Manual de Laboratorio de Estructura de los Materiales

Grupo de Investigacin en la Enseanza de la Qumica

Abril 2008.

Este Manual es original de los trabajos del Grupo de Investigacin en la Enseanza de la Qumica.

Miguel vila Jimnez Alicia Cid Reborido Mara Eugenia Elorza Guerrero Lilia Fernndez Snchez Mara del Carmen Gonzlez Corts Leonardo Hernndez Martnez Mara Tula Alicia Luna Rojas Mara Isabel Raygoza Maceda Jos Carlos Federico Roa Limas Hugo Eduardo Sols Correa Mara de la Luz Soto Tllez Josefina Tapia Cervantes

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CONTENIDO

Pgina Prlogo Presentacin al curso de laboratorio Introduccin al Curso de Laboratorio de Estructura de los Materiales Taller de construccin de estructuras Metales y aleaciones Oxidacin de metales Conductores, semiconductores y aislantes Polmeros de adicin Polmeros de condensacin Materiales Cermicos: identificacin de algunas propiedades fsicas y qumicas del cemento Preparacin de materiales amorfos 4 5 17 19 29 35 41 51 68 74 84

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Introduccin al Curso de Laboratorio de Estructura de los MaterialesEl Ingeniero es el profesional que se encarga de procesar diferentes materiales para obtener productos que le proporcionen al ser humano mejores condiciones de vida, muchos de esos materiales iniciales o materias primas se encuentran formando parte de la naturaleza, como el petrleo, los minerales, los animales y las plantas. Para determinar qu material es el ms conveniente en un uso especfico es necesario conocer sus propiedades fsicas y qumicas. Las propiedades dependen de la estructura y especficamente de la microestructura. La microestructura indica el acomodo en el espacio de las partculas ms elementales (tomos, iones, molculas o grupos de stos) de un compuesto y los enlaces que hay entre ellos. La microestructura puede ser cristalina o amorfa. En la estructura cristalina, cada partcula se encuentra perfectamente ordenada con respecto a sus vecinos siguiendo un patrn tridimensional de largo alcance y en la estructura amorfa no existe un orden de largo alcance entre las partculas que conforman el material. Un slido cristalino es un objeto que tiene una forma polidrica ms o menos regular. En muchos casos es posible observar microscpicamente estas formas, pero la mayor parte de las veces las formas cristalinas deben ser observadas en alguna versin de microscopio. El estado cristalino es considerado por la fisicoqumica como el nico estado realmente slido, es una distribucin geomtrica ordenada llamada red cristalina. La red cristalina se puede reducir imaginariamente hasta que se llega a una unidad bsica, a la cual se le denomina celda unitaria y es el menor paraleleppedo obtenido que contiene el arreglo con el menor nmero de partculas que retiene las propiedades generales de toda la red. Existen siete sistemas cristalinos con los cuales pueden obtenerse todos los arreglos geomtricos posibles: cbico, hexagonal, rombodrico, ortorrmbico, tetragonal, triclnico y monoclnico. De stos el ms simtrico es el cbico. Los materiales metlicos presentan preferentemente esta estructura. stos se pueden clasificar en puros y aleaciones. Algunas propiedades generales que presentan los materiales metlicos son: buena conductividad, elctrica y trmica, alta resistencia mecnica a temperatura ambiente, buena resistencia al impacto, alta rigidez, son maleables, dctiles, son relativamente densos y poseen brillo caracterstico. Algunos ejemplos de este

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tipo de material son: aluminio (Al), hierro (Fe), cobre (Cu), nquel (Ni), oro (Au), latn (Cu-Zn), bronce (Cu-Sn), acero (Fe-C); de los ejemplos anteriormente dados, los primeros cinco son metales y los tres ltimos son aleaciones. En este curso se pondr de manifiesto cmo cambian las propiedades de estos materiales cuando se modifica la microestructura.

Muchos de los materiales polimricos, a diferencia de los metlicos, tienen una estructura amorfa, por lo que sus propiedades son diferentes a las de los metales. Los polmeros son compuestos que presentan cadenas largas de molculas, orgnicas o inorgnicas, se clasifican por sus usos en fibras, hules y plsticos y por su reaccin al calor en: termoplsticos y termoestables o termofijos. Algunas de las propiedades ms relevantes son: escasa resistencia mecnica, baja conductividad elctrica y trmica, excelente resistencia a la corrosin, flexibles, poco densos, qumicamente inertes. Algunos ejemplos de materiales polimricos son: caucho, tefln, nylon, adhesivos, polietileno y polister. En este manual se presentan dos prcticas donde se obtendrn varios polmeros y se analizarn sus propiedades en funcin de la estructura que presentan. Los materiales cermicos pueden presentar ambos tipos de estructuras: algunos de ellos son cristalinos y otros son amorfos. Este tipo de materiales son compuestos inorgnicos que en su preparacin o uso se puede emplear altas temperaturas y se clasifican en: cermica tradicional y cermica avanzada Las propiedades caractersticas son: escasa conductividad trmica y elctrica, elevada resistencia a las temperaturas, baja resistencia al impacto, alta rigidez y elevada dureza y buena resistencia al desgaste, qumicamente son resistentes. Algunos ejemplos son: ladrillos, vidrio, loza, abrasivos, cemento. En este manual se trabajar con un material cermico cristalino (cemento) y con un material cermico amorfo (vidrio).

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TALLER DE CONSTRUCCION DE MODELOS DE ESTRUCTURAS CRISTALINAS Objetivos especficos: Al terminar el taller el alumno ser capaz de:Elaborar las estructuras cbica centrada en las caras y hexagonal compacta, con materiales de fcil adquisicin Elaborar la estructura cbica centrada en las caras donde se haga notar el nmero de coordinacin para esta estructura.

Consideraciones tericasLos slidos tienen mucha importancia en ingeniera, ya que estos materiales pueden ser mecnicamente transformados para que obtengan la forma y las dimensiones adecuadas para su uso. Los slidos pueden ser amorfos o cristalinos, segn la estructura que presenten. En los materiales amorfos, no existe un orden especfico en la manera en que se distribuyen las partculas en un material. En el material cristalino, las partculas estn acomodadas de tal manera que se han podido encontrar estructuras geomtricas en el nivel atmico, las cuales explican las propiedades fsicas y mecnicas de los materiales. La estructura cristalina se da cuando las partculas se encuentran ordenadas, formando un patrn al cual se le denomina red o retculo; presenta ordenamiento de corto y largo alcance, esto es, el ordenamiento de una partcula con respecto a partculas vecinas en el primer caso y en el segundo, en toda la red. Un modelo de red se construye considerando un conjunto de puntos o nodos, los cuales representan las posiciones de los iones, los tomos o las molculas que lo conforman qumicamente. La red se puede dividir hasta que se llega a una unidad bsica, a la cual se le denomina celda unitaria y es el menor paraleleppedo que contiene el menor nmero de partculas que retienen las propiedades generales de toda la red y que al repetirse en el espacio pueden reproducirla. Existen siete sistemas cristalinos, los cuales se distinguen por sus constantes cristalogrficas: cbico, hexagonal (trigonal hexagonal), rombodrico (trigonal rombodrico), ortorrmbico, tetragonal, monoclnico y triclnico. Las constantes cristalogrficas son 3 vectores y 3 ngulos. De los vectores solamente se considera la longitud, no la direccin, convirtindose en magnitudes escalares, denominadas parmetros de red, los cuales son: aristas (distancia desde un vrtice hasta el otro en un eje dentro de una celda unitaria), sealados con las letras a, b y c y los ngulos entre las aristas que parten de un mismo vrtice, sealados con las letras griegas , y .

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Considerando que los tomos, iones o molculas, constituyentes qumicos de la sustancia que forma el slido cristalino, pueden ser representados como esferas, stas se pueden acomodar (empaquetar) de dos maneras dentro de la red que forma el cristal: no-compacto y compacto, los cuales se pueden observar en la figura 1.

(a)

(b)

Figura 1. Empaquetamiento de las partculas (a) no compacto, (b) compacto En el caso del empaquetamiento compacto, es posible obtener dos estructuras al ir sobreponiendo capas de partculas una sobre de otra, colocando las partculas de una capa encima de los huecos de la anterior. Los dos tipos de empaquetamiento son: ABAB y ABCABC, figura 2.

