Estructura de los Materiales Ingeniería Mecánica - Departamento de Diseño Mecánico, Materiales y Procesos Ismael H. García Materiales Metálicos UNIVERSIDAD.

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1 Estructura de los Materiales Ingeniería Mecánica - Departamento de Diseño Mecánico, Materiales y Procesos Ismael H. García Materiales Metálicos UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER

2 Materiales Metálicos UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER PROPIEDADES DE LOS MATERIALES ESRUCTURA ATOMICA 10 -10 m ESTRUCTURA CRISTALINA 10 -10 - 10 -9 m MICROESTRUCTURA 10 -8 - 10 -6 m MACROESTRUCTURA >10 -6 m ESTRUCTURA DE LOS MATERIALES

3 Estructura atómica UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER Materiales Metálicos

4 Estructura atómica UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER Núcleo: Protones + neutrones 10 -15 -10 -14 m Electrones giran alrededor del núcleo Nube electrónica: 10 -10 m Número Atómico: Número protones Masa, gramos (g)Masa, U.M.A.Carga, culombios, (C) Protón1,673 x 10 -24 1,007277+ 1,602 x 10 -19 Neutrón1,675 x 10 -24 1,0086650 Electrón9,109 x 10 -28 0,000549- 1,602 x 10 -19

5 Estructura atómica UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER Masa atómica: masa de un átomo en unidades de masa atómica (uma). Es igual a la suma de P y N en un átomo Peso atómico: masa relativa (promedio) de la mezcla natural de los isotopos de un elemento. Isotopos: Átomos de un mismo elemento con diferente cantidad de neutrones. Masa, gramos (g)Masa, U.M.A.Carga, culombios, (C) Protón1,673 x 10 -24 1,007277+ 1,602 x 10 -19 Neutrón1,675 x 10 -24 1,0086650 Electrón9,109 x 10 -28 0,000549- 1,602 x 10 -19

6 Estructura atómica UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER El núcleo está rodeado por una nube de electrones con carga negativa. La forma como están distribuidos los electrones en el átomo (configuración electrónica) explican la mayoría de propiedades de un material. Enlace químico, reactividad química, propiedades eléctricas, magnéticas y ópticas.

7 Configuración electrónica UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER Los números cuánticos n=1 l=0 n=2 l=0 l=1 n=3 l=0 l=1 l=2 n=4 l=0 l=1 l=2 l=3 n=1 n=2 n=4 n=3 m S = +1/2 m S = -1/2 Principal (n) acimutal (l) magnético (m) spin (m s ) El número cuántico principal (n) determina el tamaño de las órbitas, y por tanto la distancia al núcleo de un electrón vendrá determinada por este número cuántico. Puede tomar valores: 1,2,3… (K,L,M,..) spdspd

8 UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER Los números cuánticos n=1 l=0 n=2 l=0 l=1 n=3 l=0 l=1 l=2 n=4 l=0 l=1 l=2 l=3 n=1 n=2 n=4 n=3 m S = +1/2 m S = -1/2 Principal (n) acimutal (l) magnético (m) spin (m s ) El número cuántico acimutal (l) determina la excentricidad de la órbita, al aumentar su valor aumenta su excentricidad y, por tanto, más aplanada será la elipse que recorre el electrón. Puede tomar los valores: 0, 1..,n-1 (s,p,d,f) Los números cuánticos spdspd

9 UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER Los números cuánticos n=1 l=0 n=2 l=0 l=1 n=3 l=0 l=1 l=2 n=4 l=0 l=1 l=2 l=3 n=1 n=2 n=4 n=3 m S = +1/2 m S = -1/2 Principal (n) acimutal (l) magnético (m) spin (m s ) El número cuántico magnético (m) determina la orientación espacial de las órbitas, de las elipses. Puede tomar valores: -l,…,0,…,l. Los números cuánticos spdspd

10 UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER Los números cuánticos n=1 l=0 n=2 l=0 l=1 n=3 l=0 l=1 l=2 n=4 l=0 l=1 l=2 l=3 n=1 n=2 n=4 n=3 m S = +1/2 m S = -1/2 Principal (n) acimutal (l) magnético (m) spin (m s ) El número cuántico de spin (s, m s ). puede tomar los valores +1/2 ó -1/2 Los números cuánticos spdspd

