MATERIALES. PROPIEDADES. ENSAYOS.

Los materiales tienen una finalidad, su utilidad.

Las propiedades de los materiales dependen de su composición química, su estructura,

tipo de enlaces y de su microestructura, es decir, el aspecto al microscopio (la

naturaleza, cantidad, distribución de fases presente en una aleación, en las cerámicas,

etc).

Las fuerzas de atracción que mantienen unidos los átomos se llaman enlaces químicos.

Existen distintos tipos de enlaces entre los átomos:

1. ENLACE IÓNICO

Se forma entre átomos muy electropositivos (metálicos) y átomos muy

electronegativos (no metálicos). En el proceso de ionización se transfieren los

electrones desde los átomos de los elementos electropositivos a los átomos de

los electronegativos, de forma que se producen cationes y aniones. Las fuerzas

de enlace son de carácter electrostático o coulombianas entre iones de carga

opuesta.

PROPIEDADES DE LOS C. IONICOS

Un compuesto iónico es una red formada por muchísimos iones, cationes y

aniones, que se atraen electrostáticamente entre sí. La atracción electrostática es

un enlace de tipo no direccional y bastante fuerte, por lo que va a ser difícil

desprender los cationes de los aniones en estos compuestos. La estabilidad de un

c. iónico depende de un parámetro que es la energía reticular, que cuanto más

estable es el compuesto iónico, mayor es la energía reticular y es la que se

desprende cuando se forma el compuesto (y la que se necesita para romperlo).

Como son compuestos unidos por enlaces fuertes, esto hace que sean sustancias

sólidas a T ambiente, porque hay que dar mucha energía para romper los

enlaces, es decir, hay que dar una gran cantidad de calor para fundirlos y para

evaporarlos. Esto significa que los compuestos ionicos tendrán puntos de fusión

y de ebullición elevados.

CLNa T fusión 800ºC y T ebullición de 1460ºC.

La dureza tb depende de la fuerza de este enlace. Para rayar el compuestos hay

que arrancar cationes y aniones, ed, romper enlaces. Por tanto son compuestos

de elevada dureza, que solo serán rayados si se enfrentan a compuestos de

dureza mayor, como el diamante (red covalente extremadamente dura).

Sin embargo, son frágiles: son sensibles a los impactos. Esto es porque al dar un

golpe a un c. iónico puede ser que hagamos que resbale una capa sobre la otra,

entonces puede ser que se enfrenten iones del mismo signo; esto va a hacer que

haya una fuerza de repulsión grande y el cristal se rompe.

Solubilidad: depende de la dureza del enlace y de la energía reticular. Un

compuesto es soluble cuando al meterlo en un disolvente se producen unas

fuerzas capaces de separar los iones; esto sucede en disolventes polares. Por

tanto son solubles en disolventes polares como el agua o el amoniaco líquido. En

el caso concreto del agua: El agua por diferencia de electronegatividad entre el

hidrogeno y el oxigeno es una molécula polar, hace que el oxigeno tiene una

densidad de carga negativa y el hidrogeno positiva; esto hace que la molecula

sea un dipolo y permite atraer electrostáticamente por el lado correspondiente a

cada uno de los iones: entonces las moléculas de agua pueden hacer suficiente

fuerza para arrancar los iones de la red y así sucesivamente la red se va a

disolver (esfera de solvatación).

Pero son insolubles en disolventes apolares como el benceno.

La solubilidad depende también de la energía reticular, esto significa que si esta

es elevada, los iones están unidos entre si muy fuertemente, y el agua tiene que

hacer más fuerza.

Conductividad eléctrica: las redes iónicas solidas son totalmente incapaces de

conducir la corriente eléctrica porque los iones están en posiciones fijas, no

tienen movilidad eléctrica y no pueden conducir la electricidad; sin embargo, si

el sólido está fundido o disuelto en agua, los iones ya tienen movilidad, no están

en posiciones fijas y pueden transportar la corriente eléctrica.

2. ENLACE COVALENTE

Se forma entre elementos con electronegatividad parecida por compartición de

sus electrones externos, de modo que cada átomo adquiere la configuración

electrónica de gas noble.

PROPIEDADES DE LAS REDES COVALENTES O CRISTALES

COVALENTES

Son compuestos formados por una infinidad de átomos; son macromoléculas en

las que tenemos gran cantidad de átomos que pueden ser iguales o diferentes

entre sí unidos por enlaces covalentes. El enlace covalente es un enlace muy

fuerte y esto condiciona las propiedades de dichas redes covalentes. En la

naturaleza encontramos fundamentalmente 3 redes covalentes

La sílice: SiO2. Se encuentra en el cuarzo, en la arena

Formas alotrópicas del carbono bien conocidas que son El diamante y El grafito.