1. Capa (A) 2. Capa (B)

1. Capa (A) 2. Capa (B) 3. Capa (C)

3. Capa (A)

(a) Hexagonal Compacta

(b) Cbica Centrada en las Caras

Figura 2. Empaquetamientos Compactos

En el caso del empaquetamiento ABAB... se observa que la estructura resultante es una estructura que forma hexgonos (estructura hexagonal compacta) mientras que cuando se provoca la secuencia ABCABC... se produce una estructura cbica. En ambos modelos de estructuras se tiene el mismo factor de empaquetamiento (relacin entre el volumen ocupado y el volumen total en la celda unitaria) e igual nmero de coordinacin (nmero de vecinos tangentes a cada nodo en el modelo):12. Debido a la forma esfrica que hemos idealizado para las partculas, el acomodamiento tangencial de ellas genera huecos. Para estas estructuras compactas, se pueden observar dos tipos de huecos: el octadrico y el tetradrico (identificarlos en la figura 3). En las microestructuras, a los huecos se les denomina intersticios. Los huecos tetradricos tienen cuatro tomos como vecinos tangentes (que forman un tetraedro) y los

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sitios octadricos que tienen seis tomos como vecinos (forman un octaedro), figura 3. La estructura hexagonal presenta huecos tetradricos. La estructura cbica centrada en las caras presenta ambos tipos de huecos.

a) OCTADRICO

b) TETRADRICO

Figura 3. Tipos de huecos que se forman en las estructuras cristalinas. El nmero de coordinacin, para las estructuras metlicas, se define como el nmero de enlaces que tiene un tomo con sus vecinos o el nmero de tomos que rodean y estn en contacto directo con el tomo central. La figura 4 presenta el nmero de coordinacin para la estructura cbica simple 5 4 1 2

3 6 Figura 4. Nmero de Coordinacin 6 en la estructura cbica simple. El crculo ms grande representa al tomo central, los crculos medianos son los tomos vecinos en contacto directo (6) con el tomo central. Los crculos pequeos no estn en contacto directo.

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Desarrollo experimentalMaterial 200 esferas de unicel de 2 cm de dimetro de tres colores diferentes pistola de silicn 3 bases de madera de 20 x 20 cm o mayor 12 palillos de madera cilndricos de 10 cm de doble punta 16 palillos de madera cilndricos de 6 cm de doble punta 1 metro cuadrado de plstico cristal

Procedimiento1. Extender el plstico sobre la mesa, para trabajar sobre l. 2. Elaboracin del modelo de la Estructura Compacta Cbica Centrada en las Caras Se necesitan 4 capas de esferas. La primera capa se construye sobre una de las bases de madera, pegando esferas de unicel de un solo color. Las dems capas se construyen sobre el plstico cuidando que no queden adheridas a l. Capa 1. En la base de madera, pegar las esferas como se indica en la figura 5, colocar de 5 a 8 esferas por hilera y situando las esferas de la siguiente hilera en los huecos de la hilera anterior.

Figura 5. Capa 1 Capa 2 y 3. Sobre el plstico, construir dos capas de esferas similares a la figura 6 (una de cada color, y de colores diferentes a la capa 1).

Figura 6. Capas 2 y 3. Dos capas iguales de diferente color9

Para construir cada una de las capas de la figura 6, seguir las indicaciones de la figura 7, que consisten en: formar una seccin con dos hileras de 5 y 6 esferas respectivamente y pegarlas entre s (Fig. 7a), armar otra seccin de 5 y 5 esferas (Fig. 7b) y por ltimo una seccin de 4 y 5 esferas (Fig. 7c). Una vez que las tres secciones estn listas, pegarlas como se indica en la figura 7d.

(a)

(b) (d)

(c)

Figura 7

Capa 4. Construir una capa segn la figura 8 (del mismo color que la capa 1).

Figura 8. Capa 4.

A continuacin, construir (unir las esferas con pegamento) dos pirmides de siete esferas cada una, como se muestra en la figura 9, utilizando los colores como se indica en el la figura 9: 1. Pirmide 2. Pirmide

1er. Paso

2o. Paso Figura 9

1er. Paso

2o. Paso

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Finalmente pegar las dos pirmides, girando una de ellas 180 como se muestra en la figura 10, esta operacin dar como resultado la formacin de una estructura cbica centrada en las caras.

Figura 10

Para armar la estructura cbica centrada en las caras, hay que colocar las estructuras de la figura 6 sobre la estructura formada en la figura 5 (sin pegar), colocar el cubo (resultante de pegar las dos pirmides) en el hueco dejado por el ensamble de las capas (cuide que coincidan los colores) y despus colocar la estructura obtenida de la figura 7.

3. Elaboracin de la Estructura Hexagonal Compacta Se necesitan 3 capas de esferas: las capas 1 y 3 sern del mismo color y la capa 2 ser de un color diferente. La primera se armar en una base de madera y las dems se construirn en el plstico de tal manera que no queden adheridas a l. Capa 1: En la base de madera, pegar 45 esferas como se indica en la figura 11.

Figura 11. Estructura correspondiente a las capas 1 y 3

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Sobre el plstico, construir las siguientes capas: Capa 2: Armar estructuras semejantes a las de la figura 12 y 13, ambas del mismo color.

Figura 12. 1. Seccin de la capa 2

Figura 13. 2. Seccin de la capa 2

Una estructura igual a la de la figura 11 que corresponder a la capa 3 Construir dos hexgonos pegando 7 esferas (del mismo color que las capas 1 y 3) y un tringulo pegando tres esferas (del mismo color que la capa 2) como se muestra en la figura 14.

Hexgono 1

Hexgono 2 Figura 14

Tringulo

Finalmente, pegar las figuras obtenidas en el prrafo anterior como se indica en la figura 15:

Figura 15. Armado de la estructura hexagonal

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Para armar el modelo de la estructura de una red hexagonal compacta, hay que colocar (sin pegar) la estructura obtenida segn la figura 15 acomodndola en el hueco de la estructura que se hizo sobre la base de madera. Encima de lo anterior se colocan las estructuras obtenidas de la figura 12 y figura 13, acomodndolas de tal manera que no queden huecos, figura 16.

Figura 16. Finalmente se coloca encima la estructura que queda, correspondiente a la figura 11, como se muestra en la figura 17.

Figura 17.

4. Elaboracin de la estructura cbica centrada en las caras y el nmero de coordinacin respectivo.

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a) Con 8 palillos de madera de 10 cm, 4 palillos de madera de 6 cm y las 10 esferas de unicel, formar dos planos como se indica en la figura 18. Palillos de 10 cm

Palillos de 6 cm

Figura 18. Planos para formar la estructura cbica centrada en las caras.

b) Unir estos planos utilizando palillos largos para formar el cubo y palillos cortos para colocar la esfera de unicel al centro de cada cara, figura 19.

Palillos largos de 10 cm

Palillos cortos de 6 cm

Figura 19. Estructura Cbica Centrada en las caras.

Clavar 4 esferas de unicel en 4 palillos cortos y a su vez clavar cada uno de estos en cada uno de los vrtices superiores del cubo en un ngulo de 45 sobre una de las caras. Figura 20.

(a) (b) Figura 20. (a) Estructura cbica centrada en las caras, donde se marcan las esferas que se encuentran en coordinacin. (b) Una cara del cubo.

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Cuestionario1. Escriba cules son los estados de agregacin de la materia y explique el modelo de distribucin de partculas que tiene cada uno de ellos. 2. Defina: material cristalino y material amorfo. 3. Explique qu significa corto alcance y largo alcance 4. Explique qu es: red cristalina, celda unitaria y cristal. 5. Escriba los nombres de: los siete sistemas cristalinos, los empaquetamientos compactos y de los huecos que se dan en las estructuras cristalinas.

Bibliografa.Birk, J.P.; Coffman, P.R. (1992). Finding the face-centered cube in the cubic closest packed structure. Journal of Chemical Education. Vol. 69, No. 12, pp 953-954. Sands, Donald E. (1993). Introduccin a la cristalografa. Edit. Revert, S.A. Smart y Moore (1995). Qumica del Estado Slido. Edit. Addison Wesley Iberoamericana. Smith, William (1999). Fundamentos de la Ciencia e Ingeniera de Materiales. Edit. Mc Graw Hill

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METALES Y ALEACIONES Objetivos especficos: Al terminar esta actividad el alumno ser capaz deDiferenciar entre los metales y las aleaciones. Medir algunas propiedades fsicas en materiales metlicos y aleaciones, como la resistencia mecnica, maleabilidad, conductividad elctrica, dureza y densidad.

Consideraciones tericasEl ingeniero debe saber usar los materiales que satisfagan ciertos requisitos en propiedades, en fabricacin, etc. Por esto, deben de conocer la variedad de materiales as como sus propiedades. Existe una cantidad muy amplia de materiales, para su estudio se han agrupado en metales, cermicos, polmeros y compuestos. En esta seccin se estudiar|n los materiales metlicos. Los metales ms utilizados, son el cobre, plomo, mercurio, aluminio, hierro, estao y cinc. Una de las caractersticas de los metales es que son slidos a temperatura ambiente, con la sola excepcin del mercurio. Algunas propiedades importantes de los metales son: Alta resistencia mecnica Alta rigidez Alta conductividad trmica Ductilidad Maleabilidad Lustre Insolubilidad en agua y disolventes orgnicos Alta conductividad elctrica Dureza Alta resistencia al impacto (resiliencia)

Las caractersticas de cada metal determinan su uso, por ejemplo, el hierro es uno de los metales ms utilizados porque es duro, es decir muy resistente a ser desgastado por otros materiales, sin embargo, como se oxida fcilmente en presencia de agua, su uso en sitios hmedos no es adecuado y, por lo tanto, se prefiere alguna de sus aleaciones. Si se conocen las propiedades de los metales, es posible combinarlos para que se puedan aprovechar mejor. Una forma de hacerlo es crear una aleacin, mezclndolos con algn o algunos otros elementos, fundir esta mezcla, y despus llevarlos al estado slido. Las propiedades de una aleacin son diferentes a las de los metales que lo conforman. El bronce, el latn y el acero son las aleaciones ms conocidas y utilizadas. El bronce es una combinacin de cobre y estao; el latn, de cobre y cinc; el acero, de hierro y carbono. Las aleaciones, al igual que los metales puros, poseen propiedades metlicas. Las propiedades de las aleaciones pueden ser muy distintas de las de sus elementos

