acquire electrons.
Smaller electronegativity
Larger electronegativity
Adapted from Fig. 2.7, Callister 6e. (Fig. 2.7 is adapted from Linus Pauling, The Nature of the
Chemical Bond, 3rd edition, Copyright 1939 and 1940, 3rd edition. Copyright 1960 by Cornell
University.
7
TIPOS DE ENLACES ATÓMICOS
 ENLACES PRIMARIOS: Son enlaces fuertes, los
átomos llenan los niveles s y p externos.
 Iónicos
 Metálicos
 Covalentes
 ENLACES SECUNDARIOS: Su mecanismo es muy
diferente al de los primarios, son relativamente débiles.
 Fuerzas de Van Der Waals
Enlace Iónico
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Un enlace iónico se forma entre dos átomos diferentes con distintas
electronegatividades. Ej. Cuando el sodio cede su electrón de valencia al
cloro ambos se transforman en iones; se desarrolla una atracción y se
forma un enlace iónico.
44
EXAMPLES: IONIC BONDING
• Predominant bonding in Ceramics
NaCl
MgO
CaF2
CsCl
H
2.1
Li
1.0
Be
1.5
Na
0.9
Mg
1.2
K
0.8
Ca
1.0
Rb
0.8
He
O
F
3.5 4.0
Ne
-
Cl
3.0
Ar
-
Br
2.8
Kr
-
Sr
1.0
I
2.5
Xe
-
Cs
0.7
Ba
0.9
At
2.2
Rn
-
Fr
0.7
Ra
0.9
Ti
1.5
Cr
1.6
Give up electrons
Fe
1.8
Ni
1.8
Zn
1.8
As
2.0
Acquire electrons
Adapted from Fig. 2.7, Callister 6e. (Fig. 2.7 is adapted from Linus Pauling, The Nature of the
Chemical Bond, 3rd edition, Copyright 1939 and 1940, 3rd edition. Copyright 1960 by Cornell
University.
Ejemplo
Descripción del Enlace Iónico entre el Magnesio y el
Cloro
Describa el enlace iónico entre el magnesio y el cloro.
46
SOLUCIÓN
Las estructuras electrónicas y las valencias con:
Mg: 1s22s22p6
3s2
valencia = 2
Cl: 1s22s22p6 3s23p5 valencia = 7
Cada átomo de magnesio cede sus dos electrones de valencia y
se transforma en un ión Mg2+. Cada átomo de cloro acepta un
electrón y se transforma en un ión Cl-. Para satisfacer el
enlazamiento iónico debe haber doble cantidad de iones cloruro
que de iones magnesio, y se forma el compuesto MgCl2.
47
Enlace Covalente
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El enlace covalente requiere que los electrones se compartan entre los
átomos, de forma tal que cada átomo tenga lleno su orbital externo s p. En
el silicio, con una valencia de cuatro, se deben formar cuatro enlaces
covalentes.
48
COVALENT BONDING
• Ejercicio: CH4
10
COVALENT BONDING
• Requires shared electrons
• Example: CH4
C: has 4 valence e,
needs 4 more
H: has 1 valence e,
needs 1 more
Electronegativities
are comparable.
Adapted from Fig. 2.10, Callister 6e.
10
Enlace Metálico
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El enlace metálico se
forma cuando los
átomos ceden sus
electrones de
valencia, que pasan a
formar un mar de
electrones. Los
núcleos de los
átomos, con cargas
positivas, quedan
enlazados por
atracción mutua
hacia los electrones
con carga negativa.
51
SECONDARY BONDING
Arises from interaction between dipoles
• Fluctuating dipoles
Adapted from Fig. 2.13, Callister 6e.
• Permanent dipoles-molecule induced
-general case:
-ex: liquid HCl
-ex: polymer
Adapted from Fig. 2.14,
Callister 6e.
Adapted from Fig. 2.14,
Callister 6e.
(a) En el cloruro de
polivinilo (PVC), los
átomos de cloro fijos a la
cadena polimérica tienen
una carga negativa; los de
hidrógeno tienen carga
positiva. Las cadenas
están unidas débilmente
por enlaces de van der
Waals. Esta unión
adicional hace que el PVC
sea más rígido. (b)
Cuando se aplica una
fuerza a un polímero, los
enlaces de van der Waals
se rompen y las cadenas
se deslizan entre sí.
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53
30
Energía de enlace y distancia interatómica
• Distancia interatómica: Es la distancia de equilibrio entre los centros
de los átomos.
F
F
r
• Energía de enlace: Es la energía que se requiere para formar o
romper un enlace.
• Módulo de elasticidad (E): Es la pendiente de la curva esfuerzodeformación en la región elástica (módulo de Young).
• Coeficiente de expansion térmica: Describe la cantidad por la cual
un material cambia sus dimensiones cuando la temperatura cambia.
Ceramics
SUMMARY: PRIMARY BONDS
(Ionic & covalent bonding):
Metals
(Metallic bonding):
Polymers
(Covalent & Secondary):
Large bond energy
large Tm
large E
small a
Variable bond energy
moderate Tm
moderate E
moderate a
Directional Properties
Secondary bonding dominates
small T
small E
large a
Tarea
1) Cómo se unen los átomos de oxígeno y silicio
para formar la sílice?
Suponiendo que la sílice (SiO2) tiene un enlace 100% covalente,
describa cómo están unidos los átomos de oxígeno y silicio que la
conforman.
57
2) Nano-Sized Iron-Platinum Particles For
Information Storage
Scientists are considering using nano-particles of such
magnetic materials as iron-platinum (Fe-Pt) as a medium for
ultrahigh density data storage. Arrays of such particles
potentially can lead to storage of trillions of bits of data per
square inch—a capacity that will be 10 to 100 times higher
than any other devices such as computer hard disks. If these
scientists considered iron (Fe) particles that are 3 nm in
diameter, what will be the number of atoms in one such
particle?
Ejercicio 2
• Partículas de hierro-platino de nanotamaños para
almacenamiento de información.
Los científicos están considerando el uso de nanoparticulas
de materiales magnéticos tales como el hierro-platino (Fe-Pt)
como medio de almacenamiento de datos con densidades
ultraaltas. Los arreglos de esas partículas tienen el potencial
de almacenar billones de bits de datos por pulgada cuadrada,
capacidad que será de 10 a 100 veces mayor que la de
cualquier otro dispositivo, como puede ser un disco duro de
computadora. Si esos científicos quisieran usar partículas de
hierro (Fe) de 3 nm de diámetro ¿cuál sería la cantidad de
átomos en una de esas partículas?
62