UNIDAD 2. TEMAS 2.1, 2.2 y 2.3

UNIDAD.	TEMA.	SUBTEMAS.
2.	Estructura de los materiales.	2.1 Estructura cristalina y su consecuencia en las propiedades. 2.2 Materiales metálicos.     2.2.1. Ferrosos y No Ferrosos.     2.2.2. Puros y Aleaciones. 2.3 Materiales no Metálicos.     2.3.1. Orgánicos e Inorgánicos.     2.3.2. Polímeros.

 ESTRUCTURA CRISTALINA.

La estructura física de los sólidos es consecuencia de la disposición de los átomos, moléculas o iones en el espacio, así como de las fuerzas de interconexión de las partículas.

Los metales, las aleaciones y determinados materiales cerámicos tienen estructuras cristalinas.

Cristales.

•      Son granos pequeños y no son observables claramente. En minerales traslucidos se pueden apreciar mejor. La cristalografía es el estudio científico de los cristales y su formación.

•      Ejemplos: celestita(SrSO4) pirita(FeS2) amatista(SIO2)

Sólidos.

•     

Estado amorfo: las partículas componentes del solido se agrupan al azar

•      Estado cristalino: Los átomos (moléculas o iones) que componen el sólido se disponen según un orden regular. Las partículas se sitúan ocupando los nudos o puntos singulares de una red espacial geométrico tridimensional.

Los átomos que pertenecen a un sólido cristalino se pueden representar situándolos en una red tridimensional, que se denomina retículo espacial o cristalino. Este retículo espacial se puede definir como una repetición en el espacio de celdas unitarias. La celda unitaria de la mayoría de las estructuras cristalinas son paralelepípedos o prismas con tres conjuntos de caras paralelas Según el tipo de enlace atómico, los cristales pueden ser de tres tipos:

a) Cristales iónicos: punto de fusión elevado, duros y muy frágiles, conductividad eléctrica baja y presentan cierta elasticidad. Ej: NaCl (sal común)

b) Cristales covalentes: Gran dureza y elevada temperatura de fusión. Suelen ser transparentes quebradizos y malos conductores de la electricidad. No sufren deformación plástica (es decir, al intentar deformarlos se fracturan). Ej: Diamante

c) Cristales metálicos: Opacos y buenos conductores térmicos y eléctricos. No son tan duros como los anteriores, aunque si maleables y dúctiles. Hierro, estaño, cobre, ...

Según la posición de los átomos en los vértices de la celda unitaria de la red cristalina existen:

a) Redes cúbicas sencillas.	Los átomos ocupan sólo los vértices de la celda unida.
b) Redes cúbicas centradas en el cuerpo (BCC).	Los átomos, además de ocupar los vértices, ocupan el centro de la celda. En este caso cristalizan el hierro y el cromo.
c) Redes cúbicas centradas en las caras (FCC).	Los átomos, además de ocupar los vértices, ocupan el centro de cada cara de la celda. Cristalizan en este tipo de redes el oro, cobre, aluminio, plata, ...
d) Redes hexagonales compactas (HC).	La celda unitaria es un prisma hexagonal con átomos en los vértices y cuyas bases tiene un átomo en el centro. En el centro de la celda hay tres átomos más. En este caso cristalizan metales como cinc, titanio y magnesio.

CONSECUENCIA EN LAS PROPIEDADES.

Según el tipo de enlace atómico

•      Cristales iónicos: punto de fusión elevado, duros o muy frágiles, conductividad eléctrica baja y presentan cierta elasticidad

•      Cristales covalentes: gran dureza y elevada temperatura de fusión, suelen ser transparentes, quebradizos y malos conductores de electricidad

•      Cristales metálicos: suelen ser opacos, buenos conductores eléctricos, no son tan duros como los anteriores, aunque si maleables y dúctiles. 

ESTRUCTURA CRISTALINA.