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constituyentes, y algunas de ellas, como la resistencias mecnica y a la corrosin, pueden ser considerablemente mayores en una aleacin que la que presentan los metales por separado. Las aleaciones pueden ser soluciones slidas o compuestos intermetlicos. Existen dos tipos de soluciones slidas: sustitucionales e intersticiales. Las aleaciones de tipo sustitucional se generan cuando la combinacin para formarlas contiene elementos de radio atmico semejante (la diferencia entre los radios atmicos de los elementos no debe ser mayor del 15%), igual estructura cristalina y propiedades qumicas semejantes (deben tener electronegatividad parecida, para evitar una reaccin qumica entre ellos); mientras que la aleacin intersticial est formada por una combinacin de tomos metlicos con tomos no metlicos mas pequeos que ocupen los huecos de la estructura cristalina del metal. Para este ltimo tipo de aleacin se espera que se cumpla la siguiente restriccin: rintersticialidad/raleacin < 0.59 (r = radio atmico del elemento); sin embargo el acero, a pesar de que es una aleacin de tipo intersticial no cumple con la restriccin anterior, lo que provoca que el acero pueda contener hasta un mximo de 2.08 % de carbono. Una propiedad de los materiales es la densidad ( ), que se define por la siguiente relacin: = m/V = densidad (g/cm3) m = masa (g) V = volumen (cm3) En los metales puros, la densidad vara desde 0.53 g/cm3 para el litio, hasta 22.6 g/cm3 para el osmio. Es una propiedad caracterstica para cada metal. Cuando se forma una aleacin la densidad se modifica; el grado de modificacin depender de la composicin de la aleacin

Desarrollo experimental.Material 1 Mechero 1 Cpsula de porcelana 1 Navecilla de combustin 1 Esptula 1 Varilla de vidrio 2 Vidrios de reloj 1 Pinzas para crisol 1 Multmetro con cables y caimanes 1 Prensa 1 Probeta de 25 mL 1 Martillo 1 Regla 1 Piseta 1 Navaja 1 Balanza analtica 1 Durmetro Reactivos - Estao en polvo - Cinc en granalla

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Medidas de higiene y seguridadUtilizar bata y lentes de seguridad.

ProcedimientoA. Formacin de la barra de metal y de aleacin Metal. Barra de cinc a. Pese, en un vidrio de reloj, 12 g de cinc, vace a la cpsula de porcelana b. Caliente a fuego directo la cpsula de porcelana, sujetndola con las pinzas para crisol. Mezcle el metal con la ayuda de una varilla de vidrio c. Una vez fundido el material, retrelo del fuego y vace, rpidamente, en la navecilla de combustin, cuidando que no se derrame, ni que se quede material en la cpsula d. Deje enfriar (al menos 5 minutos) e. Obtenga la barra de metal, volteando la navecilla de combustin boca abajo y golpendola suavemente Metal. Barra de estao Obtenga una barra de estao similar a la barra de cinc, siguiendo las mismas instrucciones Aleacin a. Pese en el vidrio de reloj 8 g de cinc, vace a la cpsula de porcelana b. Pese, en el vidrio de reloj, 4 g de estao y mezcle con el cinc c. Caliente a fuego directo la cpsula de porcelana, sujetndola con las pinzas para crisol. Mezcle el metal con la varilla de vidrio d. Una vez fundido el material, retrelo del fugo sostenindolo con las pinzas para crisol y vacelo rpidamente en la navecilla de combustin, cuidando que no se derrame, ni que se quede material en la cpsula e. Deje enfriar (al menos 5 minutos) f. Obtenga la barra de material metlico (aleacin), volteando la navecilla de combustin boca abajo y golpendola suavemente B. Pruebas Fsicas Conductividad elctrica 1. Conecte los extremos de la barra de cinc a los caimanes de un multmetro, mida la resistencia elctrica (en ohms, ). Observe y anote en la tabla 1 2. Haga lo mismo con las barras de estao y la de la aleacin. Compare los valores 3. Determine la seccin transversal de cada una de las barras y su longitud

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4. Determine la conductividad elctrica para cada material, considerando que: En donde: Conductividad = l / RA l = longitud del conductor (metros) A = rea de la seccin transversal del conductor (metros cuadrados) R = Resistencia elctrica (Ohms)

Anote los valores correspondientes en la tabla 1 Tabla 1. Conductividad Cinc (Zn) Estao (Sn) Lectura en el multmetro (resistencia, ohms)

Aleacin (Zn-Sn)

Conductividad

Resistencia mecnica 1. Metal a. Sujete (sin apretar) la barra de cinc, con el tornillo de la prensa b. Haga girar el tornillo, hasta que ya no gire ms, contando el nmero de vueltas y anote en la tabla 2 c. Afloje el tornillo y observe en el material si hubo alguna deformacin. Anote sus observaciones en la tabla 2 d. Repita este procedimiento, pero ahora utilizando la barra de estao 2. Aleacin a. Sujete (sin apretar) la barra de aleacin, con el tornillo de la prensa b. Haga girar el tornillo, hasta que ya no pueda girar ms, contando el nmero de vueltas. Anote en la tabla 2 c. Afloje el tornillo y observe en el material s hubo alguna deformacin. Anote sus observaciones en la tabla 2 Tabla 2. Resistencia Mecnica Cinc (Zn) Nmero de vueltas que di el tornillo. Observaciones en el material despus de presionarlo con el tornillo de la prensa Estao (Sn) Aleacin (Zn-Sn)

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Densidad a) Pese, en la balanza analtica, la barra de cinc b) En una probeta de 25 mL, agregue 15 mL de agua (V1) c) Con cuidado, introduzca la barra de aleacin en la probeta, cuide de no tocar con los dedos el agua. Determine el nuevo volumen (V2) d) Determine el volumen del material slido, mediante la ecuacin: V de la muestra = V2 V1 e) Aplique la siguiente ecuacin, para determinar la densidad de la muestra: = m de la muestra / V de la muestra = Anote sus resultados en la Tabla 3. f) Repita los pasos del punto anterior utilizando primero la barra de estao y luego la de aleacin. Compare Tabla 3. Densidad Cinc (Zn) Densidad (g/cm3) Estao (Sn) Aleacin (Zn-Sn) masa de la muestra (g) Volumen de la muestra (cm3)

Dureza Con una navaja, haga una incisin en cada una de las barras (trate de aplicar la misma presin en cada una de los barras, para lo cual se sugiere que sea el mismo alumno la que haga la incisin). Observe y determine cual barra es la ms dura. Anote sus resultados en la Tabla 4. (Dado que esta prueba depende de la capacidad de apreciacin del alumno, deber repetirse por al menos tres alumnos diferentes). Tabla 4. Dureza. Cinc (Zn) Dureza Estao (Sn) Aleacin (Zn-Sn)

Observaciones

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Maleabilidad A cada una de las barras golpelas con el martillo en la punta de la barra, hasta obtener una lmina. Cuente el nmero de golpes que da en cada caso. Anote en la Tabla 5. Tabla 5. Maleabilidad Cinc (Zn) No. de golpes Observaciones Estao (Sn) Aleacin (Zn-Sn)

Cuestionario1. Describa las siguientes propiedades de los materiales metlicos. Resistencia mecnica ____________________________________________ Conductividad elctrica __________________________________________ 2. Proporcione dos ejemplos de: aleaciones intersticiales ______________________ y __________________ aleaciones sustitucionales ____________________ y __________________ 3. Escriba la composicin principal de las siguientes aleaciones: Metal de Wood _________________________________________________ Acero al nquel- molibdeno _______________________________________ Monel ________________________________________________________

BibliografaAskeland. Ciencia e Ingeniera de los materiales. Thomson Editores Chang. Qumica. Mc Graw Hill. Moore, Stanisky, Wood y Kotz. El mundo de la Qumica. Pearson Editores. Smith. Fundamentos de la ciencia e ingeniera de los materiales. Mc Graw Hill. Umland y Bellama. Qumica General. Thomson Editores.

