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LOS MATERIALES

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LOS MATERIALES

La ciencia de los materiales comprende el estudio de la composición íntima de la materia que ha sido utilizada desde comienzos por el hombre mejorando su nivel y calidad de vida. Los materiales se han clasificado en 5 grandes grupos diferenciados en estructura y comportamiento:

 METALES

 CERÁMICOS

 COMPOSITES

 POLÍMEROS (tratados en el capítulo anterior)

 SEMICONDUCTORES

METALES

De estructura sólida (con excepciones como el Mercurio y Galio), los metales son buenos conductores de la corriente eléctrica y el calor. Presentan generalmente brillo, densidades altas, y funden a temperaturas superiores a los 800ºC.

Además de lo anterior los metales presentan gran maleabilidad y ductilidad, lo que permite su manejo y otorga propiedades múltiples. Son materiales resistentes al impacto, la fuerza de tensión y la compresión. Cuando se enfrían los metales de contraen y se expanden cuando son calentados.

El enlace metálico característico de estos materiales puede ser descrito de siguiente forma: los cationes se encuentran en redes cristalinas muy compactas compartiendo una nube electrónica de gran movilidad sin localización definida. La alta conductividad eléctrica y térmica se debe en gran medida al libre movimiento de los electrones cuando se forma el enlace metálico.

Los metales pueden formar aleaciones estables con otros elementos (acero, latón y bronce), y son prácticamente insolubles en agua a cualquier temperatura.

Tabla de densidades y conductividad de algunos metales (comparados con el agua):

Sustancia Densidad_(g/mL) Calor específico_(cal/g·ºC) Conductividad térmica_{(Kcal/s)/(m·ºC)}

Agua 1,00 1,00 1,5·10-4

Aluminio 2,70 0,21 4,9·10-2

Cobre 8,93 0,09 9,2·10-2

Hierro 7,88 0,12 1,8·10-2

Considerando los anteriores datos, se clasificaron los metales en las siguientes categorías:

 PESADOS: densidad mayor a 5 g/cm3

 LIGEROS: densidad entre 2 y 5 g/cm3 _{(Aluminio y Titanio)}  ULTRALIGEROS: densidad menor a 2 g/cm3 _(Magnesio)

Refinado de metales

Consiste en purificar por medios electrolíticos ciertos metales como el Cobre. La refinación se consigue usando como ánodo una barra o lingote de metal impuro y como cátodo el metal puro.

Durante la electrolisis, el metal y sus impurezas se disuelven y forman una disolución, pero en el cátodo y producto de una diferencia de potencial se produce la reducción del metal y éste se deposita. Además de Cobre, industrialmente se refina Oro, Plata y Aluminio

Corrosión de metales

Consiste en la oxidación espontánea de un metal y que causa su deterioro. El hierro y otros metales, así como también aleaciones estables pueden sufrir corrosión.

Generalmente en el proceso oxidativo actúan:

 La humedad.

 El oxígeno del aire.

 El metal.

En general aquellas partes del metal que toman mayor contacto con el aire (oxígeno) se corroen menos que aquellas que tienen menos superficie de contacto (por ejemplo, hendiduras, remaches, grietas, etc).

Protección contra la corrosión

Procedimiento que permite recubrir el metal con una capa protectora que evite el contacto con la humedad y el aire, algunas de estas opciones son:

 Pinturas (barnices en general).

 Metales más resistentes a la corrosión (Cromo, Níquel por ejemplo).

 Pasivar una superficie metálica con un óxido (óxidos de Hierro que evitan corrosión).

LAS ALEACIONES

F: Aleaciones férreas L: Aleaciones ligeras C: Aleaciones de cobre V: Aleaciones varias

ALEACIONES FÉRREAS

ACERO

Es una aleación de hierro y carbono, que también puede contener otros elementos, en la que el contenido de carbono oscila entre 0,1 a 1,7 %. El carbono es el elemento principal que modifica las características mecánicas del acero, cuanto mayor es el porcentaje de carbono mayores serán la resistencia y la dureza del acero, pero también será más frágil y menos dúctil.

FERROALEACIONES

Aquellas en las que se somete el Hierro a calentamiento y posterior reacción con otros metales. Son aleaciones más duras que presentan mayor resistencia al impacto pero que son menos dúctiles y maleables. Presentan altos valores de conductividad eléctrica por lo que son usadas ampliamente en la producción de materiales con fines tecnológicos.

