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Clasificación de los Materiales deIngeniería de acuerdo al tipo deEnlace Químico y FuerzasIntermoleculares presentes

Ing. Enrique De La Cruz Sosa

Comprender la influencia de los EnlacesQuímicos y/o Fuerzas Intermoleculares en lajustificación de las Propiedades de losMateriales de Ingeniería.

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Propósito de la sesión de clases

Composición

Síntesis /procesado

Propiedades/ Comportamiento

en servicio

Microestructura

¿Es de hierro, de aluminio, o es

un polímero?

¿Qué tipos de elementos y/o

compuestos presenta y en qué

porcentaje se encuentran?

¿cómo se lo

fabricó o se le

proceso?

¿el grano es grueso o fino,

está deformado o alargado?

¿cuál es la

aplicación final

del material?

¿ De qué factores dependen las Propiedades ?

De la …

Composición,

Estructura,

Tipo de enlace, y del

Procesado del material

ESTRUCTURA DE UN MATERIAL

¿A qué se refiere?

A la disposición espacial (arreglo geométrico) de las

unidades estructurales (átomos, iones o moléculas) que

forman parte de una determinada sustancia (pura o

mezcla).

Muestra de sal de mesa,

sustancia cristalina cuyo

constituyente principal es el

cloruro de sodio (NaCl).

Por ejemplo…


A nivel macroscópico…

Pequeño

cristal de sal

A nivel sub microscópico o atómico…

“Vemos” que

internamente está

formado por un gran

número de átomos, y

que éstos presentan

un arreglo

geométrico espacial.

… átomos

electrizados

o iones.


• Nivel Microscópico:

Se visualiza con ayuda demicroscopios metalográficos quedan una idea sobre ladistribución mutua de las fases,su forma y dimensiones.

Microestructura de un acero

inoxidable austenítico

Cristales de sal de mesa

NIVELES DE ANÁLISIS DE LA ESTRUCTURA DE UN MATERIAL

Nivel Macroscópico:

Se observa a simple vista o

con un aumento insignificante

de 30X – 40X

Microestructura de un tipo de acero. Se observan

los diferentes granos del metal policristalino.

• Nivel Subatómico:

Organización de la parte interna del átomo,es decir, interacción electrón - núcleo.

Nivel Atómico o submicroscópico:

Organización de los átomos o

moléculas dentro de un cristal.

NIVELES DE ANÁLISIS DE LA ESTRUCTURA DE UN MATERIAL

Enrique De La Cruz Sosa 10

FUERZAS y ENERGÍAS DE ENLACE

Se observa en la distancia de enlace (longitud de enlace)

que…

La fuerza neta es CERO

La energía de enlace (energía neta) toma su valor mínimo

(criterio de estabilidad)


TIPOS DE ENLACE

I. Enlaces fuertes o primarios: Enlaces químicos

1. E. metálico

2. E. covalente

3. E. iónico

II. Enlaces débiles o secundarios: enlaces físicos

1. Fuerzas de Van der Walls

1. Interacción dipolo-dipolo (interacción por dipolos

permanentes)

2. Fuerzas de London (interacción por dipolos

oscilantes)

2. Unión puente de Hidrógeno


Se observa que cerca de la distancia de enlace (longitud de

enlace) …

El enlace fuerte (químico) posee una mayor pendiente así

como de una mayor energía de enlace (en valor absoluto) y

por tanto mayor punto de fusión.

COMPARACIÓN ENTRE LOS TIPOS DE ENLACE


TIPOS DE ENLACE PRESENTES EN LOS MATERIALES DE INGENERÍA

SEMICONDUCTORES

POLÍMEROS

CERÁMICOSMETALES


COMPARACIÓN ENTRE LAS TEMPERATURAS DE FUSIÓN DE ALGUNAS SUSTANCIAS QUÍMICAS

Material Tipo de enlace Tf (°C)

NaCl Iónico 801

C (diamante) Covalente Aprox. 3550

-(C2H4)n- Covalente y secundario Aprox. 120

Cu Metálico 1084

Ar Secundario (dipolo inducido – Dispersión de London)

-189

H2O Secundario (dipolo permanente – Puente de Hidrógeno)

0

Enrique De La Cruz Sosa

15

¿Por qué es importante estudiarlos…?Para comprender muchas de las propiedades físicas de los

materiales es indispensable conocer las fuerzas

interatómicas que mantienen unidos a los átomos.