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OXIDACIN DE METALES

Objetivos especficos: Al terminar esta prctica cada alumno ser capaz deObservar la oxidacin de distintos metales al someterlos a calentamiento Determinar la cantidad de xido formado para diferentes tiempos de calentamiento Observar los granos y lmites de grano de algunos metales Determinar si existen diferencias en la forma y tamao de los granos de muestras sometidas a calentamiento con respecto a una muestra de referencia que no se calent

Consideraciones tericasLos metales comerciales se presentan en forma policristalina o poligranular porque estn formados por muchos granos. Al formar una pieza de metal slido a partir de su correspondiente lquido o metal fundido, si la velocidad de enfriamiento del metal lquido no es lo suficientemente lenta para formar un monocristal, entonces el enfriamiento relativamente rpido permite la aparicin de mltiples ncleos, que producen muchas zonas de cristales, que aunque siguen un mismo patrn, adoptan orientaciones distintas. A cada zona formada por cristales con una misma orientacin, se le llama grano cristalino, y su forma y tamao dependen de la velocidad de enfriamiento del metal lquido. En un grano todas las celdas unitarias que lo constituyen estn alineadas con una misma orientacin y siguiendo el mismo patrn cristalino que el resto de los granos del mismo metal. Sin embargo, en la frontera entre dos granos adyacentes hay una zona de transicin que contiene tomos del mismo metal que no estn alineados con ninguno de los granos adyacentes a ellos, llamadas lmites de grano. Los lmites de grano son zonas en donde se modifican ligeramente algunas propiedades del metal en cuestin, por ejemplo, los tomos acomodados en esta zona, experimentan mayor tensin que los tomos situados dentro de los granos, como resultado de esto, son tomos muy reactivos y susceptibles al ataque qumico. Cuando un metal contiene granos muy pequeos, se presenta un mayor porcentaje de lmites de grano, que pueden alterar algunas propiedades mecnicas importantes de los metales. Una aleacin es la unin homognea (solucin) de dos o ms metales, o tambin de uno o ms metales con algunos no-metales, como carbono, oxgeno y nitrgeno. Esta aleacin, se puede obtener mediante la fusin simultnea de los componentes, o por medio de la produccin directa, como el acero al carbono, que se obtiene mediante el calentamiento de las placas de hierro directamente sobre una cama de carbn encendido, golpeando luego con un martillo la zona caliente del metal, hasta que adquiere la forma deseada. Con esta operacin, unos cuantos tomos de carbono quedan atrapados en los intersticios del hierro.

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Una aleacin presenta propiedades fsicas, qumicas y/o mecnicas distintas a las de sus componentes independientes y separados, muchas de esas propiedades son mejores para algn uso especial, que los hace ms tiles o valiosos, como cuando se aumenta la dureza y la resistencia a la corrosin. Las aleaciones son homogneas o monofsicas (soluciones slidas) cuando que no se exceden los lmites de solubilidad de un elemento en el otro. El latn forma una solucin slida perfecta de cobre y cinc, que es una aleacin monofsica. Las aleaciones son polifsicas cuando se excede el lmite de solubilidad de un metal en el otro en el estado slido, un ejemplo es el hierro al carbono (llamado hierro negro). Las aleaciones pueden ser intersticiales o substitucionales, segn sea que el tomo impureza ocupe un punto de la red, normalmente no ocupado, o que se encuentre en lugar de uno de los puntos especficos de la red, respectivamente. Al someter un metal a un proceso de calentamiento adecuado, los tomos que se encuentran situados en las fronteras de grano tienden a moverse hacia el centro de curvatura de dicha frontera y se reacomodan siguiendo la orientacin del grano ms prximo a ellos. Como resultado de esto, los granos pequeos desaparecen formando granos mayores y se obtiene un material con mayor tamao de grano y una disminucin de las fronteras de grano y la casi total desaparicin de las zonas de tensin del metal. Cuando un metal se calienta a temperaturas mayores de 200C pero sin llegar a su temperatura de fusin, el metal sufre una oxidacin. La velocidad de oxidacin depende del metal, el tipo de xido producido y la temperatura alcanzada. A bajas temperaturas (menores a 600C), la ganancia de peso por la oxidacin producida generalmente es pequea, pero si la temperatura sobrepasa los 700C, la ganancia de peso puede ser ms evidente.

Medidas de higiene y seguridadUsar bata, lentes de seguridad y guantes Los metales son buenos conductores de calor, evite tocarlos Los materiales cermicos conservan el calor durante tiempos prolongados, evite tocarlos, ya que puede sufrir quemaduras Las soluciones abrasivas son mezclas de sustancias cidas o corrosivas, use guantes y evite salpicaduras o derrames en su piel y principalmente en sus ojos Mantnganse alejados de la flama del mechero, as como del tringulo de porcelana y el anillo del soporte, pueden estar calientes

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Desarrollo experimentalMateriales y equipo 1 soporte metlico 1 crisol de porcelana 1 malla de asbesto 1 lija gruesa y otra fina 1 pinza de punta larga 1 pinza para crisol 1 mechero Fisher 1 balanza analtica 1 microscopio 1 caja de cerillos 1 regla Reactivos 6 placas delgadas de 5.0 x 2.5 cm de metal o aleacin (Fe, Cu, acero, Fe galvanizado, etc.) soluciones abrasivas de: FeCl3 al 10 % en HCl (Cu) FeCl3 5g H2O 100 mL HCl 50 mL (aceros al Ni) HNO3 al 50% en agua (Cu) d = 1.4 g/mL HNO3 al 2% en alcohol etlico (Fe) NaOH en agua 2g :120 mL alcohol etlico agua destilada

Tabla 1. Tiempo de calentamiento sugerido para cada material, por equipo y por metal Equipo Metal* Tiempo / min 1 Fe 15 2 Fe 30 3 Fe 45 4 Fe 60 5 Cu 15 6 Cu 30 7 Cu 45 8 Cu 60 * Fe, Cu, acero u otro metal o aleacin

ProcedimientoA) Oxidacin de un metal 1. Limpie de xido las 6 placas del metal asignado segn el nmero de su equipo de trabajo (consultar tabla 1) lijando cada una, primero con la lija gruesa y despus con la fina, o utilizar una solucin limpiadora (cido diluido) 2. Marque una de las placas como muestra de referencia y dejar las otras como de prueba 3. Enjuague todas las placas con un poco de agua destilada y despus sumergirlas en un recipiente con alcohol, sacarlas y sacudirlas al aire para acelerar el secado. Durante y despus de lavadas no se deben manipular directamente con las manos, sino con la ayuda de las pinzas 4. Pese un crisol limpio y seco. Registre ese dato como m1 5. Coloque en el crisol las muestras de prueba y pesar nuevamente. Registrar este peso como m2

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6. Caliente en el mechero el crisol con las placas durante el tiempo asignado (ver la tabla 1) 7. Transcurrido ese tiempo, apague el mechero, dejar enfriar el crisol con las placas por unos 20 minutos y pesarlos nuevamente. Este dato es m4 8. Llene la tabla 2 con los datos experimentales obtenidos

DatosMuestras de ___________ tiempo de calentamiento ____________ min

Masa del crisol limpio y seco (m1) __________ g Masa del crisol con las placas de prueba, antes del calentamiento (m2) __________ g Masa de las placas metlicas (diferencia entre m1 y m2 ) = m3 __________ g Masa del crisol con las placas de prueba despus del calentamiento (m4) __________ g Masa de las placas oxidadas (diferencia entre m1 y m4 ) = m5 __________ g Masa de la capa de xido (diferencia entre m5 y m3) = m6 __________ g

Clculos:Clculo del peso ganado por las muestras metlicas: Ganancia de peso: masa de xido = m4 m2 = m5 m3 = m6 Porcentaje ganado (%) = m6 / m3 * 100

ResultadosEn la Tabla 2 anote los resultados obtenidos por todos los equipos correspondientes al peso en gramos ganado por cada metal en los diferentes tiempos de calentamiento. Tabla 2. Resultados de la actividad A correspondientes a todos los equipos Equipo # 1 2 3 4 5 6 7 8 Metal Tiempo (min) Peso (g) % de ganancia

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A) Con los datos de la tabla anterior construir en papel milimtrico las grficas del peso ganado vs. el tiempo de calentamiento, de cada metal con los datos de todos los equipos B) Cambios debidos a la oxidacin Compare los cambios aparentes en la placa de prueba sometida a calentamiento con respecto a la muestra de referencia y anote en la Tabla 3 dichas observaciones Tabla 3. Caractersticas y cambios observados en la placa sometida a calentamiento. Caracterstica apariencia fsica color del xido formado firmeza o cohesin de la capa de xido (frotar con un papel filtro) otros cambios Muestra metlica: _________________________________ Referencia Calentada

C) Observacin de granos cristalinos Limpie la capa de xido de la muestra sometida a calentamiento con las lijas gruesa y fina. Agregue 1 gota de la solucin abrasiva de acuerdo al metal, ver el listado de reactivos. Deje la solucin abrasiva 10 minutos. Enjuague la placa con un poco de agua y alcohol y deje secar. Observar en el microscopio (o lupa) si cambi el tamao y tipo de los granos cristalinos, comparando dicha muestra con su correspondiente referencia Tamao de los granos: Muestra de referencia ___________________ Tipo de granos: Muestra de referencia ___________________ muestra oxidada __________________ muestra oxidada __________________

Cuestionario1. Describa una diferencia entre metales y aleaciones 2. Explique qu es un material policristalino 3. Defina lo que es un grano cristalino incluyendo el lmite de grano 4. Diga qu es oxidacin de un metal

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5. Explique por qu hay ganancia de peso cuando se oxida un metal 6. Explique por qu hay diferencia entre la apariencia del metal de referencia comparado con su correspondiente muestra calentada.

Lecturas recomendadasAskeland. Ciencia e Ingeniera de los materiales. Thomson Editores Chang. Qumica. Mc Graw Hill Moore, Stanisky, Wood y Kotz. El mundo de la Qumica. Pearson Editores Smith. Fundamentos de la ciencia e ingeniera de los materiales. Mc Graw Hill Umland y Bellama. Qumica General. Thomson Editores

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CONDUCTORES, SEMICONDUCTORES Y AISLANTES Objetivos: Al concluir la prctica, cada alumno ser capaz deDeterminar la conductividad elctrica en compuestos slidos inicos, covalentes, metlicos, polimricos, moleculares y mixtos para diferenciar la capacidad de conduccin entre ellos. Clasificar a los materiales como aislantes, conductores o semiconductores, segn su comportamiento elctrico. Observar el comportamiento elctrico de un diodo (dispositivo electrnico formado por semiconductores).

