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.