Ciencia de Materiales · tema 01
Introducción a la ciencia de materiales
La cadena procesado, estructura, propiedades; el enlace que sostiene cada sólido y las cuatro familias de materiales. Es lo que pide el test de contenidos mínimos.
este tema trae un simuladorEste tema no tiene problemas, y aun así es el único de la asignatura que puede dejarte fuera por sí solo. Sobre él hay un test de contenidos mínimos: hay que sacar un 5 para poder aprobar la asignatura, no cuenta en la media y hay tres oportunidades —a finales de septiembre, y el día del examen de la ordinaria y de la extraordinaria—. Suspenderlo las tres veces es suspender, tengas lo que tengas en lo demás.
Y la idea que lo sostiene es la que ordena los otros nueve temas, así que merece la pena entenderla bien desde el principio: las propiedades de un material no son de su composición, son de su estructura. Y la estructura se puede cambiar.
La cadena que ordena la asignatura
La ciencia de materiales estudia la relación entre la estructura de un material y sus propiedades. La ingeniería de materiales la usa al revés: parte de las propiedades que hacen falta y diseña la estructura que las da.
La estructura es la disposición de los elementos internos del material, y se mira a cuatro escalas:
- subatómica: cómo es cada átomo;
- atómica: cómo se ordenan los átomos en el espacio;
- microscópica: cómo se agrupan grupos de átomos —granos, poros, fases—, lo que se ve al microscopio;
- macroscópica: lo que se ve a simple vista.
Una propiedad es la respuesta del material a un estímulo externo: cómo se deforma si tiras de él, cuánto calor conduce, si deja pasar la luz. Hay seis familias: mecánicas, eléctricas, térmicas, magnéticas, ópticas y químicas.
Con eso, la cadena entera se escribe en una línea:
procesado → estructura → propiedades → comportamiento
El procesado —fundir, laminar, calentar, templar— cambia la estructura; la estructura fija las propiedades; y las propiedades deciden cómo se porta la pieza en servicio. Los temas 5 y 6 son el primer eslabón, los temas 2 y 3 el segundo y el tercero, y todo el curso es aprender a recorrerla en los dos sentidos.
La misma pregunta, ¿por qué este material hace esto?, se contesta a una escala distinta según la propiedad. Que el aluminio se deje doblar y el magnesio se rompa se decide en cómo se ordenan los átomos; que una alúmina sea opaca o transparente, en si quedan poros entre sus granos. Ninguna de las dos cosas está en la fórmula química.
Dos ejemplos que lo dicen todo
El tema da dos, y los dos tratan de lo mismo.
El aluminio y el magnesio. Las aleaciones de aluminio son dúctiles —se estiran y se doblan antes de romperse— y las de magnesio son frágiles. Los dos son metales ligeros, con el mismo enlace. La diferencia está en el nivel atómico: el aluminio ordena sus átomos en una red cúbica y el magnesio en una hexagonal, y eso cambia cómo pueden deslizar unos planos de átomos sobre otros cuando el metal se deforma. Por qué pasa exactamente eso es el tema 3.
La alúmina que se vuelve transparente. Si se calienta polvo de alúmina, , a temperatura elevada, los granos se unen pero queda aire atrapado entre ellos, y la pieza sale opaca. Si al polvo se le añade un 0,1 % de óxido de magnesio antes de calentarlo, la pieza queda totalmente homogénea y sale transparente. La composición apenas ha cambiado; lo que ha cambiado es la estructura a nivel microscópico.
«Las propiedades son las del compuesto»
Es la idea que este tema viene a desmontar. La alúmina opaca y la transparente son, a efectos prácticos, el mismo compuesto: una lleva una décima de un uno por ciento de otra cosa. Y el acero de una lima y el de un clip pueden tener exactamente la misma composición y comportarse de forma opuesta. Lo que decide no es de qué está hecho un material, sino cómo están ordenados y agrupados sus átomos, y eso lo cambia el procesado.