Consideraciones tericasLas estructuras y en consecuencia las propiedades de los slidos cristalinos estn determinadas por el tipo de fuerzas de enlace que mantienen unidas a las partculas. Desde este punto de vista, cualquier cristal se puede clasificar como: inico, covalente, metlico o molecular. Los cristales inicos se caracterizan por estar formados de especies cargadas (cationes y aniones) siendo la atraccin electrosttica, la fuerza que los mantiene unidos. Cada catin est rodeado por un nmero especfico de aniones y viceversa. En consecuencia, la estabilidad global del compuesto inico depende de las interacciones de todos los iones y no slo de la interaccin de un catin con un anin. Debido a esto, los iones estn en una posicin fija, y por lo tanto estos slidos no conducen electricidad. La estructura que presente un slido inico depende de las cargas y tamaos relativos de los iones. En los cristales covalentes, los tomos se mantienen unidos slo por enlaces covalentes. La mayor parte de estos slidos son duros y tienen puntos de fusin elevados debido a que los enlaces son fuertes. Los slidos covalentes son malos conductores elctricos porque los electrones de valencia estn localizados en el enlace y no pueden moverse libremente. El diamante (una forma alotrpica del carbono) y el cuarzo (SiO2) son ejemplos de estos slidos. Los slidos metlicos se encuentran formados por uno o ms metales y pueden contener tambin algunos elementos no metlicos. Una de las propiedades importantes que presentan estos slidos es su capacidad para conducir la corriente elctrica. Esta propiedad que presentan los metales se puede explicar, si se considera a los tomos en un cristal como un arreglo de iones positivos (tomos sin electrones de valencia) rodeados de un mar de

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electrones, deslocalizados en todo el cristal. En otras palabras, los electrones de valencia son compartidos por muchos tomos sin llegar a estar unidos a ninguno en particular. As, la movilidad de los electrones hace que sean buenos conductores del calor y la electricidad. Por otro lado, la gran fuerza de cohesin debida a la deslocalizacin tambin es la responsable de las propiedades mecnicas que se observan en la mayora de los metales. Los slidos polimricos se mantienen unidos mediante las fuerzas de interaccin intermoleculares, esencialmente dbiles, pero abundantes por tratarse de molculas muy grandes. Esto hace que el slido tenga forma fija, o incluso cristalina, a bajas temperaturas, pero se reblandecen al ser calentados. Como todos los electrones del material se encuentran en enlaces localizados, estos slidos no son conductores de la electricidad. Los slidos moleculares constan de tomos o molculas unidos entre s por fuerzas intermolecualres. Puesto que estas fuerzas son dbiles, los slidos moleculares se caracterizan por ser blandos y suelen tener puntos de fusin relativamente bajos. Las propiedades de los slidos moleculares dependen no slo de la energa de las fuerzas que existen entre las molculas, sino tambin de la capacidad de las molculas para empacarse. Los compuestos mixtos presentan una combinacin de enlaces inicos y covalentes en los que intervienen metales y no metales. Los materiales cermicos como el feldespato, silicatos, aluminatos y silicoaluminatos que son componentes principales de ladrillos, tabiques, cemento, vidrio, azulejos y mosaicos, se caracterizan por ser qumica y mecnicamente estables, incluso a altas temperaturas. Tienen altos puntos de fusin, alta dureza y mala conduccin de electricidad ya que sus estructuras no tienen electrones libres. La teora de bandas es un modelo que ayuda a comprender mejor las propiedades de conductividad de los slidos, establece que la interaccin entre los orbitales atmicos de tomos vecinos conduce a la formacin de orbitales moleculares de enlace y de antienlace. El nmero de orbitales moleculares que se forma, es igual al nmero de orbitales atmicos que se traslapan. En un metal el nmero de orbitales atmicos que pueden interactuar o traslaparse es muy grande por tanto, el nmero de orbitales moleculares que se obtiene tambin, es muy grande. Estos orbitales moleculares tienen energas tan parecidas que pueden ser mejor descritos como una "banda" continua. Los niveles energticos llenos y tan cercanos entre s constituyen la banda de valencia. La parte superior de los niveles energticos corresponde a los orbitales moleculares deslocalizados y vacos que se forman. Este conjunto de niveles vacos cercanos recibe el nombre de banda de conduccin. La conductividad elctrica se presenta cuando se promueven electrones de la banda de valencia a la banda de conduccin y una vez ah estos pueden desplazarse libremente a travs de todo el material en presencia de un campo elctrico. En los materiales que son buenos conductores de la electricidad, la banda de valencia y conduccin son adyacentes o se traslapan (Figura 1a). Por tanto, la cantidad de energa que se requiere para promover un electrn de valencia a la banda de conduccin es muy baja. Por el contrario, en las sustancias que no conducen la electricidad, la banda de valencia y la banda de conduccin se encuentran separadas por una cantidad de energa, denominada

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"brecha" (Figura 1b). Esta cantidad de energa puede ser de uno o varios miles de electrnvolts. Como consecuencia, se requiere energa para excitar los electrones de la banda de valencia hacia la banda de conduccin. En ausencia de la energa necesaria para promover a los electrones, la conductividad no se presenta y se consideran aislantes. El vidrio, la madera seca y el hule son ejemplos de sustancias incapaces de conducir electricidad. Hay un grupo de materiales cuya brecha energtica entre la banda de valencia y de conduccin es mucho menor (de uno o varios electrn-volts) que la de los aislantes y por lo general no son conductores (Figura 1c). Estos materiales se llaman semiconductores porque si se suministra la energa necesaria algunos electrones brincan de la banda de valencia a la banda de conduccin y se convierten en conductores. Los materiales que presentan este comportamiento como una propiedad inherente a ellos, se les denomina semiconductores intrnsecos. Ejemplo de estos materiales son el silicio (Si) y el germanio (Ge) puros.

Banda de conduccin

energa

energa

brecha energtica

energa

Banda de conduccin

Banda de conduccin

brecha energtica Banda de valencia

Banda de valencia

Banda de valencia

a)

b)

c)

Figura 1. Representacin de la banda de valencia y la banda de conduccin para un conductor (a), un aislante (b) y un semiconductor (c).

La estructura del Si slido es semejante a la del diamante, cada tomo est unido por enlaces covalentes a cuatro tomos (Figura 2a). Cuando un electrn adquiere suficiente energa para brincar, desde su enlace hasta la banda de conduccin, deja un hueco positivo en la estructura (Figura 2b). Los electrones promovidos con carga negativa y los huecos generados con carga positiva son atrados hacia los polos opuestos de un campo elctrico. a) Si Si Si Si

: : : :

Si Si Si Si

: : : :

Si : Si Si : Si Si : Si Si : Si

: : : :

Si Si Si Si

b) Si Si Si Si

: : : :

Si Si Si Si

: : : :

Si Si + Si Si

: : : :

Si Si Si Si

: : : :

Si Si Si Si

Figura 2. Semiconductor intrnseco. Estructura del silicio: a) Un tomo puede ceder un electrn b) El tomo que cede un electrn queda ionizado

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La capacidad de los semiconductores, para conducir electricidad se puede incrementar mediante la adicin controlada de pequeas cantidades de ciertos elementos. Este proceso llamado dopado se logra al reemplazar algunos tomos de la estructura por otros de valencia diferentes. A los semiconductores que se han modificado sus propiedades de conduccin por adicin de impurezas se les llama semiconductores extrnsecos. Si se introduce por sustitucin un tomo de un elemento del grupo 15 (P, As, Sb), se tiene en la estructura del silicio, un tomo con un electrn de valencia de ms, despus de que cuatro de ellos son usados para formar los cuatro enlaces covalentes (Figura 3a). El electrn adicional se puede separar de su tomo aplicando un campo elctrico, una vez liberado el electrn se puede mover a por la estructura y comportarse como un electrn de conduccin. El tomo que cedi al electrn queda ionizado con carga positiva (Figura 3b). Las impurezas aadidas al Si y Ge que proporcionan con facilidad electrones para la conduccin, se conocen como impurezas donadoras. A los semiconductores que las contienen se les denomina semiconductores extrnsecos tipo n. a) Si Si Si Si

: : : :

Si : Si : Si Si : Si : Si * * Si * P * Si * Si : Si : Si

: : : :

Si Si Si Si

b) Si Si Si Si

: : : :

Si : Si : Si Si : Si : Si * + Si * P * Si * Si : Si : Si

: : : :

Si Si Si Si

Figura 3 a) Semiconductor extrnseco tipo n, b) El tomo impureza P al ceder su electrn extra queda ionizado

Si ahora se agrega a la estructura del silicio un tomo del grupo 13 (B, Al, Ga) falta un electrn en uno de los orbitales de enlace y aparece un hueco en ste, ya que slo tiene tres electrones de valencia (Figura 4a). Este hueco puede ocuparse si un electrn de un tomo vecino adquiere suficiente energa para separarse y dirigirse al hueco, formando un nuevo enlace. La ocupacin del hueco produce la ionizacin negativa del tomo impureza y se crea un nuevo hueco (Figura 4b). Las impurezas deficientes de electrones se llaman aceptoras. Los semiconductores que las tienen reciben el nombre de extrnsecos tipo p. a)

: : : :

Si Si Si Si

: : : :

Si : Si : Si Si : Si : Si * Si * B Si * Si : Si : Si

: : : :

Si Si Si Si

b) Si Si Si Si

: : : :

Si : Si : Si Si : Si : Si * Si * B Si * Si : Si : Si

: : : :

Si Si Si Si

a) Semiconductor extrnseco tipo p

Figura 4. b) El tomo impureza que gana un electrn queda ionizado

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Tanto en los semiconductores de tipo n como en los de tipo p se reduce de manera efectiva la cantidad de energa entre las bandas de valencia y de conduccin, de modo que se requiere menor cantidad de energa para promover los electrones (Figura 5).

