Clase 2: Ciencia de los materiales Facultad de ciencias económicas y administrativas Departamento de calidad y producción

PROPIEDADES MECÁNICAS Y FÍSICAS 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 Propiedades Metales y aleaciones Fundición gris Bloques de motor para Fundible, maquinable, automóvil amortigua vibraciones Cerámicos y vidrios SiO2-Na2O-CaO Vidrios para ventanas Transparente, aislante térmico Polímeros Polietileno Empaque de alimentos Fácilmente moldeable en películas delgadas, flexible y hermético

Continuación Ejemplos de aplicación Propiedades Materiales Compuestos Semiconductores Silicio Transistores y circuitos Comportamiento eléctrico integrados único Materiales Compuestos Carburo de Herramientas de corte Alta dureza pero buena Tungsteno - resistencia al choque cobalto (WC-Co)

Relación Microestructura - Propiedades PROCESAMIENTO DESEMPEÑO

Resistencias representativas de diversas categorías de materiales. © 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™ Resistencias representativas de diversas categorías de materiales.

Corte de un motor de un cohete 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.) 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.)

© 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™ 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).

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.) 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.)

© 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™ 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.

Corrosión, fatiga, rapidez de deformación. © 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™ 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 carbono-carbono, las aleaciones especiales y los cerámicos, tiene propiedades excelentes a altas temperaturas. Corrosión, fatiga, rapidez de deformación.

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? Nivel atómico ~ 10-10 m Estructura Cristalina ~ 10-8 m Estructura granular ~ 10-6 m

Microscopia SEM(Scanning Electron Microscopy

Microscopia AFM (Atomic Force Microscope)

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 1

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 La nube electrónica constituye casi todo el volumen del átomo pero solo una pequeña parte de su masa Masa (gr) Carga (culombios) Protón 1.673 * 10(-24) 1.602*10(-19) Neutrón 1.674 * 10(-24) Electrón 9.109* 10(-28)

= 1 for hydrogen to 94 for plutonium N = # neutrons BOHR ATOM 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 onda-particula 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

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∗ 10 23 á𝑡𝑜𝑚𝑜𝑠/𝑚𝑜𝑙 107.868𝑔/𝑚𝑜𝑙 =5,58* 10 23

Ejemplo Para niquelar una parte de acero con 200 𝑖𝑛 2 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? Sol: ρ(Ni)= 8.902 𝑔 𝑐𝑚 3 ; m(Ni)=58.71g/mol

Continuación ejemplo 𝑉=𝐴∗𝐸=(200 𝑖𝑛 2 )*(0.002𝑖𝑛)=0.4 𝑖𝑛 3 𝑉= 0.4 𝑖𝑛 3 * 2.54𝑐𝑚 1𝑖𝑛 3 =6.555 𝑐𝑚 3 ρ= 𝑚 𝑉 𝑚=ρ∗V= 58.35g 58.35g* 6.023∗ 10 23 á𝑡𝑜𝑚𝑜𝑠/𝑚𝑜𝑙 58.71𝑔/𝑚𝑜𝑙 =5.98* 10 23 atom

Continuación ejemplo 6.023* 10 23 átomos 1 mol 5.98* 10 23 átomos ? 0.993 mol de Ni requeridos.

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.

© 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™ Figura 1 La estructura atómica del sodio, número atómico 11, se muestra los electrones en la capa cuántica K, L, y M.

© 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™ Electronegatividad de algunos elementos en función de su posición en la tabla periódica.

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 • 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. Adapted from Table 2.2, Callister 6e. • Why? Valence (outer) shell usually not filled completely. 5

Comparing Electronegativities 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 4s2 Br: 1s22s22p63s23p63d10 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 Smaller electronegativity Larger 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 © 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™ 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.

EXAMPLES: IONIC BONDING • Predominant bonding in Ceramics Give up electrons 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.

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.

Enlace Covalente © 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™ 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.

COVALENT BONDING • Ejercicio: CH4 10

COVALENT BONDING C: has 4 valence e, needs 4 more H: has 1 valence e, • 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 © 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™ 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.

SECONDARY BONDING -general case: -ex: liquid HCl -ex: polymer Arises from interaction between dipoles • Fluctuating dipoles Adapted from Fig. 2.13, Callister 6e. • Permanent dipoles-molecule induced Adapted from Fig. 2.14, Callister 6e. -general case: -ex: liquid HCl Adapted from Fig. 2.14, Callister 6e. -ex: polymer

(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. © 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™ 30

Energía de enlace y distancia interatómica Distancia interatómica: Es la distancia de equilibrio entre los centros de los átomos. 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 esfuerzo-deformación 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.

SUMMARY: PRIMARY BONDS Ceramics Large bond energy large Tm large E small a (Ionic & covalent bonding): Metals Variable bond energy moderate Tm moderate E moderate a (Metallic bonding): Polymers Directional Properties Secondary bonding dominates small T small E large a (Covalent & Secondary):

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.

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?