ALEACIONES DE COBRE

BRONCE

Es una aleación estable de Cobre y Estaño, que se genera a altísimas temperaturas. El Estaño es un metal plateado, maleable y que presenta resistencia a la oxidación (corrosión). Dependiendo de los porcentajes de estaño en el Bronce las propiedades y aplicaciones pueden variar. Monumentos, piezas de arte y hasta vajilla son posibles de crear usando bronce como material.

Aquellas aleaciones con bajo porcentaje en Estaño (entre un 5-10%), son duras y maleables y pueden utilizarse en la confección de materiales como espadas, cuchillos e incluso armamento.

Esculturas de Bronce

El pensador (Rodin) Perseo (Cellini)

LATÓN

Es una mezcla estable compuesta de Cobre y Cinc. El latón es un material blando, que fácilmente se funde, por lo que puede ser torneado y grabado. Es utilizado en la acuñación de monedas y la fabricación de barcos (aleación difícil de oxidar). Como es fácil de tornear, tuercas, candados y tornillos están hechos de latón.

El latón es más duro que el cobre, sin embargo ofrece menos resistencia a la fundición y grabado, además es altamente resistente a la oxidación y es dúctil por lo que una tensión externa no lo deforma.

La aleación compuesta de Cobre (70%), Níquel (15%) y Cinc (15%) se denomina corrientemente Alpaca y se usa por ejemplo en la construcción de joyas y fabricación de monedas (la argolla en la moneda de 500 pesos).

argolla de Alpaca

MATERIALES CERÁMICOS (“

Son materiales que se construyen a partir de una materia prima básica, la ARCILLA. En su obtención se utiliza agua, sílice, plomo, estaño y óxidos metálicos. Su uso ha cambiado a través de los años pero en general se cuentan:

 Vasijas para alimentos

 Ladrillo

 Tejas y baldosas

 Azulejos y refractarios

Las arcillas son materiales duros y por tanto son usados aún en construcción, sin embargo, son frágiles y quebradizos pues frente a una tensión externa de corte de rompen con facilidad.

Las arcillas son materiales con baja conductividad térmica y eléctrica, a pesar de eso, pueden conducir la corriente eléctrica a altísimas temperaturas pero muy por debajo de la intensidad que exhiben los metales. Además, las arcillas presentan resistencia a la corrosión y son poco reactivas químicamente.

Se les considera también aislantes térmicos y eléctricos, no son dúctiles ni maleables y de acuerdo con su composición tienen temperaturas de fusión por sobre los 3500ºC. El vidrio, la loza y la porcelana son ejemplos de materiales cerámicos.

El vidrio es un material amorfo obtenido de dióxido de silicio SiO2 (arcilla) que a altísimas temperaturas se mezcla con otros materiales como carbonato de sodio Na2CO3, sales de Boro y otros metales.

MATERIALES COMPUESTOS(composite)

Son materiales constituidos por 2 o más componentes distinguibles físicamente y separables mecánicamente. Estas fases difieren en composición y forma, pero se mantienen unidas conservando sus propiedades. Sus componentes tienen un comportamiento sinérgico, vale decir se potencian e intensifican sus características. En otras palabras, los materiales que componen un composite le proporcionan características específicas “mejoradas” que no presentan los componentes en forma individual.

Son ejemplos de composites: plásticos reforzados, metales reforzados, concreto, fibra de vidrio, fibra óptica y la madera.

SEMICONDUCTORES

Material con doble conducta: es aislante o conductor dependiendo del campo eléctrico en el que se encuentre y la temperatura que soporte. Los semiconductores son materiales inestables que presentan fragilidad y que son ampliamente usados en aplicaciones electrónicas y computacionales. Son capaces de convertir las señales eléctricas en luz, por lo que son muy importantes en el campo de la fibra óptica.

Ejemplo de materiales semiconductores son algunos elementos como el Cadmio, aluminio, Fósforo, Germanio y el más usado el Silicio. A diferencia de los metales, los semiconductores aumentan su conductividad eléctrica en los extremos de temperatura.

Fotoconducción en semiconductores

Es un fenómeno característico presente en los semiconductores y que se manifiesta una vez que el material se encuentra dentro de un circuito eléctrico. En este caso, los electrones estimulados por fotones con la energía suficiente producen una descarga eléctrica en el circuito.

