CIENCIAS: QUÍMICA PLAN GENERAL

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1 MODULO 5: LOS MATERIALES Desde el comienzo de la civilización, los materiales junto con la energía han sido utilizados por el hombre para mejorar su nivel de vida. Éstos se clasifican en cinco grupos: Metales, Cerámicos, Polímeros, Materiales Compuestos y Semiconductores, teniendo cada uno de estos grupos estructuras y propiedades distintas. Es necesario notar que el comportamiento de los materiales queda definido por su estructura a nivel atómico y/o molecular. Las propiedades se separan para su estudio en dos grandes ramas: propiedades físicas y propiedades mecánicas. Metales Conducen fácilmente la electricidad y el calor. Generalmente tienen brillo, alta densidad, alto punto de fusión, son maleables (pueden fabricar láminas) y dúctiles (pueden fabricar alambres), presentan alta resistencia al impacto, tensión y compresión. Según su densidad de dividen en: a) Pesados: La mayoría de ellos (densidad mayor a 5 g/cm 3 ) b) Ligeros: Aluminio y Titanio (densidad entre 2 y 5 g/cm 3 ) c) Ultraligeros: Magnesio y Berilio (densidad menor a 2 g/cm 3 ) Aleaciones férreas: Son las sustancias férreas que han sufrido un proceso metalúrgico. También llamados productos siderúrgicos pueden clasificarse en: hierro, aceros, fundiciones, ferroaleaciones, aleaciones férreas especiales y conglomerados férreos. 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%. Cuanto mayor es el porcentaje de carbono mayores serán la resistencia y la dureza del acero, pero también será más frágil y menos dúctil. Cerámicos La materia prima es la arcilla. Para su obtención se emplea agua, sílice, estaño y óxidos metálicos como materiales primas. Son materiales fuertes y duros, pero muy frágiles. Tienen baja conductividad eléctrica. Son compuestos químicos o soluciones sólidas complejas, formadas por elementos metálicos y no metálicos, por lo que están formados por enlaces iónicos y covalentes que les confieren una alta estabilidad y resistencia a las alteraciones químicas. 1

2 Características: Resistencia a altas temperaturas, por lo que son buenos aislantes del fuego; Gran resistencia a la corrosión y a la erosión que causan los agentes atmosféricos; Alta resistencia a casi todos los agentes químicos; y Gran poder de aislamiento térmico y eléctrico. Polímeros Son macromoléculas, formadas por pequeñas moléculas llamadas monómeros, que se unen mediante un proceso llamado polimerización. En general, tienen baja conductividad eléctrica y térmica. Existen varias formas de clasificar los polímeros: - Según su origen: a) Naturales: proteínas, celulosa, caucho natural, quitina, lignina. b) Sintéticos: Nylon, poliestireno, policloruro de vinilo (PVC), polietileno. - Según mecanismo de obtención: a) Polímeros de condensación: Al formarse se eliminan pequeñas moléculas como agua, por lo que no todos los átomos del monómeros forman el polímero. b) Polímeros de Adición: En su formación no se libera ningún tipo de molécula, por lo que todos los átomos del monómero forman el polímero. El monómero debe tener a lo menos un doble enlace (enlace π) - Según composición química: a) Polímeros orgánicos: Hay de dos tipos; la cadena principal del polímero está formada por sólo átomos por carbonos: polietileno (bolsas), poliestireno (aislapol), caucho (neumáticos), PVC (tuberías, imitación cuero) y teflón (antiadherente). El otro tipo tiene en su cadena principal oxígeno y/o nitrógeno, además de carbono. Poliéster (telas), policarbonato (vidrios resistentes al impacto) y poliamida (lana, seda). b) Polímeros Inorgánicos: Siliconas (adhesivos y rellenos). - Según usos: a) Elastómeros: Se pueden deformar mucho, pero pueden recuperar su forma inicial al dejar de ser sometidos a un esfuerzo. b) Plásticos: Al ser deformados intensamente no recuperan su forma inicial. c) Fibras: Utilizados para confeccionar tejidos. d) Recubrimientos: Generalmente líquidos, se adhieren a la superficie de otros materiales, para modificar sus propiedades. e) Adhesivos: Utilizados para unir dos cuerpos por contacto de sus superficies. - Según comportamiento frente al calor: a) Termoplásticos: Al calentarlos, funden y fluyen y al quitarles la fuente de calor solidifican. Son dúctiles. b) Termoestables: Se descomponen químicamente al calentarlos. Son frágiles. 2

