Breviario de estructura de los materiales / Marcos May Lozano.

BREVIARIO
DE ESTRUCTURA
DE LOS MATERIALES
Ojos de cielo en eícieíb, ojos de tierra en (a tierra.
%(viento azuCes enturSiado con eícafé de (os viejos maizales.
"Elríoesta corriendo y esta llevando (os colores de los junglares,
lii azuC no será deCo, tu cielo será la tierra donde viven feCices los mortales
¡Marcos !May
B R E V I A R I O DE E S T R U C T U R A DE L O S M A T E R I A L E S
Este material fue dictaminado y aprobado para su publicación
por el Consejo Editorial de la División de Ciencias Básicas
e Ingeniería de la Unidad Azcapotzalco de la UAM, en su
sesión del día 6 de septiembre del 2005-
BREVIARIO
DE ESTRUCTURA
DE LOS MATERIALES
Marcos May Lozano
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UNIVERSIDAD
AUTONOMA
METROPOLITANA
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División de Ciencias Básicas e Ingeniería
Departamento de Materiales
UAMiZCAPOTZAlCO
RECTOR
Dr. Adrián Gerardo de Garay Sánchez
SECRETARIA
Dra. Sylvie Jeanne Turpin Marion
COORDINADORA GENERAL D E DESARROLLO ACADÉMICO
Dra. Alicia Chacalo Hilu
COORDINADOR DE EXTENSIÓN UNIVERSITARIA
DI Jorge Armando Morales Aceves
JEFE DE LA SECCIÓN DE PRODUCCIÓN Y DISTRIBUCIÓN EDITORIALES
DCG Edgar Barbosa Alvarez Lerin
ISBN: 970-31-0566-1
© ÜHI-Azcapotzatco
Marcos May Lozano
Correccióo:
Rosendo García Leyva
Ilustración deportada.
Consuelo Quiroz Keyes
Diseño de Portada:
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Sección de producción
y distribución editoriales
Tel- 5318-9222 / 9223
Fax 5318-9222
Universidad Autónoma Metropolitana
Unidad Azcapotzalco
Av. San Pablo 180
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Delegación Azcapotzalco
C R 02200
México. D.F.
Breviario de estructura de los materiales
la. edición, 2006
Impreso en México
6.3.
E L A S T Ó H E R O (hule)
6.4.
VULCANIZACIÓN
^2
^2
6.5.
POLÍMEROS INORGÁNICOS
^2
6.6.
G R A D O D E POLIMERIZACIÓN
45
Apéndice A
POLÍMEROS
Apéndice B
P U E N T E DE H I D R Ó G E N O
MOLÉCULAS POLARES
T A B L A PERIÓDICA
PREFACIO
El presente breviario es un m a n u a l conciso, q u e les permita a los a l u m n o s seguir las c i a s e s
de su m a e s t r o , estudiar, e n t e n d e r e investigar los t e m a s de su Materia Estructura d e los
materiales. Su contenido es un r e s u m e n o síntesis de los principales t e m a s de la materia.
Mediante este Breviario se espera q u e el a l u m n o p u e d a estudiar y e n t e n d e r con m a y o r
facilidad los t e m a s del c u r s o , pues se va directo al g r a n o , tratando de no distraer al a l u m n o
con a m b i g ü e d a d e s . Los t e m a s se plantean con un s e g u i m i e n t o o r d e n a d o , tratando de ser
concreto y tratando d e no dejar definiciones Inconclusas. En el t i e m p o q u e llevo d a n d o esta
clase m e he d a d o c u e n t a de la a u s e n c i a d e un m a n u a l c o m o este y e s p e r o s i n c e r a m e n t e
les s e a d e utilidad a los a l u m n o s q u e llevan esta asignatura.
UAM-Azcapotzalco, 2005.
La presencia de la estrella en el texto indica q u e el t e m a desarrollado es d e g r a n
interés y se ha colocado c o m o indicación para el a l u m n o al m o m e n t o de estudiar para sus
exámenes.
Se han subrayado y puesto en negritas algunas partes del texto, para realzar algunas
frases e n el m a n u a l .
INTRODUCCIÓN
La historia de la h u m a n i d a d ha sido dividida e n diferentes é p o c a s q u e están relacionadas
con el material q u e m á s se u s a b a (la e d a d de piedra, b r o n c e , etc.). A c t u a l m e n t e , e s t a m o s
e n la era de los N u e v o s M a t e r i a l e s . El p r o g r e s o a h o r a se b a s a e n el desarrollo d e la
Microelectrónica, la Informática, la A u t o m a t i z a c i ó n y R o b o t i z a c i ó n d e la P r o d u c c i ó n , e n el
e m p l e o d e nuevos materiales y n u e v a s tecnologías y la Biotecnología.
La tecnología m o d e r n a requiere de materiales c o n una v a r i e d a d de p r o p i e d a d e s , con un
bajo costo d e obtención y c o n u n a alta versatilidad. El n ú m e r o d e materiales existentes se
cree están entre 4 0 . 0 0 0 y 8 0 . 0 0 0 . La introducción de los n u e v o s materiales e n las industrias
viene motivada por los siguientes factores: 1) Necesidad de e c o n o m i z a r energía 2) Urgencia
d e conservar el m e d i o a m b i e n t e 3) C o n v e n i e n c i a de disminuir el c o n s u m o de materiales
estratégicos 4 ) Necesidad de a u m e n t a r su competitividad e n los m e r c a d o s .
Los n u e v o s estudios, tienden a desarrollar materiales m á s fiables, ligeros, resistentes y
c o n una optimización d e recursos. Entre éstas líneas está el desarrollo de: a) A l e a c i o n e s
metálicas resistentes a altas t e m p e r a t u r a s b) Metales a m o r í o s c) C e r á m i c a s t é c n i c a s d)
Polímeros especiales e) Materiales c o m p u e s t o s .
El objetivo en el área de los n u e v o s materiales será q u e los d e s e c h o s t e n g a n propiedades
q u e permitan el reciclaje o q u e sea fácil su d e g r a d a c i ó n . Las industrias del sector metálico,
plástico y cerámico, d e b e r á n entrar e n u n p r o c e s o de t r a n s f o r m a c i ó n y reconversión hacia
el uso d e materiales c o m p u e s t o s , si d e s e a n c o n s e r v a r sus e s p a c i o s d e m e r c a d o frente a
los productos q u e s e r á n ofertados d e s d e a f u e r a , facilitados por la inclusión del país e n los
bloques del comercio internacional.
En la obtención d e un n u e v o material, se admiten tres fases de investigación y desarrollo:
Utilización de conocimientos interdisciplinarios, teóricos y e x p e r i m e n t a l e s , para caracterizar
los nuevos materiales, tratando d e controlar las propiedades d e los m i s m o s , correlacionando
la estructura microscópica con la macroscópica. Conseguir m é t o d o s y técnicas de producción
de nuevos materiales a nivel industrial.
La ingeniería de Materiales tiene c o m o objetivos: c o m b i n a r p r o p i e d a d e s d e distintos
materiales para generar uno n u e v o (materiales c o m p u e s t o s ) y e n c o n t r a r n u e v o s p r o d u c t o s
en los cuales se p u e d a n aplicar los n u e v o s materiales. E s p e c í f i c a m e n t e se b u s c a o b t e n e r
materiales para aplicaciones: m a g n é t i c a s ( i m a n e s d e tierras raras, i m a n e s unidos m e d i a n t e
p o l í m e r o s ) , ó p t i c a s ( m a t e r i a l e s ó p t i c o s c o n índice d e t r a n s m i s i ó n v a r i a b l e ) , e l é c t r i c a s
(conductores metálicos endurecidos por envejecimiento, conductores poliméricos, materiales
piezoeléctricos) y d e s u p e r c o n d u c t i v i d a d ( s u p e r c o n d u c t o r e s a altas t e m p e r a t u r a s ) .
Otros de los objetivos serán fabricar: materiales n o metálicos para altas t e m p e r a t u r a s
(materiales fibrosos y cerámicas mejoradas e n cuanto a durabilidad), polímeros y c o m p u e s t o s
de matriz orgánica (mezclas poliméricas, p o l í m e r o s c o n aditivos y c o m p u e s t o s o r g á n i c o s ) ,
materiales para aplicaciones e s p e c i a l i z a d a s : biomateriales (materiales c o m p u e s t o s para
implantes y ligamentos ortopédicos de larga duración, materiales bioabsorbibles y
histocompatibles para bioinstrumentos, tales c o m o m e m b r a n a s , bolsas, agujas y jeringuillas),
m a t e r i a l e s d e e m b a l a j e y e n v a s a d o , m u l t i m a t e r i a l e s ( m a t e r i a l e s d e m u l t i c a p a s ) . La
información anterior permite e n t e n d e r la Importancia de la ingeniería de materiales e n el
presente y futuro de la h u m a n i d a d . Los g o b i e r n o s del m u n d o h a n e n t e n d i d o e s a importancia
y están g a s t a n d o millones de d ó l a r e s en la investigación de n u e v o s materiales.
1. E S T R U C T U R A C R I S T A L I N A Y C R I S T A L O G R A F Í A (el e s t a d o c r i s t a l i n o )
• C R I S T A L E S O M A T E R I A L C R I S T A L I N O . U n cristal s e p u e d e d e f i n i r c o m o u n
conjunto d e átomos ordenados según un arreglo periódico e n tres dimensiones.
C u e r p o s q u e poseen una geometría definida y ordenada. -Material q u e contiene un
a r r e g l o a t ó m i c o regular y repetitivo ( e n t r e s d i m e n s i o n e s y q u e d i f r a c t a a l o s R a y o s X ) .
U n a r o c a y u n a m o n t a ñ a e s t á n c o n s t i t u i d a s por m i n e r a l e s t a n c r i s t a l i n o s c o m o u n
terrón d e a z ú c a r , la s a l d e c o c i n a o e l o r o d e u n anillo.
p
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Cristal
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-P
{ordettíuio)
Vidrio
(íunot^o}
* U N A C E L D A U N I T A R I A . Es la parte m á s p e q u e ñ a d e u n cristal ( d e s c r i t a p o r 3
v e c t o r e s x y z , y 3 á n g u l o s a p y ) , e s el c o n j u n t o m í n i m o o r d e n a d o d e á t o m o s o i o n e s
q u e s e r e p i t e n e n ef e s p a c i o .
