Nuevos materiales
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Tema 7 Nuevas necesidades nuevos materiales
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Resumen del tema referido a los nuevos materiales de la asignatura CMC de 1º de bachiller.
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Tema 7
Nuevas necesidades nuevos materiales
De materia a materiales Todo lo que conocemos está formado por
materia. La materia está formada por elementos. En la naturaleza aparecen átomos de unos 90
elementos diferentes. En 1869 D. Mendeleiev ordenó los elementos
conocidos y predijo la existencia de otros elementos desconocidos de los cuales fue capaz de anticipar sus propiedades.Carl Sagan- La tabla
periódica
¿Cómo se ha formado los elementos químicos? En los primeros instantes de la formación del
universo se formaron el H, el He y pequeñas cantidades de Li.
En el interior de las estrellas por fusión nuclear se forma hasta el Fe.
En la explosión de una supernova se forman los elementos más pesados que el Fe.
En el laboratorio se ha creado elementos más pesados que el uranio, en reacciones nucleares.
Otra manera de organizar la materia: la complejidad de su estructura. Elementos químicos: En 2008 se conocían 116
elementos de los que 90 se encuentran en la naturaleza. Compuestos químicos: Sustancia que no puede
separarse en sus componentes por procedimientos físicos.
Mezclas de materiales. Aleaciones. Son mezclas realizadas artificialmente con dos o más elementos o compuestos químicos.
Composites: Materiales compuestos por dos o más materiales que tienen propiedades físicas o químicas muy diferentes, y que juntos forman unas sustancias con unas propiedades a su vez diferentes a las de sus componentes por separado.
Ejercicios 1 y 2 de página 190
¿De dónde obtenemos los materiales? Materiales naturales. Materiales transformados. Transformando
algún material natural o mezclando varios. Materiales artificiales o sintéticos. Producto de
procesos físicos o químicos. Materiales reciclados. Lectura de descubrimiento clave de página
191 Ejercicio 24, 25 de pág. 214
Propiedades de los
materiales
Mecánicas Térmicas Electromagnéticas
Químicas
Acústicas Ópticas
Propiedades mecánicas
Densidad:
Dureza:
Tenacidad
Ductilidad
Fragilidad
Maleabilidad
Elasticidad
Plasticidad
Propiedades mecánicas. Densidad: La densidad (símbolo ρ) es
una magnitud escalar referida a la cantidad de masa contenida en un determinado volumen de una sustancia. La densidad media es la razón entre la masa de un cuerpo y el volumen que ocupa. .
Dureza: Es la oposición que ofrecen los materiales a alteraciones como la penetración, la abrasión, el rayado, la cortadura, las deformaciones permanentes; entre otras.
Propiedades mecánicas. Tenacidad: es la resistencia que opone
un mineral u otro material a ser roto, molido, doblado, desgarrado.
Ductilidad: es una propiedad que presentan algunos materialeslos cuales bajo la acción de una fuerza, pueden deformarse sosteniblemente sin romperse,1 permitiendo obtener alambres o hilos de dicho material.
Fragilidad: capacidad de un material de fracturarse con escasa deformación.
Propiedades mecánicas. Maleabilidad: Propiedad de un material
blando de adquirir una deformación acuosa mediante una descompresión sin romperse.
Elasticidad: propiedad mecánica de ciertos materiales de sufrir deformaciones reversibles cuando se encuentran sujetos a la acción de fuerzas exteriores y de recuperar la forma original si estas fuerzas exteriores se eliminan.
Propiedades mecánicas. Plasticidad: propiedad mecánica de un material
anelástico, natural, artificial, biológico o de otro tipo, de deformarse permanente e irreversiblemente cuando se encuentra sometido a tensiones por encima de su rango elástico, es decir, por encima de su límite elástico.
Ejercicio 15 y 16 de pág. 213.
Propiedades térmicas
Temperatura de fusión
Conductividad térmica
Capacidad de dilatación
Calor específico
Propiedades térmicas. Temperatura de fusión: es la temperatura a la
cual se encuentra el equilibrio de fases sólido - líquido, es decir la materia pasa de estado sólido aestado líquido, se funde. Cabe destacar que el cambio de fase ocurre a temperatura constante. El punto de fusión es una propiedad intensiva.
Propiedades térmicas. Conductividad térmica: es una
propiedad física de los materiales que mide la capacidad de conducción de calor. En otras palabras la conductividad térmica es también la capacidad de una sustancia de transferir la energía cinética de sus moléculas a otras moléculas adyacentes o a substancias con las que no está en contacto.