Estructura cristalina cubica centrada en las caras	Estructura cristalina centrada en el cuerpo	Cristales amorfos
La estructura cristalina tiene muchos materiales que tengan una celdilla de unidad geométrica, con los átomos ubicados en los vértices del cubo.	Esta estructura también tiene los átomos en los vértices y una unidad en el centro	Se les llama así porque no presentan una estructura fija, pueden ser tanto solidos como líquidos

DEFECTOS DE LA ESTRUCTURA CRISTALINA

•      A. Vacancias: son puntos de la red vacíos

•      B. Átomos sustanciales: es cuando uno de esos átomos es diferente a los demás y recibe el nombre de átomo sustituciones

•      Defecto de superficie

Son defectos en el área de la superficie de los cristales

•      Defectos lineales

 son mal formaciones de los cristales al momento de solidificarse

MATERIALES METÁLICOS.

Los Materiales Metálicos son metales transformados mediante procesos físicos y/o químicos, que son utilizados para fabricar productos.
La gran mayoría de los metales los podemos encontrar en la naturaleza mezclados con otros elementos, es por eso que necesitamos someterlos algún proceso de limpieza antes de su utilización. Algunos de los procedimientos de trabajo más habituales sobre los materiales metálicos son: fundición y moldeo, deformación, corte y mecanizado.

Los metales tienen muchas características, pero las más importantes son: buena conductividad eléctrica y térmica, opacidad, brillo, fusibilidad, plasticidad, dureza, etc.

Ahora bien, podemos subdividir a los materiales metálicos en dos grupos importantes: los ferrosos y los no ferrosos.

METALES FERROSOS.

Los materiales férricos son aquellos que en su composición tienen principalmente hierro, como el acero (mezcla de hierro con un poco de carbono) o el hierro puro.

En la imagen podemos observar bobinas de acero empleadas para la chapa de los automóviles. Sólo con este uso, ya nos podemos imaginar la demanda tan elevada que hay de este material. Si además tenemos en cuenta que el motor del coche está fabricado básicamente por hierro, sumamos y sumamos.

La gran ventaja de este material es su precio relativamente bajo y la capacidad de unirse con otros elementos para mejorar sustancialmente sus propiedades. Veremos el caso del acero.

Hemos representado un tipo de acero (la estructura cristalina, o sea, como se colocan los átomos en el material)

Las bolas grises representan los átomos de hierro y las azules los de carbono.

Al formarse la estructura (hierro en el horno) el átomo de hierro está moviéndose libremente. Cuando baja la temperatura es como la diana de los metales (hay que formar filas) y los átomos de hierro se agrupan de forma que generan ese cubo de la imagen. Como hemos añadido un poquito de carbono (sobre el 1%), los átomos de este no metal se “cuelan” en la formación del cubo (red cristalina) creando una aleación con unas propiedades mecánicas mejores.

CLASIFICACIÓN.

Hierro Dulce, con carbono <0.1%. Se oxida muy fácilmente, en cuestión de horas se forma una capa marrón que va destruyendo el material. Es un material blando y magnético, por ello se suele emplear en piezas de electroimanes

Fundiciones, cuando el carbono es mayor del 2% y menor del 5%. A mayor carbono, mayor dureza, pero la ductilidad y tenacidad empeoran. Funden a temperaturas menores y son apropiados para fabricar piezas complicadas (se adaptan muy bien al molde). Su uso va desde los motores a las rejillas de alcantarillas.

ESTRUCTURA CRISTALINA. La mayoría de los elementos metálicos cristaliza siguiendo únicamente tres tipos de estructuras:

Cúbica Centrada en el Interior (CCI).	Cúbica Centrada en las Caras (CCC).	Hexagonal Compacta (HC).

Metal	Estructura cristalina	Rango de temperatura, ºC
Cobalto	HC	< 477
	CCC	477 - 1490
Estaño	Tipo diamante	< 13
	TCI	13 - 232
Hierro	CCI	< 911
	CCC	911 - 1392
	CCI	1392 - 1539
Titanio	HC	< 882
	CCI	882 - 1668
Zirconio	HC	< 862
	CCI	862 - 1852
Uranio	Romboédrica	< 663
	TCI	663 - 764
	CCI	764 - 1130

Diferentes formas alotrópicas de algunos elementos metálicos, y su correspondiente rango de temperaturas.

NO FERROSOS.