* RED CRISTALINA.
Puntos
que
representan
átomos
de
una
estructura
tridimensional. -Arreglo periódico de puntos q u e definen un espacio.
R e d cristalina
* EXISTEN SOLO SIETE SISTEMAS CRISTALINOS:
Cúbico, tetragonal, ortorrómbico, romboédrico, hexagonal, monoclínico y triclínico.
La m a t e r i a e s t a c o n s t i t u i d a p r i n c i p a l m e n t e p o r c ú b i c a y h e x a g o n a l .
* E S T R U C T U R A C Ú B I C A S I M P L E ( P R I M I T I V A ) . E s t r u c t u r a cristalina c o n s i m e t r í a
c ú b i c a , e n la q u e los á t o m o s o i o n e s e s t á n e n l o s o c h o v é r t i c e s ( c o n t i e n e u n á t o m o p o r
c e l d a unitaria).
* C U B I C A C E N T R A D A E N EL C U E R P O ( C C ) . Estructura cristalina c o n simetría
c ú b i c a , e n la q u e l o s á t o m o s o i o n e s e s t á n e n las e s q u i n a s d e la c e l d a u n i t a r i a , y
a d e m á s h a y u n á t o m o e n el c e n t r o d e la c e l d a ( c o n t i e n e 2 á t o m o s p o r c e l d a u n i t a r i a ) .
* C Ú B I C A C E N T R A D A E N L A S C A R A S (CCC). Estructura cristalina c o n simetría
c ú b i c a , e n la q u e los á t o m o s o i o n e s e s t á n c o l o c a d o s e n c a d a v é r t i c e , y t a m b i é n e n e l
c e n t r o d e c a d a u n a d e las c a r a s d e l c u b o ( c o n t i e n e 3 á t o m o s p o r c e l d a unitaria).
H E X A G O N A L C O M P A C T A ( H C ) . E s t r u c t u r a cristalina q u e t i e n e u n p l a n o b a s a i
h e x á g o n o regular, y p l a n o s laterales r e c t a n g u l a r e s a l p l a n o b a s a i . L o s á t o m o s o i o n e s
e s t á n e n c a d a e s q u i n a del p l a n o b a s a i , y h a y 3 á t o m o s m á s e n e! p l a n o i n t e r m e d i o .
n
* 1.1.
EXISTEN 14 C E L D A S UNITARIAS O REDES DE BRAVAIS:
Malte
Centrado «a
a
mñmV
CUBICA (P,F,I}
ras
í3
^0
(
TI
a
» ^ -
90*
CaOA UNITRRia
Ce&ctad& «a
cuerpo
Centado « j bS'
TETRAGOHJU. ÍP, 1 )
¡3 rtíi *í-
CesíiacU) ííi
cuerpo
ORTORROMBICA (P, i, F, C)
Cenirado enca-
4 ^
Moncclúii<0
Tncliiuco
4
[P,C>
Ccfitntóo ea tía*
Single
« ^ « 9 0 * » ?•
1.2. E M P A Q U E T A M I E N T O D E E S F E R A S . C o n s i d e r a n d o a los á t o m o s c o m o esferas, se
puede hacer una representación de los m o d e l o s cristalinos, por e j e m p l o : La celda cúbica
simple {no c o m p a c t o ) y el hexagonal ( c o m p a c t o ) , que se m u e s t r a n e n la siguiente figura (la
figura m u e s t r a u n e m p a q u e t a m i e n t o de á t o m o s e n el que se ve c ó m o se f o r m a la cara d e u n
cubo y un h e x á g o n o ) .
Cúbica
Hexagonal
CONSTANTES CRISTALOGRÁFICAS
Sistema
Cúbico
Tetragonal
Ortorrómbico
Ejes
Á n g u l o s d e los e j e s
Ejemplos
a=b=c
Todos ángulos=90°
NaCI,Fe,KCI.Ag
a=b?^c
Todos ángulos=90°
TiO^SnO^.HgCI
a?í:b^c
Todos ángulos=90°
K,S0,.KN03
Monoclínico
D o s á n g u l o s = 9 0 ' ' , u n ángulOTiSO^
MgS0,,CaS0^2Hp
T o d o s d i f e r e n t e s ; n i n g u n o i g u a l a 90°
K,CrO,,Bi(N03),
Triclínico
a^b;¿c
Hexagonal
a=b^c
Dos ángulos=90° y uno de
a=b=c
T o d o s i g u a l e s , d i f e r e n t e s d e 90°
Rómbico
120°
CdS,Mg,Zn,ZnO
FeA.ZnC03
tr
La clasificación de los sistemas cristalinos se basa en la distancia d e fos planos y los
ángulos y los parámetros de red describen el t a m a ñ o y forma de la celda unitaria.
• 1 . 3 . E S T R U C T U R A S D E A F I L A M I E N T O O E M P A Q U E T A M I E N T O C O M P A C T O . Las
capas de á t o m o s se p u e d e n colocar en las siguientes posiciones:
• E S T R U C T U R A S H E X A G O N A L E S . Empaquetamiento d e tipo compacto A B A B A B ( l a
primera capa de átomos se coloca en la posición A y la segunda se coloca en la posición B).
• E S T R U C T U R A C Ú B I C A C E N T R A D A EN L A S C A R A S . Empaquetamiento de tipo c o m ­
pacto A B C A B C A B C (es semejante al anterior pero la tercera capa se coloca en la posición C).
Cúbica centrada
e n las c a r a s
A
B
C
A
B
C
1.4. Í N D I C E S DE M I L L E R . Representación abreviada para describir ciertas direcciones
y planos cristalográficos en un material (h k I). Los índices de Miller de un plano se definen
c o m o los recíprocos de las interacciones fracciónales de los planos hechos con los tres ejes
cristalográficos x, y, z.
Procedimiento para d e t e r m i n a r los índices de Miller:
1) S e elige el plano.
2) S e determinan las intersecciones del plano con los tres ejes x. y, z; Estas interacciones
p u e d e n ser fracciones.
3) Se obtienen los recíprocos de las interacciones.
4) Se eliminan las fracciones, obteniéndose números enteros y se usa la notación (hkl).
Por ejemplo [plano (100)]: Se determinan las intersecciones para los ejes x,y,z, q u e
serian 1
respectivamente. Se sacan sus recíprocos para obtener los índices de Miller,
1/1, 1/™, 1/™, q u e son e n t o n c e s 1.0,0. Entonces para este plano los índices de Miller son
(100).
J* J
[ 1 0
O]
|1
1 0 ]
V
n
1 1 ]
1.5. LEY DE BRAGG
Las técnicas de Difracción de rayos X permiten la identificación y caracterización d e e s p e c i e s
cristalinas. Las técnicas de difracción permiten o b s e r v a r e n f o r m a indirecta detalles del
orden d e 10"^ c m , esto e s , e n el rango a t ó m i c o .
Ecuación q u e define la difracción de rayos X, nA.=2d sen 6
Relación que describe el ángulo en q u e se difracta un haz de rayos X d e una longitud de
onda particular en planos cristalográficos con un espaciamiento interplanar d a d o . Mediante
esta técnica es posible determinar las dimensiones de las celdas unitarias.
n = o r d e n de difracción (siempre es u n n ú m e r o e n t e r o ) .
X = longitud de o n d a de la r a d i a c i ó n .
d = distancia entre planos.
Teta (6)= á n g u l o de difracción.
El calculo d e d (distancia entre planos) es posible si se controla e n el laboratorio los
p a r á m e t r o s restantes n, 9 y À . En la siguiente figura s e ve u n a r e p r e s e n t a c i ó n d e c a p a s d e
á t o m o s e n los c u a l e s los rayos X son difractados.
Ejemplo de un difractograma de rayos X de u n a muestra de N a C l
• oo
222
-1(1
¡«o
1.6. C Á L C U L O D E L N Ú M E R O D E Á T O M O S D E U N A C E L D A U N I T A R I A . L o s á t o m o s
e n la red cristalina están c o m p a r t i d o s por las c e l d a s unitarias y a c o n t i n u a c i ó n se m u e s t r a
c o m o se hace el cálculo d e á t o m o s e n las c e l d a s c ú b i c a s :
f7 f
M
Vi de átomo
f
% de átomo
Valor de los á t o m o s q u e están e n los vértices = 1/8 de á t o m o (cada átomo le pertenece
a 8 c e l d a s unitarias).
Valor de los á t o m o s q u e están e n el centro = 1 átomo (al encontrarse en el centro solo le
p e r t e n e c e a u n a celda).
Valor de los á t o m o s q u e están en las caras = 1/2 de á t o m o (le pertenece a 2 celdas).
•A-La e s t r u c t u r a c ú b i c a s i m p l e o p r i m i t i v a consta d e un á t o m o s ya q u e 1/8 x 6 (8
á t o m o s e n los vértices) = 1 Á T O M O .
* L a e s t r u c t u r a c ú b i c a c e n t r a d a e n el c u e r p o consta de dos átomo ya q u e (1/8 x 8) =
1, m á s 1 (un á t o m o c e n t r a d o ) = 2 Á T O M O S .
• L a e s t r u c t u r a c ú b i c a c e n t r a d a e n las c a r a s consta d e cuatro átomo ya que (1/8 x 8)
= 1 m á s 3 (6 á t o m o s e n las c a r a s de 1/2) = 4 Á T O M O S .
• H e x a g o n a l consta d e 12 á t o m o s en los vértices, compartidos por 6 celdas (1/6 x 12=
2 á t o m o s ) m á s 2 á t o m o s q u e están e n el centro de las d o s caras (1/2 x 2 = 1 átomo) y 3
á t o m o s no c o m p a r t i d o s e n el centro la estructura tiexagonal ( 3 x 1 = 3 átomos) = 6 átomos.
