Trabajo De Enlaces Quimicos 2a1067

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO FACULTAD DE INGENIERIA MECÁNICA – ENERGIA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA MECÁNICA

TRABAJO DE INVESTIGACIÓN: ENLACE QUÍMICO Y SU APLICACIÓN EN LA FABRICACIÓN DE MATERIALES PROFESORA: MARIA LUISA APOLINARIO

ALVAREZ BERMUDEZ MARCO ANTONIO FLORES UTRILLA, URIEL OSWALDO MOTTA PALOMINO NAIR YHOSSET ANDRES FASANANDO JOSE ERICK

Monografía para el curso de Química General

Bellavista, Diciembre del 2011

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El presente trabajo va dedicado a nuestros padres por el compromiso de ayuda con nosotros y dedicado también a nuestra profesora por la labor tan grande al ser guía en este camino tan difícil y por compartir con nosotros sus saberes y parte de su tiempo.

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INDICE Introducción I.

Contenido teórico 1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

II.

Concepto de enlace químico 1.1.1 Principio fundamental 1.1.2 Notación o formula Lewis 1.1.3 Regla del octeto 1.1.4 Resonancia Parámetros de la estructura molecular 1.2.1 Energía de enlace 1.2.2 Longitud de enlace 1.2.3 Ángulo de enlace 1.2.4 Geometría molecular Fuerzas intermoleculares 1.3.1 Enlace puente de hidrogeno 1.3.2 Fuerza de Van der Waals 1.3.3 Atracciones dipolo-dipolo 1.3.4 Fuerzas de London 1.3.5 Fuerzas ion-dipolo Enlace iónico 1.4.1 Propiedades 1.4.2 Energía reticular 1.4.3 Modelo iónico 1.4.4 Ciclo de Born-Haber Enlace covalente 1.5.1 Polaridad y apolaridad 1.5.2 Propiedades Enlace metálico 1.6.1 Teoría del gas electrónico 1.6.2 Teoría de bandas

Aplicaciones y fabricación de materiales 2.1. Tipos de materiales

6 6 7 8 10 11 11 12 14 15 17 18 18 19 19 20 21 22 23 23 23 24 25 26 27 27 28

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2.1.1 materiales metálicos

30

2.1.2 materiales poliméricos

36

2.1.3 materiales compuestos

43 3

2.2. 2.3. 2.4. 2.5. 2.6. 2.7. 2.8. 2.9. 2.10.

  

Galvanización Estructuras cristalinas y amorfas Celda unitaria Imperfección cristalinas Solidificación de metales Proceso de metales y aleaciones Propiedades mecánicas de los metales Producción de hierro y acero Cerámicos

Anexos Conclusion Bibliografía y referenciales

47 49 49 50 55 56 61 64 69

73 74 75

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INTRODUCCIÓN Los elementos químicos se combinan de diferentes maneras para formar toda una variedad de compuestos inorgánicos y orgánicos. Hay compuestos gaseosos, líquidos y sólidos, los hay tóxicos e inocuos, mientras que otros son altamente benéficos para la salud. Las propiedades de cada compuesto dependen del tipo de elemento químico que lo forman, el modo cómo se enlazan (tipo de enlace químico), la forma y geometría de los agregados atómicos (moléculas) y de cómo estos interactúan entre si. En 1916, el químico alemán Walther Kossel expuso que en las reacciones químicas ocurren pérdida y ganancia de electrones por parte de los átomos, y por ello estos adquieren la configuración electrónica de un gas noble. Sin duda Kossel se refería al enlace iónico, y por lo tanto a los compuestos iónicos. Posteriormente los químicos norteamericanos Gilbert Newton Lewis e Irving Langmuir, cada uno en forma independiente estudiaron los compuestos iónicos y no iónicos (covalentes), comprobando que los átomos al formar enlace químico adquieren en su mayoría la estructura atómica de un gas noble (8 electrones en el nivel externo), lo que hoy se llama Regla del Octeto. En 1923, G. N. Lewis plantea su teoría de enlace por pares de electrones y anuncia que el octeto se logra por medio de compartición de electrones. Entonces a Kossel lo podemos considerar como el padre del enlace iónico, y a Lewis el padre del enlace covalente. En 1926, Walter Heitler y Fritz London demostraron que el enlace covalente en la molécula de H2 se podría explicar mediante la mecánica cuántica. La mecánica cuántica describe muy bien a los átomos y estructura electrónica de los mismos; pero la situación en la molécula es muy diferente debido a la mayor complejidad de esta, el aparato matemático es mucho más difícil de formular y los resultados menos fáciles de obtener e interpretar. Hoy en día, los químicos disponen de métodos de cálculo y de técnicas experimentales muy sofisticadas que permiten conocer con exactitud la forma, geometría y dimensiones de las moléculas.

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ENLACE QUÍMICO Y SU APLICACIÓN EN LA FABRICACIÓN DE MATERIALES I.

CONTENIDO TEÓRICO 1.1

CONCEPTO DE ENLACE QUÍMICO

El enlace químico es la fuerza que mantiene unidos a los átomos (enlace interatómico) para formar moléculas o formar sistemas cristalinos (iónicos, metálicos o covalentes) y moléculas (enlace intermolecular) para formar los estados condensados de la materia (sólido y líquido), dicha fuerza es de naturaleza electromagnética (eléctrica y magnética), predominante fuerza eléctrica. 1.1.1

PRINCIPIO FUNDAMENTAL

Los átomos y moléculas forman enlaces químicos con la finalidad de adquirir un estado de menor energía, para asa lograr una condición de mayor estabilidad. En el caso de los átomos, la estabilidad se reflejara en un cambio de su configuración electrónica externa. Veamos la formación de la molécula de HCl

La misma energía se requiere como mínimo para romper o disociar el enlace (energía de disociación)

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Con una gráfica veamos la variación de energía en la formación del enlace.

1.1.2

NOTACION O FORMULA LEWIS

Es la representación convencional de los electrones de valencia (electrones que intervienen en los enlaces químicos), mediante el uso de puntos o aspas que se colocan alrededor del símbolo del elemento.

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En general para los elementos representativos (recordar que el numero de grupo indica el numero de electrones de valencia) tenemos: 1.1.3

REGLA DEL OCTETO

G. N. Lewis, al estudiar la molécula de hidrógeno (H2) notó que cada átomo al compartir electrones adquiere dos electrones, o sea la estructura electrónica del gas noble Helio (2He) y comprobó también que los demás átomos que comparten electrones al formar enlace químico, llegan a adquirir la estructura electrónica de los gases nobles. Existen diferentes tipos de enlace químico, basados todos ellos, como se ha explicado antes en la estabilidad especial de la configuración electrónica de los gases nobles, tendiendo a rodearse de ocho electrones en su nivel más externo. Este octeto electrónico puede ser adquirido por un átomo de diferentes maneras:    

Enlace iónico. Enlace covalente. Enlace metálico. Enlaces intermoleculares.

Es importante saber, que la regla del octeto es una regla práctica aproximada que presenta numerosas excepciones, pero que sirve para predecir el comportamiento de muchas sustancias.

CO2, con dos enlaces dobles. 8

En la figura se muestran los 4 electrones de valencia del carbono, creando dos enlaces covalentes, con los 6 electrones en el último nivel de energía de cada uno de los oxígenos, cuya valencia es 2. La suma de los electrones de cada uno de los átomos son 8, llegando al octeto. Nótese que existen casos de moléculas con átomos que no cumplen el octeto y son estables igualmente.

EXCEPCIONES CON LA REGLA DEL OCTETO: Los átomos de los elementos que se encuentran después del segundo periodo de la tabla periódica, pueden acomodar más de ocho electrones en su capa externa. Ejemplos de esto son los compuestos PCl5 y SF6.

Algunas moléculas o iones sumamente reactivos tienen átomos con menos de ocho electrones en su capa externa. Un ejemplo es el trifluoruro de boro (BF3). En la molécula de BF3 el átomo de boro central sólo tiene electrones a su alrededor.

Por último, necesita subyacerse un punto: Antes de que se puedan escribir algunas estructuras de Lewis, se debe conocer la forma en que los átomos están unidos entre sí. Considérese por ejemplo el ácido nítrico. Aunque la fórmula del ácido nítrico con 9

frecuencia se representa como HNO3, en realidad el hidrógeno está unido a un oxígeno, no al nitrógeno. La estructura es HONO2 y no HNO3. Por lo tanto la estructura de Lewis es:

1.1.4

RESONANCIA

La Resonancia (denominado también Mesomería) en química es una herramienta empleada (predominantemente en química orgánica) para representar ciertos tipos de estructuras moleculares. La resonancia consiste en la combinación lineal de estructuras de una molécula (estructuras resonantes) que no coinciden con la estructura real, pero que mediante su combinación, nos acerca más a su estructura real. El efecto es usado en una forma cualitativa, y describe las propiedades de atracción o liberación de electrones de los sustituyentes, basándose en estructuras resonantes relevantes, y es simbolizada por la letra R o M (a veces también por la letra K). El efecto resonante o mesomérico es negativo (-R/-M) cuando el sustituyente es un grupo que atrae electrones, y el efecto es positivo (+R/+M) cuando, a partir de la resonancia, el sustituyente es un grupo que libera electrones.  

Ejemplos de sustituyentes -R/-M: acetilo - nitrilo - nitro Ejemplos de sustituyentes +R/+M: alcohol - amina

Efecto -R/-M.

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Efecto +R/+M. La resonancia molecular es un componente clave en la teoría del enlace covalente. Para su existencia es imprescindible la presencia de enlaces dobles o triples en la molécula. El flujo neto de electrones desde o hacia el sustituyente está determinado también por el efecto inductivo. El efecto mesomérico como resultado del traslape de orbital p (resonancia) no tiene efecto alguno en este efecto inductivo, puesto que el efecto inductivo está relacionado exclusivamente con la electronegatividad de los átomos, y su química estructural (qué átomos están conectados a cuáles). Numerosos compuestos orgánicos presentan resonancia, como en el caso de los compuestos aromáticos.

1.2

PARÁMETROS DE LA ESTRUCTURA MOLECULAR

1.2.1

ENERGÍA DE ENLACE

Una reacción química consiste en un nuevo reagrupamiento de los átomos de los reactivos para formar los productos. Esto supone la ruptura de ciertos enlaces y la formación de otros nuevos. Si se conociesen las energías de estos enlaces, se podría calcular fácilmente la entalpía de reacción. Se llama energía de enlace a la energía necesaria para romper un mol de dichos enlaces.

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Así, por ejemplo, la energía del enlace hidrógeno - cloro es la correspondiente a la reacción:

HCl(g)  H(g) + Cl(g); DH = 431 kJ De donde resulta que su valor será de 431 kJ/mol. Cuanto más elevada sea la energía de enlace, más fuerte y más estable será dicho enlace. A partir de las energías medias de enlace pueden calcularse aproximadamente las entalpías de reacción entre sustancias gaseosas. En efecto, teniendo en cuenta que para la ruptura de enlaces hay que suministrar energía, mientras que al formarse nuevos enlaces se desprende energía, se deduce que:

-

enlaces formados)

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1.2.2

LONGITUD DE ENLACE

La longitud de enlace es la distancia que existe entre los núcleos de dos átomos que están enlazados de manera covalente, compartiendo uno o más pares de electrones. La longitud de enlace está muy relacionado con la energía de enlace, debido a que dos átomos se unirán covalentemente sólo si estando unidos su estado de energía es menor que estando separados. Pongamos por ejemplo dos átomos de hidrógeno, inicialmente separados por una cierta distancia. A medida que acercamos dichos átomos entre sí, aparecerán fuerzas de repulsión y de atracción entre ellos, siendo éstas últimas las que predominarán, dado que el estado de energía de éstos átomos enlazados covalentemente es menor que si están separados, como se puede observar en la figura:

La distancia entre los átomos es menor que la suma de sus radios de Van der Waals, debido a que al estar enlazados de manera covalente sus electrones no se repelen, sino que comparten el orbital atómico. Las longitudes de enlace se pueden medir mediante espectroscopía o con técnicas de difracción. En general, si el radio de un átomo es mayor, mayor será la distancia de enlace que formará; la suma de los radios de enlace covalente de los átomos que forman esta unión da como resultado la longitud de enlace.

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1.2.3

ÁNGULO DE ENLACE

Lo mismo que los del carbono, los enlaces covalentes de otros elementos están orientados espacialmente en direcciones características. Así, cualquier molécula en la que haya una secuencia de tres átomos tendrá un determinado ángulo de enlace asociado al átomo central de la secuencia. La siguiente figura muestra algunos ángulos de enlace típicos que se observan en varios compuestos covalentes. Los ángulos de enlace no son del todo invariables, sino que pueden sufrir ligeras deformaciones (hasta unos 10 grados) según varíen los requerimientos espaciales de los sustituyentes unidos al átomo central. Obsérvese, por ejemplo, en la figura siguiente, la diferencia de 6 grados entre el ángulo de enlace del oxígeno del agua y del éter metílico, CH3-O-CH3, cuyos grupos CH3 son más voluminosos que los pequeños átomos de H del agua.

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1.2.4

GEOMETRÍA MOLECULAR

Si pudiéramos observar las moléculas por dentro con un potente lente, veríamos que los átomos que las conforman se ubican en el espacio en posiciones bien determinadas. El ordenamiento tridemensional de los átomos en una molécula se llama geometría molecular. En una molécula con enlaces covalentes hay pares de electrones que participan en los enlaces o electrones enlazantes, y electrones desapareados, que no intervienen en los enlaces o electrones no enlazantes. La interacción eléctrica que se da entre estos pares de electrones, determina la disposición de los átomos en la molécula. Veamos algunos ejemplos. 

La molécula de agua H2O posee dos enlaces simples O - H y yiene dos pares de electrones no enlazantes en el átomo de oxígeno. Su geometría molecular es angular.



La molécula de amoníaco (NH3) presenta 3 enlaces simples N - H y posee un par de electrones no enlazantes en el nitrógeno. La geometría molecular es piramidal.

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

La molécula de metano (CH4) tiene cuatro enlaces simples C - H y ningún part de electrones enlazantes. Su geometría molecular es tetraédrica.

¿Cómo se puede saber la geometría de una molécula? En la actualidad se emplean diversos métodos experimentales para conocer en forma precisa la estructura de una molécula particular. Pero en ocasiones basta con aplicar algunos métodos sencillos para obtener una geometría molecular aproximada. Uno de los métodos para predecir la geometría molecular aproximada, está basada en la repuslsión electrónica de la órbita atómica más externa, es decir, los pares de electrones de valencia alrededor de un átomo central se separan a la mayor distancia posible para minimizar las fuerzas de repulsión. Estas repulsiones determinan el arreglo de los orbitales, y estos, a su vez, determinan la geometría molecular, que puede ser lineal, trigonal, tetraédrica, angular y pirámide trigonal. Geometría lineal: Dos pares de electrones alrededor de un átomo centarl, localizados en lados opuestos y separdos por un ángulo de 180º. Geometría planar trigonal: Tres pares de electrones en torno a un átomo central, separados por un ángulo de 120º. Geometría tetraédrica: Cuatro pares de electrones alrededor de un átomo central, ubicados con una separación máxima equivalente a un ángulo de 109,5º. Geometría pirámide trigonal: Cuatro pares de electrones en torno a un átomo centra, uno de ellos no compartido, que se encuentran separados por un ángulo de 107º. Geometría angular: Cuatro pares de electrones alrededor de un átomo central, con dos de ellos no compartidos, que se distancian en un ángulo de 104,5º.