Capacidad de dilatación. aumento de longitud, volumen o alguna otra dimensión métrica que sufre un cuerpo físico debido al aumentode temperatura que se provoca en él por cualquier medio.
Propiedades térmicas. Calor específico: magnitud física que se
define como la cantidad de calor que hay que suministrar a la unidad de masa de una sustancia o sistema termodinámico para elevar su temperatura en una unidad (kelvin o grado Celsius).
Propiedades químicas
Resistencia a la
corrosión
Propiedades químicas.
Resistencia a la corrosión: La corrosión es una reacción química (oxidorreducción) en la que intervienen tres factores: la pieza manufacturada, el ambiente y el agua, o por medio de una reacción electroquímica.
Acústicas
Conductividad del sonido
Propiedades acústicas. Aislamiento acústico. Aislar supone impedir
que un sonido penetre en un medio o que salga de él. Por ello, para aislar, se usan tanto materiales absorbentes, como materiales aislantes. Al incidir la onda acústica sobre un elemento constructivo, una parte de la energía se refleja, otra se absorbe y otra se transmite al otro lado. El aislamiento que ofrece el elemento es la diferencia entre la energía incidente y la energía trasmitida, es decir, equivale a la suma de la parte reflejada y la parte absorbida.
Propiedades ópticas
Color Transparencia Reflectividad
Índice de refacción
Brillo Fluorescencia
Capacidad de
polarización de la luz
Propiedades ópticas. Color: es una percepción visual que se genera
en el cerebro de los humanos y otros animales al interpretar las señales nerviosas que le envían los fotorreceptores en la retina del ojo, que a su vez interpretan y distinguen las distintas longitudes de onda que captan de la parte visible del espectro electromagnético (la luz).
Transparencia: Un material presenta transparencia cuando deja pasar fácilmente la luz.
Reflectividad: es la fracción de radiación incidente reflejada por una superficie.
Propiedades ópticas. Índice de refracción: es una medida que
determina la reducción de la velocidad de la luz al propagarse por un medio homogéneo.
Brillo: es una propiedad física que describe la manera en que la luz interactúa con la superficie de una roca, cristal o mineral y se refleja en ella.
Fluorescencia: es un tipo particular de luminiscencia, que caracteriza a las sustancias que son capaces de absorber energía en forma de radiaciones electromagnéticas y luego emitir parte de esa energía en forma de radiación electromagnética de longitud de onda diferente.
Propiedades ópticas. Polarización de la luz: es un fenómeno que
puede producirse en las ondas electromagnéticas, como la luz, por el cual el campo eléctrico oscila sólo en un plano determinado, denominado plano de polarización. Este plano puede definirse por dos vectores, uno de ellos paralelo a la dirección de propagación de la onda y otro perpendicular a esa misma dirección el cual indica la dirección del campo eléctrico.
Propiedades ópticas.
Una onda electromagnética polarizada. Las oscilaciones del campo eléctrico sólo se producen en el plano del tiempo, son perpendiculares a las oscilaciones del campo magnético, y ambas son perpendiculares a la dirección de propagación de la onda.
La materia prima Materia prima: materiales extraídos de la
naturaleza para fabricar productos.
Revolución industrial
Progreso tecnológico
Cantidades de materias necesarias exceden a las posibilidades de extracción de algunas zonas del planeta.
Surgen problemas políticos, sociales, medioambientales que llegan a cuestionar el propio progreso.
Los metales no están en estado puro en la naturaleza. Para comprender el desarrollo tecnológico es
fundamental comprender el proceso por el que obtenemos los metales.
Con los metales se construyen la mayoría de las herramientas y máquinas que utilizamos.
La mayoría de los metales se obtiene en la naturaleza de los minerales.Un mineral es una sustancia sólida, compuesta que se da naturalmente en la corteza terrestre.
Mena es un mineral con interés económico por contener suficiente cantidad de metal como para ser explotado.
Sistemas de extracción de los metales. Los metales puros se obtiene por reducción
a partir de las menas correspondientes. Para realizar el proceso se requiere calor o electricidad.
Se calienta el mineral junto con carbono, el carbono que es más reactivo desplaza al metal que queda libre.
Lectura de descubrimiento clave de la página 196.
Ejercicio 17, 23 de pág. 214 Video: la fundición del hierro
Reducción mediante calor
1º
•El carbón, el mineral de hierro y la caliza se vierten en capas en el alto horno.