Ambas están formadas por carbono puro pero debido a que su estructura es

diferente también lo son sus propiedades. Hay en la naturaleza otras formas

alotrópicas del carbono descubiertas recientemente como son los nanotubos y los

fullerenos.

PROPIEDADES que tienen estas redes covalentes:

debido a la fuerza de los enlaces covalentes son, en general, materiales muy

duros (el diamante tiene valor 10 en la escala de Mosh, que es una escala de

dureza de minerales) a excepción del grafito que no tiene gran dureza debido a

su peculiar estructura en capas.

También poseen elevados puntos de fusión y ebullición. (diamante 3823K y el

grafito 3800).

Son insolubles en cualquier disolvente y no conducen la electricidad a

excepción del grafito que es capaz de conducirla debido a su peculiar estructura

en capas.

ESTRUCTURA DEL CARBONO DIAMANTE

El diamante es una red tridimensional de átomos de carbono en la cual cada uno

de estos átomos de carbono se une a otros 4 átomos, y así sucesivamente de

forma tridimensional. Los enlaces C-C son de tipo covalente simples, tipo

sigma; cada átomo de carbono tiene una hibridación sp3, ed, tetraédrica, lo cual

quiere decir que en la configuración electrónica para un C con sp3 será;

electrones desapareados en un hibrido sp3, se esta hibridando un orbital s y 3

orbitales p. Debido a los 4 electrones desapareados, cada carbono puede formar

4 enlaces covalentes con otros carbonos de al lado. Así, cada C esta en el centro

de un hipotético tetraedro, en los vértices va a haber más átomos de carbono que

a su vez son los centros de su propio tetraedro y así sucesivamente. Hay una

elevada regularidad.

Debido a que estos enlaces C-C son covalente, muy fuertes, tenemos una

estructura con una dureza muy elevada (sustancia mas dura que se conoce, 10 en

Mosh) y hace que tenga puntos de fusión y ebullición muy elevadas.

C: 1s2 2s1 2p1 2p1 2p1

Otra sustancia muy similar al diamante es EL CARBURO DE SILICIO SIC

(carborundo), formado por carbono y silicio (mismo grupo en tabla periódica).

Tiene dureza y puntos de fusión y ebullición también muy elevados. También su

estructura es tetraédrica y geometría semejante, pero dado que el silicio es un

poco más grande que el carbono esto puede distorsionar un poco la red

covalente.

ESTRUCTURA DEL CARBONO GRAFITO

El grafito es una forma alotrópica del carbono en la cual cada carbono presenta

una hibridación del tipo sp2, es decir, de tipo trigonal plana formando ángulos

de 120 º.

C: tenemos 2e en el 1s y los 4 e- desapareados: uno en el orbital 2s y 3 en los 2p;

si tenemos una hibridación sp2, tenemos 3 orbitales hibridos sp2 que se colocan

en los vértices de un triangulo equilátero y un orbital p sin hibridar con un

electrón desapareado; entonces tenemos 3 orbitales híbridos sp2 que se colocan

orientados hacia los vértices de un triangulo en un mismo plano, y un orbital sin

hibridar que se coloca por encima y por debajo del plano.

Cada átomo de carbono del grafito se puede unir de forma plana a otros tres

átomos de carbono, de forma que se van formando hexágonos en una capa plana.

Por encima y por debajo de dicho plano estarían los orbitales p que han quedado

sin hibridar; esos orbitales p pueden solapar unos con otros de forma paralela;

así, los enlaces de una misma capa plana son muy fuertes y difíciles de romper

pero ahora se coloca otra capa idéntica por encima, a una distancia bastante

grande; por esto es fácil deslizar una capa sobre otra porque se encuentran

alejadas y el enlace es débil entre capas, es una interacción débil entre los

orbitales p que están por encima y por debajo del plano, y esto hace que el

grafito sea exfoliable (se separan fácilmente las capas) y que tenga una dureza

baja (1-2 en escala de Mohs) y que podamos utilizar las minas de lápiz para

pintar en un papel.

Esta estructura hace que exista movilidad eléctrica y por tanto el grafito conduce

la corriente eléctrica. Es un material barato que se puede utilizar como polo

inerte en las pilas galvánicas o las celdas electrolíticas debido a esta capacidad

de conducir la corriente.

PROPIEDADES DE LAS SUSTANCIAS COVALENTES

MOLECULARES

Están formadas por moléculas independientes. Estas moléculas establecen entre

si unas fuerzas débiles que se llaman fuerzas intermoleculares y que son mucho

más débiles que los enlaces covalentes que mantienen unidos los átomos.