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1.3

FUERZAS INTERMOLECULARES

Las fuerzas intermoleculares, fuerzas de atracción entre moléculas a veces también reciben el nombre de enlaces intermoleculares aunque son considerablemente más débiles que los enlaces iónicos, covalentes y metálicos. Las principales fuerzas intermoleculares son  

Enlace de Hidrógeno (antiguamente conocido como Puente de Hidrógeno) Fuerzas de Van der Waals. Que podemos clasificar a su vez en: o Dipolo - Dipolo. o Dipolo - Dipolo inducido. o Fuerzas de dispersión de London. 1.3.1

ENLACE PUENTE DE HIDROGENO

Los puentes de hidrógeno constituyen un caso especial de interacción dipolo-dipolo (Figura de la derecha). Se producen cuando un átomo de hidrógeno está unido covalentemente a un elemento que sea muy electronegativo y con dobletes electrónicos sin compartir de muy pequeño tamaño y capaz, por tanto, de aproximarse al núcleo del hidrógeno Estas condiciones se cumplen en el caso de los átomos de F, O y N. El enlace que forman con el hidrógeno es muy polar y el átomo de hidrógeno es un centro de cargas positivas que será atraído hacia los pares de electrones sin compartir de los átomos electronegativos de otras moléculas (Figura de la izquierda). Se trata de un enlace débil (entre 2 y 10 Kcal/mol). Sin embargo, como son muy abundantes, su contribución a la cohesión entre biomoléculas es grande.

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La distancia entre los átomos electronegativos unidos mediante un puente de hidrógeno suele ser de unos 3 Å. El hidrógeno se sitúa a 1Å del átomo al que está covalentemente unido y a 2 Å del que cede sus e- no apareados (Figura de la derecha).

Muchas de las propiedades físicas y químicas del agua se deben a los puentes de hidrógeno. Cada molécula de agua es capaz de dormar 4 puentes de hidrógeno, lo que explica su elevado punto de abullición, ya que es necesario romper gran cantidad de puentes de hidrógeno para que una molécula de agua pase al estado gaseoso.

1.3.2

FUERZA DE WAN DER WAALS

También conocidas como fuerzas de dispersión, de London o fuerzas dipolo-transitivas, corresponden a las interacciones entre moléculas con enlaces covalentes apolares debido a fenómenos de polarización temporal. Estas fuerzas se explican de la siguiente forma: como las moléculas no tiene carga eléctrica neta en ciertos momentos se puede producir una distribución en la que hay mayor densidad de electrones en una región que en otra, por lo que aparece un dipolo momentáneo. Cuando dos de estas moléculas polarizadas y orientadas convenientemente se acercan lo suficiente entre ambas, pude ocurrir que las fuerzas eléctricas atractivas sean lo bastante intensas como

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para crear uniones intermoleculares. Estas fuerzas son muy débiles y se incrementan con el tamaño de las moléculas. [dipolo permanente] H-O-H----Cl-Cl [dipolo transitivo] Un ejemplo del segundo caso se encuentra en la molécula de cloro: (+) (-) (+) (-) [dipolo transitivo] Cl-Cl----Cl-Cl [dipolo transitivo] 1.3.3 ATRACCIONES DIPOLO-DIPOLO Una atracción dipolo-dipolo es una interacción covalente entre dos moléculas polares o dos grupos polares de la misma molécula si ésta es grande. En la sección anterior explicamos cómo se forman moléculas que contienen dipolos permanentes cuando se enlazan simétricamente con átomos con electronegatividad diferente. Las moléculas que son dipolos se atraen entre sí cuando la región positiva de una está cerca de la región negativa de la otra. En un líquido las moléculas están muy cercanas entre sí y se atraen por sus fuerzas intermoleculares. Las moléculas deben tener suficiente energía para vencer esas fuerzas de atracción, y hacer que el líquido pueda entrar en ebullición. Si se requiere más energía para vencer las atracciones de las moléculas del líquido A que aquéllas entre las moléculas del líquido B, el punto de ebullición de A es más alto que el de B. Recíprocamente, menores atracciones intermoleculares dan pie a puntos de ebullición más bajos. Las atracciones dipolo-dipolo, también conocidas como Keeson, por Willem Hendrik Keesom, quien produjo su primera descripción matemática en 1921, son las fuerzas que ocurren entre dos moléculas con dipolos permanentes. Estas funcionan de forma similar a las interacciones iónicas, pero son más débiles debido a que poseen solamente cargas parciales. Un ejemplo de esto puede ser visto en el ácido clorhídrico:

También se pueden dar entre una molécula con dipolo negativo y positivo al mismo tiempo, más un átomo normal sin carga. 1.3.4 FUERZAS DE LONDON Las fuerzas de London se presentan en todas las sustancias moleculares. Son el resultado de la atracción entre los extremos positivo y negativo de dipolos inducidos en moléculas adyacentes.

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Incluso los átomos de los gases nobles, las moléculas de gases diatómicos como el oxígeno, el nitrógeno y el cloro (que deben ser no polares) y las moléculas de hidrocarburos no polares como el CH4, C2H6 tienen tales dipolos instantáneos. La intensidad de las fuerzas de London depende de la facilidad con que se polarizan los electrones de una molécula, y eso depende del número de electrones en la molécula y de la fuerza con que los sujeta la atracción nuclear. En general, cuantos más electrones haya en una molécula más fácilmente podrá polarizarse. Así, las moléculas más grandes con muchos electrones son relativamente polarizables. En contraste, las moléculas más pequeñas son menos polarizables porque tienen menos electrones. Las fuerzas de London varían entre aproximadamente 0.05 y 40 kJ/mol. Cuando examinamos los puntos de ebullición de varios grupos de moléculas no polares pronto se hace evidente el efecto del número de electrones (Tabla 2). Este efecto también se correlaciona con la masa molar: cuanto más pesado es un átomo o molécula más electrones tiene: Resulta interesante que la forma molecular también puede desempeñar un papel en la formación de las fuerzas de London. Dos de los isómeros del pentano –el pentano de cadena lineal y el 2,2-dimetilpropano (ambos con la fórmula molecular C5H12)- difieren en su punto de ebullición en 27 °C. La forma lineal de la molécula de n-pentano, por su linealidad, permite un o estrecho con las moléculas adyacentes, mientras que la molécula de 2,2-dimetilpropano, más esférica no permite ese o.

1.3.5

FUERZAS ION-DIPOLO

Estas son interacciones que ocurren entre especies con carga. Las cargas similares se repelen, mientras que las opuestas se atraen.

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Es la fuerza que existe entre un ion y una molécula polar neutra que posee un momento dipolar permanente. Las moléculas polares son dipolos (tienen un extremo positivo y un extremo negativo. Los iones positivos son atraídos al extremo negativo de un dipolo, en tanto que los iones negativos son atraídos al extremo positivo), estas tienen enlaces entre sí. La magnitud de la energía de la interacción depende de la carga sobre el ion (Q), el momento dipolar del dipolo (µ), y de la distancia del centro del ion al punto medio del dipolo (d). Las fuerzas ion-dipolo son importantes en las soluciones de las sustancias iónicas en líquidos.

1.4

ENLACE IÓNICO

El sodio y el cloro uniéndose iónicamente para formar cloruro de sodio.

La definición química de un enlace iónico es la una unión de átomos que resulta de la presencia de atracción electrostática entre los iones de distinto signo, es decir, uno fuertemente electropositivo (baja energía de ionización) y otro fuertemente electronegativo (alta afinidad electrónica). Eso se da cuando en el enlace, uno de los átomos capta electrones del otro. Dado que los elementos implicados tienen elevadas diferencias de electronegatividad, este enlace suele darse entre un compuesto metálico y uno no metálico. Se produce una transferencia electrónica total de un átomo a otro formándose iones de diferente signo. El metal dona uno o más electrones formando iones con carga positiva o cationes con una configuración electrónica estable. Estos electrones luego ingresan en el no metal, originando un ion cargado negativamente o anión, que también tiene configuración electrónica estable. Son estables pues ambos, según la regla del octeto adquieren 8 electrones en su capa más exterior. La atracción electrostática entre los iones de carga opuesta causa que se unan y formen un compuesto. Los compuestos iónicos forman redes cristalinas constituidas por iones de carga opuesta, unidos por fuerzas electrostáticas. Este tipo de atracción determina las propiedades 21

observadas. Si la atracción electrostática es fuerte, se forman sólidos cristalinos de elevado punto de fusión e insolubles en agua; si la atracción es menor, como en el caso del NaCl, el punto de fusión también es menor y, en general, son solubles en agua e insolubles en líquidos apolares como el benceno.

1.4.1

PROPIEDADES

Enlace iónico en el NaCl.

Algunas características de este tipo de enlace son:      



 



Ruptura de núcleo masivo. Son sólidos de estructura cristalina en el sistema cúbico. Son enlaces resultantes de la interacción entre los metales de los grupos I y II y los no metales de los grupos VI y VII. Son solubles, como en agua y otras disoluciones acuosas. Una vez fundidos o en solución acuosa, sí conducen la electricidad. En estado sólido no conducen la electricidad. Si utilizamos un bloque de sal como parte de un circuito en lugar del cable, el circuito no funcionará. Así tampoco funcionará una bombilla si utilizamos como parte de un circuito un cubo de agua, pero si disolvemos sal en abundancia en dicho cubo, la bombilla del circuito se encenderá. Esto se debe a que los iones disueltos de la sal son capaces de acudir al polo opuesto (a su signo) de la pila del circuito y por ello éste funciona. El enlace iónico es fuerte, las Uret son muy exotérmicas, lo que implica que cuesta mucha energía romper la estructura cristalina al fundir. Es decir, tendrán puntos de fusión altos (entre 300 °C o 1000 °C)2 y ebullición. Los cristales iónicos son duros, porque el enlace es fuerte y se resisten bastante a ser rayados. Sin embargo, son frágiles. Esto es debido a que un golpe puede originar un desplazamiento de los planos de los iones y, al dejar enfrentados iones de igual signo, daría lugar a una fractura en el cristal por fuerzas repulsivas electrostáticas.. Se disuelven en disolventes polares, porque los dipolos de estos disolventes rodean a los iones de la red cristalina y los van "arrancando" de la red.

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1.4.2 ENERGIA RETICULAR La energía reticular o energía de red es la energía requerida para separar completamente un mol de un compuesto iónico en sus iones gaseosos. En otras palabras, es la energía que se obtendría de la formación de un compuesto iónico a partir de sus iones gaseosos. Muestra la estabilidad de la red cristalina. La energía reticular presenta dimensiones de energía/mol y las mismas unidades que la entalpía estándar (ΔHo), pero de signo contrario, es decir kJ\ /mol. No es posible medir la energía reticular directamente. Sin embargo, si se conoce la estructura y composición de un compuesto iónico, puede calcularse, o estimarse, mediante la ecuación que proporciona el modelo iónico y que se basa entre otras leyes en la Ley de Coulomb. Alternativamente, se puede calcular indirectamente a través de ciclos termodinámicos. 1.4.3 MODELO IONICO El modelo iónico, es decir, el que considera al sólido iónico como formado por cationes y aniones unidos por fuerzas electrostáticas, es un caso límite de enlace en sólidos y es válido, solamente, cuando existe una gran diferencia de electronegatividad entre ambos elementos. En un sólido idealmente iónico, los electrones se encuentran completamente localizados en los iones correspondientes y sujetos sólo a la influencia de sus núcleos respectivos. No existe deslocalización de electrones como en el caso de los sólidos metálicos ni compartición de los mismos como en los sólidos covalentes. Como consecuencia de esta estricta localización de los electrones, los sólidos iónicos no conducen la corriente eléctrica, por lo que son aislantes. La ecuación que resulta de aplicar dicho modelo resulta ser:

Donde Na es el número de Avogadro, A la constante de Madelung, que varía dependiendo de la estructura del compuesto iónico, Z + la carga del catión y Z − la carga del anión, q la carga del electrón, ε0 la permitividad del vacío, d0 la distancia entre el anión y el catión y n los exponentes de Born. 23

1.4.4 CICLO DE BORN-HABER

Ciclo de Born–Haber para el NaCl.

La energía de red también se puede determinar experimentalmente de un modo indirecto aplicando la ley de Hess, que es un caso particular del primer principio de la termodinámica. En este caso se usa el llamado ciclo de Born-Haber que consiste en evaluar un ciclo termodinámico que es el resultado de considerar, o bien la energía puesta en juego en la formación del compuesto iónico sólido por un camino directo, es decir, a partir de los elementos que forman el compuesto en su estado estándar, o bien la energía transferida en la formación de dicho compuesto a partir de sus elementos en estado estándar pero a través de un camino indirecto que comprende varias etapas: 1. Proceso de formación de átomos en estado gaseoso a partir de los elementos en su estado estándar. En esta etapa generalmente habrá que tener en cuenta energías asociadas a la sublimación, vaporización o disociación de los elementos que formarán el compuesto iónico, y que dependerá del estado de agregación en el que estos se encuentren. 2. Formación de los iones estables, que se encuentran en el retículo iónico, a partir de los elementos en estado gaseoso. Están implicadas la energía de ionización y la afinidad electrónica de dichos elementos. 3. Formación de la red cristalina a partir de los iones estables gaseosos. Es una energía desprendida cuando se forma un compuesto iónico a partir de un metal y un no metal.

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1.5

ENLACE COVALENTE

Enlace covalente polar hidrógeno y carbono: metano.

Un enlace covalente se produce por el compartimiento de electrones entre dos o más átomos. La diferencia de electronegatividades entre los átomos no es suficientemente grande como para que se efectúe una transferencia de electrones. De esta forma, los dos átomos comparten uno o más pares electrónicos en un nuevo tipo de orbital, denominado orbital molecular. Los enlaces covalentes se suelen producir entre elementos gaseosos o no metales. A diferencia de lo que pasa en un enlace iónico, en donde se produce la transferencia de electrones de un átomo a otro; en el enlace covalente, los electrones de enlace son compartidos por ambos átomos. En el enlace covalente, los dos átomos no metálicos comparten uno o más electrones, es decir se unen a través de sus electrones en el último orbital, el cual depende del número atómico en cuestión. Entre los dos átomos pueden compartirse uno, dos o tres pares de electrones, lo cual dará lugar a la formación de un enlace simple, doble o triple respectivamente. En la representación de Lewis, estos enlaces pueden representarse por una pequeña línea entre los átomos. 1.5.1

POLARIDAD Y APOLARIDAD

MOLÉCULA POLAR Es polar aquella distribución de las carácter dipolar de ciertas moléculas depende de la presencia de enlaces polares en su estructura, aunque pueden existir moléculas con enlaces polares pero que sin embargo no tengan momento dipolar neto debido a una distribución simétrica de las cargas, caso del metano. Es necesaria cierta asimetría para que los componentes de los momentos dipolares generadas en cada uno de los enlaces polares no se cancelen y por ende exista polaridad. El carácter polar de una molécula, es 25

medido por el momento dipolar, el cual es igual a la suma de cada uno de los momentos dipolares originados en cada uno de los enlaces polares de la molécula. Las moléculas polares se disuelven fácilmente en disolventes polares y no lo hacen sin embargo en disolventes no polares. El disolvente polar por excelencia es el agua, así que las sustancias polares son hidrosolubles o hidrófilas, mientras las no polares son hidrófobas. La polaridad eléctrica es un factor esencial de la organización de las moléculas biológicas en estructuras supramoleculares, como las membranas de bicapa, estructuradas por moléculas de lípidos que tienen una parte polar y otra no polar (moléculas anfipáticas).