3 Materiales Compuestos Son materiales constituidos por 2 o más componentes distinguibles físicamente y separables mecánicamente. Presenta fases distintas, son insolubles entre si. Sus componentes tienen comportamiento sinérgico, es decir que se potencian. Se clasifican en tres categorías: Particulados: Dentro de estos podemos distinguir dos tipos: los dispersores que son materiales endurecidos por dispersión y contienen partículas de 10 a 250 nm de diámetro, y los verdaderos que contienen grandes cantidades de partículas gruesas. Reforzados con fibra: Este tipo de compuestos tienen mayor resistencia a la fatiga, mejor rigidez y una mejor relación resistencia-peso, al incorporar fibras resistentes y rígidas, aunque frágiles, es una matriz más blanda y dúctil. Laminares: Incluyen recubrimientos delgados, superficies protectoras, revestimientos metálicos, laminados y todo un conjunto de materiales con aplicaciones específicas. Semiconductores Material que presenta doble comportamiento: como conductos y aislante dependiendo del campo eléctrico en el que se encuentre y dependiendo también de la temperatura. Son materiales muy frágiles y esenciales en aplicaciones electrónicas y computacionales. Convierten las señales eléctricas en luz, por lo que son imprescindibles en el sistema de fibras ópticas. Fotoconducción: Es un fenómeno característico de los semiconductores, que ocurre si el material es parte de un circuito eléctrico. En este caso, los electrones estimulados por fotones con la energía suficiente producen una corriente eléctrica en el circuito. Propiedades Físicas de los Materiales Dependen de la estructura y procesamiento del material. Describen características como color, conductividad eléctrica o térmica, magnetismo y comportamiento óptico, generalmente no se alteran por fuerzas que actúan sobre el material. Conductividad Eléctrica: Es la capacidad de un cuerpo de permitir el paso de la corriente eléctrica a través de sí. Varía con la temperatura. Un aislante es el material que no es capaz de conducirla (vidrio, caucho). Conductividad Térmica: Es una propiedad de los materiales que mide la capacidad de conducción de calor. En general un buen conductor eléctrico es también un conductor térmico. Los materiales se pueden clasificar en tres grupos: 3

4 - Conductores: Son aquellos con gran número de electrones en la banda de conducción. Todos los metales son conductores, unos mejores que otros. Buen conductor es la plata, el cobre. Mal conductor es el hierro, el plomo. - Aislantes: Son aquellos cuyos electrones están fuertemente ligados al núcleo y por lo tanto, son incapaces de desplazarse por el interior y, consecuentemente, conducir. Buenos aislantes son por ejemplo: la mica, la porcelana, el poliéster, el aire. - Semiconductores: Algunas sustancias son poco conductoras, pero sus electrones pueden saltar fácilmente de la banda de valencia a la de conducción, si se les comunica energía exterior. Tienen gran importancia en la electrónica. Algunos ejemplos son: el silicio, el germanio y el arseniuro de galio. Conductividad Óptica: Determina como pasa la luz incidente a través de los materiales. Éstos se clasifican cómo: - Transparentes: El material deja pasar la luz fácilmente a través de ellos, que permite ver claramente lo que hay tras él. - Translúcido: El material deja pasar la luz, pero se ve confusamente tras él. - Opacos: El material no deja pasar la luz a través de él, por lo tanto se ven negros. Por otro lado los materiales tienen brillo, si son capaces de reflejar la luz. Propiedades ópticas Se refieren a la interacción entre un material y las radiaciones electromagnéticas. Estas radiaciones pueden ser o no visibles para el ojo humano. - Absorción: Ocurre cuando los fotones incidentes ceden energía al material. - Reflexión: Ocurre cuando los fotones incidentes aportan energía y el material emite electrones de idéntica energía. - Transmisión: Ocurre cuando los fotones no interactúan con el material. Magnetismo: Son las determinadas respuestas de un material al campo magnético. Existen 3 elementos que se magnetizan al aplicarles un campo magnético, éstos son el hierro (Fe), cobalto (Co) y níquel (Ni). Propiedades Mecánicas Tenacidad: Resistencia que opone un cuerpo a romperse por un impacto. La madera por ejemplo es muy tenaz, dado que es necesario un choque muy violento para romperla. Elasticidad: Un cuerpo elástico se deforma cuando se ejerce una fuerza sobre él, pero cuando esa fuerza desaparece, el cuerpo recupera su forma original. Un ejemplo es el caucho o el hule. Plasticidad: Propiedad de un cuerpo por la que una deformación, producida por una fuerza aplicada, se hace permanente. Un ejemplo es la arcilla fresca. 4