PROPIEDADES FÍSICAS DE LOS MATERIALES

Conductividad Eléctrica

Es la capacidad de un material para permitir el paso de corriente eléctrica a través de él. La conductividad depende estrictamente de la variación de la temperatura en un material. Aquellos materiales con nula capacidad de conducción se denominan aislantes.

Conductividad Térmica

Es la capacidad de un material para permitir la conducción de calor. Casi todos aquellos materiales con alta conductividad eléctrica son buenos conductores térmicos. Basándose en el criterio de mayor o menor conductividad, se pueden clasificar los materiales en tres grupos:

 Conductores: todos los metales. Entre ellos está la Plata (Ag), el cobre (Cu), el aluminio (Al) y el Oro.

 Aislantes: la mica, la porcelana, el poliéster, el aire.

Conductividad óptica

Determina como pasa la luz incidente a través de los materiales. Se clasifican a los materiales como:

 Transparentes: Si el material deja pasar toda la luz a través de ellos.

 Translúcidos: Si el material deja pasar luz, pero se ve confusamente tras él.

 Opacos: Si el material no deja pasar la luz a través de él.

 Brillosos: Si el material es capaz de reflejar la luz.

Magnetismo

Las propiedades magnéticas, son las determinadas respuestas de un material frente a un campo magnético externo.

Existen 3 elementos que se magnetizan al aplicarles un campo magnético, éstos son el Hierro (Fe), Cobalto (Co), Níquel (Ni).

PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS MATERIALES

Tenacidad

Resistencia de un material a la fractura. Todo lo contrario a la fragilidad. El acero que es una aleación entre Hierro y carbono se considera un material tenaz. El vidrio en cambio es un material frágil.

Elasticidad

Tendencia o capacidad que ofrece un material para volver y recuperar su forma original frente a una tensión externa de deformación. El mejor ejemplo es el caucho presente en los neumáticos de los automóviles.

Plasticidad

Ocurre cuando sobre un cuerpo o material se ejerce una fuerza o tensión de deformación permanente. El material adopta la nueva forma y no se rompe. La plasticina comercial y la arcilla fresca presentan esta propiedad mecánica.

Maleabilidad

Propiedad en la cual un material (metálico generalmente) permite ser laminado por una tensión de corte sin que se rompa. El elemento más maleable que se conoce es el oro.

Transparencia

Facilidad con la que un material permite el paso de luz a través de él. El vidrio y el cristal son ejemplo de materiales transparentes.

Resistencia

Capacidad para soportar tensiones y esfuerzos sin deteriorarse. Un ejemplo es el acero (ampliamente usado en construcción).

Flexibilidad

Capacidad de deformación de un material sin romperse ni cortarse. En general los plásticos y algunos polímeros ofrecen esta capacidad.

Dureza

Se define como la resistencia u oposición al rayado que ofrece un material. Un material es más duro que otro cuando sus componentes moleculares se encuentran más unidos y tensionados. Existe una escala relativa de dureza para los minerales de la que es posible inferir que el mineral más blando en la tierra es el talco y el más duro, el diamante.

Escala de dureza mineral:

1 Talco, (se puede rayar fácilmente con la uña)

2 Yeso, (se puede rayar con la uña con más dificultad) 3 Calcita, (se puede rayar con una moneda de cobre) 4 Fluorita, (se puede rayar con un cuchillo)

5 Apatito, (se puede rayar difícilmente con un cuchillo) 6 Ortosa, (se puede rayar con una lija de acero)

7 Cuarzo, (raya el vidrio) 8 Topacio, (raya al cuarzo)

TÉCNICAS DE SEPARACIÓN DE MATERIALES

TAMIZADO

Consiste en separar partículas sólidas de acuerdo a su tamaño, en la práctica consiste en utilizar coladores de diferentes tamaños, en los orificios, llamados tamices, colocados en forma consecutiva, en orden decreciente, de acuerdo al tamaño de los orificios. Es decir, los de orificios más grandes se encuentran en la parte superior y los más pequeños en la inferior. Los coladores reciben están elaborados en telas metálicas.

FILTRACIÓN

Se ocupa cuando se desea separar un sólido de un líquido, haciéndolo pasar a través de materiales porosos como el papel filtro, algodón o arena. Estos materiales permiten solamente el paso del líquido reteniendo el sólido.