MOLÉCULAS APOLARES Las moléculas apolares están formadas por átomos de no metal unidos por enlaces covalentes, siempre que no exista entre ellos una diferencia de electronegatividad importante. En la práctica, las moléculas apolares pueden ser:  



Moléculas covalentes formadas por átomos iguales. Ejemplos: hidrógeno (H2); oxígeno (O2); nitrógeno (N2); azufre (S8). Moléculas covalentes formadas por átomos de parecida electronegatividad. Por ejemplo, moléculas formadas por carbono (C) e hidrógeno (H): metano (CH4); butano (C4H10); ciclohexano (C6H12). Moléculas formadas por átomos de diferente electronegatividad pero con una estructura simétrica tal que se anula la polaridad: dióxido de carbono (CO2); tetracloruro de carbono (CCl4); disulfuro de carbono (CS2); acetona (H3C-CO-CH3) o dimetiléter (H3C-O-CH3). 1.5.2 PROPIEDADES

Hay que distinguir entre aquellos en los que la formación de enlaces de tipo covalente da lugar a compuestos moleculares y otros en los que se forman redes tridimensionales: Las redes covalentes se forman por átomos que se unen entre sí por uniones covalentes, por ello la fuerza de unión es fuerte. Las propiedades de este tipo de compuesto vendrán definidas por este hecho: o o o o

Presentan elevados puntos de fusión (generalmente subliman si se sigue calentando) Muy poco solubles en cualquier tipo de disolvente. Suelen ser duros. Suelen ser malos conductores de la electricidad.

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Son sustancias de este tipo el diamante, SiO2 (cuarzo), carburo de silicio (Si2C), nitruro de boro (BN), etc. Las sustancias covalentes moleculares se caracterizan porque sus átomos se unen mediante enlaces covalentes, pero forman entidades moleculares individuales. Éstas interaccionan entre sí mediante fuerzas intermoleculares, siendo el tipo de fuerza intermolecular presente la responsable de las propiedades que presentan las sustancias: o

o o

o

Se pueden presentar en estado sólido, líquido o gaseoso a temperatura ambiente. En general, sus puntos de fusión y ebullición no son elevados, aunque serán mayores cuando las fuerza intermolecular que une a las moléculas sea más intensa. Suelen ser blandas y elásticas, pues al rayarlas sólo se rompen las fuerzas intermoleculares. La solubilidad es variable, siendo solubles en disolventes de polaridad similar. Los compuestos polares se disuelven en disolventes polares, los apolares en los disolventes apolares. En general, son malos conductores de la electricidad. Aunque la conductividad eléctrica se ve favorecida si aumenta la polaridad de las moléculas.

Son muchas las sustancias de este tipo: H2, Br2, H2O, NH3, compuestos orgánicos, etc.

1.6

ENLACE METÁLICO

Enlace metálico en el Cobre.

Un enlace metálico es un enlace químico que mantiene unidos los átomos (unión entre núcleos atómicos y los electrones de valencia, que se juntan alrededor de éstos como una nube) de los metales entre sí. Estos átomos se agrupan de forma muy cercana unos a otros, lo que produce estructuras muy compactas. Se trata de líneas tridimensionales que adquieren estructuras tales como: la típica de empaquetamiento compacto de esferas (hexagonal compacta), cúbica centrada en las caras o la cúbica centrada en el cuerpo. En este tipo de estructura cada átomo metálico está dividido por otros doce átomos (seis en el mismo plano, tres por encima y tres por debajo). Además, debido a la baja electronegatividad que poseen los metales, los electrones de valencia son extraídos de sus orbitales. Este enlace sólo puede estar en sustancias en estado sólido.

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1.6.1 TEORIA DEL GAS ELECTRONICO Los metales tienen ciertas propiedades físicas características: a excepción del mercurio son sólidos en condiciones ambientales normales, suelen ser opacos y brillantes, tener alta densidad, ser dúctiles y maleables, tener un punto de fusión alto, ser duros, y ser buenos conductores del calor y la electricidad. Estas propiedades se deben al hecho de que los electrones exteriores están ligados sólo «ligeramente» a los átomos, formando una especie de gas (también llamado «gas electrónico», «nube electrónica» o «mar de electrones»), que se conoce como enlace metálico. Drude y Lorentz, propusieron este modelo hacia 1900. Mediante la teoría del «gas electrónico» podemos explicar por qué los metales son tan buenos conductores del calor y la electricidad, pero es necesario comprender la naturaleza del enlace entre sus átomos. Un primer intento para explicar el enlace metálico consistió en considerar un modelo en el cual los electrones de valencia de cada metal se podían mover libremente en la red cristalina. De esta forma, el retículo metálico se considera constituido por un conjunto de iones positivos (los núcleos rodeados por su capa de electrones) y electrones (los de valencia), en lugar de estar formados por átomos neutros. En definitiva, un elemento metálico se considera que está constituido por cationes metálicos distribuidos regularmente e inmersos en un «gas electrónico» de valencia deslocalizados, actuando como un aglutinante electrostático que mantiene unidos a los cationes metálicos. El modelo del «gas electrónico» permite una explicación cualitativa sencilla de la conductividad eléctrica y térmica de los metales. Dado que los electrones son móviles, se pueden trasladar desde el electrodo negativo al positivo cuando el metal se somete al efecto de una diferencia de potencial eléctrico. Los electrones móviles también pueden conducir el calor transportando la energía cinética de una parte a otra del cristal. El carácter dúctil y maleable de los metales está permitido por el hecho de que el enlace deslocalizado se extiende en todas las direcciones; es decir, no está limitado a una orientación determinada, como sucede en el caso de los sólidos de redes covalentes. Cuando un cristal metálico se deforma, no se rompen enlaces localizados; en su lugar, el mar de electrones simplemente se adapta a la nueva distribución de los cationes, siendo la energía de la estructura deformada similar a la original. La energía necesaria para deformar un metal como el litio es relativamente baja, siendo, como es lógico, mucho mayor la que se necesita para deformar un metal de transición, porque este último posee muchos más electrones de valencia que son el aglutinante electrostático de los cationes.

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Mediante la teoría del «gas electrónico» se pueden justificar de forma satisfactoria muchas propiedades de los metales, pero no es adecuada para explicar otros aspectos, como la descripción detallada de la variación de la conductividad entre los elementos metálicos. 1.6.2

TEORIA DE BANDAS

En física de estado sólido, teoría según la cual se describe la estructura electrónica de un material como una estructura de bandas electrónicas, o simplemente estructura de bandas de energía. La teoría se basa en el hecho de que en una molécula los orbitales de un átomo se solapan produciendo un número discreto de orbitales moleculares.

Configuración de las bandas de energía. Cuando una gran cantidad de átomos se unen, como en las estructuras sólidas, el número de orbitales de valencia (los niveles de energía más altos) es tan grande y la diferencia de energía entre cada uno de ellos tan pequeña que se puede considerar como si los niveles de energía conjunta formaran bandas continuas más que niveles de energía como ocurre en los átomos aislados. Sin embargo, debido a que algunos intervalos de energía no contienen orbitales, independiente del número de átomos agregados, se crean ciertas brechas energéticas entre las diferentes bandas. Dentro de una banda los niveles de energía son tan numerosos que tienden a considerarse continuos si se cumplen dos hechos: 1. Si la separación entre niveles de energía en un sólido es comparable con la energía que los electrones constantemente intercambian en fotones; 2. Si dicha energía es comparable con la incertidumbre energética debido al principio de incertidumbre de Heisenberg, para periodos relativamente largos de tiempo.

Bandas de energía 



La banda de valencia (BV): está ocupada por los electrones de valencia de los átomos, es decir, aquellos electrones que se encuentran en la última capa o nivel energético de los átomos. Los electrones de valencia son los que forman los enlaces entre los átomos, pero no intervienen en la conducción eléctrica. La banda de conducción (BC): está ocupada por los electrones libres, es decir, aquellos que se han desligado de sus átomos y pueden moverse fácilmente. Estos electrones son los responsables de conducir la corriente eléctrica.

En consecuencia, para que un material sea buen conductor de la corriente eléctrica debe haber poca o ninguna separación entre la BC y la BV (que pueden a llegar a solaparse), de manera que los electrones puedan saltar entre las bandas. Cuando la separación entre 29

electrones sea mayor, el material se comportará como un aislante. En ocasiones, la separación entre bandas permite el salto entre las mismas de solo algunos electrones. En estos casos, el material se comportará como un semiconductor. Para que el salto de electrones entre bandas en este caso se produzca deben darse alguna o varias de las siguientes situaciones: que el material se encuentre a altas presiones, a una temperatura elevada o se le añadan impurezas (que aportan más electrones). Entre la banda de valencia y la de conducción existe una zona denominada banda prohibida o gap, que separa ambas bandas y en la cual no pueden encontrarse los electrones.

II.

APLICACIONES MATERIALES

2.1.

TIPOS DE MATERIALES

Y

FABRICACIÓN

DE

2.1.1 MATERIALES METALICOS 1. Los metales Los metales son materiales con múltiples aplicaciones que ocupan un lugar destacado en nuestra sociedad. Se conocen y utilizan desde tiempos prehistóricos, y en la actualidad constituyen una pieza clave en prácticamente todas las actividades económicas. Obtención de los metales:

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Los metales son materiales que se obtienen a partir de minerales que forman parte de las rocas. La extracción del mineral se realiza en minas a cielo abierto, si la capa de mineral se halla a poca profundidad, por el contrario si es profundo recibe el nombre de mina subterránea. En ambos tipos de explotaciones se hace uso de explosivos, excavadoras, taladradoras y otra maquinaria, a fin de arrancar el mineral de la roca. Técnicas de separación 

Tamizado. Consiste en la separación de las partículas sólidas según su tamaño mediante tamices.



Filtración. Es la separación de partículas sólidas en suspensión en un líquido a través de un filtro.



Flotación. Se trata de la separación de una mezcla de partículas sólidas de un líquido.

Tipos de metales 

Metales ferrosos. Son aquellos cuyo componente principal es el hierro.



Metales no ferrosos. Son materiales metálicos que no contienen hierro o que lo contienen en muy pequeñas cantidades.

Propiedades de los metales La gran cantidad de aplicaciones que presentan los metales se debe a sus notarias propiedades, principalmente las mecánicas, térmicas y eléctricas.

Las propiedades físicas se ponen de manifiesto ante estímulos como la aplicación de fuerzas, la electricidad, calor o la luz. Propiedades mecánicas Son las relativas a la aplicación de fuerzas. Dureza: los metales son duros no se rayan ni pueden perforarse fácilmente; además resisten los esfuerzos a los que son sometidos.

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Plasticidad y elasticidad: algunos metales se deforman permanentemente cuando actúan sobre ellos fuerzas externas. Otros muestran un fuerte carácter elástico y son capaces de recuperar su forma original tras la aplicación de una fuerza externa. Maleabilidad: ciertos metales pueden ser extendidos en láminas muy finas si llegar a romperse. Tenacidad: muchos metales presentan una gran resistencia a romperse cuando son golpeados. Ductilidad: algunos metales pueden ser estirados en hilos largos y finos. Propiedades térmicas Las propiedades térmicas son las relativas a la aplicación del calor. Conductividad eléctrica: todos los metales presentan una gran conductividad térmica. Fusibilidad: los metales tienen la propiedad de fundirse, aunque cada metal lo hace a temperatura diferente. Dilatación y contracción: los metales se dilatan cuando aumenta la temperatura se contraen si disminuye la temperatura. Soldabilidad: muchos metales pueden soldarse con facilidad a otras piezas del mismo metal o de otro diferente. Propiedades eléctricas y magnéticas Los metales permiten el paso de la corriente eléctrica con facilidad; son, por tanto buenos conductores de la electricidad. Algunos metales presentan un característico comportamiento magnético, que consiste en su capacidad de atraer a otros metales. Propiedades químicas La propiedad química más importante de los metales es su elevada capacidad de oxidación, que consiste en su facilidad para reaccionar con el oxígeno y cubrirse de una capa de Óxido al poco tiempo de estar a la intemperie. Propiedades ecológicas 32

El impacto medioambiental de los materiales tecnológicos puede llegar a ser muy grave; aunque la mayoría de ellos son reciclables. Otras propiedades Otras propiedades de los metales que permiten usos específicos son las siguientes: 

Los metales son muy buenos conductores de las ondas acústicas.



Los metales son impermeables.

Metales ferrosos El metal más empleado en la actualidad es el hierro en cualquiera de sus presentaciones, ya que tanto las técnicas de extracción del mineral como los procesos de obtención del metal son relativamente económicos. Minerales que contienen mucho hierro: la magnetita, la hematites, la limonita y la siderita. El hierro y las fundiciones El hierro es un metal de color blanco grisáceo que presenta algunos inconvenientes: se corroe con facilidad, tiene un punto de fusión elevado y es de difícil mecanizado, resulta frágil y quebradizo. Por todo ello tiene escasa utilidad; se emplea en componentes eléctricos y electrónicos. Para mejorar sus propiedades mecánicas el hierro puro es mezclado con carbono; la fundición presenta una elevada dureza y una resistencia al desgaste. El acero El acero es una aleación del hierro con una pequeña cantidad de carbono. De este modo se obtienen materiales de elevada dureza y tenacidad y con una mayor resistencia a la tracción. Los aceros pueden contener otro elementos químicos, a fin de mejorar propiedades específicas; se obtienen así los aceros aleados que son: Silicio, Manganeso, Cromo, Níquel y Wolframio Proceso de obtención del acero En primer lugar el mineral de hierro es lavado y sometido a procesos de trituración y cribado. A continuación, se mezcla el mineral de hierro con carbón y caliza y se introduce en el interior de un alto horno a más de 1500 ºC. De este modo, se obtiene el arrabio.

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El arrabio obtenido es sometido a procesos posteriores con objeto de reducir el porcentaje de carbono y eliminar impurezas; en estos procesos se ajusta la composición del acero, añadiendo los elementos que procedan en cada caso. Materiales no ferrosos El hierro es el metal más utilizado en la actualidad. Sin embargo, algunas de sus propiedades hacen que resulte poco adecuado para determinados usos. Por ello, se utilizan otros muchos materiales metálicos no procedentes del hierro. Cobre: El cobre se obtiene a partir de los minerales cuprita, calcopirita y malaquita. Presenta una alta conductividad eléctrica y térmica, así como una notable maleabilidad y ductilidad. Es un metal blando, de color rojizo y brillo intenso. Se oxida en su superficie, que adquiere entonces un color verdoso. Latón: Es una aleación de cobre y cinc. Presenta una alta resistencia a la corrosión y soporta el agua y el vapor de agua mejor que el cobre. Bronce: Es una aleación de cobre y estaño. Este metal presenta una elevada ductilidad y una buena resistencia al desgaste y a la corrosión. Plomo: Se obtiene de la casiterita. Es un metal de color blanco brillante, muy blando, poco dúctil, pero muy maleable, y no se oxida a temperatura ambiente. Emite un ruido característico cuando se parte, denominado “grito de estaño”. Cinc: Se obtiene de la blenda y la calcamina. Es un metal de color gris azulado, brillante, frágil en frío y de baja dureza. Aluminio: Se obtiene de la bauxita, un minera muy escaso, motivo por lo que el cual el aluminio no se ha conocido hasta fechas relativamente recientes. Es un metal blanco y plateado, que presenta una alta resistencia a la corrosión. Es muy blando, de baja densidad y gran maleabilidad y ductilidad. Presenta una alta conductividad eléctrica y térmica. Titanio: Este metal se extrae de dos minerales, el rutilio y la ilemita. Es de color blanco plateado, brillante ligero, muy duro y resistente. Magnesio: El magnesio se extrae de diferentes minerales, como el olivino, el talco, el abesto y la magnesita. Es un metal de color blanco brillante similar a la plata, muy ligero, blando, maleable y poco dúctil. Técnicas de conformación

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Para obtener piezas de diferentes formas y productos industriales, se somete el material a una serie de procesos de conformación, que se eligen en función del metal y de la aplicación que se vaya a dar al mismo. Metalurgia de polvos Esta técnica consta de los siguientes pasos: 

1. El metal es molido hasta convertirlo en polvo.



2. Se prensa en matrices de acero.



3. Se calienta en un horno a una temperatura próxima al 70% de la temperatura de fusión del metal.



4. Se comprime la pieza para que adquiera el tamaño adecuado.



5. Se deja enfriar.

5.2. Moldeo Consiste en introducir el metal en un recipiente que dispone de una cavidad interior, puede estar fabricado a base de arena, acero o fundición. El moldeo se realiza siguiendo estos pasos. 