11 UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER Los números cuánticos

12 UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER Los números cuánticos Niveles de energía de los orbitales del átomo de hidrógeno (1 electrón)

13 UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER Los números cuánticos Niveles de energía de los orbitales de un átomo polielectrónico

14 UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER Los números cuánticos La configuración electrónica del átomo indica la manera en que están distribuidos los electrones entre los distintos orbitales atómicos. Principio de Aufbau (o de construcción): Afirma que los orbitales con menor energía se llenan antes que las de mayor energía. Principio de exclusión de Pauli: No es posible que dos electrones de un átomo tengan los mismos cuatro números cuánticos. Sólo dos electrones pueden coexistir en el mismo orbital atómico y deben tener espines diferentes.

15 UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER Los números cuánticos Principio de Aufbau

16 UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER Configuración electrónica 2 8 18 32 2n 2 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6 5s 2 …. Ejemplo Ni 28e - : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 8 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 8 4s 2

17 UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER La tabla periódica Elementos de transición d 1 d 2 d 3 d 4 d 5 d 6 d 7 d 8 d 9 d 10 f 1 f 2 f 3 f 4 f 5 f 6 f 7 f 8 f 9 f 10 f 11 f 12 f 13 f 14 Elementos de transición interna s 1 s 2 p 1 p 2 p 3 p 4 p 5 p 6

18 UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER La tabla periódica H 1s 1 He 1s 2 Li 1s 2 2s 1 Be 1s 2 2s 2 B 1s 2 2s 2 2p 1 C 1s 2 2s 2 2p 2 1s 2s 2p

19 UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER La tabla periódica C 1s 2 2s 2 2p 2 Regla de Hund La distribución electrónica más estable en los subniveles es la que tiene mayor número de espines paralelos. x x 

20 UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER La tabla periódica

21 UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER La tabla periódica Anomalías de configuración electrónica Grupo 6 (Cr, Mo) : s 2 d 4 s 1 d 5 Grupo 11 (Cu, Ag, Au):s 2 d 9 s 1 d 10 Hay una estabilidad ligeramente mayor con los subniveles semillenos (d 5 ) y completamente llenos (d 10 ) Como se puede observar en: esta tabla periódica diagrama diagrama2tabla periódicadiagramadiagrama2

22 UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER La tabla periódica Paramagnetismo y Diamagnetismo Las sustancias paramagnéticas son aquellas atraídas por un imán. Átomos con uno o más espines desapareados. Las sustancias diamagnéticas son repelidas ligeramente por un imán. Átomos con todos los electrones apareados.

23 UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER La tabla periódica Niveles energéticos y movimiento de electrones Fotón emitido h constante de Planck 6,63x10 -34 J.s Energía asociada a cada electrón depende principalmente de su distancia al núcleo, y por tanto de n.

24 Electronegatividad UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER ELECTRONEGATIVIDAD Y ELECTRONES DE VALENCIA La electronegatividad de un elemento representa la capacidad de un átomo de atraer hacia sí los electrones en un enlace químico. Los elementos con una baja electronegatividad se denominan electropositivos y tienden a formar cationes, mientras que los de alta electronegatividad se denominan electronegativos y tienden a formar aniones. Los electrones en los niveles de energía externos son aquellos que serán utilizados en la formación de compuestos y a los cuales se les denomina como electrones de valencia (máximo 8).

25 UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER Electronegatividad ELECTRONEGATIVIDAD La electronegatividad es una propiedad química que mide la capacidad de un átomo para atraer hacia él los electrones, o densidad electrónica, cuando forma un enlace en una molécula

26 Materiales Metálicos UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER Los elementos electropositivos, tienen pocos electrones de valencia (1,2,3) son conocidos como elementos metálicos. Los elementos electronegativos, tienen bastantes electrones de valencia (5,6,7), son conocidos como elementos no metálicos. Los elementos con 8 electrones de valencia, son conocidos como gases nobles.

27 Enlace químico Ingeniería Mecánica - Departamento de Diseño Mecánico, Materiales y Procesos Ismael H. García Materiales Metálicos UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER

28 Enlace químico UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER Prácticamente todas las sustancias que encontramos en la naturaleza están formadas por átomos. Las intensas fuerzas que mantienen unidos los átomos en las distintas sustancias se denominan enlaces químicos.