Si el sólido es un material muy fino y obstaculiza el proceso de filtración, entonces as necesario adaptar un sistema de filtración al vacío como el que se observa en la figura a continuación:

CROMATOGRAFÍA

LA DESTILACIÓN

Es el método más utilizado para la separación y purificación de líquidos. Se usa cada vez que se pretende separar un líquido de sus impurezas no volátiles. Hay varios tipos de destilación, la más sencilla es la destilación simple en la que el proceso se lleva a cabo por medio de una sola etapa, es decir, que se evapora el líquido de punto de ebullición más bajo (calentando la mezcla) y se condensa por medio de un refrigerante. La destilación es útil además para separa mezclas homogéneas de líquidos con distinto punto de ebullición, como por ejemplo, mezclas de agua-alcohol, agua-cetona, éter-agua-alcohol, etc.

TEST DE EVALUACIÓN MÓDULO 30

1. El único Metal de la lista es

A) Litio. B) Flúor. C) Fósforo. D) Boro. E) Neón.

2. Talco y cuarzo son

A) aleaciones. B) composites. C) metales. D) minerales. E) polímeros.

3. La(s) única(s) opción(es) correctas (aleación





I) Alpaca

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









B) Sólo II. C) Sólo III. D) Sólo I y II. E) I, II y III.

4. La porcelana es un material

A) altamente conductor de electricidad. B) frágil, duro y cerámico.

C) con elevada conductividad térmica. D) que se oxida con facilidad.

E) con baja resistencia a la corrosión.

5. La maleabilidad es una propiedad que pueden presentar los metales como el(la) I) Mercurio líquido.

II) Cobre sólido. III) Plata sólida. A) Sólo II.

6. El poliéster es un material altamente usado en la fabricación de ropa. Éste es un polímero

A) iónico. B) metálico. C) de adición. D) de condensación.

E) formado de un sólo monómero.

7 Una mezcla líquida entre 2 alcoholes (ambos polares) se semejante punto de ebullición puede ser separada mediante un(a)

A) tamizado. B) filtración.

C) destilación fraccionada. D) descomposición térmica. E) cromatografía en placa fina.

8. Son metales que pueden usarse para evitar la corrosión de un metal...

A) Mercurio y Plomo B) Cromo y Níquel. C) Cloro y Magnesio. D) Hierro y Oro. E) Silicio y Yodo.

9. El Silicio es un elemento

A) duro. B) aislante. C) plástico. D) gaseoso. E) semiconductor.

10. La destilación es un procedimiento de separación que se fundamenta en

A) la diferencia de densidades entre 2 líquidos altamente volátiles. B) la similitud en las masas molares de los componentes de una mezcla.

C) la diferencia en los puntos de ebullición de los componentes de una mezcla líquida. D) la similitud en la temperatura de fusión de 2 sólidos calentados a presión atmosférica. E) los distintos valores de calor específico entre 2 gases que se licuan a presión atmosférica.

11. Aquellos metales usados en la fabricación de monedas

12. Etileno, Acetileno y Estireno son monómeros que pueden formar

A) copolímeros.

B) polímeros de adición. C) polímeros de condensación. D) macromoléculas inorgánicas.

E) plásticos que no pueden moldearse.

13. Propiedad en la cual un material (metálico generalmente) permite ser laminado por una tensión de corte sin que se rompa. Lo anterior define a la propiedad denominada

A) flexibilidad. B) ductilidad. C) transparencia. D) maleabilidad. E) ferroelectricidad.

14. Son materiales resistentes a la corrosión I) Cobre metálico.

II) materiales cerámicos. III) acero reforzado. A) Sólo II.

B) Sólo III. C) Sólo I y II. D) Sólo II y III. E) I, II y III.

15. El siguiente monómero insaturado se denomina industrialmente

A) etileno. B) teflón. C) xileno. D) tolueno. E) estireno.

16. El vidrio es un material I) frágil. II) flexible. III) duro. Es(son) correcta(s) A) sólo II.

17. Las pinturas son materiales I) poliméricos.

II) que evitan la corrosión de metales. III) que no se descomponen con el calor. Es (son) correcta(s)

A) sólo I. B) sólo II. C) sólo III. D) sólo I y II. E) I, II y III.

18. El metal que forma junto al Cobre la aleación denominada Bronce es el (la)

A) Oro. B) Plata. C) Estaño. D) Litio. E) Manganeso

19. Ladrillos, Tejas y baldosas se confeccionan a partir de

A) Arcilla. B) Magma. C) Cobre. D) Estaño. E) Mercurio.

20. El latón y laalpaca tienen en su composición