1. Se calienta el metal en un horno hasta que se funde .



2. El metal líquido se vierte en el interior del molde.



3. Se deja enfriar hasta que el metal se solidifica.



4. Se extrae la pieza del molde.

5.3. Deformación Comprende un conjunto de técnicas en las que se modifica la forma de una pieza metálica mediante la aplicación de fuerzas externas. La deformación se puede llevar a cabo tanto en frío como en caliente. Existen diversas técnicas que son: Laminación: Se hace pasar la pieza por unos laminadores, disminuye su grosor y aumenta su longitud. 35

Forja: Se somete la pieza a esfuerzos de compresión repetidos y continuos mediante un martillo o maza. La forja manual es una técnica antiquísima que se lleva a cabo en fraguas. La forja industrial reemplaza a la forja manual, la pieza se coloca sobre una plataforma que hace varias veces de yunque. Extrusión: Se hace pasar la pieza metálica por un orificio que tiene la forma deseada, aplicando una fuerza de compresión mediante un pistón. Se pueden obtener así piezas largas con el perfil apropiado. Estampación: Se introduce una pieza metálica en caliente entre dos matrices cuya forma coincide con la que se desea dar al objeto. A continuación, se juntan las dos matrices, con lo que el material adopta su forma interior. Embutición: consiste en golpear una plancha de forma que se adopte al molde o matriz con la forma deseada. Doblado: Se somete una plancha a un esfuerzo de flexión a fin de que adopte una forma curva con un determinado radio de curvatura. Trefilado: Se hace pasar la punta afilada de un alambre por un orificio con las dimensiones y la forma deseada. A continuación, se aplica una fuerza de tracción mediante una bobina de arrastre giratoria y al atravesar el alambre el orificio aumenta su longitud y disminuye su sección. 2.1.2 MATERIALES POLIMERICOS Existen sustancias cuyas moléculas son auténticas moléculas gigantes, formadas por miles e incluso millones de átomos. Tales moléculas no forman nunca una unidad, sino que son el resultado de la unión de muchísimas unidades simples, siendo esta unión fácil de romper, a veces, por un simple calentamiento de la sustancia. El primer caso de síntesis de moléculas gigantes ocurrió de forma accidental en un experimento realizado por el químico germano-suizo Christian Friedrich Schönbein (17991868). Este químico, trabajando con una mezcla de ácido nítrico y sulfúrico, observó que al intentar secar en la estufa el tejido con el que limpió parte de la mezcla que se había derramado, se producía una detonación, al mismo tiempo que la tela desaparecía. Había descubierto un explosivo, al que llamó nitrocelulosa. Por otra parte, la misma celulosa parcialmente nitrada o piroxilina resulta ser una sustancia de manejo mucho más seguro y con importantes aplicaciones industriales. El americano John Weshley Hyatt obtuvo el celuloide disolviendo piroxilina en una mezcla de alcohol y éter y añadiéndole alcanfor. El celuloide fue el primer plástico sintético, es decir, el primer material sintético capaz de ser moldeado. 36

Desde el descubrimiento del primer material plástico, obtenido a partir de la celulosa, los químicos abordaron la tarea de obtener por síntesis otras moléculas gigantes como las que existían en la naturaleza. Partían de moléculas pequeñas, a las que llamaban monómeros, y por un proceso de polimerización llegaban a una molécula gigante o polímero. Actualmente se ha llegado a tal perfección que los polímeros pueden producirse casi por encargo, cumpliendo propiedades especificadas de antemano. La producción industrial de polímeros sintéticos se ha incrementado enormemente en las últimas décadas, y productos como plásticos, resinas, elastoplásticos y fibras han invadido loscampos donde antes se utilizaban productos naturales como metales, madera, algodón o seda. Frente a éstos, los polímeros presentan las siguientes ventajas: • Tienen una gran inercia química y, en consecuencia, no son atacados ni por los ácidos ni por las bases ni por los agentes atmosféricos. • Son muy resistentes a la rotura y al desgaste. • Tienen una gran elasticidad. • Se tiñen fácilmente en todos los colores. • Son poco densos. • Se obtienen fácilmente y son relativamente baratos. La palabra polímero significa muchas partes y por material sólido polimérico consideramos aquel que contiene muchas partes o unidades enlazadas entre sí químicamente. Los materiales poliméricos industrialmente importantes son los plásticos (termoplásticos y plásticos termoestables) y los elastómeros (cauchos naturales y sintéticos). En este trabajo se verán algunos aspectos de las propiedades, procesado y aplicaciones. Los plásticos son materiales técnicos importantes por muchas razones ya que tienen una amplia gama de propiedades algunas inalcanzables para otros materiales. El uso de plásticos para proyectos mecánicos ofrece muchas ventajas como el ahorro de determinados componentes a través de diseños adecuados, la eliminación de muchas operaciones finales, la consecución de simplificaciones de montaje, reducción de peso, etc. Además son de amplia utilización en proyectos eléctricos, principalmente por sus excelentes propiedades aislantes. La cantidad de material plástico usado por la industria se ha incrementado a través del tiempo, un buen ejemplo de este incremento se observa en la fabricación de automóviles. 2. Formación de Polímeros: Reacciones de Polimerización Existen diversos procesos para unir moléculas pequeñas con otras para formar moléculas grandes. Su clasificación se basa en el mecanismo por el cual se unen estructuras monómeras o en las condiciones experimentales de reacción.

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Polimerización por Adición: El proceso de polimerización consiste en activar la molécula de monómero por la presencia de un catalizador o temperatura provocando la rotura de un doble enlace, de esta manera, se forma una molécula activada (mero) en la que quedan dos enlaces no saturados que se unirán a otros meros formando el polímero. El mecanismo de la polimerización por adición comprende las siguientes etapas: Iniciación: Para la polimerización en cadena, se utilizan catalizadores, los que actúan como formadores de radicales libres a partir de la apertura del enlace no saturado mediante la absorción de energía. Un radical libre es un grupo de átomo que teniendo un electrón desapareado (libre) puede unirse covalentemente a un electrón desapareado de otra molécula. Propagación: Es el proceso de extensión de la cadena polimérica por la sucesiva adición de unidades de monómeros, de este modo, la cadena del polímero se hace cada vez más larga. Terminación: Esta etapa puede suceder por la adición de un radical libre finalizador o cuando dos cadenas se combinan. Ejemplo: Formación del caucho por poliadición de moléculas de isopreno (2 metil butadieno). Al unirse dos moléculas de isopreno se rompe uno de los dobles enlaces de la primera y se reorganizan los átomos dando la siguiente molécula:

De la misma manera, a partir de n moléculas de isopreno se forma el caucho:

Las sustancias con macromoléculas de cadena lineal son, generalmente, fáciles de moldear cuando se calientan. Se llaman, por esta razón, termoplásticas. Por el contrario, las sustancias con macromoléculas tridimensionales tienen gran resistencia a reblandecerse por el calor. Se dice que son sustancias termoestables. Polimerización por Condensación: Los monómeros reaccionan químicamente unos con otros para producir polímeros lineales, entonces se obtienen macromoléculas en forma de fibras, como el nylon. Las unidades monoméricas pueden reaccionar con cualquier otra o con productos poliméricos de cualquier tamaño. En muchas de estas reacciones tiene lugar la formación de una molécula como subproducto, por lo cual se las llama reacción de polimerización por condensación. Ejemplo: condensación entre moléculas de glicol (etano-diol) para formar polietilenglicol

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Polimerización Reticular: Reacciones que involucran un reactivo químico con mas de dos lugares activos pueden formarse una red tridimensional de material plástico. Este tipo de polimerización se presenta en el curado de algunos de los plásticos termoestables como los epoxis. 4. Métodos Industriales de Polimerización para producción de Plásticos 5. Para producir materiales plásticos industrialmente se utilizan muchos procesos diferentes. Los productos químicos básicos en los procesos de polimerización son obtenidos a partir de las materias primas básicas como el gas natural, el petróleo y el carbón. Estos productos son polimerizados por diferentes procesos hasta obtener materiales plásticos con forma de gránulos, bolitas, polvos o líquidos, los cuales son nuevamente procesados y convertidos en productos definitivos. Algunos de los métodos de polimerización más importantes son: Polimerización en bloque: El monómero y el activador se mezclan en un reactor, el cual es calentado y enfriado según se requiera. Es una polimerización directa de monómeros líquidos en un sistema de reacción en que el polímero formado sigue siendo soluble en su propio monómero Polimerización por solución: En este proceso se usa un disolvente para disolver el monómero,el polímero y el iniciador de la polimerización. Diluyendo el monómero con el disolvente se reduce la velocidad de polimerización y el calor desprendido por ésta es absorbido por el disolvente Polimerización por suspensión: En este proceso se usa el agua como medio de reacción y el monómero más que disolverse se dispersa en el medio, el monómero se mezcla con un catalizador y se utiliza en forma de suspensión en agua. En este proceso el calor desprendido es absorbido por el agua. Después el producto polimerizado se separa y se deshidrata, estos polímeros resultantes son obtenidos en forma de pequeños cordoncitos que son filtrados lavados y secados en forma de polvos para moldeo (Figura 2.1c). Este proceso se utiliza para producir cloruro de polivinilo, poliestireno, poliacrilonitrilo y polimetil metacrilato.

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Polimerización por emulsión: Este proceso es similar al proceso de suspensión. Se adiciona un emulsificador para dispersar el monómero en partículas muy pequeñas Además del conjunto de procesos descriptos se han desarrollado muchos tipos de procesos másicos de polimerización continua, procesos en fase gaseosa Unipol, etc.

Procesado de Materiales Plásticos Muchos procesos diferentes están siendo utilizados para transformar gránulos y pastillas de plástico en productos conformados. El proceso utilizado depende si el plástico es un termoplástico o un termoestable. Los termoplásticos se calientan normalmente en condiciones suaves y luego se vuelven a conformar antes de enfriarlos. Los plásticos termoestables al no estar completamente polimerizados cuando llega la etapa de procesado para dar una forma final, precisan de una reacción química que entrecruce las cadenas poliméricas para dar lugar a un material polimérico reticulado. 4.1. Procesado de Materiales Termoplásticos Moldeo por inyección: Las máquinas de moldeado utilizan un mecanismo de tornillo alternativo para fundir el plástico e inyectarlo dentro de un molde. En este proceso, los gránulos de plástico contenidos en una tolva caen, a través de una apertura en el cilindro de inyección, sobre la superficie de un tornillo rotatorio impulsor, el cual transporta aquellos hacia la parte interior del molde. Cuando en el molde, al final del tornillo se encuentra suficiente cantidad de material fundido, el tornillo se detiene y por un movimiento de pistón inyecta un chorro de plástico fundido en el molde. Se mantiene la presión hasta que el material plástico se convierta en sólido refrigerando el molde con

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agua. Finalmente, el molde es abierto y la pieza es retirada con aire o por expulsores de resortes

Moldeo por soplado y termoconformado: Se coloca un cilindro o tubo calentado llamado preforma entre las mordazas de un molde y se insufla aire comprimido, forzando el plástico contra las paredes del molde

Moldeo por extrusión: Se inyecta la resina dentro de un cilindro y al plástico fundido se lo obliga a pasar, mediante un tornillo giratorio a través de una abertura que conduce a una matriz adecuadamente preparada para obtener configuraciones continuas. Después de su salida de la matriz, la pieza debe ser enfriada para asegurar una estabilidad dimensional

4.2. Procesado de Materiales Plásticos Termoestables Moldeo por compresión: La resina precalentada se carga dentro de un molde caliente que contiene una o más cavidades. La parte superior del molde se fuerza hacía abajo sobre la resina para que ésta funda por efecto de la presión y el calor. Se requiere continuar 41

calentando para completar el entrecruzamiento de la resina y luego se extrae la pieza del molde. El exceso de rebaba de la pieza se recorta posteriormente

Moldeo por transferencia: Este tipo difiere del anterior en cómo se introduce el material en las cavidades del molde. La resina plástica se introduce en la cavidad del molde a través de una cámara exterior. Cuando se cierra el molde, el émbolo presiona la resina (generalmente precalentada) desde una cámara exterior a través de un sistema de conectores y entradas dentro de las cavidades del molde. Después de que el material ha tenido tiempo de recuperarse formando una pared rígida de material polimérico, se procede a extraer la pieza moldeada

Moldeo por inyección: Algunos compuestos termoestables pueden ser moldeados por este método con una rosca alternativa. 4.3. Propiedades y Aplicaciones de los Plásticos Una de las más importantes ventajas de los termoplásticos son las densidades relativamente bajas, densidades próximas a la unidad comparadas con la del hierro de 7.8. Los valores de resistencia a la tensión son relativamente bajos, menor a 69 MPa para termoplásticos de uso general y de 55 a 83 MPa para termoplásticos de usos industriales y generalmente son buenos aislantes eléctricos. La temperatura máxima de uso para

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muchos materiales plásticos es relativamente baja, y varía desde 54 a 149 ºC, sin embargo algunos tienen temperaturas de uso más grandes. Otras propiedades de los termoplásticos industriales hacen que estos materiales sean más importantes. Los mismos son relativamente fáciles de procesar en formas casi acabadas o acabadas y su fabricación puede ser automatizada. Tienen buena resistencia a la corrosión y en muchos casos, buena resistencia al ataque químico. En lo relativo a la resistencia al impacto algunos como el policarbonato tienen una resistencia al impacto excepcional. Además, estos materiales son de bajo costo y pueden reciclarse.