Veamos algunos ejemplos:

¿Por qué el diamante (C), es la sustancia natural

de más elevada dureza (capacidad de rayar o

penetrar)?

¿Por qué al golpear con un martillo un

jarrón de loza éste se rompe o quiebra

a diferencia de una plancha de metal?

Los Enlaces Químicos

16

Para analizar lo anterior, elevada dureza y facilidad de

quebrarse (fragilidad), es importante saber primero…

1. ¿Cuál es su composición? ¿de qué materiales está hecho?

¿qué elementos químicos la conforman?, ¿serán metales o no

metales?, etc., etc.

2. ¿Cuál es su estructura? …sus átomos,

iones o moléculas (entidades elementales),

¿cómo se encuentran ordenados

espacialmente?, etc., etc.

El diamante es carbono puro, entonces está

constituido únicamente de átomos.

C

C

C CC

CC

CC

C

C

C

C

Los Enlaces Químicos,

vienen a ser aquel

conjunto de fuerzas, de

tipo eléctricas y/o

electromagnéticas, que

permite la unión de los

átomos.17

Si la unión se presenta entre átomos, nos encontramos

frente a los ENLACES QUÍMICOS, pero si la unión es

entre moléculas, nos encontramos frente a los ENLACES

FÍSICOS o Fuerzas Intermoleculares.

Fuerzas intermoleculares(entre moléculas)

Enlace químico(dentro de una molécula)

H

OH

Porque en su mayoría están formando parte de agregadosde átomos, ya sea como parte de una molécula, de una redcristalina o de una estructura poliatómica que a lascondiciones ambientales le permita contar con altaestabilidad y baja energía.

Enrique De La Cruz Sosa

18

¿Por qué los átomos no se encuentran aislados?

enlace

iónico

-+

Tipos de enlaces químicos

19

-

+

pueden

presentar…

enlace

covalente

enlace

metálico

+ + +

+ +

..

.. ..

.

.

.

..

....

.. .

.

..

. .. . ..

. .

.

M NM

NM NM

M - M

Átomos

libres

Unión iónica




Unión covalente



Unión metálica


Los átomos de los metales se caracterizan

por tener pocos electrones de valencia.

Éstos electrones tienen mucha facilidad para

moverse en el nivel de energía en que se

encuentran, éstos no están férreamente

asociados a un núcleo particular, pertenecen

al conjunto de iones del metal.

23

La cantidad de carga eléctrica ejercida por los cationes del metal se

ve neutralizada por las cargas eléctricas de los electrones “libres”.


Enlace metálico:

Según la teoría del “mar de

electrones”, los metales y

aleaciones, presentan electrones

libres des localizados que no

pertenecen a ningún átomo en

particular, es decir que hay

compartición colectiva.

24

Los cationes se repelen entre sí, pero son atraídos por el mar de

electrones que hay entre ellos, formándose así una red metálica.


Enlace metálico:

25

Debido a la movilidad de sus electrones de valencia, son buenos

conductores eléctricos, favoreciéndose esta propiedad a bajas

temperaturas, pues al bajar la vibración de sus átomos se

disminuye la resistencia al paso de la corriente.

La interacción entre los cationes vibrantes y los electrones hace

que sean buenos conductores de calor.

Como los enlaces no son tan fijos, los distintos átomos de un

metal pueden deslizarse unos sobre otros, lo que hace que puedan

deformarse sin rotura.

Propiedades de los materiales metálicos

Propiedades de los compuestos iónicos Son sólidos a temperatura ambiente.

Sus unidades estructurales son las unidades fórmula, que

agrupa a los cationes y aniones.

Puntos de fusión elevados. A mayor “q” y/o menor “d” ,

mayor energía reticular y por consiguiente mayor Tf.

Son duros pero frágiles.

Solubles en disolventes polares e insolubilidad en disolventes

apolares.

Malos conductores eléctricos en estado sólido pero buenos en

estado disuelto o fundido. 26

-

-

H2O

Interruptor abierto

--

-+

+++

+

Disociación total

NaCl(ac) → Na+(ac) + Cl-(ac)

H2O


Conductividad eléctrica

Interruptor cerrado

-

-

-

-

-+

++

+

+

H2OH2ODisociación total

NaCl(ac) → Na+(ac) + Cl-(ac)

28

Conductividad eléctrica

Forman parte de los compuestos orgánicos, siendo sus unidades

estructurales, las moléculas.

A T. ambiente pueden ser sólidos, líquidos, o gases.