• 1 . 7 . C Á L C U L O D E L A A R I S T A E N F U N C I Ó N D E L R A D I O A T Ó M I C O (aristada)
a = arista
En este m a n u a l se d e m o s t r a r á d e t a l l a d a m e n t e c ó m o calcular la arista e n función del radio
a t ó m i c o , pero se r e c o m i e n d a investigado e n la bibliografía. A l g u n o s cálculos se basan en el
teorema de Pitágoras (el radio atómico r, p u e d e ser encontrado en la tabla periódica química).
• 1 ). Cúbica primitiva: a=2r (la celda cúbica primitiva soto presenta átomos en los vértices).
S e t o m a u n a cara de la celda unitaria cúbica primitiva para realizar el cálculo.
a= 2r
• 2 ) , C ú b i c a centrada en las c a r a s : {4r)2 = a^ + a ^ {4r)^ = 2 & \ 2a^ = { 4 r ) ^
g _ (4r)/V2 (se utiliza el t e o r e m a d e Pitágoras e n un triángulo c o n h i p o t e n u s a igual a 4r y
cateto o p u e s t o y a d y a c e n t e = a ) .
C ú b i c a c, e n l a s c a r a s
3). C ú b i c a centrada e n el c u e r p o : {x)^ = a^ + a ^ (x)= = 2 a^ ( e c u a c i ó n 1).
(4r)2 =
+ a ^ (sustituyendo x d e e c u a c i ó n 1) {AKf = 2a?^ + a^. {Avf = 3 a^,
a = (4r)/V3 (el valor d e x^ es o b t e n i d o del triangulo q u e s e e n c u e n t r a e n la b a s e del c u b o ) .
3
Cúbica
Centrada
e n el c u e r p o
A c o n t i n u a c i ó n se muestra u n a tabla, que muestra las ecuaciones que relacionan ta
arista, a, c o n el radio atómico.
Estructura
Cúbica simple
C ú b i c a centrada
Arista (a) en
función d e r
átomos por
N ú m e r o de
Factor de e m -
Metales
celda
coordinación
paquetamiento
típicos
a=2r
1
6
0.52
a=(4r)/V3
2
8
0.68
en el c u e r p o
Cúbica centrada
a=(4r)/V2
4
en las caras
Hexagonal
Fe,Na.
Cr.Zr
a=2r,
c=1.6333a
6
12
0.74
12
0.74
Fe,Cu,
Au,Ni
Ti, Mg,
Cd,Zn
1.8. C A L C U L O F A C T O R DE E M P A Q U E T A M I E N T O (F.E). Espacio o c u p a d o por ios átomos
e n u n a celda unitaria.
F.E = V O L U M E N D E Á T O M O S
= (n) . (4/3) TI r^
V O L U M E N D E C E L D A UNITARIA
V. celda unitaria
Los v o l ú m e n e s de las c e l d a s unitarias p u e d e n ser = a^= [2r]^, [(4r)/V3]^, [{4r)N
2f.
r= radio a t ó m i c o
n p u e d e tener los siguientes valores = 1,2, 4 , á t o m o s por celda
S u s t i t u y e n d o e n la f ó r m u l a anterior se tiene:
C ú b i c a Primitiva:
n= 1, V. celda unitaria = [2r]^
F.E= 0.52 (52 % )
C ú b i c a centrada e n el c u e r p o :
n= 2, V celda unitaria = [{4r)N3Y F.E= 0.68 (68 % )
C ú b i c a c e n t r a d a e n las c a r a s :
n = 4 , V. c e l d a unitaria = [i4r)N2f
F.E= 0.74 (74 % )
H e x a g o n a l : F.E= 0.74 (74 % )
Lo anterior sugiere q u e la estructura h e x a g o n a l y la cúbica centrada en las caras son las
q u e t i e n e n u n m a y o r e s p a c i o o c u p a d o por á t o m o s , o sea son m á s c o m p a c t a s .
• 1 . 9 . N Ú M E R O DE C O O R D I N A C I Ó N . La cantidad de vecinos más cercanos que rodean a
un átomo o a un Ion. Es el número de átomos de los primeros vecinos que tienen un
átomo directamente en contacto con él. Su coordinación va a depender del tamaño del
átomo.
N ú m e r o d e c o o r d i n a c i ó n d e la cúbica primitiva: 6 Á t o m o s
N ú m e r o d e c o o r d i n a c i ó n d e la cúbica centrada e n el c u e r p o : 8 á t o m o s .
N ú m e r o de c o o r d i n a c i ó n de ta cúbica centrada e n el las caras y de la hexagonal: 12
átomos.
Cúbica simple (coordinación 6 )
C ú b i c a c e n t r a d a e n las c a r a s
1.10. P O L I M O R F I S M O
• P O L I M O R F I S M O O A L O T R O P Í A . - S o n las m o l é c u l a s q u e t i e n e n c o m p o s i c i o n e s
i d é n t i c a s p e r o e s t r u c t u r a s d i f e r e n t e s . Materiales q u e p u e d e n tener m á s d e una
estructura cristalina. E j e m p l o : Grafito, d i a m a n t e y f u l e r e n o s f o r m a d o s los tres por c a r b ó n .
También el Hierro, S i C , S i 0 2 , T i 0 2 , p r e s e n t a n alotropía.
• E l d i a m a n t e es el material m á s d u r o q u e se c o n o c e (enlaces c o v a l e n t e s , estructura
tetraèdrica), mientras q u e el g r a f i t o e s u n m a t e r i a l b l a n d o d e b i d o a q u e p r e s e n t a e n l a c e s
covalentes dentro de s u s laminas v e n l a c e s s e m i m e t á l i c o s entre s u s l á m i n a s , q u e p e r m i t e n
deslizamiento entre ellas, a d e m á s los s i s t e m a s e n las c a p a s p e r m i t e n la conductividad
eléctrica. Debido a esta unión tan débil entre las c a p a s atómicas del grafito, los deslizamientos
de unas frente a otras o c u r r e n sin g r a n e s f u e r z o , y de ahí s u c a p a c i d a d lubricante, su u s o
e n lapiceros y su utilidad c o m o conductor.
En el d i a m a n t e , c a d a á t o m o d e c a r b o n o está u n i d o a otros cuatro e n f o r m a d e u n a red
tridimensional m u y c o m p a c t a ( c r i s t a l e s c o v a l e n t e s ] , de ahí su extrema dureza y su carácter
aislante (las estructuras Z n S , G a P y G a A s son m u y s e m e j a n t e s a la estructura dei d i a m a n t e
pero sus á t o m o s se e n c u e n t r a n c o l o c a d o s e n posiciones a l t e r n a d a s ) . La estructura cúbica
del Z n S (tipo blenda) está f o r m a d a por 2 tipos d e á t o m o s (la figura siguiente). Es fácil ver
que los átomos "negros" marcan la estructura cúbica centrada e n las caras (la figura siguiente)
y q u e cada á t o m o n e g r o tiene a s o c i a d o otro "blanco". C u a n d o t o d o s los á t o m o s s o n iguales
t e n e m o s el caso d e las estructuras del tipo d i a m a n t e .
Para mayor i n f o r m a c i ó n :
hUp:/A/vvmMam.es/àocencÌaAabvfmatAabvfmaUpractìcas/practìca1/a}eacÌon.htm
F u l e r e n o s . D e s c u b i e r t o s h a c e m u y p o c o s a ñ o s , los f u l e r e n o s e s t á n f o m i a d o s por redes
tridimensionales d e á t o m o s de c a r b o n o q u e f o r m a n diferentes estructuras g e o m é t r i c a s . La
m á s conocida es la del C 6 0 e n la q u e 6 0 á t o m o s de c a r b o n o se distribuyen f o r m a n d o una
estructura similar a la d e un balón de fútbol, razón por la q u e t a m b i é n se le c o n o c e c o n el
n o m b r e de futboleno. El C 7 0 tiene f o r m a d e m e l ó n o d e balón d e rugby. L o s n a n o t u b o s d e
carbono son cilindros h u e c o s .
FULERENO
CRAFtTO
DIAMANTE
IZnS.GaP^GaAs]
A N I S O T R O S P l A . P r o p i e d a d e s d e la m a t e r i a e n la c u a l d e t e r m i n a d a s p r o p i e d a d e s
f i s i c o - q u ¡ m i c a s c o m o : t e m p e r a t u r a , c o n d u c t i v i d a d , v e l o c i d a d d e p r o p a g a c i ó n d e la luz,
v a r í a n s e g ú n la d i r e c c i ó n e n q u e s o n e x a m i n a d a s . Q u e t i e n e p r o p i e d a d e s q u e v a r í a n
c o n la d i r e c c i ó n .
ANISOTROPIA
I S O T R Ó P I C O : S u s p r o p i e d a d e s s o n i n d e p e n d i e n t e s d e la d i r e c c i ó n e n la q u e s e
miden.
* 2.- C Á L C U L O DE L A D E N S I D A D DE C E L D A S U N I T A R I A S
C á l c u l o d e n n o l e s : I m o N 6.023x10^^ á t o m o s .
C a l c u l a r la c a n t i d a d d e á t o m o s q u e c o n t i e n e n 50 g . d e Fe.
(la m a s a a t ó m i c o d e l F e = 5 5 . 8 5 g / m o l ) .
5 0 g d e F e [ I m o l d e F e / ( 5 5 . 8 5 g)]= 0 . 8 9 5 2 5 5 m o l d e Fe.
0 . 8 9 5 2 5 5 m o l d e F e [(6.023x10^^ á t o m o s d e F e ) / 1 m o i ] = 5.392x 1 0 " á t o m o s d e Fe.
D e n s i d a d = masa /volumen
L o s m a t e r i a l e s " l i g e r o s " c o m o e l a l u m i n i o y e l m a g n e s i o t i e n e n baja d e n s i d a d
( i n f e r i o r a 3 ) , m i e n t r a s q u e tos m a t e r i a l e s c o m o p l o m o y m e r c u r i o p r e s e n t a n m a y o r
d e n s i d a d ( m a y o r d e 10). El c a l c u l o d e la
d e n s i d a d d e u n a c e l d a unitaria esta
r e l a c i o n a d o c o n la d e n s i d a d m a c r o s c ó p i c a d e los m a t e r i a l e s .