2º
•Con la combustión del carbón el hierro fundido (más denso), se sitúa en el fondo del alto horno.
3º
•El hierro fundido se vierte en un convertidor, en el que se puede introducir oxígeno.
4º
•El oxígeno quema parte del carbono y el hierro se convierte en acero.
Electrólisis Dos electrodos, cátodo (-) y ánodo (+) se
introducen en el interior de una cuba electrolítica que contiene disuelta la mena del metal y que conduce la electricidad.
El cátodo atrae a los iones metálicos y al cederles el electrón se deposita sobre él el metal.
El ánodo atrae a los iones del no metal que se deposita sobre el electrodo.
Ejercicio 18, 19 pág. 214 Obtención de aluminio
El acero: mejores propiedades, herramientas más específicas. El acero es una aleación de hierro y carbono
que según la proporción de carbono que contenga cambia sus propiedades.
El acero también se puede alear con otros metales (Mo, Co, Mg, etc.) y adquiere entonces diferentes propiedades.
Observar tabla de la página 198 Ejercicios 11, 12 de pág. 213, 20 pág. 214
El coltán: el precio de la materia prima
Coltán, apócope de columbita ( óxido de niobio, con hierro y manganeso) y tantalita (óxido de tántalo con hierro y magnesio).
El niobio se usa en la fabricación de imanes indispensables para la construcción de micromotores como los de los discos duros y de altavoces y auriculares cada vez más potentes y precisos.
El tántalo se usa en la fabricación de condensadores y en las baterías recargables de móviles, etc.Son muy caros y en la RDC de donde se extraen sólo ha generado problemas.
¿Hay sangre en mi celular?
Natural y artificial La frontera entre los que es natural y artificial
no es fácil de establecer. Un material es artificial cuando la materia
prima con la que se fabrica proviene de otras sustancias o materiales que, a su vez, han tenido un proceso de elaboración a partir de otras sustancia o materiales.
Los plásticos Están constituidos por una gran variedad de
materiales que tienen en común su plasticidad, propiedad que permite que se les de fácilmente la forma que más convenga.
Están formados por moléculas complejas, polímeros que resultan de la unión de monómeros que pueden ser iguales o no. El proceso de unión se llama polimerización.Lectura del descubrimiento clave de la página 199
Cómo se clasifican los polímeros Clasificación basada en su utilidad industrial,
es la más habitual. Observación de la tabla de la página 200. Ejercicios 4 y 5 de pág. 200; 26, 27 de pág.
214
Clasificación de los plásticos 01, PET/PETE: Polietilen teleftalato. 02, PEAD/HPDE: Polietileno de alta densidad. 03, PVC: Policloruro de vinilo 04, PEBD/LDPE: Polietileno de baja densidad. 05, PP: Polipropileno. 06, PS: Poliestireno. 07, O: Otros
Fabricación de papel Video
1º
•Se mezcla en agua a 200º C madera triturada, sosa caústica, sulfato de sodio y carbonato de calcio.
2º
•La pulpa obtenida se blanquea usando cloro.
3º
•Se le añaden consolidantes, colas y productos como el caolín que hacen que sea más resistente y manejable.
4º
•Se obtienen bobinas de papel por diferentes procedimientos mecánicos.
Problemas asociados a la fabricación de papel. Deforestación. En España 3 millones de m³ al
año. Consume una enorme cantidad de agua para
separar la celulosa de la lignina. Contaminación de los ríos por el vertido de los
productos utilizados para el blanqueado. Enorme gasto energético. 4% de la energía
consumida en España. Ejercicio 37 de página 215
Soluciones Para la deforestación, madera procedente
de bosques cuya explotación está controlada, además la plantación y tala de bosques controlados reduce el dióxido de carbono de la atmósfera. Utilización de materias primas diferentes de los árboles. Reciclado de papel.
http://igi.fsc.org/
Para el consumo de agua. Emplear ciclos cerrados de agua con depuradoras que extraen los productos químicos del agua empleada.