Propiedades y Aplicaciones de los Plásticos: TERMOPLÁSTICOS DE USO GENERAL Tipo Propiedades Aplicaciones POLIETILENO (alta y baja densidad) Entre transparente y blanquesino, coloreable. Generalmente procesado en película fina. Alta tenacidad y flexibilidad aun a –70º, resistente a la corrosión, Buen aislante, inodoro e insípido. Contenedores, aislantes eléctricos, artículos del hogar, material químico, botellas, film. CLORURO DEPOLIVINILO(PVC)Alta resistencia química, mecánica y a la dilusión, fragilidad, fabricación de compuestos, buenas propiedades eléctricas, resistencia a la llama. Tuberías, estructurales, es, interiores, decoración, cableado, mangueras de riego, electrodomésticos. POLIESTIRENO Buena estabilidad dimensional, baja contracción en el modelo, bajo costo, alterabilidad a la intemperie, sensibles al ataque químico, buenos aislantes eléctricos Discos, revestimiento interior de automóviles, utensilios de cocina. ABS (Acrilonitrilo-Butadieno-Estireno) Alta resistencia mecánica y al impacto. Tuberías y herramientas, recubrimientos frigoríficos, carcazas de computadoras y teléfonos, escudos frente a interferencias electromagnética. ACRILICO Duro, rígido y transparente, alta resistencia química, mayor resistencia al impacto que el vidrio. Cristales, claraboyas, señales publicitarias, lunetas traseras en autos, anteojos, picaportes, asas, decoración. TERMOPLASTICOS INDUSTRIALES Tipo Propiedades Aplicaciones POLIAMIDAS Nylons Buena resistencia mecánica y tenacidad, baja fricción, alta resistencia química y a la abrasión. Usado en casi todas las industrias. Cojinetes no lubricados, soportes, piezas antifricción, aplicaciones eléctricas, velocímetros, 43

limpiaparabrisas, aspas de ventiladores, conectores, aislantes eléctricos, bicicletas. POLICARBONATO Alta resistencia y tenacidad, alta estabilidad dimensional, resistencia a las temperaturas, aislantes, transparentes, resistencia a la termofluencia. Pantallas, levas, engranajes, cascos, colectores solares, vidrios, decoración, componentes de vuelo, lente, contenedores, protección para hornos. ACETALES Alta resistencia mecánica, estabilidad dimensional, baja fricción, resistencia a la fatiga, inflamables. En autos sistemas de combustibles, cinturones de seguridad. Acoplamientos mecánicos, impulsores de bombas, engranajes, cremalleras, sedales de pesca, bolígrafos. POLIESTER PBT Baja absorción de humedad, alta resistencia química, buen aislante térmico, aislante eléctrico. Conectores, enchufes, relés, componentes de alto voltaje, timbres, impulsores de bombas, válvulas, cámaras para agua, rotores, bobinas, inyección de nafta. PLÁSTICOS TERMOESTABLES Tipo Propiedades Aplicaciones FENÓLICOS Bakelita Buen aislante eléctrico y térmico, fácil de moldear. Usado en interruptores eléctricos, redes telefónicas, partes de transmisión, adhesivos para laminados de madera, moldeo en cáscaras EPOXI Poca contracción, buena adherencia, alta resistencia química y mecánica, buen aislante eléctrico. Recubrimientos protectores, decoración baterías, recubrimientos neumáticos, aislante de alto voltaje, encapsulamiento de transistores. Materiales Compuestos. UREAS Alta resistencia mecánica y al impacto. Placas de recubrimientos de paredes, abotonamiento, botones de control, resinas de unión para tablas de maderas, moldeo por fundición. 2.1.3 MATERIALES COMPUESTOS Los materiales compuestos son aquellos que están formados por combinaciones de metales, cerámicos y polímeros. Las propiedades que se obtienen de estas combinaciones son superiores a la de los materiales que los forman por separado, lo que hace que su utilización cada vez sea más imponente sobre todo en aquellas piezas en las que se necesitan propiedades combinadas, en la que un material (polímero, metal o cerámico) por sí solo no nos puede brindar. Las propiedades que se obtienen son un producto de la combinación de los refuerzos que se utilicen y de la matriz que soporta al refuerzo en los materiales compuestos, el cual también juega un papel importante en la aplicación por lo que resulta necesario hacer referencia a las propiedades que se obtienen al combinar refuerzo-matriz. 44

En general, la desventaja más clara de los materiales compuestos es el precio. Las características de los materiales y de los procesos encarecen mucho el producto. Para ciertas aplicaciones las elevadas propiedades mecánicas, tales como la alta rigidez específica, la buena estabilidad dimensional, la tolerancia a altas temperaturas, la resistencia a la corrosión, la ligereza o una mayor resistencia a la fatiga que los materiales clásicos compensan el alto precio Además del refuerzo y la matriz existen otros tipos de componentes como cargas y adictivos que dotan a los materiales compuestos de características peculiares para cada tipo de fabricación y aplicación. 2. Estructura de los materiales compuestos Matriz. Es el volumen donde se encuentra alojado el refuerzo, se puede distinguir a simple vista por ser continuo. Los refuerzos deben estar fuertemente unidos a la matriz, de forma que su resistencia y rigidez sea transmitida al material compuesto. El comportamiento a la fractura también depende de la resistencia de la interfase. Una interfase débil da como resultado un material con baja rigidez y resistencia pero alta resistencia a la fractura y viceversa. Las matrices se pueden clasificar en: Matrices orgánicas y Matrices inorgánicas. Los materiales compuestos de matriz metálica (CMM) han sido destinados especialmente a aplicaciones estructurales en la industria automotriz, aeroespacial, militar, eléctrica y electrónica, las cuales usualmente exigen alta rigidez, resistencia y módulo específico. Para el caso de las aplicaciones en el sector eléctrico y electrónico, se requiere en el diseño de los materiales, propiedades termomecánicas y termofísicas con una máxima transferencia de calor. Los materiales metálicos de uso más común en CMM son las aleaciones ligeras de Al, Ti y Mg; siendo el Al el de mayor consumo debido a su bajo costo, baja densidad, buenas propiedades mecánicas, alta resistencia a la degradación ambiental y fácil manipulación. También se destaca el uso de aleaciones base Cu, al igual que se está investigando el uso de semiconductores, superaleaciones y compuestos intermetálicos. Refuerzos. Los tipos de refuerzo se pueden clasificar en tres categorías: fibras, whiskers y partículas. Desde el punto de vista de propiedades mecánicas, se puede obtener una gran mejora mediante el uso de fibras continuas, reforzando en la dirección del esfuerzo aplicado; 45

mientras que con whiskers y partículas se experimenta una disminución de resistencia pero se obtiene una gran isotropía en el material. Fibras Continuas: En el caso de las fibras metálicas, los problemas de ataque químico por parte de la matriz, los posibles cambios estructurales con la temperaturaza, la posible disolución de la fibra en la matriz y la relativamente fácil oxidación de las fibras de metales refractarios (W, Mo, Nb), hacen que éste tipo de materiales sean poco empleados. Esto ha dado pie al enorme desarrollo de las fibras cerámicas, siendo las más empleadas como refuerzo las de B, Al2O3 y SiC, y que entre sus numerosas ventajas se cuentan: no se disuelven en la matriz, mantienen su resistencia a altas temperaturas, tienen alto módulo de elasticidad, no se oxidan y tienen baja densidad. Partículas: El uso de partículas como material reforzante, tiene una mayor acogida en los CMM, ya que asocian menores costos y permiten obtener una mayor isotropía de propiedades en el producto. Sin embargo, para tener éxito en el CMM desarrollado, se debe tener un estricto control del tamaño y la pureza de las partículas utilizadas. Los refuerzos típicos de mayor uso en forma de partícula son los carburos (TiC, B4C), los óxidos (SiO2, TiO2, ZrO2, MgO), la mica y el nitruro de silicio (Si3N4). En los últimos años se han empezado a utilizar partículas de refuerzo de compuestos intermetálicos, principalmente de los sistemas Ni-Al y Fe-Al.

Fibras discontinuas o whiskers: Las fibras discontinuas utilizadas normalmente para la producción de CMM son comercializadas en diferentes diámetros (entre 3 y 5 mm). El uso de éste tipo de fibras conduce a propiedades inferiores que las fibras continuas, por lo que su costo se reduce. Los whiskers tienen diámetros menores a 1 mm y pueden tener una longitud de hasta 100 mm, por lo que pueden considerarse como refuerzos discontinuos. Los principales tipos de whiskers disponibles en el mercado son los de SiC y Si3N4. Aunque este tipo de refuerzo ha sido de uso frecuente, su utilización se ha visto restringida en algunos países a causa de su carácter nocivo para la salud humana. Interfase matriz-refuerzo La zona de interfase es una región de composición química variable, donde tiene lugar la unión entre la matriz y el refuerzo, que asegura la transferencia de las cargas aplicadas entre ambos y condiciona las propiedades mecánicas finales de los materiales compuestos. Existen algunas cualidades necesarias para garantizar una unión interfacial adecuada entre la matriz y el reforzante: una buena mojabilidad del reforzante por parte de la matriz metálica, que asegure un o inicial para luego, en el mejor de los casos, 46

generar la unión en la interfase una estabilidad termodinámica apropiada (ya que al interactuar estos materiales, la excesiva reactividad es uno de los mayores inconvenientes encontrados), la existencia de fuerzas de unión suficientes que garanticen la transmisión de esfuerzos de la matriz al refuerzo y que sean además estables en el tiempo bajo altas temperaturas. En el sector eléctrico y electrónico, se debe tener en cuenta que los CET de la matriz y de los refuerzos deben ser similares para limitar los efectos de los esfuerzos internos a través de la interfase, sobre todo al utilizar el compuesto a altas temperaturas. 3. CMM: propiedades y comportamiento Bajo condiciones ideales, el material compuesto muestra un límite superior de propiedades mecánicas y físicas definido generalmente por la regla de las mezclas. Es posible sintetizar material compuestos con una combinación de propiedades específicas de la aleación (tenacidad, conductividad eléctrica y térmica, resistencia a la temperatura, estabilidad ambiental, procesabilidad) con las propiedades específicas de los cerámicos reforzantes (dureza, alto módulo de Young, bajo coeficiente de expansión térmica). Es así como por ejemplo, un material compuesto AlCuMgAg/SiC/60p muestra una mejora de cada una de sus propiedades, tanto mecánicas como térmicas al compararlo con la aleación base. De igual modo, se han conformado CMM tipo A356/SiC/30-40, para la obtención de piezas que requieren alta transferencia de calor y alta tenacidad con baja densidad. Propiedades mecánicas Las propiedades mecánicas que exhiben los CMM son consideradas superiores con respecto a los materiales que los componen de manera individual, como ya se ha señalado anteriormente. Dicho aumento en propiedades, depende de la morfología, la fracción en volumen, el tamaño y la distribución del refuerzo en la aleación base. Además dichos factores controlan la plasticidad y los esfuerzos térmicos residuales de la matriz Se ha comprobado cómo varía la dureza de un material compuesto en estado de obtención y después de un tratamiento térmico, así como respecto al incremento del volumen del reforzante. La experiencia muestra un incremento en la resistencia a la tracción al variar el % de volumen de la fracción reforzante, tanto en el material sin tratamiento térmico, como con tratamiento térmico. Por su parte la deformación de los materiales compuestos tiene una tendencia inversa al incremento del volumen de partículas reforzantes Similar comportamiento a la elongación tiene la resistencia al impacto

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Propiedades térmicas Las propiedades térmicas fundamentales a considerar en los CMM son el CET y la conductividad térmica (CT) Dependiendo de la fracción de volumen de refuerzo, su morfología y su distribución en la aleación base, se obtienen diferentes valores de ambas propiedades. Ambos pueden ser modificados por el estado de precipitación de la matriz y por el tipo de aleación de la matriz. Es así como el CET de las aleaciones de titanio es muy similar a algunos tipos de fibras reforzantes, lo cual se considera una ventaja ya que se disminuyen los esfuerzos residuales debido a la diferencia térmica entre las fibras y la matriz. Algunos investigadores conciben que en la medida en que la CT de la aleación matriz se vea disminuida con la introducción de partículas cerámicas, esto puede verse compensado si la fase cerámica que se usa como refuerzo es conductora.

2.2.

GALVANIZACIÓN

Galvan es el proceso electroquímico por el cual se puede cubrir un metal con otro. Se denomina galvan pues este proceso se desarrolló a partir del trabajo de Luigi Galvan, quien descubrió en sus experimentos que si se pone en o un metal con una pata cercenada a una rana, ésta se contrae como si estuviese viva, luego descubrió que cada metal presentaba un grado diferente de reacción en la pata de rana, por lo tanto cada metal tiene una carga eléctrica diferente, segun el tipo de metal lo cual se debe a que se han descubierto metales con mucha carga electrica por el magnetismo de la tierra. Más tarde ordenó los metales según su carga y descubrió que puede recubrirse un metal con otro, aprovechando esta cualidad (siempre depositando un metal de carga mayor sobre otro de carga menor). Utilidad La función del galvanizado es proteger la superficie del metal sobre el cual se realiza el proceso. El galvanizado más común consiste en depositar una capa de zinc (Zn) sobre hierro (Fe); ya que, al ser el zinc más oxidable, menos noble, que el hierro y generar un 48

óxido estable, protege al hierro de la oxidación al exponerse al oxígeno del aire. Se usa de modo general en tuberías para la conducción de agua cuya temperatura no sobrepase los 60 °C ya que entonces se invierte la polaridad del zinc respecto del acero del tubo y este se corroe en vez de estar protegido por el zinc. Para evitar la corrosión en general es fundamental evitar el o entre materiales disímiles, con distinto potencial de oxidación, que puedan provocar problemas de corrosión galvánica por el hecho de su combinación. Puede ocurrir que cualquiera de ambos materiales sea adecuado para un galvanizado potencial con otros materiales y sin embargo su combinación sea inadecuada, provocando corrosión, por el distinto potencial de oxidación comentado.

Otros procesos de galvanizado muy utilizados son los que se refieren a piezas decorativas. Se recubren estas piezas con fines principalmente decorativos, la hebillas, botones, llaveros, artículos de escritorio y un sinfín de productos son bañados en cobre, níquel, plata, oro, bronce, cromo, estaño, etc.. En el caso de la bisutería se utilizan baños de oro (generalmente de 18 a 21 quilates). También se recubren joyas en metales más escasos como platino y rodio.

2.3.

ESTRUCTURAS CRISTALINAS Y AMORFAS

Los sólidos se pueden clasificar teniendo en cuenta el arreglo interno de sus partículas, en amorfos y cristalinos MATERIALES AMORFOS Materiales en los que sus átomos siempre están en desorden o desalineados aún en su estado sólido. No presentan una disposición interna ordenada por lo tanto no tienen ningún patrón determinado. Amorfo quiere decir que no tienen forma. MATERIALES CRISTALINOS Cuando las moléculas que componen un sólido están acomodadas regularmente, decimos que forman un cristal, y al sólido correspondiente le llamamos sólido cristalino o fase. Porque las partículas macroscópicas que los forman (los cristales) tienen formas regulares: si examinamos cristales de cloruro de sodio bajo una lente de aumento, veremos que los cristales tienen forma de pequeños cubos.

49

2.4.

CELDA UNITARIA

Se define como celda unitaria, la porción más simple de la estructura cristalina que al repetirse mediante traslación reproduce todo el cristal. Todos los materiales cristalinos adoptan una distribución regular de átomos o iones en el espacio. Se trata de un arreglo espacial de átomos que se repite en el espacio tridimensional definiendo la estructura del cristal. Se caracteriza por tres vectores que definen las tres direcciones independientes del sistema de coordenadas de la celda. Esto se traduce en seis parámetros de red, que son los módulos, a, b y c, de los tres vectores, y los ángulos α, β y γ que forman entre sí. Estos tres vectores forman una base del espacio tridimensional, de tal manera que las coordenadas de cada uno de los puntos de la red se pueden obtener a partir de ellos por combinación lineal con los coeficientes enteros. La posición de un átomo dentro de la celda unidad se describe normalmente usando coordenadas fraccionarias. La simetría traslacional de una estructura cristalina se caracteriza mediante la red de Bravais, existen 14 redes de Bravais diferentes y todas las estructuras cristalinas minerales conocidas encajan en una de esas 14 disposiciones. Estas redes pueden ser:    

Tipo P: Se denomina primitiva y tiene puntos de red en los vértices de la celda. Tipo I: Red centrada en el interior. Esta presenta puntos de red en los vértices de la celda y en el centro de la celda. Tipo F: Red centrada en todas las caras. Presenta puntos de red en los centros de todas las caras, así como en los vértices. Tipo C: Red centrada en la base. Una red tipo C se refiere al caso en el que la simetría traslacional coloca puntos de red en los centros de las caras delimitados por las direcciones a y b así como en el origen.

Además de la simetría traslacional descrita en una red cristalina existen elementos de simetría. Estos elementos son:    

Centro de inversión. Plano de reflexión. Ejes de rotación de orden 2, 3, 4 y 6. Ejes de rotación-inversión de orden 3, 4 y 6.