Densidad
en celdas
unitarias c ú b i c a s (el c o n o c e r
•
Formula de densidad
Densidad
D= fíniíP) ÍBil
V
Primitiva
(P)(B1
(2r)^
las s i g u i e n t e s
C e n t r a d a e n el
cuerpo
2íP)ÍB)
[(4r)/V3]^
formulas
y
sus
Centrada
las c a r a s
en
4ÍP)(BÍ
[(4r)/V2]^
D = d e n s i d a d , n = n ú m e r o d e á t o m o s , P= Masa a t ó m i c a , g / m o l , B = (1 m o l ) / 6 . 0 2 3 x 1 0
á t o m o s , V = a^, a = a r i s t a ( V o l u m e n , p u e d e s e r c a l c u l a d a e n f u n c i ó n d e l r a d i o , r).
•Ejemplo:
El aluminio cristaliza en u n a estructura cúbica centrada e n las caras. Si el á t o m o de
aluminio tiene un radio de 1.43 Á ( á n g s t r o m s ) . Calcular la longitud de la arista de la celda
unitaria. Dato: M a s a atómica = 2 6 . 9 8 g/mol.
F ó r m u l a de la estructura c ú b i c a centrada en las caras, a= {4r)/V2.
Arista = a = (4x 1.43)/V2= 4 . 0 4 4 A .
•Ejemplo:
Calcular la d e n s i d a d teórica del cobre s a b i e n d o que su celda unitaria es cúbica c e n t r a d a
en las c a r a s (ccc). S e s a b e q u e el radio a t ó m i c o del C u es igual a 0.1278 n m .
R E S P U E S T A : l A = 1 0 " c m , 1 n m = 10-^cm, 1 n m = 1 0 A , 1mol= 6.023x10^3 á t o m o s . M a s a
a t ó m i c a del C u = 63.5 g/mol (de tabla periódica),
a =(4r)/V2=0.361nm=3.61 Á = 3 . 6 1 x 10"« c m .
D = [(n)(P) (B)] = (n)(PM) [1 / 6-023X 10^^]= (4)(63.5i [1 / 6.023x 10^^]= 8.98 g/cm^
V
a^*
(3.61 )3x (10-^)3
Ejemplos para resolver:
1. "El titanio cristaliza en una estructura c ú b i c a simple" y presenta u n radio a t ó m i c o igual
a 1.47 A . D e t e r m i n a r cuál e s su d e n s i d a d .
2 D e t e r m i n a r q u é metal tiene las siguientes p r o p i e d a d e s : C ú b i c a c e n t r a d a e n el c u e r p o
(ce), con una arista a = 0.286 n m = 2.86 x 10'^ c m , y su d e n s i d a d es d e 7.88 g/cm^.
1mol= 6 . 0 2 3 x 1 0 " á t o m o s .
3. El e l e m e n t o Paladio (Pd) t i e n e c o m o p a r á m e t r o d e r e d : a= 3.89 A y u n a d e n s i d a d igual
a 12.02 gr/cm^. Calcular y d e t e r m i n a r si el paladio es: cúbico c e n t r a d o e n las c a r a s ,
c e n t r a d o e n el c u e r p o o primitiva.
4. El cobre tiene u n estructura cristalina cúbica centrada e n las caras y t i e n e un v o l u m e n
d e celda unidad igual a 4 . 7 0 x 10"^^ m^, calcular el valor d e l radio a t ó m i c o e n á n g s t r o m s .
3. T I P O S D E C R I S T A L E S
L a s p r o p i e d a d e s f í s i c a s y q u í m i c a s d e los e l e m e n t o s y d e s u s c o m p u e s t o s d e p e n d e n
d e l o s e n l a c e s q u í m i c o s q u e m a n t i e n e n unidos los á t o m o s . Los cristales p u e d e n ser
clasificados e n :
a)
b)
c)
d)
Covalentes
Iónicos
Metálicos
Moleculares
Para m a y o r información buscar:
www.oei.org.co/fpciencia/art08.htmU4
3.1. CRISTAL COVALENTE
ENUVCE C O V A L E N T E . Los átomos de los elementos alcanzan una estructura electrónica
completa (regla del octeto) al c o m p a r t i r u n o o m á s e l e c t r o n e s c o n á t o m o s a d y a c e n t e s , en
el que cada átomo aporta un electrón para cada enlace. L o s e n l a c e s covalentes son difíciles
de romper, no conducen la electricidad (no electrones libres). Los c o m p u e s t o s orgánicos
comúnmente presentan enlaces covalentes. Presentan principalmente estnjcturas tetraédricas.
Los compuestos con enlace covalente están formados generalmente por moléculas discretas,
los enlaces son direccionales y existen fuerzas de enlace covalente entre los á t o m o s de esa
molécula y otra. En el sólido solamente actúan fuerzas de carácter débil entre una molécula y
otra, las cuales son llamadas fuerzas de V a n Der W a a l s .
P r o p i e d a d e s f í s i c a s y m e c á n i c a s . La energía calorífica requerida para fundiro evaporar
un c o m p u e s t o c o v a l e n t e es c o m ú n m e n t e b a j a ( c o n e x c e p c i ó n d e l o s c r i s t a l e s ) , d e b i d o
a su n a t u r a l e z a у c a r á c t e r d é b i l d e l a s f u e r z a s d e V a n D e r W a a l s . Por lo tanto ios
c o m p u e s t o s q u e p r e s e n t a n e n l a c e s covalentes son por lo general gases, líquidos. Por lo
contrario, entre los á t o m o s de un c r i s t a l c o v a l e n t e la energía necesaria para q u e los
á t o m o s s e a n c a p a c e s de s e p a r a r s e entre sí d e b e ser muy alta y por lo m i s m o los puntos de
f u s i ó n (temperatura a la cual u n sólido cambia a liquido) y e b u l l i c i ó n solo se alcanzan a
m u y a l t a s t e m p e r a t u r a s . La falta d e libertad que dan los á t o m o s a sus electrones impiden
la existencia de electrones deslocalizados q u e p u e d a n m o v e r s e a través del cristal por lo
q u e s u conductividad es nula. En algunos casos c o m o el silicio se presenta una conductividad
parcial y este sólido presenta e s t r u c t u r a s c o v a l e n t e s i n f i n i t a s e n tres dimensiones en
lugar de moléculas discretas, e n estos c a s o s o p e r a n fuerzas d e enlace fuertes en todas
direcciones; algunos ejemplos son el d i a m a n t e y la s í l i c e (SiO^), son compuestos covalentes
p e r o m u y d u r o s y tienen altos p u n t o s de fusión (SiO^ pf=1700*^0, el С pf= 3570°C, el Si pf=
1410°C, el G e pf= 937°C; el S i C pf= por e n c i m a de los 2 7 0 0 ° C ) . El SiO^ es u n sólido muy
d u r o y d e e l e v a d o punto de fusión, esto lo explica su estructura d e red tridimensional en la
q u e los á t o m o s de silicio o c u p a n el centro de tetraedros estando los de oxígeno en los
vértices (siendo c a d a á t o m o d e o x í g e n o c o m ú n a dos tetraedros), unidos estos átomos por
e n l a c e s c o v a l e n t e s c o n f o r m a n d o t o d a u n a red. En cuanto a la solubilidad: los compuestos
c o v a l e n t e s q u e no s e a n p o l a r e s s ó l o se disolverán en disolventes orgánicos no polares, o
s e a , d i s o l v e n t e s d e baja c o n s t a n t e dieléctrica c o m o el b e n c e n o y el tetracloruro de carbono.
• 3 . 2 . CRISTAL IÓNICO
Es u n enlace muy fuerte, es un enlace primario e n el que intervienen átomos que tienen una
diferencia importante de electronegatividad. El cloruro de sodio NaCl (sal de cocina), es el
ejemplo clásico de un a i s t a l iónico. Los cristales iónicos son duros, quebradizos, n o c o n d u c e n
la e l e c t r i c i d a d (no tienen electrones libres), tienen puntos de fusión elevados (punto de fusión
es igual a la temperatura del paso del estado sólido a líquido). En un c r i s t a l i ó n i c o , los iones
están atrapados e n sitios fijos e n la red cristalina, estos no pueden migrar y por lo tanto no
pueden conducir la corriente eléctrica. La fusión de compuestos iónicos implica necesariamente
el rompimiento de la red cristalina, esto requiere una considerable energía de tal manera que
los puntos de fusión y de ebullición son generalmente altos, y los compuestos son muy duros.
Electronegatividad: C a p a c i d a d de los átomos para atraer o retener electrones, o tendencia
d e u n e l e m e n t o para g a n a r o atraer electrones.
• 3 . 2 . 1 . C L O R U R O D E S O D I O , N a C l . F o r m a d o p o r u ñ a estructura cúbicas centrada e n las
c a r a s ( C C C ) , c a d a cloro esta r o d e a d o octaédricamente por 6 iones d e sodio. C u a n d o el
sodio elemental reacciona c o n el cloro elemental, un electrón del sodio se transfiere al
cloro. El resultado es un ion sodio (Na*) y u n ion cloro (Cl"). C o m p u e s t o s c o n estructuras
s e m e j a n t e s : M g O , C a O , NIO. F e O , M n O .
C l o r u r o d e C e s i o , C s C I . C a d a catión esta rodeado por o c h o aniones y viceversa, su
estructura es c ú b i c a simple. C o m p u e s t o s c o n estructuras s e m e j a n t e s : CsBr, TiCl, L i M g .
CsCI
F l u o r i t a C a F j ( M X J . C o m p u e s t o binario e n el q u e los iones Ca tienen la estructura
centrada en las caras e s t a n d o los iones F e n todos los o c h o sitios d e c o o r d i n a c i ó n 4 . Es
decir la fluorita es cúbica c e n t r a d a e n las c a r a s .
CaR
I
I /
P r o p i e d a d e s físicas de los cristales iónicos. Los cristales iónicos están constituidos por
i o n e s p o s i t i v o s e i o n e s n e g a t i v o s a r r e g l a d o s para f o r m a r un sólido cristalino. En e s t a d o
sólido se m a x i m i z a n las f u e r z a s de atracción y se m i n i m i z a n las f u e r z a s de repulsión entre
cargas iguales, lo q u e significa q u e e n e s t o s cristales, a lo largo d e cualquier d i r e c c i ó n , los
iones positivos se alternan c o n los iones negativos.