El enlace, que está debajo de todo
Las propiedades de un material están ligadas a cómo se unen sus átomos y a las fuerzas entre ellos: al tipo de enlace. Hay dos grupos.
Los enlaces primarios mantienen unidos los átomos entre sí —fuerzas intramoleculares— y son tres:
| enlace | entre qué átomos | qué hacen los electrones | ejemplo |
|---|---|---|---|
| iónico | un metal y un no metal | el metal los cede y el no metal los acepta: se forman iones que se atraen | cloruro sódico, NaCl |
| covalente | no metales | se comparten entre los dos átomos | metano, diamante, grafeno |
| metálico | metales | quedan libres, en una nube que no pertenece a ningún átomo | hierro |
Qué enlace se forma lo decide la electronegatividad, la tendencia de un átomo a atraer electrones: un átomo que los retiene poco frente a otro que los atrae mucho da un enlace iónico; dos que los atraen parecido, uno covalente; y muchos átomos que los retienen poco, uno metálico.
Los enlaces secundarios actúan entre moléculas —fuerzas intermoleculares— y son mucho más débiles:
- fuerzas de Van der Waals: aunque una molécula no tenga carga neta, sus electrones pueden quedar repartidos de forma desigual y formar un dipolo, y dos dipolos bien orientados se atraen;
- puentes de hidrógeno: un átomo de hidrógeno unido a otro muy electronegativo —nitrógeno, oxígeno o flúor— atrae a otra molécula. Es lo que mantiene unida el agua.
Cristalino o amorfo
Un sólido es cristalino cuando sus partículas se disponen de forma muy ordenada, con un orden de largo alcance: el mismo patrón se repite a lo largo de todo el material. Es amorfo cuando no hay un orden particular y solo queda un orden de corto alcance, entre vecinos. El vidrio es el ejemplo de siempre.
Los sólidos cristalinos se clasifican por la fuerza que mantiene unidas sus partículas:
| sólido | lo mantiene unido | ejemplos |
|---|---|---|
| iónico | la atracción electrostática entre iones | cloruro de cesio, fluoruro de calcio |
| covalente | el enlace covalente | diamante, grafito |
| molecular | la atracción entre moléculas: Van der Waals y puentes de hidrógeno | el hielo |
| metálico | el enlace metálico, cationes en una nube de electrones | los metales |
«El hielo es covalente, porque el enlace O–H es covalente»
Dentro de cada molécula de agua, sí: el oxígeno y los dos hidrógenos comparten electrones. Pero lo que mantiene unido el sólido no es eso, sino la atracción entre moléculas, los puentes de hidrógeno. Por eso el hielo es un sólido molecular, y por eso funde a cero grados: basta con romper los enlaces secundarios, que son débiles. Un sólido covalente de verdad, como el diamante, no tiene moléculas separadas que soltar.
Las cuatro familias, y las que no caben
Por su estructura atómica y su composición química, los materiales se agrupan en cuatro familias clásicas y un cajón de avanzados.
| familia | enlace | lo que las define | ejemplos |
|---|---|---|---|
| metales | metálico | conducen bien el calor y la electricidad, son resistentes y dúctiles, cristalinos, reflejan la luz | hierro, aluminio, titanio; y sus aleaciones |
| cerámicos | iónico y/o covalente, entre metales y no metales | aislantes del calor y la electricidad, resisten altas temperaturas, duros y frágiles; cristalinos o no | óxidos como la sílice, nitruros, carburos; arcilla, cemento, vidrio |
| polímeros | covalente, sobre todo carbono e hidrógeno | ligeros y flexibles, conducen poco, resisten la corrosión; semicristalinos o amorfos | polietileno, polipropileno, poliestireno |
| compuestos | los de sus componentes | más de una fase; sus propiedades salen de las de sus componentes | resina con fibra de carbono, resina con fibra de vidrio |
Los polímeros se forman por polimerización: moléculas pequeñas, los monómeros, se encadenan en macromoléculas. Y los materiales compuestos no son una familia más en el mismo sentido que las otras tres: son dos o más materiales juntos, y las cuatro últimas unidades del curso vuelven sobre cada familia por separado.