Parámetros Rango
a) Con altos niveles de recirculación
pH 4,9 – 4,7
Conductividad (ms/cm) 3 – 11
DQO 4.500 – 22.000
DBO5 2.000 – 8.000
Sólidos en suspensión (mg/l) 4.500 – 23.000
Sólidos disueltos (mg/l) 1.000 – 10.000
Sulfatos (mg/l) 240 – 2.350
Cloruros (mg/l) 130 – 2.950
Sodio (mg/l) 100 – 800
Calcio 360 – 2.040
Magnesio 30 – 110
Hierro 0,1 -47
Aluminio 0,5 – 53
Colonias de microorganismos aerobios (106 col./ml)
100 – 300
Colonias de microorganismos anaerobios (106 col./ml)
15 – 950
b) Con bajos niveles de recirculación*
DQO 83 – 530
DBO5 46 – 284
Sólidos en suspensión (mg/l) 11 – 44,5
Sólidos en suspensión de 0,45 µm (mg/l) 102 – 124
Sólidos en suspensión en la primera hora µm (mg/l)
0 – 0,05
Cloruros (mg/l) 35,5 – 180
Composición del efluente acuoso de una fábrica Kraft (aguas blancas)
* a la salida de separación de fibras por sedimentación
Para la energía. Reciclar.
En el futuro la tinta electrónica y el papel electrónico podrían ayudar.Ejercicio 6 de la página 202.
Nanotecnología Los nuevos materiales permiten:
Abrir la puerta a objetos y procesos de producción nuevos.
Permiten mayor especialización. Son más respetuosos con el medio ambiente. Son más prácticos.
Nanociencia La nanociencia es el estudio de todos los
aspectos científicos a tamaño nanométrico. El microscopio de efecto túnel permite “ver”
los átomos y “cogerlos” para fabricar sustancias y piezas de máquinas de tamaño atómico.
Lectura de microscopio de efecto túnel de la página 203.
Video: microscopio de efecto túnel Ejercicio 30 de pág. 214
El mundo del carbono. Los átomos de carbono se unen para formar
redes cristalinas, las propiedades varían según la forma cristalina en que se encuentren. Se obtiene estructuras tan dispares como el grafito o el diamante.
Los compuestos de carbono son muy versátiles, la fibra de carbono es muy ligera y muy resistente. La fibra de carbono se utiliza en infinidad de objetos.Lectura del descubrimiento clave de la página 204.Ejercicio 13 de la página 213, 32 de pág. 215
Aplicaciones nanoscópicas, el futuro inmediato: fulerenos. El fulereno es una molécula esférica formada
por 60 átomos de C. Tiene muchas utilidades prácticas, como la dispensación de medicamentos contenidos en su interior.
De forma similar al fulereno se pueden construir nanotubos. Si el nanotubo contiene boro se convierte en un conductor (nanocable) o en un semiconductor (nanointerruptor). Pueden conducir la electricidad sin pérdidas de energía. Sus propiedades se están aplicando en las pantallas de los móviles.
El futuro. La nanotecnología Nanotecnología: Ciencia aplicada que se
dirige al diseño, la fabricación y la aplicación de materiales y aparatos a escala nanométrica.
Estamos a punto de poder fabricar máquinas capaces de depositar átomos de un elemento particular justo en el sitio adecuado para que, junto con otros, acaben formando una máquina de tamaño microscópico.
Lectura del descubrimiento clave de la página 206
La nanotecnología
La nanotecnología una ciencia multidisciplinar Abarca todas las disciplinas científicas. Es una ciencia que se encuentra dando sus
primeros pasos. Se compara su futuro desarrollo con el
desarrollo que experimentó la tecnología del silicio a finales del siglo pasado y que desembocó en la tecnología electrónica de la que disponemos.
El poder de las personas
La nanotecnología una ciencia multidisciplinar Se esperan las siguientes transformaciones:
Nuevos sistemas de producción. Abaratamiento y rapidez en la producción de
prototipos. Afecta a todas las industrias. Materias primas muy baratas. Transformación global, sin fronteras.
El futuro de la nanotecnología.
La nanotecnología a nuestro alrededor. Batería flexible de nanotubos de carbono. LED. Estos necesitan mucha menos energía para
obtener la luz. Nanochips. Aplicaciones en medicina y farmacia. Las buckyballs. Aplicaciones a la industria textiles, tejidos que
repelen los líquidos y no se manchan. Aplicaciones a la arquitectura y urbanismo.
Recubrimientos que protegen cristales y paredes de las pintadas.
Vidrios fotocrómicos. Cerámicas que repelen los líquidos, no se manchan.
Ejercicios 34, 35, 36 y 39 de pág. 215
Referencias Resumen del tema 7 del libro de Ciencias para
el mundo contemporáneo de 1º de bachiller de la editorial Santillana.
Imágenes obtenidas de Wikipedia Commons.