Conducción eléctrica de iones y sales fundidas. La conducción eléctrica se puede llevar e n
cristales Iónicos si son fundidos (mediante partículas llamadas iones). Estas p u e d e n ser
negativas o positivas según c o m o hayan g a n a d o o perdido m á s electrones. En el caso del
cloairo de sodio, cuando se disuelve e n agua le es posible la conducción eléctrica, debido a la
disociación de iones Cl- y N a + . Los iones son radicales simples o c o m p u e s t o s q u e se disocian
de las sustancias al disolverse estas y da a las disoluciones el carácter de conductividad eléctrica.
• 3 . 3 . CRISTAL METÁLICO
C a d a á t o m o e n un m e t a l c o n t r i b u y e c o n sus electrones de v a l e n c i a para f o r m a r u n a
n u b e electrónica q u e se m u e v e l i b r e m e n t e entre los iones positivos d e l m e t a l , es u n e n l a c e
q u e permite la c o n d u c c i ó n de e l e c t r i c i d a d .
Núcleos
( p o s itiv o s )
E l e c t r o n e s de v a l e n c i a
q u e form an u n a n u b e
Propiedades de los m e t a l e s : a) Alta c o n d u c t i v i d a d térmica y eléctrica, los e l e c t r o n e s
p u e d e n m o v e r s e con libertad por la n u b e electrónica, b) S o n dúctiles (factibles d e hilar) y
m a l e a b l e s (factibles d e fiacer láminas), o) Los puntos de fusión son m o d e r a d a m e n t e altos,
la e s t a b i l i d a d de la red positiva c i r c u n d a d a por la n u b e de electrones es alta, d) Son
difícilmente solubles e n cualquier disolvente, por el m i s m o motivo q u e justifica el punto
anterior.
• 3 . 3 . I . N U C L E A C I Ó N Y D E N D R I T A S . Los metales se solidifican al enfriarse, formando
la nucleación y posteriormente se forman las ramificaciones llamadas dendritas y finalmente
se f o r m a n los g r a n o s .
N U C L E A C I Ó N . Es el p r o c e s o de formación de núcleos (en general son pequeños).
D E N D R I T A . Estructura arbórea en un metal solidificado; se forma durante la solidificación.
G R A N O . Porción de un material con una sola orientación cristalográfica, los materiales
p r e s e n t a n varios cristales con varias orientaciones.
L Í M I T E D E L G R A N O . Es la línea d e transición o frontera c u a n d o se unen 2 cristales de
orientaciones arbitrarias.
NUCLEACiON
DENDRITAS
GRANOS
T E M P L A D O : P r o c e s o d e calentamiento q u e elimina los g r a n o s p e q u e ñ o s .
Conductividad
• M E T A L E S . La c o n d u c t i v i d a d disminuye con el a u m e n t o de temperatura.
• S E M I C O N D U C T O R E S . La conductividad a u m e n t a con el a u m e n t o de temperatura.
D Ú C T I L . Metales c o n c a p a c i d a d de doblarse y no fracturarse.
D U R E Z A . C a p a c i d a d d e u n material a resistir la penetración.
• 3 . 3 . 2 . DEFECTOS O IMPERFECCIONES QUE PRESENTAN LOS MATERIALES
( I M P E R F E C C I O N E S DE L A R E D E S P A C I A L ) .
L o s d e f e c t o s c a m b i a n , e n m a y o r o m e n o r m e d i d a , las p r o p i e d a d e s del cristal y su
Importancia e n los aspectos electrónicos de los s e m i c o n d u c t o r e s es diferente. Los defectos
a s o c i a d o s a las impurezas s o n necesarios e imprescindibles c u a n d o pueden ser controlados,
p o r q u e son defectos q u e g e n e r a l m e n t e d e m u e s t r a n u n a actividad eléctrica, capturando o
e m i t i e n d o electrones.
• P U N T U A L E S . A d i m e n s i o n a l . Ocurre en un punto exacto en el sólido, es un "error"
e n el material donde interviene un solo á t o m o , ion, sitio de red o posición intersticial.
• I N T E R S T I C I A L E S . Región entre los á t o m o s , definida ai m e n o s por cuatro átomos o
iones. L o s intersticios e n los cristales suelen ser tetraèdrico u octaédricos. Hueco entre
á t o m o s o iones de un cristal, e n el q u e se p u e d e colocar otro átomo m á s p e q u e ñ o .
LINEALES. Unidimensionales.
S U P E R F I C I A L E S . Bidimensionales (relacionados con una superficie).
D E V O L U M E N . Tridimensionales.
3.3.3. D E F E C T O S P U N T U A L E S
• V A C A N C I A . Deficiencia de u n ion o u n á t o m o e n algún p u n t o de la r e d .
• I N T E R S T I C I A L . En los e s p a c i o s intersticiales se coloca un á t o m o m á s p e q u e ñ o .
• S U S T I T U C I O N A L . Á t o m o d e similar t a m a ñ o , sustituye a u n á t o m o q u e ya se tenía.
vacancia
sustitucional
intersticial
• D E F E C T O D E S C H O T T K Y . V a c a n c i a s de un par d e iones, (las v a c a n c i a s d e b e n de
ser de carga contraria, c atión- anión) . S e d e b e m a n t e n e r la neutralidad eléctrica.
• D E F E C T O D E F R E N K E L . Par d e d e f e c t o s puntuales q u e se p r o d u c e n c u a n d o u n ion
se m u e v e a un sitio intersticial, d e j a n d o atrás una v a c a n c i a .
SCHOTTKY
Frenke!
3.3.4. D I S L O C A C I O N E S L I N E A L E S
Existen d o s tipos y s o n ; dislocación d e borde y la dislocación d e tornillo.
• D I S L O C A C I Ó N D E B O R D E . Dislocación q u e se f o r m a por inserción de un s e m i plano
adicional de á t o m o s e n u n a región cristalina.
A'
/
B=Vector de burgers
é—é
D I S L O C A C I Ó N D E T O R N I L L O . - Una dislocación q u e se p u e d e f o r m a r h a c i e n d o un corte
en un chstal y d e s p l a z a n d o la mitad superior de la región cortada, en relación c o n la inferior,
en u n a dirección paralela al corte. El vector de Burgers de u n a d i s l o c a c i ó n e n tornillo es
paralelo a la línea d e d i s l o c a c i ó n .
Circuito de B u r g e r - Circuito q u e se traza e n torno a una d i s l o c a c i ó n , q u e n o r m a l m e n t e
se cerraría, si no hubiera una d i s l o c a c i ó n d e n t r o del circuito.
^
^
[li
1
^
^
,
3.3.5. A L E A C I O N E S
•A-ALEACIÓN. Es la unión h o m o g é n e a e intima de 2 о más metales, о un metal con un no
metal q u e se fusiona s i m u l t á n e a m e n t e у presenta p r o p i e d a d e s físicas distintas a las de sus
c o m p o - n e n t e s . L a s aleaciones e s t á n constituidas por e l e m e n t o s metálicos en estado e l e m e n t a l , por e j e m p l o Fe, A l , C u , P b . P u e d e n c o n t e n e r algunos e l e m e n t o s no metálicos por
e j e m p l o P, C, S i , S, A s .
A c e r o . Es u n a aleación de hierro y carbono q u e contiene otros e l e m e n t o s de aleación,
los c u a l e s le confieren p r o p i e d a d e s m e c á n i c a s específicas para su utilización en la industria m e t a l m e c á n i c a . M a y o r información e n :
httpj/www. arqhys. com/arquitectura/elacero.
html
A c e r o s inoxidables: A l e a c i ó n ferrosa q u e contiene por lo m e n o s 1 2 % de cromo y en
o c a s i o n e s se a g r e g a níquel.
A c e r o s para herramientas.- A c e r o al c a r b ó n de alta d u r e z a , tenacidad o resistencia a
e l e v a d a s t e m p e r a t u r a s . Al adicionar metales c o m o 1 8 % W, 4 % Cr, 1 % V, las ventajas son
dobles.
A c e r o galvanizado. A c e r o con recubrimiento de zinc, para evitar la corrosión.
+ L A T Ó N : A l e a c i ó n con b a s e e n el cobre, las cuales n o r m a l m e n t e contienen zinc.
• M O N E L : A l e a c i ó n de níquel y 3 0 % de cobre.
• B R O N C E : A l e a c i ó n de c o b r e y un metal d e t e r m i n a d o , tal c o m o b r o n c e estaño, bronce
aluminio, b r o n c e silicio.
I N C O N E L : A l e a c i ó n de níquel c o n 1 5 % de c r o m o
• A L E A C I O N E S I N T E R S T I C I A L E S . El c a r b ó n e n hierro (acero).
• A L E A C I O N E S SUSTITUCIONALES. LATÓN: cobre-zinc, MONEL: cobre-niquel
G e n e r a l i d a d e s sobre varios tipos de aleaciones:
B r o n c e e s t a ñ o . Con u n b r o n c e de 5 - 1 0 % de estaño se tiene un producto de m á x i m a
d u r e z a . El b r o n c e q u e contiene entre 1 7 - 2 0 % de estaño tiene alta calidad de sonido, usado
para la e l a b o r a c i ó n de c a m p a n a s , y con m á s d e 2 7 % , propiedades de pulido y reflexión.
A c t u a l m e n t e los bronces son u s a d o s en la fabricación de bujes, cojinetes y descansos,
entre otras p i e z a s de maquinaria p e s a d a .
El latón. Es blando, fácil d e tornear, grabar y fundir. Los m á s c o m u n e s contienen 3 0 - 4 5 %
d e zinc, y se aplican e n t o d o tipo de objetos domésticos: tornillos, tuercas, c a n d a d o s ,
ceniceros y candelabros.
M o n e l . - Debido a su b u e n a conductividad térmica y resistencia a la corrosión se utiliza
f r e c u e n t e m e n t e e n intercambiadores d e calor.