5 Maleabilidad: Propiedad que presentan algunos metales y aleaciones que permite la obtención de delgadas láminas sin que éstas se rompan, El elemento conocido más maleable es el oro. Ductilidad: Propiedad que presentan algunos metales y aleaciones cuando, bajo la acción de una fuerza, pueden estirarse sin romperse permitiendo obtener alambres o hilos. Termofluencia: Propiedad que presentan algunos cuerpos a experimentar deformación plástica ocurrida a altas temperaturas. Dureza: Resistencia de un cuerpo a ser rayado por otro. Un cuerpo es más duro que otro ya que sus moléculas están muy unidas y tensas como para dejarse penetrar. Procedimientos de Separación Pueden ser mecánicos y/o físicos. Las diferentes técnicas de separación son: Cromatografía: Método físico de separación para caracterizar mezclas complejas. En ella existe una fase móvil que consiste en un fluido que arrastra a la muestra a través de una fase estacionaria que se trata de un sólido o líquido fijado en un sólido. Filtración: Separación Mecánica de un sólido fino a partir de un líquido donde se encuentra mezclado. Consiste e pasar la mezcla a través de un papel filtro o medio poroso para que escurra el líquido y quede retenido el sólido en el papel filtro. Destilación: Se utiliza cuando se requiere separar líquidos de una mezcla. Consiste en hervir el líquido y luego condensar los vapores, y como los líquidos a separar poseen distintos puntos de ebullición es posible separarlos y luego condensarlos en recipientes separados. Tamizado: Método físico para separar mezclas. Consiste en hacer pasar una mezcla de partículas sólidas de diferentes tamaños por un tamiz o colador Pasan las partículas de menor tamaño. La Materia Materia: Es todo aquello que ocupa un espacio; por lo tanto todo lo que nos rodea es materia. Se subdivide en Sustancias y mezclas; las que a su vez se componen por elementos y compuestos, y e homogéneos y heterogéneos respectivamente. Sustancia: Materia que tiene una composición constante o bien definida con características definidas. Ejemplos: Agua, Oxígeno, Glucosa. Elemento: Es una sustancia que no puede ser separada en otra más simple a través de procesos químicos. La unidad básica de un elemento es el átomo. Se agrupan en la Tabla Periódica, en ella se encuentran 112 elementos de los cuales 83 son propios de la naturaleza y los otros han sido producidos de manera artificial. 5

6 Compuesto: Aquellas sustancias formadas por dos o más elementos unidos químicamente en proporciones definidas. Ejemplo: La Madera. Mezcla: Es la combinación de varias sustancias, donde cada componente mantiene sus propiedades químicas particulares, La proporción de la mezcla puede variar, algunos ejemplos son: Cemento, Bebidas gaseosas, Leche. Mezcla Homogénea: Aquella donde no se pueden ver sus componentes a simple vista. Se conocen como disoluciones constituidas por un soluto y solvente, siendo el primero el que se encuentra en menor proporción. Ejemplos: Agua con sal, Agua con azúcar. Mezcla Heterogénea: No posee una composición uniforme, en la cual se puede distinguir a simple vista sus componentes. Las partes pueden separarse mecánicamente. Ejemplos: Ensaladas, Agua con arena, Sal en la arena. Ley de la Conservación de la Materia Contempla que la materia no aumenta ni disminuye, o sea, la masa de los productos es igual a la masa de los reactivos. Una ecuación química debe tener el mismo número de átomos de cada elemento a ambos lados de la ecuación. En una reacción química los átomos solamente se reordenan, formándose nuevas moléculas a partir de las moléculas iniciales. Se le atribuye a: Lavoisier. Fórmula Química Corresponde a la representación de una sustancia química. Cada elemento tiene un símbolo químico. Los elementos químicos están formados por átomos de la misma clase, de manera que el símbolo químico representa al átomo de ese elemento. Ejemplo: Sodio (Na), Oxígeno (O), Potasio (K). Para una sustancia compuesta por moléculas, la fórmula química indica el número de átomos de cada tipo de molécula. Ejemplo: Molécula de agua (H 2 O) 6

7 Representaciones Moleculares: Figura 1. De izquierda a derecha. Representación estructural del Metano, Representaciones Tridimensionales del Metano. Enlace Químico Las líneas que conectan a los distintos átomos se denominan enlaces químicos, los cuales mantienen a cierta distancia los átomos y forman ciertos ángulos entre sí. El enlace sólo entra en contacto con los electrones de las zonas más externas de cada átomo. La capa de electrones más externa, la de los electrones de valencia, es la que va a participar en la formación del enlace químico. Una manera práctica de representar los electrones de valencia es utilizando los símbolos de puntos de Lewis. Tipos principales de enlaces químicos son: Enlace iónico y Enlace covalente. Enlace Iónico: Se forma entre dos especies químicas con distintas carga, osea, entre un catión (especies químicas con carga positiva) y un anión (especies con carga negativa). 7

8 Enlace Covalente: En él se comparten los electrones de valencia. No existe transferencia de electrones desde un átomo a otro, sino que se comparten electrones entre los átomos. Figura 2. Enlace Covalente del Flúor (F 2 ) Ecuaciones Químicas Permiten representar procesos mediante los cuales se están realizando transformaciones químicas, como la síntesis de un producto en la industria química o un proceso metabólico en nuestro organismo, por ejemplo. Las reacciones químicas involucran cambios de las estructuras participantes, es decir, ocurre un reordenamiento de los átomos para generar una estructura o compuesto químico nuevo: el producto a partir de reactantes. Una ecuación química general sería: aa bb cc dd Donde A y B representan los reactantes, y C y D los productos. a, b, c y d; corresponden a los coeficientes Estequiométricos. La fecha muestra el sentido de la reacción, que indica además que se formarán lo reactivos. 8