Por ejemplo, si consideramos la molécula de H2, gas a T ambiente, cada

hidrogeno tiene 1 e de valencia y se une a otro mediante un enlace covalente

simple, tipo sigma (435 KJ/mol, es elevada) mientras las fuerzas

intermoleculares que unen las moléculas de hidrogeno la fuerza intermolecular

es de 1 KJ/mol; hay cierta fuerza que las mantiene unidas pero muy débiles.

Estas fuerzas intermoleculares débiles condicionan que los puntos de fusión y

ebullición sean bajos. De que depende la fuerza de los enlaces intermoleculares?

Esencialmente de dos cosas:

- La masa molecular (a mayor Mm, mayor las fuerzas intermoleculares y mas

difícil de evaporar)

- La polaridad de la molécula (a mayor polaridad, mayores fuerzas

intermoleculares porque se forman dipolos; estos dipolos se atraerán

electrostáticamente y cuesta mas separarlos, hay que aportat mas temperatura

para que las moléculas se separen) entonces, a mayor polaridad mayores

fuerzas intermoleculares. Las moléculas de agua forman dipolos y formran

entre ellas unas fuerzas intermoleculares que harán que cueste un poco más

separarlas (a T ambiente es un liquido y no un gas).

- De esta polaridad depende también la solubilidad de los compuestos

covalentes moleculares. Las polares son Solubles

- De la fuerza de estas fuerzas intermoleculares depende el estado de

agregación de la sustancia. En general tienen ptos de fusión y ebullición

bajos.

- No conducen la corriente eléctrica porque los electrones están muy

localizados. Son moléculas independientes y es difícil que haya movilidad

para los e. Solo conducen la corriente las sustancias muy polares disueltas en

agua siempre que se disocien como electrolitos dando iones, pe, HCl.

3. ENLACE METALICO

Los átomos se encuentran empaquetados en una estructura cristalina, donde los

atomos se hayan muy próximos entre sí.

PROPIEDADES DE LOS METALES

- Brillo y opacidad a la luz.

- Se pueden fundir.

- Son sólidos a T ambiente (a excepción del mercurio y otros)

- Elevados puntos de fusión

- Son dúctiles y maleables.

- Deformación de deslizan unas capas de cationes sobre otras y los electrones

continúan moviéndose por los intersticios del mismo modo y el metal

aguanta dicha deformación.

- Elevada conductividad eléctrica: para ello se requieren dos condiciones: una

que los metales tengan baja energía de ionización (E necesaria para arrancar

los electrones de valencia) y que haya orbitales de valencia vacios o

semillenos donde los e se puedan mover con libertad.

Teoría del gas electrónico o mar de electrones o nube electrónica

Se considera que cada átomo metálico pierde su electrón de valencia y queda

como un catión, formando después un empaquetamiento compacto.

Ej Na: 1s2 2s2 2p6 3s1 pierde 1 e

Ej Mg: 3 s2 pierde 2e

Y se van a rodear del máximo número de cationes vecinos posibles y una serie

de huecos o intersticios entre los que se mueven los e que ya no pertenecen a un

átomo sino a todos y se dice que están deslocalizados y se mueven libremente

por los intersticios. Además este gas electrónico sirve de cojín para evitar la

repulsión entre los cationes.

Explica la conductividad eléctrica y térmica, la ductilidad, la maleabilidad y la

resistencia a la deformación. Si deformamos un metal podemos estar haciendo

que estas capas se deslicen entre si y los e siguen moviéndose por los

intersticios.

Teoría de bandas:

En función de la conductividad eléctrica tenemos tres tipos de sólidos:

1. Sólidos aislantes, como el diamante, que son incapaces de conducir la corriente eléctrica.

2. Los conductores, como los metales, que conducen la corriente eléctrica con facilidad.

3. Los semiconductores, como los semimetales, tales como el Si, Ge, As, que conducen o no la corriente eléctrica, en función de las características del entorno.

Si tenemos n átomos de un metal, los n orbitales atómicos de valencia se combinan entre sí para dar n orbitales moleculares, muy próximos en energía. Tan próximos están en energía que decimos que se forma una banda energética (formada por orbitales moleculares muy próximos en energía).

Si tenemos n atomos de Li formando una red metálica:

Li (z=3): 1s2 2S1 2p

- Tendremos n orbitales atómicos de valencia 2s y forman una banda de valencia. Puesto que los oa 2s estaban semillenos (porque tienen 1 e pudiendo albergar dos), la banda de valencia formada se encuentra también semillena.

