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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…
ESTRUCTURA DE UN MATERIAL
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.
ESTRUCTURA DE UN MATERIAL
• 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)
Enrique De La Cruz Sosa 11
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
Enrique De La Cruz Sosa 12
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
Enrique De La Cruz Sosa 13
TIPOS DE ENLACE PRESENTES EN LOS MATERIALES DE INGENERÍA
SEMICONDUCTORES
POLÍMEROS
CERÁMICOSMETALES
Enrique De La Cruz Sosa 14
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
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¿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
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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
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¿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
Enrique De La Cruz Sosa 20
Tipos de enlaces químicos
Enrique De La Cruz Sosa 21
Unión covalente
Tipos de enlaces químicos
Enrique De La Cruz Sosa 22
Unión metálica
Tipos de enlaces químicos
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.
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La cantidad de carga eléctrica ejercida por los cationes del metal se
ve neutralizada por las cargas eléctricas de los electrones “libres”.
Tipos de enlaces químicos
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.
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Los cationes se repelen entre sí, pero son atraídos por el mar de
electrones que hay entre ellos, formándose así una red metálica.
Tipos de enlaces químicos
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
Enrique De La Cruz Sosa 27
Conductividad eléctrica
Interruptor cerrado
-
-
-
-
-+
++
+
+
H2OH2ODisociación total
NaCl(ac) → Na+(ac) + Cl-(ac)
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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
Las Fuerzas Intermoleculares…
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.
Las Fuerzas Intermoleculares…
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