Los elementos de simetría anteriores pueden coexistir en una estructura cristalina dando lugar a lo que se conoce como grupo puntual de simetría. Existen 32 grupos puntuales de simetría y el nombre alude a que las operaciones asociadas forman un grupo matemático y los elementos tienen un punto en común que no se mueve al realizar las operaciones. Cuando se acoplan traslación con los ejes de rotación y planos de simetría surgen nuevos elementos de simetría: ejes helicoidales y planos de deslizamiento. 50

Cuando se combinan los 32 grupos puntuales de simetría con los elementos de simetría traslacional y las 14 redes de Bravais se obtienen los 230 grupos espaciales de simetría posibles. Estos grupos determinan los tipos y posiciones de los elementos de simetría que son posibles para una estructura cristalina. Los puntos de red que muestran la simetría traslacional de una estructura pueden ser conectados mediante los planos de red. Cada plano pertenece a un conjunto de planos equiespaciados que contienen todos los puntos de red. Estos planos se nombran usando los índices de Miller. Estos índices se designan convencionalmente h, k, y l, se escriben entre paréntesis (h,k,l) y son enteros positivos, negativos o cero. La separación de los planos se conoce con el término de espaciado dhkl. La relación entre el espaciado d y los parámetros de red puede determinarse geométricamente y depende del sistema cristalino.

2.5.

IMPERFECCIÓN CRISTALINAS

La Teoría Cristalina se basa en tres importantes postulados, son estos: - Postulado Reticular; el cristal es un medio periódico infinito definido por una de las catorce redes de Bravais. - Postulado estructural; el cristal posee una estructura atómica y la simetría de esta corresponde a uno de los 230 grupos espaciales ( 32 clases de simetría puntual + 14 redes de Bravais) - Postulado energético; los atomos en la estructura cristalina ocupan posiciones de equilibrio para los cuales la energía es mínima. Por todo esto, la teoría cristalina nos proporciona una idea del cristal donde el orden, existe, manda, en todo momento. Pero la realidad es muy distinta, el cristal real no es un ente atómico perfecto, sino que esta lleno de defectos. Por ejemplo, un cristal de Fluorita se origina por la aposición de miles de millones de átomos, y en este proceso es muy posible que se generen errores en su estructura. Estos errores son los que hacen que cada especimen mineral sea único e irrepetible. Estas imperfecciones son una característica esencial del cristal. Pero solo puede existir un número finito de imperfecciones en el cristal ya que de lo contrario dejaría de ser un sólido cristalino. Tipos de imperfecciones en los cristales: - Relativas a su extensión: La primera imperfección del cristal es su propia limitación, la teoría cristalina considera que la materia cristalina es un medio periódico infinitamente extendido en las tres direcciones del espacio. Pero un cristal real esta limitado en el espacio por caras, por otros 51

cristales adyacentes, o por otros materiales. Por ejemplo un cristal de fluorita puede crecer en una grieta de roca caliza, la estructura de la fluorita se ve limitada en ese caso por la caliza.

En las caras de los cristales existe un estado de no saturación, por ello tiene tendencia a absorber partículas creando por ejemplo epitaxias o películas orientadas. (Definición de epitaxia: es el crecimiento de cristales de un mineral en una cara cristalina de otro mineral (puede darse entre minerales iguales, homoepitaxia), de forma que el sustrato cristalino de ambos minerales tiene la misma orientación estructural. Existe, homoepitaxia o heteroepitaxia según los materiales sean iguales o distintos.

- Relativas a su composición: Los minerales no suelen ser sustancias puras, un mineral puro es algo excepcional. La mayoría presenta una variación en su composición química.

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Es determinante en la estructura del cristal el tamaño de las partículas que la forman, la coordinación de estas dependen de reglas geométricas fijas. Sustitución: átomos de igual o parecido tamaño pueden jugar un papel idéntico en la estructura, la geometria no se altera pero la periodicidad si. Existen minerales en la naturaleza con mayor capacidad para aceptar en su estructura otros elementos que no son los que teoricamente tiene su composición básica. Por ejemplo, un mineral muy común, la calcita (Co3Ca), si su composición es pura, es incolora, pero suele tener colores muy diferentes debido a que su composición básica puede variar, dependendiendo de las condiciones en la que crezca, si alrededor existe manganeso, atomos de este elemento se introducen en la estructura de la calcita, sustituyendo atomos de Calcio. En ciertos casos, los nuevos átomos que entran sustituyendo a otros tienen valencia distinta y como el cristal debe de permanecer neutro, la solución es no ocupar todas las posiciones atómicas ocupadas por el ión o atomos de carga menor, esto es lo que se llama lugares vacantes.

Si el átomo que se incorpora a la estructura es muy pequeño puede situarse, sin alterarla profundamente, en los espacios interatómicos existentes, llamados lugares intersticiales. Las impurezas del medio pueden ser englobadas por el cristal que crece, a estas impurezas se las llama inclusiones. Por ejemplo, no es raro que el cuarzo tenga cristales de otro mineral dentro de él. Un caso muy vistoso son los cristales de cuarzo en la mina 53

Panasqueira en Portugal, donde los cuarzos pueden contener cristales de apatito, arsenopirita, ferberita, turmalina, etc.

- Relativas a su integridad estructural: El cristal ideal requiere una continuidad perfecta de la red cristalina. La integridad estructural del cristal sufre cuando se rompe esta continuidad de la red. Las imperfecciones más importantes que afectan a la continuidad de una red son las dislocaciones. Las imperfecciones que tiene un cristal real hacen aumentar su energía, pero este tiende a configurarse de la forma más estable posible, es decir con las mínimas imperfecciones. El cristal ideal tiene una estructura cuya energía es mínima. Como la eliminación total de imperfecciones es imposible las concentra en regiones de su estructura y adyacentemente a estas regiones mal formadas estan otras bien formadas. Esta es una idea a la que se llegó gracias a la aplicación de los rayos-X al estudio de los cristales. - Relativas a su dinámica: El cristal es un medio dinámico y su entorno, la naturaleza, también lo es, y como tal puede sufrir procesos de corrosión, meteorización, cambios de fase (polimorfismo). El polimorfismo es una característica de algunas sustancias o elementos químicos para cristalizar en más de un tipo de estructura. Las diferentes estructuras que puede crear una misma sustancia o elemento se llaman formas polimorfas o polimorfos. Por ejemplo el elemento C puede dar, según las condiciones existentes, dos minerales el grafito y el diamante. La sustancia SiO2 puede dar cuarzo bajo, cuarzo alto, tridimita alta, cristobalita alta, coesita y estisovita. Y todas tienen un grupo espacial distinto. Son minerales diferentes pero tienen la misma fórmula química.

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Dimensiones de los defectos cristalinos Defectos puntuales, un lugar vacante en una estructura que afecta a solo un átomo. La introducción de impurezas en una estructura no representa un cambio importante en ella , ya que las impurezas entran en cantidades muy pequeñas y solo producen alteraciones locales sin efectos importantes en la estructura general. Isomorfismo: hay particulas que forman estructuras de igual dimensión y geometría pero cuya composición química es distinta. Defectos lineales, dislocaciones, afecta a una serie lineal de átomos. Una dislocación es una discontinuidad en la estructura a lo largo de una fila reticular. Defectos bidimensionales, son el resultado de una anomalía en un plano reticular. La cara de un cristal es un defecto bidimensional ya que la condición de no saturación de las valencias de los átomos que la forman, hace que se introduzcan efectos que la distinguen del resto del cristal. Los defectos bidimensionales más importantes son los defectos de apilamiento se definen como irregularidades en la secuencia de planos atómicos en una estructura. Estas irregularidades pueden aparecer solo en determinadas circunstancias o bien aparecer siempre en determinados compuestos, por ejemplo el grupo de las micas, cuando esto ocurre la secuencia "anómala" pero común a estos compuestos se denomina politipo y al fenómeno politipismo. Es una variedad especial de polimorfismo. La esfalerita (ZnS) y su polimorfo la wurtzita (ZnS) es un caso de politipismo. Los iones (s2-) en la esfalerita poseen un empaquetamiento cúbico compacto mientras que en la wurtzita poseen un empaquetamiento hexagonal compacto. Defectos tridimensionales, la mayor parte son inclusiones que rompen la continuidad del cristal en una parte.

2.6.

SOLIDIFICACIÓN DE METALES

La solidificación de metales y aleaciones es un importante proceso industrial ya que la mayoría de los metales se funden para moldearlos hasta una forma acabada o semiacabada. En general, la solidificación de un metal o aleación puede dividirse en las siguientes etapas: 1. Formación de núcleos estables en el fundido (nucleación). Para ello los embriones iniciales de sólido crecen y proporcionan núcleos (si éstos no se crearan el sólido embrionario se volvería a fundir). 2. Cristalización o crecimiento del núcleo en las tres direcciones del espacio en las dentritas para dar origen a cristales. 3. Formación del grano: Los cristales anteriores van dando origen a una estructura granular que se junta con la que proviene de otro lugar en los límites de grano. 55

El aspecto que cada grano adquiere después de la solidificación del metal depende de varios factores, de entre los que son importantes los gradientes térmicos. Los granos denominados equiaxiales, son aquellos en que su crecimiento ha sido igual en todas las direcciones. Los dos mecanismos principales por los que acontece la nucleación de partículas sólidas en un metal liquido son: nucleación homogénea y nucleación heterogénea. Nucleación homogénea: se considera en primer lugar la nucleación homogénea porque es el caso más simple de nucleación. Esta se da en el líquido fundido cuando el metal proporciona por sí mismo los átomos para formar los núcleos. Nucleación heterogénea: en este caso la nucleación sucede en un líquido sobre la superficie del recipiente que lo contiene, impurezas insolubles, u otros materiales estructurales.

2.7.

PROCESO DE METALES Y ALEACIONES

FUNDICIÓN: Se denomina fundición y también esmelter al proceso de fabricación de piezas, comúnmente metálicas pero también de plástico, consistente en fundir un material e introducirlo en una cavidad, llamada molde, donde se solidifica El proceso tradicional es la fundición en arena, por ser ésta un material refractario muy abundante en la naturaleza y que, mezclada con arcilla, adquiere cohesión y moldeabilidad sin perder la permeabilidad que posibilita evacuar los gases del molde al tiempo que se vierte el metal fundido, o el recipiente puede ser metálico y en este caso se llama coquilla. Teóricamente cualquier material puede emplearse para la conformación de piezas fundidas, pero se procura emplear los que tienen las mejores condiciones de fusibilidad y colabilidad, siempre que garanticen las características de resistencia y servicio. Las fundiciones (en metalurgia) son aleaciones hierro-carbono donde el contenido de carbono varía entre 2,14% y 6,67% (aunque estos porcentajes no son completamente rígidos). Comúnmente las más usadas están entre los valores de 2,5% y 4,5%, ya que las de mayor contenido de carbono carecen de valor práctico en la industria. Además de hierro y carbono, lleva otros elementos de aleación como silicio, manganeso, fósforo, azufre y oxígeno. Seguirán el diagrama de equilibrio estable (Fe-C)(o su porción Fe-Fe3C) o meta estable dependiendo de distintos factores, principalmente de si se produce o no la grafitización.

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Obtienen su forma definitiva por colada, permitiendo la fabricación con relativa facilidad de piezas de grandes dimensiones y pequeñas complicadas. Son más baratas que los aceros y de fabricación más sencilla por emplearse instalaciones menos costosas y realizarse la fusión a temperaturas más bajas (además son fáciles de mecanizar). Actualmente, se fabrican fundiciones con excelentes propiedades mecánicas, haciéndole la competencia a los aceros tradicionales. Se dividen en 2 tipos: 



fundiciones grises: o presentan el carbono en forma de grafito laminar. o Suelen estar aleados con silicio (elemento muy grafitizante). o una lenta velocidad de enfriamiento favorece la formación de una fundición gris ya que la lentitud en las reacciones favorece que se formen los constituyentes más estables: la cementita se transforma en ferrita y grafito (grafitización). Son fácilmente mecanizables ya que el grafito favorece la salida de la viruta. fundiciones blancas: o el carbono aparece en forma de cementita. o La cantidad de silicio es mínima. o Las velocidades rápidas de enfriamiento favorece la formación de la cementita. o Tienen una alta resistencia mecánica y dureza, pero también gran fragilidad Las fundiciones tienen innumerables usos y sus ventajas más importantes son: - Son más fáciles de maquinar que los aceros. - Se pueden fabricar piezas de diferente tamaño y complejidad. - En su fabricación no se necesitan equipos ni hornos muy costosos. - Absorben las vibraciones mecánicas y actúan como auto lubricantes. - Son resistentes al choque térmico, a la corrosión y de buena resistencia al desgaste.

De acuerdo con la apariencia de su fractura, las fundiciones pueden ser grises, blancas, atruchadas, aunque también existen las fundiciones maleables, nodulares y especiales o aleadas.

ALEACIÓN: Una aleación es una mezcla sólida homogénea de dos o más metales, o de uno o más metales con algunos elementos no metálicos. Se puede observar que las aleaciones están constituidas por elementos metálicos en estado elemental (estado de oxidación nulo), por ejemplo Fe, Al, Cu, Pb. Pueden contener algunos elementos no metálicos por ejemplo P, C, Si, S, As. Para su fabricación en general se mezclan los elementos llevándolos a temperaturas tales que sus componentes fundan. 57

Las aleaciones generalmente se clasifican teniendo en cuenta cuál o cuales elementos se encuentran presentes en mayor proporción, denominándose a estos elementos componentes base de la aleación. Los elementos que se encuentran en menor proporción serán componentes secundarios o componentes traza. Las aleaciones se pueden clasificar en dos grandes grupos: aleaciones ferrosas y aleaciones no ferrosas.Así pues: 1)

ALEACIONES FERROSAS

 Base de la aleación: Fe  Componentes secundarios: metales (por ejemplo: Mn, Ni, V, Cr,Co) no metales (por ejemplo: C, P, Si, S)

2)

ALEACIONES NO FERROSAS

 Base de la aleación: Cu Se emplean ampliamente en la industria debido a que presentan alta conductividad térmica y eléctrica. Los ejemplos más significativos son: El latón es una aleación de cobre en la que el cinc es un constituyente importante, el bronce es una aleación de cobre que contiene estaño o algún otro elemento como fósforo o aluminio como constituyente esencial.  Base de la aleación: Al Se utilizan en la fabricación de pomos. Dado que son aleaciones livianas pueden utilizarse en construcción aeronáutica (duraluminio:95,5% Al, 3% Cu, 1% Mn, 0,5% Mg) y en fabricación de barcos (hidronalio: 90% Al, 10% Mg) siendo además muy resistentes a la corrosión del agua de mar  Base de la aleación: Pb Son muy dúctiles y se deforman progresivamente. Las aleaciones de Pb y Sn se emplean para soldaduras. El plomo aleado con otros metales aumenta su dureza . Con Sn, Cd y Bi forman aleaciones fácilmente fusibles (para poder emplearlas para soldar debe disminuir el punto de fusión de la aleación).

