Tecnología de los Materiales

EII 441-01 Profesor: Andrea Fredes

Objetivos

 Capacitar al alumno en:   La comprensión de las estructuras básicas de los materiales de construcción, más usados en los diseños de ingeniería, y sus propiedades inherentes.

Criterios que le permitan fundamentar en el diseño, la diferenciación y selección de materiales apropiados, para las aplicaciones que aparecen en la práctica de la Ingeniería.

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Contenido

     

Repaso General Química Introducción a los Materiales El Estado Cristalino y sus Estructuras Procesos de transformación de los metales Los materiales metálicos Los materiales cerámicos

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   

Los polímeros y los materiales plásticos Los materiales compuestos El deterioramiento de los materiales Selección en el uso de materiales

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BIBLIOGRAFIA

◦ ◦ Ciencia de materiales: selección y diseño Pat L. Mangonon, Prentice Hall, Primera Edición.

◦ ◦ Ciencia de Materiales para ingenieros James F. Shackelford, Prentice Hall, Tercera Edición.

◦ ◦ Fundamentos de la ciencia e ingeniería de materiales William F. Smith, McGraw Hill, Segunda Edición.

◦ ◦

Ciencia e ingeniería de los materiales Donald R. Askeland, Pradeep P. Phulé, Thomson, Cuarta Edición

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Evaluación

• • • • Se realizará 1 prueba (30 %).

El desarrollo del curso considera: Controles (30 %).

1 trabajo de investigación-disertación (40 %).

• Los alumnos que falten a la prueba, deberán justificar su inasistencia .

– Las causas justificadas serán sometidas a una prueba acumulativa a final del curso. (Toda la materia, incluyendo disertaciones) EII 441-01 Andrea Fredes 6

Aprobación

      Asistencia: no Derecho a Examen: Todas las notas Nota Presentación:60% Nota Examen:40% Eximición: Promedio de Notas > o = a 5.0

Nota de aprobación: 4.0 o superior EII 441-01 Andrea Fredes 7

I.REPASO GENERAL

MOLÉCULAS Y IONES

Clasificación de la Tabla Periódica Grupo IA: Metales alcalinos: Li, Na, K, Rb, Cs y Fr. Son blandos, brillantes y de bajo punto de fusión.

Debido a su gran reactividad no se encuentran en estado libre en la naturaleza. .

Grupo II A: Metales alcalino térreos: Be, Mg, Ca, Sr, Ba y Ra.

- Son menos reactivos que los alcalinos y poseen punto de fusión más alto.

Clasificación de la Tabla Periódica

-

Grupo IV A:

Familia del Carbono: C, Si, Ge, Sn y Pb.

- El carbono tienen alta capacidad de combinación, siendo parte de muchas moléculas (orgánicas e inorgánicas). El Si y el Ge tienen grandes aplicaciones en electrónica.

El Sn, por su bajo punto de fusión se utiliza en soldaduras y el Pb en blindajes contra la radiación, ambos son metales

Clasificación de la Tabla Periódica Grupo VII A: Halógenos: F, Cl, Br, I y At.

Son muy reactivos por lo que no se encuentran libres en la naturaleza, sino formando compuestos unidos a metales alcalinos o alcalinotérreos.

Grupo VIII A: Gases Nobles: He, Ne, Ar, Xe y Rn.

Son los únicos elementos que se encuentran en la naturaleza de manera aislada, son muy poco reactivos.

Clasificación de la Tabla Periódica

-

Grupo VIII B:

Está compuesto por tres columnas de elementos que tienen propiedades similares.

Un conjunto lo forma la familia del Hierro (Fe, Co, Ni) , son metales moderadamente activos

.

Otro conjunto lo forma la familia del platino (Ru, Ro, Pd, Os, Ir, ) son muy estables al ataque químico.

Propiedades físicas de los metales y no metales Propiedad Estado físico a temperatura ambiente Metales Todos son sólidos excepto el mercurio No metales Sólidos (C, I), líquidos (Br) o gases (N, Cl, O).

Conductividad Lustre Buenos conductores del calor y la electricidad. Superficie brillante. Malos conductores de la electricidad y el calor. (excepto el grafito) Superficie opaca Maleabilidad Ductilidad Dureza Se pueden hacer láminas No son maleables. (son frágiles) Se pueden estirar para formar alambres No son dúctiles Algunos son duros (Cr, Fe, Mn) otros son blandos (Pb, Na, Au) La mayoría no son duros (excepto el diamante)

Tabla Periódica

Clasificación de los elementos en la tabla periódica

 De todos los elementos, sólo 6 gases nobles del grupo 8A de la tabla periódica (He, Ne, Ar, Kr, Xe y Rn) existen en la naturaleza como átomos sencillos. Gases monoatómicos ◦ La mayor parte de la materia está compuesta por moléculas o iones formados por átomos

Moléculas

     Agregado de, por lo menos, dos átomos en una colocación definitiva que se mantienen unidos a través de fuerzas químicas Enlaces Químicos Hidrógeno, nitrógeno, oxígeno, diatómicas Grupo 7A Agua Moléculas con más de 2 átomos, poliatómicas

ION

     Un ion es un átomo o grupo de átomos que tiene una carga neta positiva o negativa La pérdida de uno o más electrones a partir de átomo neutro forma un catión.