Son muy duros, tienen baja conductividad térmica y eléctrica

Algunos son solubles en agua (sustancias polares), pero la

mayoría son poco o insolubles (caso de los hidrocarburos, por

ejemplo.)

Sus puntos de fusión es variado, bajos a muy altos como es el

caso del diamante C(s), Tf=3550ºC. 29

Propiedades de los compuestos covalentes

Tipos de enlaces químicos presentes en elementos y compuestos

Fuerzas

intermoleculares

Enlace covalente

(fuerza Intramolecular)

Son fuerzas de atracción eléctrica

que permiten la unión de moléculas

(átomos, para el caso de los gases

nobles) presentes principalmente

en los estados sólido y líquido.

Estas fuerzas influyen

cuantitativamente en las

mediciones de las diferentes

propiedades físicas tales como:

densidad, Tb, Pv, viscosidad,

tensión superficial, solubilidad, etc.

Analicemos el siguiente esquema de

unión de cinco moléculas de agua…

H

H

O

Las Fuerzas Intermoleculares

¿…serán un tipo de enlace

químico, al igual que el enlace covalente…?

¿…son más intensas que los enlaces químicos?

¿…estarán presentes en todo tipo de sustancia

química…?

Las Fuerzas Intermoleculares…

…sólo se presentan entre

moléculas, no forman

parte de los compuestos

iónicos, por ejemplo

…no son enlaces

químicos, sino

enlaces físicos.

…son de menor

intensidad que los

enlaces químicos.

Deben vencerse si queremos

pasar de un estado físico al

otro.

Caso de la fusión (S → L),

vaporización (L → V) o

sublimación (S → V)

Fusión de la cera

Sublimación del

yodo sólido

Vaporización

del agua


M. polar

M. polar

M. apolar

M. polar

M. apolar

M. apolar

Se presentan en moléculas de tipo polar como no polar según

las posibles interacciones.


Fuerzas Intermoleculares

Se clasifican

Fuerzas de Van

der Waals

Interacciones

fuertes

Interacciones

dipolo – dipolo

(Fzas. de Keesom)

Fuerzas de

dispersión

(Fzas. de London

Interacción

Ion - dipolo

Unión

Puente de

Hidrógeno

Estas fuerzas permiten la unión de moléculas polares omoléculas que tienen dipolos permanentes, debido a laatracción que hay entre sus polos eléctricos contrarios.

La intensidad de dichas fuerzas depende de la polaridad de

la molécula, es decir, a mayor momento dipolar, mayor

intensidad dipolo-dipolo.

C O C O+-

+-Ejem.: acetona

CH3COCH3

Son las únicas fuerzas que explican la unión de moléculas

apolares. Aunque las moléculas no sean polares, el

movimiento azaroso de los electrones forma dipolos

instantáneos al acercarse dos moléculas, esto debido a la

distorsión de la nube de electrones en ambas, generándose

dipolos transitorios, instantáneos o inducidos.

N2(l) N2(l)

La intensidad de la fuerza depende de la cantidad de

electrones de la molécula. A mayor cantidad de electrones

en la molécula mayor polarizabilidad de la molécula y por

lo tanto, mayor fuerza de London.

Para isómeros (moléculas con igual masa molecular) A

menor número de ramificaciones mayor intensidad de las

Fuerzas de Londón. Esto explica las diferencias en las

temperaturas de ebullición, por ejemplo.

Son un tipo especial de atracción dipolo-dipolo.

Ocurre en moléculas muy polaresque poseen átomos muyelectronegativos (F, O, N) unidos ahidrógeno. Ejemplos: HF; H2O yNH3.

La unión se establece entre lospares de e- libres y el átomo de H.

Son fuerzas intermoleculares muyintensas y permanentes.

Tipos de sólidos en función de la unión de sus unidades estructurales

Tipo de cristal

Fuerzas de unión

Propiedades Ejemplos

Iónico Atracción electrostática

Duro, Quebradizo, punto de fusión alto, mal conductor de calor y electric.

NaCl, LiF, MgO, CaCO3

Covalente Enlace covalente

Duro, punto de fusión alto, mal conductor de calor y electricidad

C (diamante), SiO2 (cuarzo)

Molecular Fuerzas de dispersión, D-D, enlaces de hidrógeno

Suave, punto de fusión bajo, mal conductor de calor y electricidad

H2O, sacarosa

Metálico Enlace metálico

Blando a duro, punto de fusión bajo a alto, buen conductor de calor y electricidad

Todos los elementos metálicos

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