Banda de conduccin Banda de conduccin

nivel del donante

nivel del aceptante

Banda de valencia Banda de valencia

a)

b)

Figura 5. Diagramas de energa para semiconductores; a) tipo n y b) tipo p

El uso de semiconductores en dispositivos electrnicos ha resultado en un impresionante desarrollo de esta industria. Este auge se debe en gran parte a la ventaja que tiene el uso de los semiconductores, poder construir complejos circuitos electrnicos en un pequeo pedazo de material. Los diodos son un ejemplo muy sencillo de dispositivos electrnicos que contienen materiales semiconductores. Un diodo de unin pn se obtiene uniendo a un semiconductor tipo p junto con otro de tipo n (Figura 6a). Despus de realizar la unin pn se presenta una difusin de cargas entre los semiconductores a travs de la unin para producir una migracin. El resultado de la migracin de cargas es la presencia de iones prximos a la unin (figura 6b). En ausencia de un campo elctrico no hay un flujo neto de corriente. a)Tipo p Tipo n

b)

Tipo p

Tipo n

Figura 6. Diodo de unin pna) Difusin de cargas: huecos y electrones, hacia la unin; b) ionizacin de tomos cercanos a la unin

Cuando se aplica un voltaje externo a un diodo se dice que est polarizado. El diodo se encuentra polarizado directamente cuando el material tipo n se conecta a la terminal

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negativa de la fuente y el material tipo p se conecta al terminal positivo (Figura 7a). Este arreglo (polarizacin directa) hace que los electrones y los huecos se muevan hacia la unin y se recombinen permitiendo que la corriente pueda fluir por del diodo. a)Tipo p Tipo n

b)

Tipo p

Tipo n

a) polarizacin directa

Figura 7. Diodo de unin pn

b) polarizacin inversa

Cuando el material tipo n se conecta al terminal positivo de la batera y el material tipo p al negativo se dice que el diodo est polarizado inversamente (Figura 7b). Con esta disposicin los electrones del material tipo n son atrados hacia la terminal positiva de la batera y los huecos del material tipo p hacia la terminal negativa. El movimiento de electrones y huecos alejndose de la unin produce una zona de agotamiento que se comporta como un aislante. Los diodos que tienen este comportamiento, de permitir el flujo de corriente slo en una direccin, se usan como rectificadores.

Desarrollo experimentalEquipo y material 1 multmetro con caimanes 1 varilla de vidrio 1 eliminador de bateras o pila de 9 volts 1. moneda 1. diodo 1. diodo emisor de luz Reactivos cloruro de sodio (NaCl) sulfato de cobre (CuSO4) alumbre [KAl (SO4)2] grafito (mina de lapicero) cuarzo pieza de alfarera (tepalcate) cemento (una pastilla fraguada) vidrio azcar (un terrn) hielo naftalina polietileno poliestireno hule (liga) cobre (en placa) hierro (en placa)

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NOTA:

El tamao de las muestras de cada material debe ser lo suficientemente grande para hacer las conexiones con los caimanes. En el caso de las sales escoger un cristal grande o un aglomerado de cristales.

ProcedimientoA) Determinacin de la capacidad de conduccin de slidos inicos, covalentes, metlicos, polimricos, moleculares y mixtos. 1. Tome una muestra de un material de la Tabla 1 y conectar con caimanes a un multmetro (Figura 8a). Tener cuidado de seleccionar la escala correcta. Medir su resistencia () y registrar el dato en la Tabla 2. 2. Repetir el mismo procedimiento para cada uno de los materiales de la Tabla 1.Tabla 1. Lista de materialesTIPO DE SLIDO COMPUESTO

Inico Covalente Metlico Polimrico Molecular Mixto

cloruro de sodio grafito cobre poliestireno azcar tepalcate

sulfato de cobre Cuarzo Fierro Polietileno Naftalina Cemento

Alumbre Silicio Moneda Hule hielo Vidrio

3. De acuerdo con las lecturas obtenidas inferir si la conductividad es buena o mala y clasificar a los materiales como conductores o aislantes. Complete la Tabla 2. Tabla 2. Registro de las lecturas de resistencia de los materiales Material Conductividad Resistencia (ohms )

Clasificacin

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(a) Conexin para la medicin de la resistencia de las muestras

(b) Disposicin de las conexiones para realizar la medicin del voltaje de la pila o del eliminador de bateras

(c) Medicin de la corriente en conductores, aislantes y semiconductores (diodos)

(d) Verificacin del estado de un diodo: - en buena condicin la lectura es de 500 a 900 mV - en corto circuito o defectuoso aparecer 000 mV

Figura 8. Posicin y forma de realizar las conexiones para obtener las medidas de resistencia, corriente, voltaje y verificacin de un diodo B) Observacin del comportamiento de un diodo emisor de luz cuando se polariza. 1. Conecte el diodo emisor de luz directamente a las terminales del eliminador de batera. 2. Repita el paso anterior pero invirtiendo la polaridad. Registre sus observaciones. C) Compare del comportamiento elctrico entre un: conductor, aislante y semiconductor

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1. Mida el voltaje que da la pila de 9 volts o el eliminador de batera, con la terminal del multmetro conectado en la posicin de 20 volts de corriente directa (20 DCV) Figura 8b 2. Determine la cantidad de corriente que pasa por un material conductor (cobre o hierro) cuando se conecta como se muestra en la Figura 8c. Tenga cuidado de elegir la escala correcta al hacer las mediciones (seccin DCA). Registrar el dato en la Tabla 3. En seguida invierta las conexiones. Compare las lecturas obtenidas. 3. Haga el mismo procedimiento descrito anteriormente para un material aislante (vidrio) y para un diodo (semiconductor). 4. Calcule la resistencia que presenta cada uno de los materiales, considerando que: R= V/I en donde: R es la resistencia del material, en ohm V es la diferencia de potencial, en volts V I es la intensidad de corriente elctrica, en amperes A

Tabla 3. Registro de lecturas de corriente Material Lecturas de corriente 1. Lectura Polaridad invertida resistencia (ohms )

Cuestionario1. Para un cristal inico explique: a) Cmo es la estructura? b) Cmo es la conductividad elctrica? c) A qu se debe ese comportamiento? d) Proporcione dos ejemplos 2. Para un cristal covalente explique: a) Cmo es la estructura? b) Cmo es la conductividad elctrica? c) A qu se debe ese comportamiento? d) Proporcione dos ejemplos

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3. Para un cristal metlico explique: a) Cmo es la estructura? b) Cmo es la conductividad elctrica? c) A qu se debe ese comportamiento? d) Proporcione dos ejemplos 4. Mencione dos propiedades o caractersticas de los semiconductores y dar dos ejemplos 5. Cmo es la estructura de un diodo? 6. Explique el comportamiento del diodo cuando se invierte la polaridad 7. Mencione una aplicacin de los semiconductores

BIBLIOGRAFAAskeland, D. R. Ciencia e ingeniera de los materiales. Thomson Editores, 3. ed. 1998. Chang, R. Qumica, Mc Graw Hill, 6a. ed. 1999. Ebbing, D. D. Qumica general, Mc Graw Hill, 5. ed. 1997. Moore, E.; Smart, L. Qumica del estado slido, Addison-Wesley Iberoamericana. 1995. Shackelford, J. F. Ciencia de materiales para Ingenieros. Prentice Hall, 3. ed. 1992. Smith, W. F. Fundamentos de la Ciencia e Ingeniera de materiales. Mc Graw Hill, 3. ed. 1998. Van Vlack, L. H. Materiales para Ingeniera. C.E.C.S.A., 1993.