- Por otra parte, tenemos 3 oa 2p (porque cada átomo de litio tiene 3 oa p) que se combinan formando la llamada banda de conducción que, dado que los orbitales atómicos 2p están vacíos, la banda de conducción estará vacía.

Así, los e que están ocupando la banda valencia se pueden mover libremente tanto por la banda de valencia como por la banda de conducción.Por tanto, los metales presentan una banda de valencia llena o semillena, y una banda de conducción que puede estar parcialmente llena o vacía.

En un conductor, ambas bandas están muy próximas, de hecho se superponen o se solapan y esto hace que la movilidad electrónica sea muy sencilla y los metales conduzcan con facilidad la corriente eléctrica.

En un semiconductor, las bandas de valencia o de conducción están separadas pero muy próximas en energía. Con un pequeño aporte energético, una pequeña variación de temperatura o de presión externo puede ocurrir que salten electrones esa diferencia energetica y el semiconductor sea capaz de conducir la corriente eléctrica.

En los aislantes, la banda de valencia y la de conducción están muy separadas, la diferencia energética es muy grande entre ellas y por eso la banda de conducción es inaccesible y el salto electrónico no se produce y, por tanto, no pueden conducir la energía eléctrica.

FUERZAS INTERMOLECULARES

Hay fuerzas intermoleculares entre las moléculas covalentes que en general son débiles

pero que su intensidad es de distinta magnitud. La intensidad d las fuerzas

intermoleculares depende esencialmente de la polaridad de las moléculas covalentes:

cuanto más polar sea la molécula, mayores son las fuerzas intermoleculares

electrostáticas entre ellas y, por tanto, serán más difíciles de separar, con lo que hay que

dar mayor T para lograrlo.

Tipos de fuerzas intermoleculares, con el criterio d polaridad y apolaridad de las

moléculas:

a) Si tenemos moléculas APOLARES (ed, no forman un dipolo permanente). Estas

fuerzas reciben el nombre de fuerzas dipolo instantáneo- dipolo inducido;

también se llaman fuerzas de dispersión o fuerzas de London. En este caso el

punto de fusión aumentará con la masa molecular de la sustancia.

Ejemplo molécula de H2, se atraen por la formación de un dipolo instantáneo

porque de forma fugaz la nube electrónica se puede encontrar más cerca de un

núcleo que de otro, con lo que se produce una densidad de carga asimétrica;

ocurre en un instante muy breve por lo que se le llama dipolo instantáneo; a

pesar de su existencia fugaz puede er capaz por un efecto de inducción que otras

moléculas vecinas generen también un dipolo inducido, haciendo que estas

también desplacen su carga. Así el dipolo instantáneo y el inducido se pueden

sentir atraídos. Este tipo de fuerzas aumenta con la masa molecular. Esto es

porque la nube electrónica va a estar formada por un número de electrones

mayor , más alejada la nube de los núcleos y más fácil es la formación de

dipolos instantáneos.

En cualquier caso, estas fuerzas de London son las fuerzas intermoleculares más

débiles y por eso, en general, las moléculas covalente apolares son gases a

temperatura ambiente (excepto el I que es solido).

b) Si tenemos moléculas covalentes POLARES. En ellas se forman dipolos

permanentes, ed, tendremos una distribución desigual de la carga, con zonas de

densidad de carga positiva y zonas de densidad de carga negativa. Estos dipolos

pueden interaccionar con otros dipolos (zona positiva con negativa y negativa

con positiva).

Una molécula es polar cuando:

a) el enlace entre los dos átomos es polar, es decir, se produce entre elementos

con diferente polaridad: en el enlace hay un momento dipolar permanente,

ej, molécula de agua.

b) Cuando además, la geometría de la molecular hace que los momentos

dipolares no se anulen. Entonces, tiene que ocurrir que no se anulen por

geometría los momentos dipolares. Ej en la molécula de agua.

Tendremos 2 tipos de fuerzas intermoleculares entre moléculas covalentes

polares:

- Enlace de hidrógeno

Cuando hay enlaces covalentes formados por un H y una átomo pequeño y

electronegativo (N,O,F).

Dicho de otra forma, en moléculas que forman un dipolo permanente pero

con la particularidad de que el dipolo está formado por un enlace en el que

tenemos un átomo de hidrógeno unido a un elemento pequeño y muy

electronegativo como el N, F, O.

La intensidad del enlace es considerable.

- Fuerzas dipolo-dipolo o fuerzas de Van der Waals

Resto de combinaciones de enlaces formados por átomos con distinta

electronegatividad.

, y se trata de moléculas de dipolo permanente porque tenemos moléculas

con átomos de diferente electronegatividad. Las fuerzas de Van der Waals

tienen magnitudes más pequeñas que los de puentes de hidrogeno.