Inconel.- El níquel y el cromo actúan conjuntamente para resistir la oxidación, carburización
y otras f o r m a s de deterioro a altas temperaturas. Al agregarle aluminio, titanio y niobio
a u m e n t a n su resistencia. Por otra parte si se le agrega cobalto, cobre, molibdeno o tungsteno
mejora su resistencia mecánica o resiste la corrosión. Se usan e n recipientes para tratamiento
t é r m i c o , turbinas, aviación, plantas nucleares g e n e r a d o r a s de energía, etcétera.
3.3.6. C Á L C U L O D E L N Ú M E R O D E C O O R D I N A C I Ó N E N M A T E R I A L E S S Ó L I D O S . El
n ú m e r o de coordinación ( N C ) es el n ú m e r o de los primeros v e c i n o s q u e tiene u n á t o m o .
N C = r/R= el radio del á t o m o m á s p e q u e ñ o / r a d i o del á t o m o m á s g r a n d e .
De 0 < r / R <0.155 es de N C = 2 (lineal).
De 0 . 1 5 5 < r / R <0.225 es de N C = 3 (plana triangular),
De 0.225<r/R <0.414 es de N C = 4 (tetraèdrica),
De 0 . 4 1 4 < r / R < 0 . 7 3 2 es de N C = 6 (octaédrica).
De 0.732<r/R <1 es de N C = 8 (cúbica).
Los d a t o s r y R p u e d e n ser e n c o n t r a d o s en la tabla periódica c o m o radios iónicos.
E j e m p l o : Calcular el n ú m e r o de c o o r d i n a c i ó n (NC) del N a C l
Cl-= 1.81 (radio iónico), N a ' = 1.02 (radio iónico) a n g s t r o m .
N C = r/R = 1 . 0 2 / 1 . 8 1 = 0.56 el r e s u l t a d o c o r r e s p o n d e al n ú m e r o d e c o o r d i n a c i ó n 6
(octaédrico).
• 3 . 3 . 7 . B A N D A S DE ENERGÍA
• B a n d a de v a l e n c i a . B a n d a electrónica q u e esta p a r c i a l m e n t e llena
• B a n d a d e c o n d u c c i ó n . B a n d a de niveles permitidos de m a y o r e n e r g i a
B a n d a s prohibida. Entre la b a n d a d e c o n d u c c i ó n y de v a l e n c i a , p r e s e n t e e n los s e m i c o n d u c t o r e s y aislantes.
Banda de conducción
8
Banda
Mili bj da
m
01
o
&
•
o
o
a
o
I
.ill
Banda de'vaüencia.
METAL
AISLANTE
SEMICONDUCTOR
• M e t a l . S u b a n d a d e c o n d u c c i ó n se traslapa con la b a n d a d e v a l e n c i a .
• A i s l a n t e . U n electrón de la b a n d a d e v a l e n c i a requiere m u c h a energía para saltar a la
banda de c o n d u c c i ó n .
• S e m i c o n d u c t o r e s . Los e l e m e n t o s del g r u p o 14 (IVA) d e la tabla periódica (C, S i , G e ,
Sn) tienen d o s electrones externos e n su c a p a p, y v a l e n c i a d e 4 . Se e s p e r a q u e estos
e l e m e n t o s t e n g a n u n a alta c o n d u c t i v i d a d d e b i d o a q u e la b a n d a p n o e s t á l l e n a . Sin e m bargo, tal comportamiento no ocurre. Estos elementos están e n l a z a d o s de m a n e r a covalente;
e n c o n s e c u e n c i a , los electrones de las b a n d a s exteriores s y p e s t á n r í g i d a m e n t e unidos a
los á t o m o s . Las restricciones p r o v o c a d a s por el enlace c o v a l e n t e p r o d u c e n un c a m b i o
complejo e n la estructura de las b a n d a s , p r o d u c i é n d o s e una hibridación. L o s niveles 2s y 2p
de los á t o m o s de c a r b o n o e n el d i a m a n t e p u e d e n c o n t e n e r h a s t a o c h o electrones, pero
sólo hay cuatro electrones d e valencia disponibles. C u a n d o se j u n t a n N á t o m o s d e c a r b o n o
para f o r m a r un d i a m a n t e sólido, los niveles 2s y 2p interactúan y p r o d u c e n d o s b a n d a s q u e
no se t r a s l a p a n . C a d a u n a de las b a n d a s híbridas p u e d e c o n t e n e r 4 N e l e c t r o n e s . Puesto
que hay sólo 4 electrones disponibles, la b a n d a inferior o de valencia se llena c o m p l e t a m e n t e
mientras q u e la superior o de c o n d u c c i ó n se encuentra v a c í a . U n a b r e c h a o b a n d a d e
energía s e p a r a los electrones de la banda d e c o n d u c c i ó n . S o n p o c o s los electrones q u e
p o s e e n la e n e r g í a suficiente para rebasar la z o n a prohibida hacia la b a n d a de c o n d u c c i ó n .
En c o n s e c u e n c i a , el d i a m a n t e es un e x c e l e n t e aislante eléctrico. Un c o m p o r t a m i e n t o similar se o b s e r v a e n casi t o d o s los materiales e n l a z a d o s de m o d o covalente y de m o d o iónico.
A u n q u e el g e r m a n i o , el s i l i c i o y el e s t a ñ o t i e n e n la m i s m a estructura cristalina y de bandas
q u e el d i a m a n t e , la brecha de energía es menor. De h e c h o , la banda de energía en el
e s t a ñ o e s tan p e q u e ñ a q u e n o r m a l m e n t e se c o m p o r t a c o m o un metal. La banda o brecha
es a l g o m a y o r e n el silicio y e n el g e r m a n i o , e s t o s e l e m e n t o s se c o m p o r t a n c o m o
semiconductores.
3.3.8. T I P O S D E S E M I C O N D U C T O R E S
En los s e m i c o n d u c t o r e s existe una fracción útil de electrones de valencia que pueden brincar
la b r e c h a e n e r g é t i c a o banda prohibida. El electrón es un portador negativo e n la banda de
c o n d u c c i ó n , mientras q u e el hoyo electrónico dejado por el electrón es un portador positivo
en la b a n d a d e v a l e n c i a .
• 3 . 3 . 8 . 1 . SEMICONDUCTORES INTRÍNSECOS
S o n s e m i c o n d u c t o r e s intrínsecos aquellos cristales q u e p e r m a n e c e n p u r o s . La diferencia
entre los s e m i c o n d u c t o r e s y aislantes radica e n el t a m a ñ o de la brechas energéticas. S u
c o n d u c t i v i d a d e s t á d e t e r m i n a d a p o r s u s p r o p i e d a d e s c o n d u c t o r a s i n h e r e n t e s . S e da
la c o n d u c t i v i d a d eléctrica entre s e m i c o n d u c t o r e s puros, c o m o . Si, G e o G a , A s . Estos
s e m i c o n d u c t o r e s d e p e n d e n de las brechas e n e r g é t i c a s d e los e l e m e n t o s puros. Ejemplos:
Ge, Si, Al, etcétera.
• 3 . 3 . 8 . 2 . S E M I C O N D U C T O R E S E X T R Í N S E C O S . Estos d e p e n d e n d e las i m p u r e z a s
(dopante) q u e contenga el sólido. Las impurezas alteran las características semiconductoras
d e los m a t e r i a l e s i n t r o d u c i e n d o e l e c t r o n e s e x t r a s u h o y o s e x t r a s . E s t o s p u e d e n se
extrínsecos tipo " n " o " p " .
D o p a n t e : I m p u r e z a q u e se a g r e g a v o l u n t a r i a m e n t e a un semiconductor extrínseco.
I m p u r e z a : Toda e s p e c i e q u e difiere de la e s p e c i e anfitriona, o disolvente.
3.3.8.3. S E M I C O N D U C T O R E S DE T I P O " N " . C u a n d o en un cristal de silicio con 4 electrones
de v a l e n c i a por á t o m o , se introducen a l g u n o s á t o m o s de antimonio, arsénico o bismuto,
q u e p o s e e n 5 electrones d e valencia, se p r o d u c e n enlaces covalentes incompletos dando
lugar a c a r g a s negativas libres e n el cristal. El silicio q u e contiene este tipo de impurezas
presenta e x c e s o de electrones (n= exceso de c a r g a s negativas). Estos electrones en exceso
r e q u i e r e n u n a m e n o r energía adicional para pasar a la banda de c o n d u c c i ó n , debido a q u e
no son parte de los enlaces covalentes de la estructura. Et electrón adicional d e los elementos
del g r u p o 5, residen e n un nivel superior a la b a n d a prohibida del Si,
3.3.8.4. S E M I C O N D U C T O R E S T I P O " P " . Si al silicio e n estado puro se le introducen
i m p u r e z a s q u e , c o m o el indio, el aluminio, el galio o el boro (de valencia 3), sólo dispongan
de tres e l e c t r o n e s de valencia, el enlace covalente será otra vez incompleto, q u e d a n d o en
el cristal h u e c o s positivos sin rellenar por u n electrón. C u a n d o estos e l e m e n t o s son
incorporados al silicio c o m o impurezas, aparecen los hoyos (p= exceso de cargas positivas).
El a l u m i n i o al tener valencia 3 dentro de la red del Silicio produce vacancias de electrones
(vacancia es iguala carga positiva). En este c a s o la conducción se lleva a c a b o por el
m o v i m i e n t o d e vacancias o huecos, la carga positiva (vacancias) se mueve hacia el electrodo
negativo. El m o v i m i e n t o de los huecos positivos lleva en realidad a el movimiento de los
electrones e n dirección o p u e s t a .
3 i
Il
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S i
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Sus bandas de conducción:
B a n d a de c o n d u c c i ó n
^
B a n d a de c o n d u c c i ó n
_
^Ed
-,
.
,
,
.
B a n d a de v a l e n c i a
Tipo n
vacante
Banda de valencia
Tipo p
En al figura anterior E g = parte inferior de d e la b a n d a d e c o n d u c c i ó n y E a = nivel aceptor
(con deficiencia de e l e c t r o n e s ) .
En el t i p o " n " el e l e c t r ó n extra del d o p a n t e p r o d u c e u n nivel d o n a d o r (Ed) c e r c a d e la
banda d e c o n d u c c i ó n . C o m o c o n s e c u e n c i a la barrera de e n e r g í a es m e n o r ( E g - E d ) . La
conducción se lleva a c a b o e n la banda de c o n d u c c i ó n .