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POLMEROS DE ADICIN Objetivos especficos: al concluir la prctica, cada alumno ser capaz deDefinir polmero, termoplstico, termofijo y elastmero Diferenciar los mtodos de obtencin de los polmeros: adicin y condensacin Definir el concepto de polimerizacin por adicin, actualmente por reaccin en cadena Obtener una pelcula o recubrimiento de polimetacrilato de metilo a partir de la disolucin del polmero en su monmero Obtener por precipitacin el hule natural a partir de una solucin de ltex Conocer el sistema de identificacin para el reciclado de los plsticos Identificar de diferentes muestras de plsticos, el nombre del polmero, utilizando el sistema de identificacin para el reciclado Reconocer algunos polmeros por su comportamiento trmico, el olor y el color de sus vapores a la flama

Consideraciones tericasLos polmeros (del griego polys: muchas y meros: partes) son compuestos de elevado peso molecular que se forman por combinacin de un gran nmero, cientos o miles, de molculas pequeas y como mnimo 100, que se repiten. Estas unidades pequeas se denominan monmeros, pueden ser de una clase (homopolmeros) o de varias clases (copolmeros). La polimerizacin es el proceso mediante el cual molculas pequeas se unen para formar estas molculas gigantes. La unin entre los monmeros es de carcter covalente, es decir, aquellos enlaces en los cuales se comparten los electrones de valencia. Las propiedades fsicas y qumicas de las macromolculas son sustancialmente diferentes de las de sus componentes. Existen al menos cuatro factores que determinan las propiedades de un polmero y son los grados de: polimerizacin, cristalinidad, reticulacin o entrecruzamiento y rigidez. Los polmeros pueden clasificarse de diferente manera, algunas de ellas son: A) Por su origen en naturales, artificiales y sintticos. Son polmeros naturales el hule o caucho, la seda, la celulosa, el algodn, el almidn, las protenas (por ejemplo los cabellos), el ADN y el ARN entre otros. Entre los polmeros artificiales y sintticos estn el rayn, el celofn el celuloide, el nylon, la baquelita, el polietileno, el poliuretano, policarbonatos, kevlar, etc. B) Por sus usos en: fibras, plsticos (objetos moldeados), elastmeros, resinas y lacas

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C) Por su comportamiento trmico (por accin del calor) en termoplsticos y termofijos D) Por su composicin en orgnicos (polmeros de carbono) e inorgnicos (polmeros de silicio o silicones)

Si las unidades de bajo peso molecular que forman la macromolcula estn unidas por sus extremos dando una cadena larga sin que se formen otros enlaces covalentes entre las cadenas, las macromolculas se denominan polmeros lineales. Tales polmeros, salvo que su peso molecular sea extraordinariamente alto arriba de 1 x 106 g/mol, suelen ser solubles y al calentarlos se ablandan o se funden sin descomponerse, por lo cual pueden moldearse como se desee. Por este comportamiento al calor a estos polmeros se les denomina termoplsticos (termolbiles).

Termoplstico, cadenas lineales.

Una caracterstica de los materiales termoplsticos es que pueden reciclarse y por tanto su contribucin a la contaminacin ambiental es menor que la de los termofijos. Los polmeros termofijos (termoestables) denominados tambin polmeros entrecruzados porque sus cadenas estn entrelazadas en numerosos puntos formando molculas tridimensionales grandes que son insolubles. Adems stas no pueden girar o deslizar sus cadenas por lo que poseen buena resistencia, rigidez y dureza. Antes de fundir se descomponen (rompen sus enlaces) por lo que no pueden volver a moldearse y no son reciclables.

Termofijo, cadenas entrecruzadas Los polmeros sintticos tanto lineales como entrecruzados no son biodegradables o por lo menos no en corto plazo, por lo que deben ser rehusados y en la medida de su mayor carcter termoplstico, reciclados.

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El Instituto para las Botellas de Plstico de la Sociedad de la Industria del Plstico ha desarrollado un sistema de codificacin voluntario que identifica a las botellas y a otros envases segn el tipo de material con el que estn fabricados, ayudando as a los recicladores a seleccionar los envases de plstico segn los polmeros que los componen. El smbolo o cdigo consiste en una flecha triangular con un nmero en el centro y unas letras debajo.

1PET

La flecha triangular fue elegida para aislar y distinguir el smbolo de otras letras, nmeros e impresiones en el objeto de plstico. El nmero, dentro, y las letras, debajo, indican el tipo de polmero utilizado para fabricar el envase; los envases realizados con otros materiales pueden codificarse segn su material bsico principal. Si examinamos la base de un recipiente de plstico, es probable que veamos el smbolo de reciclar, estos cdigos permiten separar los recipientes segn su composicin. Cuanto menor sea el nmero, tanto mayor ser la facilidad con que el material pueda reciclarse; los nmeros se resumen en la siguiente Tabla 1 Tabla 1 Smbolos de reciclaje y abreviaturas de los principales polmeros lineales Nmero Abreviatura Polmero 1 2 3 4 5 6 7 PET HDPE V LDPE PP PS Polietilentereftalato Polietileno de alta densidad Cloruro de polivinilo (PVC) Polietileno de baja densidad Polipropileno Poliestireno Otros

Existen dos mtodos generales para la obtencin de los polmeros: el de adicin o polimerizacin en cadena y el de condensacin o por etapas. Dada la importancia y extensin de estos dos mtodos se distribuir el trabajo experimental en dos prcticas, sta y la siguiente. En esta prctica se estudiarn dos polmero de adicin. Los polmeros por condensacin se estudiarn en la siguiente prctica.

40

La polimerizacin por adicin es una reaccin en cadena actualmente nombrada como polimerizacin en cadena, la cual se efecta mediante la unin de entidades reactivas que pueden ser cationes, aniones o radicales libres. Se ha propuesto un mecanismo que consta de tres pasos, iniciacin, propagacin y terminacin. La polimerizacin por adicin va radicales libres es una reaccin muy rpida, se pueden adicionar 1 000 unidades del monmero o ms en menos de un segundo, ya que lo que se mueve son los pequeos electrones. El radical libre que comienza la reaccin se denomina iniciador, como ejemplo de este tipo de sustancias tenemos a los perxidos. Las sustancias que finalizan la reaccin se llaman inhibidores y entre ellos se encuentran los fenoles, algunas aminas y quinonas. En seguida se ilustra el mecanismo de adicin del metacrilato de metilo va radicales libres: Iniciacin va radicales libres: O || O ||______

O ||>

C O O C|

2 C O |Radical bencilo

Perxido de benzolo

O ||

CH3 |______

O ||>

CH3 |COCH3 // O Radical iniciador

C O + CH2 = C |

C O CH2 C | |

COCH3 // O Radical bencilo Metacrilato de metilo

El radical benzolo extrae un electrn del doble enlace del monmero formando la unin entre el radical y el metacrilato de metilo, generando el radical iniciador

Propagacin: O || CH3 |COCH3 // O

CH3 |______

O ||>

CH3 |

CH3 |

C O CH2 C + CH2 = C | |

C O CH2 C CH2 C | | |COCH3 COCH3 // // O O

COCH3 // O

41

O |||

CH3 ||

CH3 ||

CH3 ||

O |||

CH3 ||

CH3 ||

CH3 ||

C O CH2 C CH2 C + CH2 = C . C O CH2 C [ CH2 C] n CH2 CCOCH3 COCH3 // // O O COCH3 // O COCH3 COCH3 // // O O COCH3 // O

Terminacin: O |||

CH3 ||

CH3 ||

CH3 ||

C O CH2 C [ CH2 C] n CH2 CCOCH3 COCH3

______

R

O ||>|

CH3 ||

CH3 ||

CH3 ||

C O CH2 C [ CH2 C] n CH2 CRCOCH3 COCH3 COCH3

COCH3

Donde R puede ser el inhibidor u otra cadena radical.

Alternativo al mecanismo de adicin va radicales libres es el mecanismo polar (inico) el cual adiciona los monmeros, a travs de la formacin de iones en la cadena. Algunos compuestos vinlicos polimerizan mejor a travs de intermediarios catinicos, otros a travs de intermediarios aninicos. Como en la polimerizacin va radicales libres, las inicas transcurren en tres pasos. En la polimerizacin catinica los intermediarios son cationes en lugar de radicales libres, + como ejemplo se ilustra la polimerizacin del isobutileno con un catalizador (iniciador) H como se describe a continuacin: Iniciacin de la polimerizacin catinica: CH3 | CH2 = C | CH3Isobutileno H+

CH3 |H CH2

______

>

C+ | CH3

Carbocatin iniciador

Propagacin: CH3 | CH3 |H CH2

CH3 | CH3 |>

CH2 = C |____________________

C+ | CH3

CH3

CH3 | CH3

CH2 = C |____________________

H CH2

C CH2 C + | | CH3

CH3

>

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CH3|

CH2 = C CH3|

CH3| |

CH3| ____ |

|

CH3|

CH3| |

CH3| |

H CH2

C CH2 C CH2 C +|

>

____

>

____

CH3

>..... H CH2

C [ CH2 C] n CH2 C +|

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

Terminacin: CH3|

CH3| |

CH3| |

H CH2

C [ CH2 C] n CH2 C +|

___________

H

CH3|

CH3| | |

> H CH2

C [ CH2 C] n CH2 C = CH2|

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

La polimerizacin aninica se favorece con sustituyentes que retiran y estabilizan electrones en el monmero. La polimerizacin ocurre a travs de intermediarios carbaninicos. Se puede usar como catalizador (iniciador) un compuesto organometlico. Como ejemplo se ilustra la polimerizacin del acrilonitrilo con un organolitiado RLi+ Iniciacin de la polimerizacin aninica:R Li + __+