Los metales no ferrosos aquellos que incluyen elementos metálicos y aleaciones que no se basan en el hierro

Tienen una gran importancia en la fabricación de gran cantidad de productos;

ü  Por el bajo peso específico,

ü  la resistencia a la oxidación en condiciones ambientales normales y a la corrosión atmosférica

ü  la fácil manipulación y mecanizado,

ü  la elevada resistencia mecánica en relación a su peso de algunas aleaciones;

ü  la gran conductividad térmica y eléctrica

Los metales no ferrosos son blandos y tienen poca resistencia Mecánica; para mejorar sus propiedades se alean con otros metales. Atendiendo a su densidad se clasifican en tres grupos:

· Pesados: son aquellos metales cuya densidad es igual o mayor de 5 kg/dm³; tales como: estaño, cobre, zinc, plomo, cromo, níquel, wolframio y cobalto.

 · Ligeros: son los metales cuya densidad está comprendida entre 2 y 5 kg/dm³, como el aluminio y el titanio.

· Ultraligeros: su densidad es menor de 2 kg/dm³; como el magnesio y el berilio.

Las aleaciones de productos no ferrosos tienen gran cantidad de aplicaciones: monedas (fabricadas con aleaciones de cobre, níquel y aluminio), filamentos de bombillas (de wolframio), material de soldadura de componentes electrónicos (estaño-plomo), recubrimientos (cromo, níquel, cinc), etcétera.

CLASIFICACIÓN DE ESTRUCTURA CRISTALINA.

Estaño Es una metal plateado, maleable, que no se oxida fácilmente y es resistente a la corrosión.
Zinc Es un metal o mineral, a veces clasificado como metal de transición.
Cobre Se trata de un metal de transición de color rojizo y brillo metálico que, junto con la plata y el oro, forma parte de la llamada familia de cobre.
Plomo Es un metal pesado de densidad relativa o gravedad especifica 11,4 a 16°C. Es flexible, inelástico y se funde con facilidad

MATERIALES METÁLICOS PUROS.

Son aquellos que están tal y como son en la naturaleza sin sufrir ningún cambio o alteración. Los materiales puros se clasifican en: Metales, Metaloides y No Metales.

METALES

Son los elementos químicos capaces de conducir la electricidad y el calor.

Cuando estos están en su estado sólido, sus átomos se alinean de manera regular en forma de mallas tridimensionales. Estas mallas pueden ser reconocidas fácilmente por sus propiedades químicas, físicas o por medio de los rayos X.

De las características de los metales que influyen notablemente en sus propiedades es el tamaño de grano.

El cual depende de la velocidad de enfriamiento en la solidificación del metal, la extensión y la naturaleza del calentamiento que sufrió el metal al ser calentado.

Entre más lento el enfriamiento de un material, mayor uniformidad en el crecimiento de los granos, o sea estos serán de menor tamaño.

NO METALES

Son elementos químicos que son malos conductores de la corriente eléctrica y el calor, son muy frágiles por lo que no se pueden estirar.

Tiene una estructura hexagonal, los distintos modos de empaquetamiento en un cristal dan lugar a las llamadas fases polimórficas (fases alotrópicas para los elementos), que a los materiales distintas propiedades.

Por ejemplo, el Carbono, que se presenta en la naturaleza en dos formas cristalinas muy diferentes el diamante y el grafito.

El grafito es negro, blando y un lubricante excelente sus átomos deben estar distribuidos (empaquetados) de un modo que puedan entenderse sus propiedades, sin embargo, el diamante es transparente y muy duro, por lo que debe esperarse que sus átomos estén muy fijamente unidos.

METALOIDES.

Cuentan con cualidades propias de los dos anteriores y se encuentran en un punto intermedio entre los dos elementos antes mencionados.

El boro presenta multitud de formas alotrópicas que tienen como elemento estructural común un icosaedro regular.

La ordenación de los icosaedros puede ser de dos formas distintas:

·         Unión de dos icosaedros por dos vértices, mediante enlaces covalentes normales

·         Unión de tres icosaedros por tres vértices, mediante un enlace de tres centros con dos electrones.

Las diferentes estructuras en los 3 tipos de materiales puros, metales, no metales y metaloides, determinan muchas de sus características y propiedades, aun cuando se trate del mismo elemento del que se esté hablando es sorprendente que dichas características sean sumamente diferentes.