Fuera de las cuatro quedan los materiales avanzados: los semiconductores —silicio, germanio—, con propiedades eléctricas entre las de un conductor y las de un aislante, y los biomateriales, como la celulosa o el quitosano. Y hay otras formas de clasificar que no chocan con esta: por su origen, naturales o sintéticos, o por la propiedad para la que se usan, estructurales, eléctricos, fotónicos.
Cómo se elige un material
Entre los materiales disponibles se busca el más conveniente, y los criterios son cuatro:
- las condiciones en las que se va a usar;
- las propiedades que tiene que tener —y casi siempre es un equilibrio entre varias, no una sola—;
- la degradación que va a sufrir durante su vida útil;
- el coste.
Para poder elegir hay que controlar tres cosas: las características del material, la relación entre su estructura y sus propiedades, y las técnicas con que se procesa. Algunos pares de material y aplicación, con lo que decide:
| material | aplicación | lo que decide |
|---|---|---|
| acero | herramientas | dureza, tenacidad, resistencia al desgaste |
| cobre | cables eléctricos | conductividad eléctrica, ductilidad |
| titanio | prótesis | biocompatibilidad, resistencia, ligereza |
| superaleaciones de níquel | aeroespacial | resistencia, baja densidad, aguantar altas temperaturas |
| vidrio | ventanas | transparencia, aislante |
| polietileno | film de embalaje | transparencia, flexibilidad |
Por qué hacen falta materiales nuevos
Porque las innovaciones tecnológicas piden materiales más sofisticados y más especializados; porque las fuentes de energía nuevas —la solar, la eólica— no existen sin ellos, como las células solares; porque en lo que ya existe se exige usarlos mejor —un vehículo más ligero y un motor que trabaje más caliente rinden más, y eso pide combinar resistencia, baja densidad y aguante a alta temperatura, como las superaleaciones de níquel—; y porque fabricarlos contamina, y hay que controlar y medir esa contaminación.
Lo que pide el test de mínimos
La guía lo describe como una prueba teórica que evalúa la comprensión básica de los contenidos mínimos del tema 1. Qué preguntas trae no está en el material, y aquí no se va a adivinar. Lo que sí está es el ejercicio con el que el tema termina, y es la mejor pista de lo que se espera que sepas hacer sin dudar: una tabla con seis materiales —bronce, aluminio, poliestireno, latón, vidrio y cloruro de sodio— donde para cada uno hay que decir su tipo de enlace, su tipo de estructura, al menos dos propiedades y una aplicación. Está entre los ejercicios de este tema.
Practica lo que acabas de leer
Cinco sólidos, y lo que mantiene unido a cada uno
Ejemplo introductorio, para entrar de cero. Cada paso equivocado recibe su diagnóstico, no un «incorrecto».
Hacer el ejercicio →Cinco sólidos, y lo que mantiene unido a cada uno
1.er intento a pelo · al 2.º aparece la pista, al 3.º el desarrollo — la solución nunca se da al fallar: se te dice en qué te has ido y por qué.
Enunciado
Para cada uno de estos cinco sólidos —cloruro sódico, diamante, hierro, hielo y cloruro de cesio—, di qué fuerza mantiene unidas sus partículas y a qué tipo de sólido cristalino pertenece.
El tipo de sólido de cada uno, y cuántos hay de cada clase.
- 01
Reconocer el camino
COMP1Empieza por el cloruro sódico. ¿Qué lo mantiene unido?
Compartir electrones es el enlace covalente, y se da entre no metales. El sodio es un metal que retiene muy poco su electrón: no lo comparte, lo cede.