En el t i p o " p " los h u e c o s (vacantes) q u e se e n c u e n t r a n e n Ea (nivel aceptor) p u e d e n
aceptar un electrón d e la b a n d a de valencia. El electrón q u e salta a Ea no p u e d e conducir
carga, mientras q u e el h u e c o q u e se q u e d a atrás e n la b a n d a d e valencia es portador d e
carga.
D i o d o s . Es p o s i b l e p r o d u c i r d i s p o s i t i v o s e l e c t r ó n i c o s c o n u n a c o m b i n a c i ó n d e
semiconductores e x t r í n s e c o s . C o m o ejemplos d e estos s o n los d i o d o s e m i s o r e s d e l u z
(LED) q u e se utilizan para relojes de p a r e d , c a l c u l a d o r a s , etc. L o s L E D son dispositivos de
u n i ó n p - n q u e g e n e r a l m e n t e d a n el e s p e c t r o visible (a m e n u d o rojo). El voltaje aplicado al
diodo e n la dirección de polarización directa h a c e q u e la u n i ó n se r e c o m b i n e n h u e c o s y
electrones y e m i t a n f o t o n e s . L o s G a A s , GaP, G a A s P s o n materiales típicos para los L E D . El
movimiento c o m b i n a d o d e electrones hacia la izquierda y h u e c o s hacia la d e r e c h a (figura
siguiente) da c o m o resultado el paso de corríente, a e s t e e s t a d o se le llama p o l a r i z a c i ó n
d i r e c t a . C u a n d o los electrones del lado n se m u e v e n hacia la d e r e c h a y los huecos del lado
p hacia la izquierda se llama p o l a r i z a c i ó n i n v e r s a . La m a g n i t u d d e la polahzacíón inversa
es m u c h o m e n o r q u e la polarización directa, por lo q u e la u n i ó n n - p p e r m i t e el p a s o de
bastante corriente solo e n u n a dirección.
<3l
p+
i
n-
Э
•
Z o n a de
"recombinación
Polarización directa
G
p+
m
Щ
Щ
n-
E)
f--.^
Z o n a de
agotamiento
Polarización inversa
• F O T O C O N D U C C I Ó N . C u a n d o los f o t o n e s {E=hv) son absorbido por la materia, los
electrones d e valencia o b t i e n e n la suficiente e n e r g í a para pasar a la banda de conducción,
p e r m i t i e n d o la c o n d u c c i ó n d e electrones en el material.
L U M I N I C E N C I A . C u a n d o los electrones e n la banda de conducción regresan a la banda
de v a l e n c i a , liberan energía en forma de f o t ó n .
S U P E R C U N D U C T I V I D A D . E s t a d o de la m a t e r i a e n el q u e no h a y r e s i s t e n c i a al
m o v i m i e n t o de portadores de c a r g a eléctrica.
• 3 . 4 . CRISTAL MOLECULAR
En los l l a m a d o s materiales orgánicos f o r m a d o s por moléculas, e n donde la unión entre
las m o l é c u l a s d e n t r o d e l c r i s t a l , es m u c h o m á s d é b i l { c r i s t a l e s m o l e c u l a r e s ) . S o n
g e n e r a l m e n t e materiales m á s b l a n d o s e inestables q u e los cristales inorgánicos. Está
c o m p u e s t a por moléculas m a n t e n i d a s e n sus posiciones reticulares (en cristales) separadas
por las f u e r z a s d e v a n der W a a l s . enlace de hidrógeno o a m b o s . La formación de dipolos
está limitada por las orientaciones de las m o l é c u l a s . Ejemplos de cristales moleculares: el
y o d o , el azúcar, el hielo, el CO^. el b e n c e n o , el ácido acético, etcétera.
E n l a c e d e v a n der W a a l s . E n l a c e s e c u n d a r i o e n el q u e el d i p o l o t e m p o r a l (no es
p e r m a n e n t e ) induce otro dipolo e n un á t o m o a d y a c e n t e . Un dipolo temporal es aquel que
no es p e r m a n e n t e e n la m o l é c u l a .
4
Metano
'Eleclrmies
Agua
PROPIEDADES:
Bajos p u n t o s de fusión y ebullición, b l a n d o s , con enlaces intermoleculares covalentes,
son m a l o s c o n d u c t o r a s d e la electricidad y el c a l o r
Las substancias m o l e c u l a r e s p u e d e n ser polares o no polares:
P o l a r e s : H , 0 , N F 3 , NH^ y СНзМН^
No polares: O^, F^, L H v C l ,
• 3 . 4 . 1 . M O L É C U L A S C O N D I P O L O P E R M A N E N T E (polares). Presentan una carga
desigual p e r m a n e n t e alrededor de uno o m á s e n l a c e s de dicha molécula (estas moléculas
p r e s e n t a n u n m o m e n t o polar p e r m a n e n t e ) . S e p r e s e n t a p r i n c i p a l m e n t e e n m o l é c u l a s
h e t e r o a t ó m i c a s asimétricas c o m o el a g u a (H^O), a m o n í a c o ( N H 3 ) y cloroformo ( C H C y . Las
m o l é c u l a s con dipolo inducido son aquellas m o l é c u l a s q u e no presentan un m o m e n t o dipo­
lar p e r m a n e n t e , si no q u e este es inducido por m o l é c u l a s adyacentes (factores externos al
s i s t e m a ) . Un enlace entre una molécula p u e d e ser polar o no polar, d e p e n d i e n d o de la
diferencia de electronegatividad existente entre los á t o m o s , pero una molécula puede ser
polar o no polar, d e p e n d i e n d o de la distribución simétrica o no de los átomos q u e la integran.
Para m a y o r información ver el apéndice B (al final del manual).
• 3 . 4 . 2 . E N L A C E P U E N T E D E H I D R Ó G E N O . U n a clase de e n l a c e s e c u n d a r i o en la q u e un
á t o m o de hidrógeno es c o m p a r t i d o por 2 á t o m o s m u y electronegativos, c o m o N, O, F o Cl.
Está presente en m o l é c u l a s q u e t e n g a n F, O, N, Cl unidos a un H el cual servirá de p u e n t e .
El protón expuesto al final de u n enlace C - H , O - H , N-H, no está lo s u f i c i e n t e m e n t e protegido
en la molécula, por lo q u e esta c a r g a positiva es atraída por los electrones d e externos de
u n a molécula a d y a c e n t e . El e j e m p l o típico es el d e l a g u a , q u e s e m u e s t r a a c o n t i n u a c i ó n :
^—
Oxígeno negativo
Puente de Hidrógeno
Hidrógeno positivo
Electrones libres
4. C E R Á M I C O S
• S ó l i d o s inorgánicos f o r m a d o s por e l e m e n t o s metálicos y n o m e t á l i c o s , resisten altas
t e m p e r a t u r a s y de fácil fractura. L o s m é t o d o s de m a n u f a c t u r a s o n diversos, uno de ellos
consiste e n m e z c l a r el polvo f o r m a d o r del c e r á m i c o y se le a g r e g a un a g l o m e r a n t e , se
m o l d e a y se calcina.
M a t e r i a p r i m a : La principal m a t e r i a p r i m a es s a c a d a d e la c o r t e z a terrestre. Los Silicatos,
siliclo-aluminatos y a l u m i n a t o s , son los principales c o m p u e s t o s utilizados ( O x í g e n o , Silicio
y Aluminio). Los e n l a c e s p u e d e n ser iónicos y c o v a l e n t e s al m i s m o t i e m p o ( E N L A C E S
M I X T O S ) por lo q u e s e r á n q u í m i c a m e n t e m u y estables. P r e s e n t a n altos puntos d e f u s i ó n ,
gran dureza, y mala c o n d u c c i ó n del calor y c o n d u c c i ó n
SiO^, D i a m a n t e , c u a r z o ,
etcétera). La e x c e p c i ó n e n d u r e z a s o n el talco y el y e s o q u e s o n m u y b l a n d o s d e b i d o a q u e
presentan estructuras lineales y d e capas que permiten el desplazamiento y buena plasticidad.
C R I S T A L E S M I X T O S . Materiales q u e presentan u n a c o m b i n a c i ó n de enlaces, principalmente
iónico y covalente.
4.1. USOS DE C E R Á M I C O S
Ladrillos, tabiques, c e m e n t o s , vidrios y c o n c r e t o s . S e p u e d e fabricar c e r á m i c o s m a g n é t i c o s ,
electrónicos, e n e r g é t i c o s y refractarios.
Los c e r á m i c o s p u e d e n estar f o r m a d o s t a m b i é n d e ó x i d o s p u r o s , c a r b u r o s , nitruros, boruros
y grafito.
R E F R A C T A R I O S : Materiales c e r á m i c o s c a p a c e s d e resistir altas t e m p e r a t u r a s .
4.2. C L A S I F I C A C I Ó N DE L O S S I L I C A T O S ( c e r á m i c o s ) :
O R T O S I L I C A T O S : Unidad estructural f u n d a m e n t a l tetraèdrica SiO^.
P I R O S I L I C A T O S : P a r e s de t e t r a e d r o s d e silicatos q u e c o m p a r t e n un o x i g e n o .
M E T A S I L I C A T O S : C a d e n a s d e silicatos o silicatos lineales.
S O R O S I L I C A T O S : Silicatos e n f o r m a de anillo.
F I L O S I L I C A T O S : Silicatos l a m i n a r e s o b i d i m e n s i o n a l e s .
Las arcillas pertenecen a los silicatos e n c a p a s , dentro de las arcillas se t i e n e a la caolinita,
montmorilonita, q u e p u e d e n c o n t e n e r c a t i o n e s c o m o Na*, K\ Mg""* y Ca**, entre sus c a p a s .
T E C T O S I L i C A T O S . Silicatos reticulares o q u e f o r m a n una red t r i d i m e n s i o n a l . E j e m p l o s : la
cristobalita, el cuarzo (arena de m a r ) , los f e l d e s p a t o s y las zeolitas.