ALEACIONES ESPECIALES: 58

Aleaciones de Titanio El titanio proporciona excelente resistencia a la corrosión, alta relación resistencia-peso y propiedades favorables a temperaturas altas. Resistencia hasta de 200,000 psi aunadas a una densidad de 4,505 g/cm^3 proporcionan las excelentes propiedades mecánicas, mientras que una capa protectora adherente de TiO2 confiere una excelente resistencia a la corrosión y a la contaminación por debajo de 535ºC. A más de 535ºC, la capa de óxido se desintegra y átomos pequeños como los de carbono, oxígeno, nitrógeno e hidrógeno al difundirse hacia el sólido, fragilizan al titanio. En consecuencias, se debe tener especial cuidado durante la fundición, la soldadura o la forja, de evitar la contaminación por estos elementos. El titanio es alotrópico con una estructura CC(B) por arriba de 882ºC. Los elementos de aleación combinan la temperatura de transformación alotrópica y pueden dividirse en cuatro grupos, como se resume en la Figura 10-8. Ciertas adiciones como las de estaño producen un endurecimiento por solución sólida sin afectar la temperatura de transformación. El aluminio, el oxígeno, el hidrógeno y otros elementos alfa estabilizadores incrementan la temperatura a la cual alfa se transforma en beta. Los beta-estabilizadores como el vanadio, el tantalio, el molidebno y el niobio abaten la temperatura de transformación, causando incluso que la fase beta sea estable a temperatura ambiente. Finalmente, el manganeso, el cromo y el hierro producen una reacción eutectoide, reduciendo la temperatura a la cual ocurre la transformación alfa-beta, y produciendo una estructura difásica a temperatura ambiente.

LAMINACIÓN O LAMINADO: El laminado es un proceso de deformación volumétrica en el que se reduce el espesor inicial del material trabajado mediante las fuerzas de compresión que ejercen dos rodillos sobre la pieza/material de trabajo. Los rodillos giran en sentidos opuestos para que fluya el material entre ellos, ejerciendo fuerzas de compresión al pasar entre ellos y de cizallamiento originadas por el rozamiento que se produce entre los rodillos y el metal. Los procesos de laminado requieren gran inversión de capital, debido a ello los molinos de laminado se usan para la producción de grandes cantidades de productos estándar (laminas, placas, etc.). Los procesos de laminado se realizan, en su gran mayoría, en caliente por la gran deformación ejercida sobre el material trabajado. Además, los materiales laminados en caliente tienen propiedades isotrópicas y carecen de tensiones residuales. Los principales inconvenientes que presenta el laminado en caliente son que el producto no puede mantenerse dentro de tolerancias adecuadas, y que la superficie de la pieza queda cubierta por una capa de óxido característica.

Laminación continúa en caliente: 59

Un tren de laminación continua en caliente puede contar con un transportador de más de un kilómetro de longitud. La placa de acero sale de un horno de recocido de placas y entra en el trans-portador. Se elimina la cascarilla superficial de la placa caliente, que se alarga y adelgaza al ser aplastada por los rodillos horizontales de cada uno de los laminadores, que normalmente reciben el nombre de trenes de desbastado. Los rodillos verticales de los extremos contribuyen a controlar la anchura. Después, el acero entra en los trenes de acabado para su reducción final, desplazán-dose a velocidades de hasta 80 kilómetros por hora al cruzar la mesa de enfriamiento y enrollarse. Normalmente, la chapa de acero se limpia o se decapa en un baño de ácido sulfúrico o hidroclórico para eliminar el óxido superficial (cascarilla) que se forma durante la laminación en caliente. Un decapador moderno trabaja de manera continua. Cuando ya casi se ha limpiado una bobina de acero, se corta recto el extremo y se suelda al inicio de una nueva bobina. En el decapador, un laminador endurecedor contribuye a romper la cascarilla antes de que la chapa entre en la sección de decapado o limpieza de la cadena. Se sitúa un acumulador bajo los tanques de decapado revestidos de caucho, los lavadores y los secadores. La chapa acumulada en el sistema pasa a los tanques de decapado cuando se para el extremo de entrada de la cadena para soldar una nueva bobina. De este modo es posible limpiar una chapa continuamente a una velocidad de 360 m por minuto. Un pequeño sistema de enlazado situado en el extremo de salida de la cadena permite que ésta funcione de forma continua durante las interrupciones para el bobinado.

Laminación en frío: Las bobinas de chapa de acero laminada en caliente y ya limpia pueden laminarse en frío para obtener un producto más fino y liso. Este proceso da lugar a un acero con una mejor relación resistencia peso que la que puede obtenerse con un tren de laminación en caliente. Un moderno tren continuo de laminación en frío de cinco cajas puede recibir una chapa de un grosor aproximado de 1/10 de pulgada (0,25 cm) y una longitud de 1,2 km; 2 minutos más tarde, esa chapa se habrá laminado a 0,03 pulgadas (75 mm) de grosor y tendrá más de 3,2 km de longitud. El proceso de laminado en frío endurece la chapa de acero, de modo que suele ser necesario calentarla en un horno de recocido para que moldearla mejor. Las bobinas de chapa laminada en frío se apilan sobre una base. Se colocan cubiertas sobre las pilas para controlar el recocido y después se baja el horno sobre las pilas así cubiertas. El calentamiento y posterior enfriamiento de la chapa de acero puede llevar de 5 a 6 días. Una vez ablandado el acero en el proceso de recocido, se utiliza un laminador endurecedor para dar al acero la planeidad, las propiedades metalúrgicas y el acabado superficial deseados. El producto puede enviarse a los clientes en forma de bobinas, recortarse lateralmente o cortarse en largos a medida. Bloqueo/identificación para realizar los trabajos de mantenimiento y reparación. 60

Si los trabajadores intentan atravesar los transportadores de rodillos por puntos no autorizados, pueden producirse lesiones graves, especialmente en la laminación en caliente; deberá instalarse un número adecuado de puentes de uso obligado. Las soldaduras de enlazado de rollos pueden provocar extensas

FORJA: La forja, al igual que la laminación y la extrusión, es un proceso de conformado por deformación plástica que puede realizarse en caliente o en frío y en el que la deformación del material se produce por la aplicación de fuerzas de compresión. Este proceso de fabricación se utiliza para dar una forma y unas propiedades determinadas a los metales y aleaciones a los que se aplica mediante grandes presiones. La deformación se puede realizar de dos formas diferentes: por presión, de forma continua utilizando prensas, o por impacto, de modo intermitente utilizando martillos pilones. Hay que destacar que es un proceso de conformado de metales en el que no se produce arranque de viruta, con lo que se produce un importante ahorro de material respecto a otros procesos, como por ejemplo el mecanizado.

Forja libre Es el tipo de forja industrial más antiguo y se caracteriza porque la deformación del metal no está limitada (es libre) por su forma o masa. Se utiliza para fabricar piezas únicas o pequeños lotes de piezas, donde normalmente éstas son de gran tamaño.Además este tipo de forja sirve como preparación de las preformas a utilizar en forjas por estampa. También puede encontrarse como forja en dados abiertos.

Forja con estampa Este tipo de forja consiste en colocar la pieza entre dos matrices que al cerrarse conforman una cavidad con la forma y dimensiones que se desean obtener para la pieza. A medida que avanza el proceso, ya sea empleando martillos o prensas, el material se va deformando y adaptando a las matrices hasta que adquiere la geometría deseada. Este proceso debe realizarse con un cordón de rebaba que sirve para aportar la presión necesaria al llenar las zonas finales de la pieza, especialmente si los radios de acuerdo de las pieza son de pequeño tamaño y puede estar sin rebaba, dependiendo de si las matrices llevan incorporada una zona de desahogo para alojar el material sobrante (rebaba) o no. Se utiliza para fabricar grandes series de piezas cuyas dimensiones y geometrías pueden variar ampliamente. Las dimensiones de estas piezas van desde unos pocos milímetros de longitud y gramos de peso hasta varios metros y toneladas, y sus geometrías pueden ser simples o complejas.

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También puede encontrarse como forja en dados cerrados.

Forjado isotérmico El forjado isotérmico es un tipo especial de forja en la cual la temperatura de los troqueles es significativamente superior a la utilizada en procesos de forja convencional.

Recalcado A diferencia de los procesos anteriores que se realizan en caliente, este además puede realizarse en frío. Consiste en la concentración o acumulación de material en una zona determinada y limitada de una pieza (normalmente en forma de barra). Por tanto, una consecuencia directa de este proceso es que disminuye la longitud de la barra inicial y aumenta la sección transversal de ésta en la zona recalcada. Si el proceso se realiza en frió y en los extremos de las piezas se denomina encabezado en frío. Efectos que produce la forja en caliente y el forjado isotérmico 





Orientación de la fibra: Las propiedades mecánicas del producto variarán, mejorándolas si el esfuerzo se aplica en la dirección de la fibra formada por el proceso y empeorándolas si se aplica en dirección perpendicular. Afinamiento del grano: Esto se produce a temperaturas superiores a la de recristalización pero inferiores a la de equicohesión y la forja se realiza con martillos pilones, de modo intermitente. En cambio, el afinamiento no se producirá si se supera la temperatura de equicohesión y la forja se realiza utilizando prensas, de forma continua. Eliminación de cavidades, poros, sopladuras, etc.: Debido a las enormes presiones a las que el material es sometido en la operación, éste es compactado y desaparecen las cavidades, poros, sopladuras, etc. (siempre que las paredes de estos defectos no estén oxidadas).

2.8.

PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS METALES

Muchos materiales cuando están en servicio están sujetos a fuerzas o cargas. En tales condiciones es necesario conocer las características del material para diseñar el instrumento donde va a usarse de tal forma que los esfuerzos a los que vaya a estar sometido no sean excesivos y el material no se fracture. El comportamiento mecánico de un material es el reflejo de la relación entre su respuesta o deformación ante una fuerza o carga aplicada. Hay tres formas principales en las cuales podemos aplicar cargas: Tensión, Compresión y Cizalladura. Además en ingeniería muchas cargas son torsionales en lugar de sólo cizalla 62

CONCEPTOS DE TENSIÓN Y DEFORMACIÓN: TENSIÓN. Consideremos una varilla cilíndrica de longitud lo y una sección transversal de área Ao sometida a una fuerza de tensión uniaxial F barra barra es igual al cociente entre la fuerza de tensión uniaxial media F y la sección transversal original Ao de la barra.

DEFORMACIÓN O ALARGAMIENTO: Cuando se aplica a una barra una fuerza de tensión uniaxial, tal como se muestra en la figura 2, se produce una elongación de la varilla en la dirección de la fuerza. Tal desplazamiento se llama deformación. Por definición, la deformación originada por la acción de una fuerza de tensión uniaxial sobre una muestra metálica, es el cociente entre el cambio de longitud de la muestra en la dirección de la fuerza y la longitud original. Normalmente la deformación se determina mediante el uso de una pequeña longitud, normalmente de 2 pulgadas, que se denomina longitud de calibración, dentro de una muestra más larga, por ejemplo de 8 pulgadas. Como puede deducirse de la fórmula, la deformación es una magnitud adimensional. En la práctica, es común convertir la deformación en un porcentaje de deformación o porcentaje de elongación deformación deformación % elongación

DEFORMACIÓN ELÁSTICA Y PLÁSTICA Cuando una pieza se somete a una fuerza de tensión uniaxial, se produce una deformación del material. Si el material 63

vuelve a sus dimensiones originales cuando la fuerza cesa se dice que el material ha sufrido una DEFORMACIÓN ELASTICA. El número de deformaciones elásticas en un material es limitado ya que aquí los átomos del material son desplazados de su posición original, pero no hasta el extremo de que tomen nuevas posiciones fijas. Así cuando la fuerza cesa, los átomos vuelven a sus posiciones originales y el material adquiere su forma original. Si el material es deformado hasta el punto que los átomos no pueden recuperar sus posiciones originales, se dice que ha experimentado una DEFORMACIÓN PLASTICA.

TENSIÓN REAL – DEFORMACIÓN REAL La tensión se calcula dividiendo la fuerza aplicada F sobre una muestra a la que se aplica un ensayo de tensión por el área inicial Ao. Puesto que el área de la sección de la muestra bajo el ensayo cambia continuamente durante el ensayo de tensión, el cálculo de esta no es preciso. Durante el ensayo de tensión, después de que ocurra el estrangulamiento de la muestra, la tensión decrece al aumentar la deformación, llegando a una tensión máxima en la curva de tensión – deformación. Por ello, una vez que comienza el estrangulamiento durante el ensayo de tensión, la tensión real es mayor que tensión en ingeniería. Es posible definir la tensión real y la deformación real como sigue: Tensión real / A i F es la fuerza uniaxial media sobre la muestra de ensayo Ai es el área de muestra de sección mínima en un instante DUREZA Es una medida de la resistencia de un material a la deformación permanente (plástica) en su superficie, o sea la resistencia que opone un material a ser rayado o penetrado. La dureza de una material se mide de varias formas dentro de las cuales se pueden destacar las durezas “ mecánicas” y la dureza de Mohs. En las durezas mecánicas se utiliza un penetrador sobre la superficie del material. Sobre este penetrador se ejerce una carga conocida presionando el penetrador a El penetrador tiene diferentes formas y de acuerdo a esta es la huella que queda impresa en el material. De acuerdo a la geometría de la huella y a la carga. Se utilizan diferentes fórmulas para determinar el valor de la dureza. Actualmente hay aparatos que leen la dureza de una forma digital. Es así como puede establecerse la dureza Brinell, Vickers, Knoop, y Rockwell

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2.9.

PRODUCCIÓN DE HIERRO Y ACERO

Tecnología relacionada con la producción del hierro y sus aleaciones, en especial las que contienen un pequeño porcentaje de carbono, que constituyen los diferentes tipos de acero. A veces, las diferencias entre las distintas clases de hierro y acero resultan confusas por la nomenclatura empleada. En general, el acero es una aleación de hierro y carbono a la que suelen añadirse otros elementos. Algunas aleaciones denominadas `hierros' contienen más carbono que algunos aceros comerciales. El hierro de crisol abierto y el hierro forjado contienen un porcentaje de carbono de sólo unas centésimas. Los distintos tipos de acero contienen entre el 0,04 y el 2,25% de carbono. El hierro colado, el hierro colado maleable y el arrabio contienen entre un 2 y un 4% de carbono. Hay una forma especial de hierro maleable que no contiene casi carbono alguno. Para fabricar aleaciones de hierro y acero se emplea un tipo especial de aleaciones de hierro denominadas ferroaleaciones, que contienen entre un 20 y un 80% del elemento de aleación, que puede ser manganeso, silicio o cromo Producción del hierro y el acero El diagrama general de la fusión primaria del hierro integra a la mayoría de las actividades que se desarrollan en el proceso productivo. No se debe olvidar que los diagramas de flujo son una de las herramientas más utilizadas por los ingenieros industriales y que de manera automática los deben utilizar o elaborar.