29 Enlace químico UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER ¿Por qué se unen los átomos? Los átomos se unen porque, al estar unidos, adquieren una situación más estable que cuando estaban separados.

30 UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER Para muchos propósitos, con la ayuda de modelos simples es suficiente para entender la tendencia de las propiedades físicas y químicas. Los enlaces químicos fuertes se describen mediante tres conceptos: enlace iónico, enlace covalente y enlace metálico. Enlace químico

31 Enlace metálico Átomos muy electropositivos. Todos los átomos ceden sus electrones de valencia. Enlace no direccional. Enlace Atómico UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER

32 Enlace metálico Temperaturas de fusión elevadas, por lo que son sólidos a temperatura ambiente (excepto el mercurio que es líquido). Buenos conductores del calor y la corriente eléctrica, debido a la libertad de movimiento de los electrones por todo el metal. Dúctiles (se pueden estirar para formar hilos) y maleables (se pueden trabajar para formar láminas finas). Enlace Atómico UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER

33 Enlace metálico Enlace Atómico UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER Temperaturas de fusión elevadas, por lo que son sólidos a temperatura ambiente (excepto el mercurio que es líquido). Buenos conductores del calor y la corriente eléctrica, debido a la libertad de movimiento de los electrones por todo el metal. Dúctiles (se pueden estirar para formar hilos) y maleables (se pueden trabajar para formar láminas finas).

34 Enlace iónico Enlace Atómico UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER Átomo electropositivo – Átomo electronegativo. Cede electrones Recibe electrones Catión Anión Enlace no direccional.

35 Enlace iónico Las propiedades características de los materiales con enlaces iónicos son: Los sólidos iónicos naturales tienen estructura cristalina. Tienen dureza elevada, y puntos de fusión y ebullición altos. Son solubles en disolventes polares como el agua. Cuando se encuentran disueltos en soluciones acuosas tienen una conductividad alta. Enlace Atómico UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER

36 Enlace iónico Frágiles: Se rompen sin deformarse al someterse a fuerzas suficientemente grandes. Cambia el ordenamiento de las capas. El material tiende a romperse Enlace Atómico UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER

37 Enlace covalente Enlace Atómico UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER El enlace covalente se forma entre átomos con pequeñas diferencias de electronegatividad y ubicados muy próximos en la tabla periódica. Por lo general átomos electronegativos. 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 de gas noble.

38 Enlace covalente Enlace Atómico UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER

39 Enlace covalente Propiedades de los materiales con enlaces covalentes Si en el material solo existen enlaces covalentes, se tiene dureza elevada y altos puntos de fusión y ebullición, ejemplo la sílice y el diamante. Sin embargo, la mayoría de compuestos con estos enlaces, también presentan enlaces secundarios y por tanto se disminuyen considerablemente estas propiedades. La solubilidad de estos compuestos es mínima en disolventes polares, y nula su capacidad conductora. Enlace Atómico UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER

40 Enlaces secundarios – Dipolo inducido Enlace Atómico UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER

41 Enlaces secundarios – Dipolo permanente 105º (a) Molécula de agua mostrando el dipolo permanente (b) Enlace entre moléculas de agua por atracción entre los dipolos. Enlace Atómico UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER

42 Enlaces secundarios en materiales poliméricos Nylon 6.6 Kevlar Enlace Atómico UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER

43 Ciencia de los Materiales UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER

44 Fuerza de enlace (Iónico) F atracción F neta F repulsión Distancia interiónica, a a a 0 Fuerza - 0 + r R a 0 = r + R a0a0 Enlace Atómico UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER

45 Energía de enlace (Iónico) E repulsión E neta E atracción Distancia interiónica, a a a 0 Energía - 0 + r R a 0 = r + R a0a0 Enlace Atómico UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER

46 Fuerza de enlace – Módulo de Young Bajo E Alto E Esfuerzo deformación Enlace Atómico UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER

47 Energía de enlace – Expansión térmica Distancia interiónica, a Energía neta ΔEΔE Los materiales con curvas pronunciadas con un valle hondo tienen bajos coeficientes de dilatación térmica lineal ΔaΔa Enlace Atómico UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER

48 Enlaces mixtos Enlace iónico – covalente Enlace metálico – covalente Enlace Atómico UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER

49 Enlace metálico UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER DESARROLLO DEL TALLER