ALEACIONES DE MATERIALES METÁLICOS.

Es una combinación de propiedades metálicas, que está compuesta de dos o más elementos metálicos. Se elaboran para mejorar las propiedades de los componentes originales.

Las aleaciones están constituidas por elementos metálicos como Fe (hierro), Al (aluminio), Cu (cobre), Si (silicio), S (azufre), As (arsénico).

ALEACIONES FERROSAS.

Los metales ferrosos como su nombre lo indica, su principal componente es el hierro, sus principales características son su gran resistencia a la tracción y dureza.

Las principales aleaciones se logran con el estaño, plata, platino, manganeso, vanadio y titanio.

Los principales productos representantes de los materiales metálicos son:

Fundición de hierro.

Aceros.

Aceros inoxidables.

ALEACIONES NO FERROSAS.

Características:

1. Tienen menor resistencia a la tracción y dureza que los metales ferrosos, pero su resistencia a la corrosión es superior.
2. Su costo es alto en comparación a los materiales ferrosos.

En las aleaciones no ferrosas destacan las del cobre y las del aluminio.

COBRE-ALUMINIO (Cu + Al ).

Esta aleación es muy parecida al oro y muy apreciada para los trabajos artísticos. Se utiliza también para los trenes de aterrizaje de los aviones y, por sus propiedades mecánicas elevadas y su resistencia a la corrosión, en ciertas construcciones mecánicas.

Los metales no ferrosos son utilizados en la manufactura como elementos complementarios de los metales ferrosos, también son muy útiles como materiales puros o aleados los que por sus propiedades físicas y de ingeniería cubren determinadas exigencias o condiciones de trabajo, por ejemplo, el bronce (cobre, plomo, estaño) y el latón (cobre-zinc).

BRONCE.

Es una aleación de cobre con estaño, con una proporción de este último inferior al 20%, se utiliza para elementos decorativos, esculturas y fabricación de elementos.

LATÓN.

Se forma con cobre y zinc, mezcla que confiere a la aleación de mayor dureza y ductilidad que el cobre puro; es muy dúctil en frío. Su composición influye en las características mecánicas, la fusibilidad, y la capacidad de conformación por fundición, forja, estampación y mecanizado.

ALEACIONES FERROSAS	Hierro. Cúbica centrada en el cuerpo
	Acero. No tiene estructura cristalina, la estructura cristalina es característica de compuestos iónicos, el acero tiene un enlace mecánico.

ALEACIONES NO FERROSAS.	COBRE.
	NÍQUEL.

MATERIALES NO METÁLICOS.

Los materiales no metales varían mucho en su apariencia no son lustrosos y por lo general son malos conductores del calor y la electricidad. Sus puntos de fusión son más bajos que los de los metálicos.

Varios no metales existen en condiciones ordinarias como moléculas diatómicas. En esta lista están incluidos cinco gases (H2, N2, 02, F2 y C12), un líquido (Br2) y un sólido volátil (I2). El resto de los no metales son sólidos que pueden ser duros como el diamante o blandos como el azufre. Al contrario de los metales, son muy frágiles y no pueden estirarse en hilos ni en láminas. Se encuentran en los tres estados de la materia a temperatura ambiente: son gases (como el oxígeno), líquidos (bromo) y sólidos (como el carbono). No tienen brillo metálico y no reflejan la luz.

Se caracterizan por su acidez, pues la gran mayoría de los óxidos de los no metales forman algunas soluciones ácidas. Por su naturaleza los no metales tienen poca brillantez a diferencia de los metales. La transmisión de calor es más reducida en los no metales. Los no metales se distinguen principalmente por no ser buenos conductores, aunque esto no quiere decir que no puedan conducir. Los no metales no tienen la capacidad de doblarse o estirarse, por lo que no se pueden hacer láminas mediante deformaciones plásticas. Estos elementos en su gran mayoría son gases. Entre las propiedades químicas de los no metales es que en su última capa tienen desde 4 hasta 7 electrones y al ionizarse pueden adquirir carga negativa y con el oxígeno forman oxidaciones no metálicas o anhídridos. Estos elementos por su reducida o nula conducción son utilizados como aislantes o como semiconductores dentro de los aparatos y dispositivos.