El 90% de todos los metales fabricados a escala mundial son de hierro y acero. Los procesos para la obtención de hierro fueron conocidos desde el año 1200 ac. 65

Los principales minerales de los que se extrae el hierro son: Hematita roja)

(merma

Magnetita negra)

(merma 72.4% hierro

de

Siderita (merma café 48.3% pobre) hierro

de

Limonita café)

de

70% de hierro

(merma 60-65% hierro

La mema café es la mejor para la producción de hierro, existen grandes yacimientos de este mineral en Estados Unidos y en Suecia. En todo el mundo se pueden encontrar grandes cantidades de pirita, pero no es utilizable por su gran contenido de azufre. Para la producción de hierro y acero son necesarios cuatro elementos fundamentales: -Mineral de hierro Aire

-Coque

-Piedra caliza

-

Los tres primeros se extraen de minas y son transportados y prepararlos antes de que se introduzcan al sistema en el que se producirá el arrabio. El arrabio es un hierro de poca calidad, su contenido de carbón no está controlado y la cantidad de azufre rebasa los mínimos permitidos en los hierros comerciales. Sin embargo es el producto de un proceso conocido como la fusión primaria del hierro y del cual todos los hierros y aceros comerciales proceden. A la caliza, el coque y el mineral de hierro se les prepara antes de introducirse al alto horno para que tengan la calidad, el tamaño y la temperatura adecuada, esto se logra por medio del lavado, triturado y cribado de los tres materiales Clasificación del acero Los diferentes tipos de acero se agrupan en cinco clases principales: aceros al carbono, aceros aleados, aceros de baja aleación ultra resistentes, aceros inoxidables y aceros de herramientas. Aceros al carbono Más del 90% de todos los aceros son aceros al carbono. Estos aceros contienen diversas cantidades de carbono y menos del 1,65% de manganeso, el 0,60% de silicio y el 0,60% de cobre. 66

Entre los productos fabricados con aceros al carbono figuran máquinas, carrocerías de automóvil, la mayor parte de las estructuras de construcción de acero, cascos de buques, somieres y horquillas o pasadores para el pelo. Aceros aleados Estos aceros contienen una proporción determinada de vanadio, molibdeno y otros elementos, además de cantidades mayores de manganeso, silicio y cobre que los aceros al carbono normales. Estos aceros se emplean, por ejemplo, para fabricar engranajes y ejes de motores, patines o cuchillos de corte. Aceros de baja aleación ultra resistentes Esta familia es la más reciente de las cinco grandes clases de acero. Los aceros de baja aleación son más baratos que los aceros aleados convencionales ya que contienen cantidades menores de los costosos elementos de aleación. Sin embargo, reciben un tratamiento especial que les da una resistencia mucho mayor que la del acero al carbono. Por ejemplo, los vagones de mercancías fabricados con aceros de baja aleación pueden transportar cargas más grandes porque sus paredes son más delgadas que lo que sería necesario en caso de emplear acero al carbono. Además, como los vagones de acero de baja aleación pesan menos, las cargas pueden ser más pesadas. En la actualidad se construyen muchos edificios con estructuras de aceros de baja aleación. Las vigas pueden ser más delgadas sin disminuir su resistencia, logrando un mayor espacio interior en los edificios. Aceros inoxidables Los aceros inoxidables contienen cromo, níquel y otros elementos de aleación, que los mantienen brillantes y resistentes a la herrumbre y oxidación a pesar de la acción de la humedad o de ácidos y gases corrosivos. Algunos aceros inoxidables son muy duros; otros son muy resistentes y mantienen esa resistencia durante largos periodos a temperaturas extremas. Debido a sus superficies brillantes, en arquitectura se emplean muchas veces con fines decorativos. El acero inoxidable se utiliza para las tuberías y tanques de refinerías de petróleo o plantas químicas, para los fuselajes de los aviones o para cápsulas espaciales. También se usa para fabricar instrumentos y equipos quirúrgicos, o para fijar o sustituir huesos rotos, ya que resiste a la acción de los fluidos corporales. En cocinas y zonas de preparación de alimentos los utensilios son a menudo de acero inoxidable, ya que no oscurece los alimentos y pueden limpiarse con facilidad. Aceros de herramientas Estos aceros se utilizan para fabricar muchos tipos de herramientas y cabezales de corte y modelado de máquinas empleadas en diversas operaciones de fabricación. Contienen 67

volframio, molibdeno y otros elementos de aleación, que les proporcionan mayor resistencia, dureza y durabilidad.

ESTRUCTURA DEL ACERO Las propiedades físicas de los aceros y su comportamiento a distintas temperaturas dependen sobre todo de la cantidad de carbono y de su distribución en el hierro. Antes del tratamiento térmico, la mayor parte de los aceros son una mezcla de tres sustancias: ferrita, perlita y cementita. La ferrita, blanda y dúctil, es hierro con pequeñas cantidades de carbono y otros elementos en disolución. La cementita, un compuesto de hierro con el 7% de carbono aproximadamente, es de gran dureza y muy quebradiza. La perlita es una profunda mezcla de ferrita y cementita, con una composición específica y una estructura característica, y sus propiedades físicas son intermedias entre las de sus dos componentes. La resistencia y dureza de un acero que no ha sido tratado térmicamente depende de las proporciones de estos tres ingredientes. Cuanto mayor es el contenido en carbono de un acero, menor es la cantidad de ferrita y mayor la de perlita: cuando el acero tiene un 0,8% de carbono, está por completo compuesto de perlita. El acero con cantidades de carbono aún mayores es una mezcla de perlita y cementita. Al elevarse la temperatura del acero, la ferrita y la perlita se transforman en una forma alotrópica de aleación de hierro y carbono conocida como austenita, que tiene la propiedad de disolver todo el carbono libre presente en el metal. Si el acero se enfría despacio, la austenita vuelve a convertirse en ferrita y perlita, pero si el enfriamiento es repentino la austenita se convierte en martensita, una modificación alotrópica de gran dureza similar a la ferrita pero con carbono en solución sólida.

2.10. CERÁMICOS Los materiales cerámicos son compuestos químicos o soluciones complejas, que contienen elementos metálicos y no metálicos. Tienen amplias propiedades mecánicas y físicas. Debido a sus enlaces iónicos o covalentes, los cerámicos son duros, frágiles, con un alto punto de fusión, baja conductividad eléctrica y térmica, buena estabilidad química, resistencia a la compresión. Existen materiales cerámicos cuya tensión mecánica en un ensayo de compresión puede llegar a ser superior a la tensión soportada por el acero. La razón, viene dada por la compresión de los poros/agujeros que se han creado en el material. Al comprimir estos poros la fuerza por unidad de sección es mayor que antes del colapso de los poros 68

LA ESTRUCTURA DE LOS CERÁMICOS CRISTALINOS. Estructura Se encuentra en varios cerámicos eléctricos . En este tipo de celdas están 3 tipos de iones, que son iones de bario, iones de oxigeno y iones de titanio. La distorsión de la celda unitaria produce una señal eléctrica, lo que permite que ciertos titanatos sirvan como transductores.

Perovskite

Estructura del corindón Es similar a una estructura hexagonal compacta. Algunos cerámicos tienen esta estructura como son: Cr2O3 y Fe2O3. Estructura de espinel Tiene una celda unitaria cúbica , en cada uno de sus cubos menores hay iones de oxigeno, hay 4 intersticiales octaédricos y 8 sitios intersticiales tetraédricos, de los cuales los cationes ocupan 3. En los espineles inversos, el ión bivalente y la mitad de los iones trivalentes se localizan en los sitios octaédricos. Grafito A veces se le considera como cerámico, tiene una estructura hexagonal por capas y se usa como material refractario, lubricante y como fibra. LA ESTRUCTURA DE LOS SILICATOS CRISTALINOS En el sílice, el enlace covalente requiere que los átomos de silicio tengan junto 4 átomos de oxígeno, creando así una estructura retraédrica, esta es la unidad estructural fundamental del sílice, de las arcillas y de silicatos vítreos. Los compuestos de silicatos forman una serie de soluciones sólidas conocidas como olivinos y ortosilicatos ESTRUCTURAS DE ANILLO Y DE CADENA: se forman cuando dos vértices del tetraedro se comparten con otros grupos tetraédricos. Hay una amplia cantidad de materiales cerámicos que tienen estructura de metasilicato. ESTRUCTURAS LAMINARES: cuando la relación O, Si resulta en la fórmula Si2O3, los tetraedros se combinan para formar estructuras laminares, en una formación ideal, 3 átomos de oxígeno formando un patrón hexagonal. La caolinita que es una arcilla común esta compuesta por láminas de silicato enlazadas iónicamente a una hoja compuesta por ciertos

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grupos, las arcillas son componentes importantes de muchos cerámicos. Sílice: conforme incrementa la temperatura, el sílice cambia de cuarzo alfa a cuarzo beta a tridimita beta a cristobalita beta y a líquido, la transformación de cuarzo alfa a beta crea un cambio de dimensión en el sílice, acompañado por esfuerzos altos e incluso por agrietamiento. IMPERFECCIONES EN LAS ESTRUCTURAS CERÁMICAS CRISTALINAS. Defectos puntuales: en los cerámicos se forman soluciones sólidas sustitucionales e intersticiales, es difícil mantener una distribución equilibrada de cargas cuando se introducen iones de solución sólida, pero a los cerámicos se puede acomodar de muchas maneras las deficiencias o los excesos en las cargas. El tipo y número de iones absorbidos afectan la química superficial de las plaquetas, pero esto a su vez afecta la conformabilidad y resistencia de los productos cerámicos basados en arcillas. Dislocaciones: no se mueven con facilidad, como no hay deslizamiento las grietas no se redondean, en consecuencia su propagación es continua. Defectos superficiales: son los límites de grano y las superficies de las partículas. Porosidad: es un tipo especial de defecto superficial en los cerámicos, los poros pueden estar interconectados o cerrados. LA ESTRUCTURA DE LOS VIDRIOS CERÁMICOS. Vidrios de silicato: son los más utilizados. El sílice fundido puro, tiene un punto de fusión alto y sus cambios son dimensionales durante el calentamiento y enfriamiento, contienen óxidos que se comportan como formadores de vidrio, los modificadores rompen la estructura reticular y hacen que el vidrio se cristalice. Vidrios de silicato modificados: la relación oxígeno-silicio aumenta los modificadores y rompen la red de sílice, una relación alta de oxígeno-silicio no permite que haya vidrio. La modificación reduce el punto de fusión y la viscosidad del sílice, lo que hace que se produzca un vidrio a bajas temperaturas.

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FALLAS MECÁNICAS EN LOS MATERIALES CERÁMICOS. Los cerámicos son frágiles por imperfecciones como grietas, porosidad e inclusiones extrañas, se intensifica la fractura frágil que es una falla mecánica, los defectos varían en tamaño, forma y orientación. La fractura frágil es cualquier grieta o imperfección que limita la capacidad de un cerámico a resistir un esfuerzo. La fractura frágil tiene un tratamiento estadístico. existen métodos para mejorar la tenacidad que resultan en una mayor resistencia a la fractura y en esfuerzos mayores, un método es el de rodear las partículas frágiles con un material motriz más suave y tenaz. Deformación de los cerámicos a altas temperaturas. Flujo viscoso del vidrio: a temperaturas altas se convierte en un mecanismo importante de deformación, ocurre en los vidrio y cerámicos que contienen una mezcla de fases vítrea y cristalina. Termofluencia en los cerámicos: los cerámicos tienen buena resistencia a la termofluencia, esta ocurre como resultado del deslizamiento de los bordes de grano, lo que reduce la resistencia a ésta. Las causas de que se reduzca la termofluencia son: tamaño de grano, porosidad, impurezas y temperatura.

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ANEXOS Otra fuerzas de atracción o o o o o

fuerza de adhesión: son las fuerzas que se establecen entre moléculas de cuerpos diferentes. fuerza de atracción: es la fuerza que hace que las moléculas se unan. fuerzas de cohesión: son las fuerzas que se establecen entre molécula de cuerpos iguales. tensión superficial: es la fuerza que se establece en superficies líquidas que permiten la flotabilidad a algunos cuerpos. fuerza de repulsión: son las fuerzas que hacen que las moléculas se repelen, es decir, se alejan.

Tipo de enlaces y reactividad de una sustancia En los enlaces sigma pueden ocurrir las siguientes reacciones (reacciones químicas):  

Sustitución, donde un átomo es sustituido por otro. Lo reemplaza. Eliminación, donde un átomo se elimina de la molécula. Generalmente en esta reacción se forma un enlace pi.

Sobre los enlaces pi ocurre la adición, donde se agregan por lo general dos átomos y se forman dos enlaces sigma. En el ejemplo se muestra la adición de un sólo átomo:    

Los enlaces sigma no polares de un átomo saturado son muy poco reactivos y para fines prácticos podemos considerarlos inertes. Los enlaces sigma no polares que entran a un átomo insaturado son algo más reactivos, por el efecto del enlace pi. Los enlaces sigma polares son reactivos. Los enlaces pi son reactivos.

Otro tipo de reacción es la transposición, donde se redistribuyen los átomos existentes para formar un isómero de la substancia original. Esta puede ocurrir en cualquier molécula sin importar el tipo de enlace y el número de enlaces que cambian de lugar, siempre es par.

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ALGUNOS ELEMENTOS QUÍMICOS EN LA FUNDICIÓN DEL HIERRO: Existen muchos elementos químicos que dan las características de ingeniería a las aleaciones ferrosas, sin embargo hay algunos que se destacan por sus efectos muy definidos, a continuación se presentan algunos de estos elementos. Carbono. Arriba del 4% baja la calidad del hierro, sin embargo se puede decir que es el elemento que da la dureza al hierro y por medio de sus diferentes formas en las que se presenta, se pueden definir varias propiedades de las aleaciones y su grado de maquinabilidad. Con base a la cantidad de carbono en el hierro las aleaciones se pueden definir o clasificar como se observó en los temas anteriores. Silicio. Este elemento hasta un 3.25% es un ablandador del hierro y es el elemento predominante en la determinación de las cantidades de carbono en las aleaciones de hierro. El silicio arriba de 3.25% actúa como endurecedor. Las fundiciones con bajo contenido de silicio responden mejor a los tratamientos térmicos. Manganeso. Es un elemento que cuando se agrega a la fundición arriba del 0.5% sirve para eliminar al azufre del hierro. Como la mezcla producto del azufre y el manganeso tiene baja densidad flota y se elimina en forma de escoria. También aumenta la fluidez, resistencia y dureza del hierro. Azufre. No sirve de nada en el hierro, debe ser eliminado y controlado. Fósforo. Es un elemento que aumenta la fluidez del metal fundido y reduce la temperatura de fusión.

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CONCLUSIÓN Un enlace iónico es una fuerza de atracción enérgica que mantienen unidos los iones. Dicho enlace se puede formar entre dos átomos por la transferencia de electrones de la capa de valencia del otro. Los cationes monoatómicos de los elementos tienen cargas iguales al número de grupos. Un enlace covalente es una energía fuerza de atracción que mantiene unidos a dos átomos por la compartición de sus electrones enlazantes son atraídos simultáneamente hacia ambos núcleos atómicos y pasan una parte del tiempo cerca de un átomo y otra parte del tiempo cerca del otro. Sin un par de electrones no es compartido igualmente, el enlace es polar. Esta polaridad es el resultado de la diferencia que hay en las electronegatividades de los átomos para atraer hacia ellos los electrones enlazantes. La regla del octeto predice que los átomos forman suficientes enlaces covalentes para rodearse de ocho electrones cada uno. Existen excepciones para la regla del octeto, en particular para los compuestos covalentes de berilio, para los elementos del grupo 3A y para los elementos del tercer periodo y subsecuentes de la tabla periódica. Linus Pauling desarrolló un método para determinar las electronegatividades relativas de la mayoría de los elementos. Esta propiedad (electronegatividad) permite distinguir el enlace covalente polar del enlace covalente no polar. Las formulas de Lewis son representaciones sencillas de los electrones de la capa de valencia de los átomos en las moléculas y los iones. se pueden aplicar reglas sencillas para dibujar estas formulas. Aunque los átomos de la formula de Lewis satisfacen con frecuencia la regla del octeto, no son poco comunes las excepciones a esta regla. Se pueden obtener las formulas de Lewis al seguir las reglas para la escritura, el concepto de Carga formal con frecuencia ayudara a decidir cual de las varias formulas de Lewis da la mejor descripción de una molécula o ion. La Geometría molecular se refiere a la ordenación de los átomos o núcleos en el espacio, no de los pares de electrones y la Geometría electrónica se refiere a la ordenación geométrica de los electrones de valencia alrededor del átomo central. La teoría de enlace de valencia, es una de las aplicaciones de la mecánica cuántica en el cual se forman orbítales híbridos mediante la combinación y reacomodo de los orbítales de un mismo átomo. Todos los orbítales híbridos tienen la misma energía y densidad electrónica y el número de orbítales híbridos es igual al número de orbítales atómicos puros que se combinan. La materia presenta tres estados líquido, que son líquido, sólido y gaseoso (aunque se habla de un cuarto y quinto elemento; plasma y hielo cuántico respectivamente).

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