El cloruro sódico sólido no está hecho de moléculas sueltas: es una red continua de iones. Las fuerzas entre moléculas son las de los sólidos moleculares, como el hielo.
Eso es. El sodio cede un electrón y el cloro lo acepta: quedan un catión y un anión que se atraen, y se ordenan en una red iónica. Es un sólido iónico.
La nube de electrones es del enlace metálico, que se forma entre átomos metálicos. En el cloruro sódico solo uno de los dos es un metal, y el otro le quita el electrón.
- 02
Los sólidos iónicos
COMP2De los cinco, ¿cuántos son sólidos iónicos?
un número entero — vale la forma exacta: pi/4, sqrt(3)/2, (e^2-1)/2…Te has dejado el cloruro de cesio. Es el mismo caso que el cloruro sódico: un metal, el cesio, cede su electrón al cloro. Es uno de los dos ejemplos de sólido iónico del tema.
Has contado uno de más. El diamante es carbono con carbono, y el hielo son moléculas de agua: ninguno de los dos tiene iones.
Busca los que juntan un metal con un no metal.
Desarrollo
El cloruro sódico y el cloruro de cesio: los dos juntan un metal que cede electrones con el cloro, que los acepta. Son 2.
- 03
Los que se sostienen con un enlace secundario
COMP2¿Cuántos de los cinco se mantienen unidos, como sólido, por un enlace secundario?
un número entero — vale la forma exacta: pi/4, sqrt(3)/2, (e^2-1)/2…El hielo. Dentro de cada molécula de agua el enlace es covalente, pero lo que une unas moléculas con otras en el sólido son los puentes de hidrógeno, que son un enlace secundario.
Has contado el diamante. El diamante no tiene moléculas: cada átomo de carbono está unido a sus vecinos por enlaces covalentes, en una red que ocupa todo el cristal.
Un enlace secundario actúa entre moléculas. ¿Cuál de los cinco está hecho de moléculas separadas?
Desarrollo
Solo el hielo, que es un sólido molecular: sus moléculas se unen por puentes de hidrógeno. El diamante es covalente, el hierro metálico y los dos cloruros iónicos.
- 04
Justificar el argumento
COMP4Ordena por qué el hielo funde a cero grados y el diamante no. Una pieza es falsa.
- Ve eligiendo las piezas en orden.
Dentro de la molécula, sí. Pero lo que mantiene unido el sólido es la atracción entre moléculas, así que el hielo es un sólido molecular. Si fuera covalente como el diamante, no fundiría a cero grados.
El razonamiento, en orden
En el diamante, cada átomo de carbono está unido a sus vecinos por enlaces covalentes en una red continua.
En el hielo, las moléculas de agua se unen entre sí por puentes de hidrógeno, que son un enlace secundario.
Fundir el hielo solo exige romper esos enlaces secundarios, que son mucho más débiles que los primarios.
Resolución completa
Lo primero es preguntar entre qué átomos se forma el enlace, porque eso decide casi siempre el tipo de sólido:
| sólido | átomos | lo mantiene unido | tipo |
|---|---|---|---|
| cloruro sódico | metal y no metal | atracción entre iones | iónico |
| cloruro de cesio | metal y no metal | atracción entre iones | iónico |
| diamante | carbono con carbono | enlace covalente | covalente |
| hierro | metal | enlace metálico | metálico |
| hielo | moléculas de agua | puentes de hidrógeno | molecular |
Hay dos iónicos y uno molecular. El que más se confunde es el hielo: su molécula es covalente por dentro, pero el sólido se sostiene con enlaces secundarios entre moléculas, y por eso funde tan fácil.
¿Esto está mal? Dilo →La resolución es nuestra y puede tener fallos. El enunciado es el original.
La alúmina que se vuelve transparente
1.er intento a pelo · al 2.º aparece la pista, al 3.º el desarrollo — la solución nunca se da al fallar: se te dice en qué te has ido y por qué.