(ion con carga neta positiva). Ej Na+

Átomo de Na 11p° 11e° - ion Na+ 11p° 10e°

ION

     

Anión

Ion cuya carga neta es negativa, debido a un aumento en el número de electrones.

Cl, puede ganar un electrón para formar el ion cloruro Cl-

Átomo de Cl – Ion Cl 17 p° 17e° 17 p° 18e°

IONES

   Se dice que NaCl es un compuesto iónico Un átomo puede perder o ganar más de un electrón, Ej, Mg 2+ , Fe 3+ , S 2 ,N 3 , iones monoatómicos.

  En la tabla periódica se muestran las cargas de iones monoatómicos.

Salvo algunas excepciones, los metales tienden a formar cationes y los no metales aniones

IONES

  Es posible combinar dos o más átomos y formar un ion que tenga carga neta positiva o negativa Los iones que contienen más de 1 átomo, como OH-, CN-, NH4+, se llaman

poliatómicos

FÓRMULAS QUÍMICAS

    Se utilizan para expresar la composición de las moléculas y los compuestos iónicos, por medio de símbolos químicos.

Composición significa no sólo los elementos presentes, sino también la proporción en la cual se combinan los átomos.

Fórmulas moleculares Fórmulas empíricas



Fórmula molecular

:     Indica número exacto de átomos de cada elemento que están presentes en la unidad más pequeña de una sustancia.

H2, O2, O3, H2O… O2 y O3, alótropos Diamante y grafito, alótropos del C.

Fórmula molecular

La fórmula empírica no tiene necesariamente que coincidir con la fórmula molecular.

Por ejemplo, la fórmula empírica del benceno es CH, que no tiene correspondencia con ninguna molécula real, mientras que su fórmula molecular es C 6 H 6 .

“CH” fórmula empírica

H C H C H C C H C H C H

C 6 H 6 fórmula molecular Para poder calcular la fórmula molecular es preciso conocer la fórmula empírica y la masa molecular de la sustancia, ya que la fórmula molecular pesa n veces la fórmula empírica.

Ejemplo: la fórmula empírica de la glucosa es CH 2 O, y su masa molecular es 180.

Escribir su fórmula molecular.

Fórmula molecular = (CH 2 O)n Masa CH 2 O = 12 + 2 + 16 = 30, n = 180 grs/mol glucosa 30 grs de CH 2 O = 6 (CH 2 O) 6 C 6 H 12 O 6

 

Fórmula empírica:

 Indica cuales elementos están presentes y la relación mínima, en número entero entre sus átomos.

  La fórmula molecular del peróxido de hidrógeno, H 2 O 2 Su relación de átomos es 2: 2 o 1: 1 La fórmula empírica es HO

Fórmula empírica

A partir de la composición de un compuesto (que puede obtenerse mediante un analizador elemental), es posible deducir su fórmula más simple, o fórmula empírica , que es una relación simple de números enteros entre los átomos que lo componen.

Ejemplo : calcular la fórmula empírica para un compuesto que contiene 6.64 g de K, 8.84 g de Cr y 9.52 g de O.

a) Se calcula el número de moles de cada elemento: b) Y se divide por el menor número de moles 6.64 grs de K x 1 mol de K 39.1 grs de K = 0.170 mol de K / 0.170 mol K = 1 mol K /mol K 8.84 grs de Cr x 1 mol de Cr 52.0 grs de Cr = 0.170 mol de Cr / 0.170 mol K = 1 mol Cr /mol K 9.52 grs de O x 1 mol de O 16.0 grs de O = 0.595 mol de O / 0.170 mol K = 3.5

mol O /mol K 1 K : 1 Cr: 3.5 O 2 K: 2 Cr: 7 O K 2 Cr 2 O 7

Guía N° 2: Átomos moléculas, iones Lectura de Referencia: “Química. La Ciencia Central” 7ª Edición. T.L. Brown, H.E. LeMay, Jr., B.E. Bursten Referencia: Capítulos 2 Brown 1. ¿Cuántos protones, neutrones y electrones hay en los siguientes átomos: a) 40 Ar, b) 55 Mn c) 65 Zn d) 79 Se e) 184 W f) 235 U R: Especie Protones Neutrones Electrones 40 Ar 18 22 18 55 65 79 184 235 Mn Zn Se W U 25 30 34 74 92 30 35 45 110 143 25 30 34 74 92