CH2 = CH | CNAcrilonitrilo

__________

> Li

+ R CH2 C H Carbanin iniciador | CN

Propagacin:CH2 = CH |__

CH2 = CH |__

R CH2 C H|

______________________

CN

> R CH2 C H CH2 C H | |

_____________________

CN

>

CNCH2 = CH |__

CN

CN

R CH2 C H CH2 C H CH2 C| | |

_____

>

____

>

CN

__

_____

>..... R CH2 C H [ CH2 CH]n CH2 C H | | |

CN

CN

CN

CN

CN

CN

43

Terminacin__

R CH2 C H [ CH2 CH]n CH2 C H| | |

Li / H2O _________________ LiOH

+

> R CH2 C H [ CH2 CH] n CH2 C H2| | |

CN

CN

CN

CN

CN

CN

ELASTMEROS Los elastmeros son polmeros sintticos que poseen elasticidad ( cauchos o hules ), son polmeros de adicin que tienen un comportamiento intermedio entre los polmeros termoplsticos y los termofijos, pero lo ms importante, tienen la capacidad de deformarse elsticamente en alto grado. El hule estireno butadieno ( SBR, por sus siglas en ingls ), es uno de los elastmeros de mayor consumo en el mundo. Algunos otros ejemplos de elastmeros son; el neopreno, el poliisopreno, los fluoroelastmeros y el hule silicn, todos emulan las propiedades elsticas del hule natural, capacidad de que al ser sometidos a tensin aumentan su tamao (hasta diez veces) con respecto al original y de recuperar su forma al cesar el esfuerzo. Esto se debe a la elasticidad de las molculas de larga cadena. Sin estirar, el hule es amorfo y no presenta un patrn regular de difraccin de rayos x. Estirado presenta un grado de cristalinidad y ordenamiento. El hule, con menor elasticidad, llamado tambin caucho, es quiz el polmero ms conocido. Se extrae en forma natural del ltex de algunas especies tropicales, especialmente del rbol hevea brasiliensis, originaria de las selvas del ro Amazonas. Haciendo una incisin en la corteza del rbol, se exuda un fluido lechoso, el ltex, que es una dispersin coloidal de partculas de hule en agua conteniendo aproximadamente un 35% de hule (caucho) y una protena protectora que estabiliza la emulsinCOMPOSICIN MEDIA DEL LTEX

Suero

Hule Agua Protenas Sustancias Minerales Azcar Aceites

32-41% 52-56% 2-3% 0.2-0.4% 0.3-0.4% Indicios

CH Al La composicin qumica del hule es la del isopreno. 3 polimerizarse da el poliisopreno. CH2 = CH C = CH2Isopreno 44

CH3 C CH2 C

H

CH2 C C

H

CH2

n

CH3

CH2

n

Poli-cisisopreno configuracin del hule natural

Poli-trans-isopreno Configuracin de la gutapercha

Se admite para el hule la estructura cis. Para la gutapercha (obtenida del Isonandra gutta de las Indias Orientales), la estructura trans, sta no es elstica, sino un material duro. Se obtienen 3,000 kilogramos por hectrea anuales de hule natural. Al ser recolectado se cuela y aade un estabilizador que es el amoniaco NH3. Se separa por coagulacin al agregar diferentes cidos o sales, obtenindose una masa blanca parecida a la masa del pan. Tambin se puede centrifugar hasta obtener un concentrado de 60% de hule. Actualmente el 88% del hule que se consume en Estados Unidos es sinttico. El hule natural soporta mal las variaciones de temperatura, a 30C se ablanda; a 50C se hace pegajoso, a 0C es duro y quebradizo. Charles Goodyear descubri en 1839 que el hule natural se poda entrelazar con azufre y xido de zinc como catalizador, a este proceso se le llam curado o vulcanizacin del hule, que modifica notablemente las propiedades del hule natural. Cuando el hule se vulcaniza con azufre entre 2 a 8% produce un hule ms resistente, elstico, blando y no plstico que soporta mejor los cambios de temperatura. Con 30 a 50% de azufre se hace un producto duro, no elstico, llamado vulcanita o ebonita. La vulcanizacin da lugar a un polmero termoestable de enlaces reticulares que no puede suavizarse o fundirse al volverlo a calentar hasta el punto original de fusin. Este proceso evita que las cadenas de hule se desplacen entre ellas. El hule natural es una maraa de cadenas polimricas, usualmente dobladas y enroscadas a) -s-s-s-s-s-s-s-s-s-sa) b) -s-s- -s-s-s-s-s -s-s-sc) -s-s-s-s-s-s-s-s-s-s-s-s-s-s-s-s-s-s-s-s-

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Las figuras a) y b) representan las cadenas largas antes y despus de la vulcanizacin, en c) se muestra la alineacin de las macromolculas cuando se estiran. Sin la vulcanizacin, estas molculas se deslizaran entre ellas anulando las propiedades elsticas del hule. Los polmeros pueden identificarse por el olor de los humos de su combustin. La identificacin de polmeros por su comportamiento a la combustin y las propiedades de los elastmeros comerciales ms comunes se muestran en la siguientes Tablas 2 y 3. Tabla 2.TIPOS DE POLMERO

Identificacin de polmeros por su comportamiento a la combustinCOLOR DE LA LLAMA OLOR DE LOS HUMOS COMBUSTIN

Polmero inorgnico Urea-formaldehido Melamina-formaldehido Fenol-formaldehido Baquelita Siliconas Cloropreno (Neopreno) Policloruro de vinilo Policloruro de vinilideno Resina de anilina Caseina endurecida Resina epoxi Polimetacrilato de metilo (Plexiglas acrlico o lucita) Poliacrilatos

------------------------------------------------------------------------------------------------------------Blanca amarillenta

----------------------------------Olor a orina Olor a pescado Olor a fenol

Verde claro Verde claro Verde claro Amarillo Amarillo Amarillo y humosa Azul blanqecino (chisporroteo) Luminosa, algo fuliginosa Polioximetileno,resina acetlica Azul, llama muy pequea Metilcelulosa Amarillo brillante Celulosa regenerada Amarillo brillante Nitrato de celulosa Blanco intenso Celuloide Blanco intenso Poliacetato de vinilo Brillante y humosa Poliisobutileno Brillante y humosa Bencilcelulosa Luminosa y humosa Polialcohol vinlico Luminosa Poliuretanos Amarillo naranja Policarbonato Amarillo y muy humosa Polietileno Azul Polipropileno Azul Poliamida (Nylon) Azul Poliestireno (+) Brillante Etilcelulosa (++) Apagada Acetobutirato de celulosa Amarillo y brillante Amarillo rodeada de Acetato de celulosa (+++) verde humosa Hule natural

La sustancia no arde ni se carboniza La sustancia no arde ni inflama; carboniza progresivamente, descompone, produciendo olor a formaldehdo La sustancia arde ms o menos -----------------------------------------------difcilmente, humos y cenizas blancos Olor a goma quemada Olor acre, pero no de goma quemada Olor anterior pero menos penetrante Olor a anilina La sustancia arde con llama, pero la combustin cesa inmediatamente Olor a leche quemada Ligero olor a fenol Olor a frutas y flores Tpicamente picante Intenso olor a formaldehdo Ligeramente dulce, papel quemado Olor a papel quemado Ningn olor Olor a alcanfor Olor a cido actico Semejante a papel quemado Olor a benzaldehido Olor irritante Olor acre, picante Olor parecido al fenol Olor a parafina (cera) Ligero olor de parafina Olor a pelo o cuerno quemado Humo copioso olor dulce, azcar quemada Olor a papel quemado Olor mantequilla rancia y papel quemado Olor a cido actico No arde ni se inflama, carboniza gradualmente. Con olor a llanta quemada La sustancia continua ardiendo por s sola, despus de haber sido retirada del mechero La sustancia arde rpidamente La sustancia arde suavemente y se ablanda La sustancia arde en la llama, autoextinguible lentamente al separarla Arde suavemente, funde, no forma hilos, combustin cesa al apagar el mechero La sustancia arde suavemente, funde y se transparenta en la zona de combustin

La sustancia funde

arde suavemente y se

------------------------------- Llanta quemada

(+) Los copolmeros de estireno se portan igual que el poliestireno, con ligero olor a caucho quemado los de estireno butadieno y un olor ms aromtico (++) Despus de comenzada la ignicin, produce un ligero olor, dulce. Dejando caer el plstico fundido en agua, se forman discos aplastados de color canela brillante, si no est coloreado el plstico (+++)Si se deja caer el plstico fundido ardiendo en agua, se forman grnulos pesados, esponjosos y parduscos

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Tabla 3.NOMBRE COMN PROPIEDADESNombre Qumico Designacin ASTM Gravedad especifica Dureza (Shore A) Fuerza de Tensin (psi) Resistencia (en caliente) Resistencia (en fro) Resistencia a la abrasin Resistencia a la compresin Resistencia al desgarre Adhesin a metales Adhesin textil Aislamiento elctrico

Propiedades de elastmeros comerciales ms comunesHULE NATURALPoliisopreno NR 0.93 30-90 >3,000 excelente excelente excelente excelente muy buena excelente excelente muy buena a excelente excelente

SBREtileno Butadieno SBR 0.94 40-90 1,500 muy buena pobre buena regular buena buena buena buena buena sobresaliente

POLIBUEPDM TADIENOPolibutadieno BR 0.94 40-80