Enunciado
Al calentar polvo de alúmina, , a temperatura elevada, se obtiene una pieza opaca. Si antes de calentarlo se le añade un 0,1 % de óxido de magnesio, , la pieza sale transparente.
a) ¿Por qué sale opaca la primera?
b) Para preparar 250 g de polvo con ese 0,1 % de óxido de magnesio, ¿cuánto óxido de magnesio hace falta?
El motivo de la opacidad y la masa de óxido de magnesio.
- 01
Reconocer el camino
COMP1¿Por qué sale opaca la alúmina sin aditivo?
Los cerámicos pueden ser transparentes u opacos: el vidrio es un cerámico y es transparente. Y este mismo ejemplo lo desmiente, porque la misma alúmina sale transparente con el aditivo.
Con un 0,1 % la composición casi no cambia. Lo que cambia es la estructura: el aditivo deja la pieza homogénea, sin poros.
Exacto. Los poros entre los granos dispersan la luz. Con el 0,1 % de óxido de magnesio la pieza queda totalmente homogénea, sin poros, y la luz pasa.
El orden de los átomos no decide eso. La diferencia entre las dos piezas no está en el nivel atómico sino en el microscópico: en si quedan huecos entre los granos.
- 02
El óxido de magnesio que hace falta
COMP2¿Cuánto óxido de magnesio llevan 250 g de polvo con un 0,1 %?
una masa, con su unidad — con su unidad; vale cualquiera de la misma magnitudHas tomado el 0,1 % como si fuera 0,1 veces la masa, es decir un 10 %. Un 0,1 % es una milésima: 250 entre mil.
Eso sería un 1 %, diez veces más de lo que dice el enunciado. Un 0,1 % es 0,001 veces la masa.
Un tanto por ciento es una fracción de cien: un 0,1 % es 0,001.
Desarrollo
- 03
Justificar el argumento
COMP4Ordena por qué cambia tanto la pieza con tan poco aditivo. Una pieza es falsa.
- Ve eligiendo las piezas en orden.
Un cuarto de gramo en 250 apenas cambia la composición. Lo que cambia es la estructura a nivel microscópico: con poros o sin ellos. Es la idea central del tema, las propiedades no son del compuesto sino de cómo está organizado.
El razonamiento, en orden
Sin aditivo, al calentar el polvo los granos se unen pero queda aire atrapado entre ellos.
Esos poros dispersan la luz, y la pieza sale opaca.
Con un 0,1 % de óxido de magnesio la pieza queda totalmente homogénea, y deja pasar la luz.
Resolución completa
Es el ejemplo del tema de que la estructura manda más que la composición. La alúmina sin aditivo y la que lleva el óxido de magnesio son, a efectos prácticos, el mismo compuesto:
Un cuarto de gramo en 250. Lo que cambia es la estructura a nivel microscópico: sin aditivo, al unirse los granos queda aire atrapado entre ellos, los poros dispersan la luz y la pieza sale opaca; con el aditivo queda totalmente homogénea y sale transparente.
¿Esto está mal? Dilo →La resolución es nuestra y puede tener fallos. El enunciado es el original.
La tabla de los seis materiales
1.er intento a pelo · al 2.º aparece la pista, al 3.º el desarrollo — la solución nunca se da al fallar: se te dice en qué te has ido y por qué.
Enunciado
Completa la siguiente tabla:
| MATERIAL | TIPO DE ENLACE (a) | TIPO DE ESTRUCTURA (b) | PROPIEDADES (c) | APLICACIÓN (d) |
|---|---|---|---|---|
| Bronce | ||||
| Aluminio | ||||
| Poliestireno | ||||
| Latón | ||||
| Vidrio | ||||
| Cloruro de sodio |
(a) Referido al enlace químico entre los átomos del material. (b) Referido al ordenamiento entre los átomos del material. (c) Al menos dos propiedades. (d) Al menos una aplicación.
El enlace, la estructura, dos propiedades y una aplicación de cada material.