ORGÁNICOS.

Son materiales orgánicos, cuando contienen células de vegetales o animales. Estos materiales pueden usualmente disolverse en líquidos orgánicos como el alcohol o los tetracloruros, no se disuelven en el agua y no soportan altas temperaturas.

Algunos de los representantes de este grupo son:

• Plásticos
• Productos del petróleo
• Madera
• Papel 
• Hule
• Piel

Aunque hay una gran cantidad de compuestos orgánicos, éstos tienen algunas características o propiedades comunes, como son las siguientes:

Combustibilidad. Los compuestos orgánicos generalmente son combustibles. Los derivados del petróleo, carbón y gas natural -llamados combustibles fósiles- arden, produciendo dióxido y monóxido de carbono, agua y gran cantidad de energía.

Conductividad. Debido a que el enlace entre sus moléculas es covalente, las soluciones de los compuestos del carbono no se ionizan y, por tanto, no conducen la corriente eléctrica.

Densidad: Muchos compuestos orgánicos tienen menor densidad que el agua, por lo que flotan sobre ella. Puntos de fusión y ebullición. Ambos son relativamente bajos.

Solubilidad. Muchos compuestos orgánicos son insolubles en el agua, pero solubles en disolventes no polares, como gasolina, benceno, éter o tetracloruro de carbono y acetona.

ESTRUCTURA DE LOS MATERIALES ORGÁNICOS.

Los compuestos orgánicos son sustancias químicas que contienen carbono, formando enlaces covalentes carbono-carbono y/o carbono-hidrogeno. En muchos casos contienen oxígeno, nitrógeno azufre fosforo, boro halógeno y otros.

INORGÁNICOS.

Los materiales inorgánicos no metálicos comprenden materiales cerámicos en su más amplia expresión, como cerámica, vidrio, refractarios, abrasivos, y materiales compuestos con alguna fase inorgánica no metálica, así como materiales semiconductores y otros.

Los materiales inorgánicos son aquellos en los que, por lo general, no se encuentra presente el carbono, excepto los carbonatos, el monóxido, el dióxido de carbono, el diamante, el grafito.

POLÍMEROS.

En química, los polímeros son macromoléculas, formadas por la unión de moléculas más pequeñas llamadas monómeros.

PROPIEDADES DE LOS POLÍMEROS

Propiedades mecánicas:

Resistencia

Dureza

Elongación

Propiedades físicas:

Fibras

Elastómeros

Plásticos

Recubrimientos

Adhesivos

CLASIFICACIÓN.

Según su origen:	Polímeros naturales. Polímeros semisintéticos. Polímeros sintéticos.
Según su mecanismo de polimerización:	Polímeros de condensación. Polímeros de adición. Polímeros formados por etapas. Polímeros formados por reacción en cadena.
Según su composición química:	Polímeros orgánicos. Polímeros vinílicos. Poliolefinas. Polímeros vinílicos halogenados. Polímeros acrílicos. Polímeros orgánicos no vinílicos.
Según su comportamiento al elevar su temperatura:	Ø  Termoplásticos. Fluyen (pasan al estado líquido) al calentarlos y se vuelven a endurecer (vuelven al estado sólido) al enfriarlos. Ejemplos: polietileno (PE), polipropileno (PP), PVC. Ø  Termoestables. No fluyen, y lo único que conseguimos al calentarlos es que se descompongan químicamente, en vez de fluir.

Propiedades cristalinas de los polímeros Los polímeros con capacidad de cristalizar son aquellos cuyas moléculas son química y geométricamente regulares en su estructura.

INTEGRANTES DEL EQUIPO 2.

Álvarez Arias Samanta.
Campos Montoya Pedro Luis.
Cerón Portillo Emiliano.
Contreras Aguilar Abril Mariana.
Delgado Reyes Carlos Alberto.
Estrada Cortés Michelle.
Gutiérrez Silva Alonso.
Huerta López Alfredo.
López Vanegas Patricia Guadalupe.
Quiroz Ramírez Edgar Gabriel.

Representante: Estrada Cortés Michelle.