2. Complete la siguiente tabla suponiendo que cada columna representa un átomo neutro: Símbolo 39 K Protones 25 82 Neutrones 30 64 Electrones Número de masa 48 56 137 207 R: Símbolo Protones 39 K 19 Neutrones Electrones 20 19 Número de masa 39 55 Mn 25 30 25 55 112 Cd 48 64 48 112 137 Ba 56 81 56 137 207 Pb 82 125 82 207

3. Escriba el símbolo correcto, con subíndice y superíndice, de cada uno de las siguientes especies: a) el isótopo de sodio con masa 23 b) el núclido de vanadio que contiene 28 neutrones c) una partícula alfa d) el isótopo de cloro que tiene una masa de 37 e) el núclido de magnesio que tiene el mismo número de protones y de neutrones. R: (a) el isótopo de sodio con masa 23 = 23 Na 11 (b) el núclido de vanadio que contiene 28 neutrones = 51 V 23 , (c) una partícula alfa = = 24 Mg 12 4 He 2 (d) el isótopo de cloro que tiene una masa de 37 = 37 Cl 17 (e) el núclido de magnesio con el mismo número de protones y de neutrones

4. Para cada uno de los siguientes elementos, escriba su símbolo, localícelo en la tabla periódica e indique si es un metal, un metaloide o un no metal: a) plata b) helio c) fósforo d) cadmio e) calcio f) bromo g) arsénico. . R: a) plata = Ag (metal) b) helio = He (No metal) c) fósforo = P (no metal) d) cadmio = Cd ( metal) e) calcio = Ca (metal) f) bromo = Br (no metal) g) arsénico = As (metaloide).

 R:  O = oxígeno, no metal;  5. Escriba el nombre y el símbolo químico para cada uno de los elementos del grupo 6 A (los calcógenos) y clasifique cada uno como, metal, metaloide o no metal. S = azufre, no metal;    Se = selenio, no metal; Te = Teluro, metaloide; Po = polonio, metal. (algunos piensan que el Po tiene más características de metaloide)   6. Dos compuestos tienen la misma empírica, ¿deben tener la misma fórmula molecular? R: No, dos moléculas con igual fórmula empírica pueden tener diferente fórmula molecular, por ejemplo CH 2 O es la fórmula empírica para el formaldehído CH 2 O y la glucosa C 6 H 12 O 6

7. Complete la siguiente tabla: Símbolo 31 P -3 Protones Neutrones Electrones Carga Neta

R: Símbolo 31 P -3 40 Ca +2 51 V 2+ 79 Se 2 59 Ni 2+ 52 Cr +3

40 Ca +2 28 21 23 45 36 -2 31 +2 28

Protones Neutrones Electrones Carga Neta 15 20 23 16 20 28 18 18 21 3 2+ 2+ 34 28 24 45 31 28 36 26 21 2 2+ 3+

52 Cr +3

8. Cada uno de los elementos siguientes puede formar un ión en reacciones químicas. Consultando la tabla periódica, prediga la carga del ión más estable de cada uno: a) Al; b) Ca; c) S; d) I; e) Cs f) Rb; g) Sr; h) Se; i) At R: a)Al 3+ ; b)Ca 2+ ; c)S 2 ; d)I ; e)Cs + , f)Rb + ; g)Sr 2+ ; h)Se 2 ; i)At 9. Prediga la fórmula empírica de los compuestos iónicos formado por los pares de elementos e iones siguientes: a) Ca y S; b) Na y F; c) Mg y N; d) Al y O; e) Ca +2 y Br ; f) NH 4+1 y Cl -1 ; g) Al +3 y C 2 H 3 O 2-1 ; h) K +1 y SO 4-2 ; i) Mg +2 y PO 4-3 R: a)Ca S; b)NaF; c)Mg 3 N 2 ; d)Al 2 O 3 ; e)CaBr 2 ; f)NH 4 Cl; g)Al(C 2 H 3 O 2 ) 3 h)K 2 SO 4 i)Mg 3 (PO 4 ) 2

10. Prediga si cada uno de los compuestos siguientes es molecular o iónico: (a) B 2 H 6 ; (b) CH 3 OH; (c) LiNO 3 ; (d) Sc 2 O 3 ; (e) CsBr; (f) NOCl; (g) NF 3 ; (h) Ag 2 SO 4 R: Moleculares (todos los elementos son no metales): a)B 2 H 6 ; b)CH 3 OH; f) NOCl 6 ;g)NF 3 Son Iónicos (formados por iones, usualmente contienen un catión metálico) c)LiNO 3 d) Sc 2 O 3 e)CsBr h)Ag 2 SO 4