- 01
Reconocer el camino
COMP1El bronce y el latón son aleaciones de cobre, con estaño el primero y con cinc el segundo. ¿Qué enlace tienen?
Compartir electrones entre dos átomos concretos es el enlace covalente, propio de los no metales. En los metales los electrones no se comparten de dos en dos: forman una nube común.
Que haya dos elementos no hace iónico un enlace. El iónico se forma entre un metal y un no metal; aquí los dos son metales, y ninguno le arranca el electrón al otro.
La proporción cambia las propiedades, no el tipo de enlace. Con más o menos estaño o cinc, sigue siendo una aleación metálica.
Eso es. Una aleación de metales sigue siendo un metal: sus átomos están unidos por enlace metálico y ordenados en una red cristalina. Por eso los dos son dúctiles y conducen.
- 02
Los materiales cristalinos
COMP2De los seis materiales de la tabla, ¿cuántos tienen estructura cristalina?
un número entero — vale la forma exacta: pi/4, sqrt(3)/2, (e^2-1)/2…Has contado como cristalino el vidrio o el poliestireno, y los dos son amorfos. El vidrio es el ejemplo de sólido amorfo por excelencia: transparente no quiere decir ordenado.
No todos los sólidos son cristalinos. El vidrio y el poliestireno son amorfos: sus átomos no tienen orden de largo alcance.
Busca los dos que no tienen orden de largo alcance: un vidrio y un plástico.
Desarrollo
Cristalinos son el bronce, el aluminio, el latón y el cloruro de sodio: 4. El vidrio y el poliestireno son amorfos.
- 03
Los materiales con enlace metálico
COMP2¿Y cuántos tienen enlace metálico?
un número entero — vale la forma exacta: pi/4, sqrt(3)/2, (e^2-1)/2…Solo has contado el aluminio. El bronce y el latón son aleaciones de cobre, y una aleación de metales sigue teniendo enlace metálico.
Has contado de más. El cloruro de sodio junta un metal con un no metal: su enlace es iónico, no metálico.
Una aleación de metales cuenta como metal.
Desarrollo
El bronce, el aluminio y el latón: 3.
- 04
Justificar el argumento
COMP4Ordena la fila del vidrio. Una pieza es falsa.
- Ve eligiendo las piezas en orden.
Es justo al revés: el vidrio es amorfo, sin orden de largo alcance. Que deje pasar la luz no depende de que sus átomos estén ordenados; la alúmina del tema lo enseña por el otro lado, opaca o transparente según tenga poros o no.
El razonamiento, en orden
El vidrio es sobre todo sílice, y sus átomos se unen por enlace covalente e iónico.
Sus átomos no tienen orden de largo alcance: es un sólido amorfo.
Es transparente y aislante, y se usa para vasos y ventanas.
Resolución completa
La solución que trae la propia diapositiva:
| material | enlace | estructura | propiedades | aplicación |
|---|---|---|---|---|
| bronce | metálico | cristalina | dúctil, conductor | campana |
| aluminio | metálico | cristalina | no se corroe, ligero | envasado |
| poliestireno | covalente | amorfa | maleable, ligero | film |
| latón | metálico | cristalina | dúctil, conductor | bisutería |
| vidrio | covalente e iónico | amorfa | transparente, aislante | vaso |
| cloruro de sodio | iónico | cristalina | duro, frágil | alimentación |
Lo que la tabla enseña si se lee por columnas. Los tres metálicos son cristalinos, y comparten propiedades: dúctiles y conductores. Los dos amorfos son un plástico y un vidrio, y ninguno conduce. Y el único iónico es duro y frágil, como los cerámicos. Las propiedades y las aplicaciones admiten más de una respuesta —el enunciado pide «al menos» dos y una—, pero el enlace y la estructura no.
¿Esto está mal? Dilo →La resolución es nuestra y puede tener fallos. El enunciado es el original.