• Z e o l i t a s . Las zeolitas son u n a familia d e minerales aluminosilicatos hidratados a l t a m e n t e
cristalinos, q u e al d e s h i d r a t a r s e desarrollan, e n el cristal ideal, u n a estructura p o r o s a con
diámetros de poro m í n i m o s d e 3 a 10 a n g s t r o m s . Están f o r m a d a s por tetraedros de SiO^ y
AlO^, existen varios tipos de zeolitas. Las Zeolitas tienen p r o p i e d a d e s de a d s o r b e r o retener
m o l é c u l a s c u y a s d i m e n s i o n e s c o i n c i d e n c o n las c a v i d a d e s o p o r o s q u e e x i s t e n e n la
estructura, son selectivas respecto al t a m a ñ o y forma de las m o l é c u l a s . S o n utilizados c o m o
catalizadores y p a r a atrapar m e t a l e s p e s a d o s de a g u a s residuales entre otras aplicaciones.
P r o p i e d a d e s d e a d s o r c i ó n : los g r a n d e s canales centrales de entrada y las cavidades de las
zeolitas se llenan de moléculas de a g u a q u e f o r m a n las esferas de hidrataclón alrededor de
d o s cationes cambiables. Si el agua es eliminada y las moléculas tienen diámetros seccionales
suficientemente p e q u e ñ o s para q u e éstas pasen a través de los canales de entrada entonces
son fácilmente adsorbidos en tos canales deshidratados y cavidades centrales. Las moléculas
d e m a s i a d o g r a n d e s no p a s a n dentro de las c a v i d a d e s centrales y se excluyen d a n d o origen
a la p r o p i e d a d d e t a m i z molecular, una propiedad de las zeolitas. Por ejemplo, la siguiente
figura q u e r e p r e s e n t a una Faujasita, la cavidad m á s g r a n d e presenta un diámetro de 12.5
Ángstroms.
C)CueOCTAEORO
M A T E R I A L E S C E R Á M I C O S N O S I L Í C I C O S . M g O , C a O , B a T i O j , alúmina.
• A l ú m i n a (Al^Og). Debido a su alto punto de fusión, la alúmina se usa extensamente c o m o
refractario, en m e z c l a s c e r á m i c a s o e n e s t a d o puro. También se usa en la fabricación de
materiales cortantes d e b i d o a s u alta d u r e z a y c o m o catalizador. El corindón es usado en la
fabricación d e d i s c o s d e esmeril y para la preparación d e circuitos impresos.
S e m i c o n d u c t o r e s c e r á m i c o s . Los c e r á m i c o s aislantes pueden convertirse en
s e m i c o n d u c t o r e s si contienen e l e m e n t o s de transición multivalente. La resistividad puede
ser m a n i p u l a d a por este m e d i o .
C E R Á M I C O S F E R R O M A G N É T I C O S . C l a s e de materiales magnéticos e n la q u e los dipolos
m a g n é t i c o s a d y a c e n t e s se alinean en f o r m a e s p o n t á n e a entre sí, para crear un c a m p o
m a g n é t i c o interno fuerte, Estos materiales m u e s t r a n una respuesta importante a los c a m pos m a g n é t i c o s externos. E j e m p l o s , MFe^O^ ( M = metal, c o m o M g , N i , M n , Z n ) .
F E R R O E L É C T R I C O : Material que presenta polarización espontánea bajo un campo eléctrico
aplicado.
•4.3. CEMENTO
Es u n m a t e r i a l a g l o m e r a n t e f o r m a d o por u n a v a r i e d a d d e m a t e r i a l e s no m e t á l i c o s e
inorgánicos, al m e z c l a r s e c o n a g u a p u e d e n moldearse y d e s p u é s fragua f o r m á n d o s e una
masa compacta.
• M A T E R I A P R I M A : Arcilla y calizas.
Arcilla. 2 3 1 0 2 ' А 1 2 0 з ' Р е 2 0 з » 2 Н 2 0 (barro, pizarra o esquito).
Caliza. R o c a s c o m p u e s t a s principalmente d e carbonato de calcio ( C a C O j ) y contiene otros
minerales c o m o dolomita, cuarzo y arcillas.
El c e m e n t o m á s utilizado es el c e m e n t o Pórtland, del cual h a b l a r e m o s e n esta s e c c i ó n .
Constituyente del cemento Pórtland
SILICATO DE DICALGIO (2CaOSi02)
SILICATO DE TRICALCIO (3CaOSiOJ
ALUMINIO TRICALCIO (3CaOAI,03)
FERROALUMINATO TETRACÁLCICO
(4CaOAt203Fe203)
YESO (CaSOJ
Símbolo
% en peso
C,S
28
46
11
C 3 A
C,AF
8
3
MAGNESIA (MgO)
ÓXIDO DE CALCIO (CaO)
3
(Cal)
c
0.5
ÓXIDO DE SODIO (Na^O)
0.5
F u n c i ó n de l o s c o m p o n e n t e s del c e m e n t o
S I L I C A T O DE T R I C A L C I O . E n d u r e c i m i e n t o rápido e n los p r i m e r o s siete días
S I L I C A T O DE D I C A L C I O . D u r e z a d e s p u é s d e una s e m a n a , resistencia a largo plazo.
A L U M I N I O T R I C A L C I O . Fijación rápida, se hidrata r á p i d a m e n t e .
F E R R O A L U M I N A T O T E T R A C Á L C I C O . Facilita la fundición.
Y E S O . Retarda la velocidad d e f r a g u a d o del C 3 A para a s e g u r a r la resistencia total.
M g O . P r o d u c e hidróxidos al c o n t a c t o c o n el a g u a .
L A C A L ( C a O ) . Retraza un poco la fijación e n el c e m e n t o ya hidratado.
R E A C C I O N E S DE F R A G U A D O :
C 3 A + C + 12 Hp
> AI^03'4CaO-12H20 (fraguado rápido)
C^S + 3.5 H 3 O
> S i 0 3 - C a O ' 2 . 5 H p + Ca{OH\ (resistencia a largo plazo)
C 3 S + 4.5 Hp
> S i 0 2 ' C a O * 2 . 5 H p + 2Ca(OH)2 (resistencia a corto plazo)
Etapas de elaboración del c e m e n t o
1. S e obtiene la arcilla y la caliza.
2. M o l i e n d a .
3. H o m o g e n e i z a c i ó n .
4 . O b t e n c i ó n del clinker:
- S e c a d o entre 1 0 0 - 1 1 0 °C
- d e s c o m p o s i c i ó n de 7 0 0 a 8 0 0 ° C
-sinterización d e 1400 a 1500°C
2CaO + SiO. —
3CaO+Al,03 —
- >
C 3 A
4 C a O + A I P 3 + Fe^03
-> C . A F
-> C3S
3CaO + CjS
5. Mezcla del d i n k i e r c o n y e s o .
6. Molienda fina.
7. E m p a c a d o .
C l i n k e r Material obtenido d e s p u é s del tratamiento t é r m i c o .
¿H3ZS70
Concreto
Material pétreo artificial h e t e r o g é n e o o b t e n i d o por la m e z c l a del c e m e n t o , a g u a ,
grava y a r e n a . Resistente, c a p a z de soportar g r a n d e s e s f u e r z o s , no c o n d u c t o r del calor ni
la electricidad, resistente q u í m i c a m e n t e y al d e s g a s t e .
5. V I D R I O
La materia prima con q u e se fabrica el vidrio es el s í l i c e , el mineral m á s abundante en la
tierra. De color blanco lecfioso, se encuentra en vahos tipos de rocas, incluido el granito. El
vidrio es un p r o d u c t o I n o r g á n i c o d e f u s i ó n q u e se h a e n f r i a d o h a s t a u n e s t a d o r í g i d o .
Líquido tan viscoso q u e ha p e r d i d o s u c a p a c i d a d d e f l u i r . Los vidrios se pueden considerar
c o m o l í q u i d o s s o b r e e n f r i a d o s . La sílice pura tiene un punto de fusión tan alto q u e el
f u e g o c o m ú n no basta para convertirlo en vidrio; los primeros "fabricantes de vidrio" debieron
d e e n c e n d e r el fuego en a r e n a i m p r e g n a d a con sosa (compuestos de sodio) liberada al
e v a p o r a r s e el a g u a del mar. A c t u a l m e n t e se c o m b i n a n cal y sosa con la sílice para producir
el vidrio usado en botellas, ventanas y vasos. Suelen ser transparentes, pero también pueden
ser traslúcidos u o p a c o s . Su c o l o r varía según los ingredientes empleados en su fabricación.
T a m b i é n se encuentra en la naturaleza, por e j e m p l o en la obsidiana, u n material volcánico.
T i e n e n la capacidad d e t r a s m i t i r la luz v i s i b l e y en algunas zonas de ultravioleta e infranojo.
El vidrio es un mal conductor del calor y la electricidad, por lo q u e resulta práctico para el
aislamiento térmico y eléctrico.
L o s f u n d e n t e s a l c a l i n o s , p o r lo general c a r b o n a t o de s o d i o (sosa) o potasio,
d i s m i n u y e n el punto de fusión y la viscosidad de la sílice. Otros ingredientes, c o m o el plomo
o el bórax, proporcionan al vidrio d e t e r m i n a d a s propiedades físicas. El vidrio ordinario es:
7SiO^: I C a C O g : I N a C O j , r e b l a n d e c i e n d o 500-600°C. El vidrio pirex: (SiO^, B 2 O 3 , A\p^,
Na^O, K^O) reblandece a 8 0 0 ° C . La estructura d e l v i d r i o es o r d e n a d a a c o r t o a l c a n c e ,
p e r o d e s o r d e n a d a a largo a l c a n c e . No tiene una temperatura d e fusión definida debido a
q u e e s u n a estructura a m o r f a .
• S Ó L I D O A M O R F O . Material q u e carece de o r d e n de largo alcance. El arreglo atómico
e n cualquier sección d a d a d e u n material a m o r f o lucirá diferente de otro arreglo atómico de
una sección a otra del material. L o s materiales amorfos son hules y vidrios. P u e d e presentar
o r d e n a corto alcance.
AMORFO
CRISTAL
S Ó L I D O C R I S T A L I N O . En u n material cristalino los átomos están dispuestos en un a n e g l o
ordenado tridimensionalmente.
5.1. MATERIA PRIMA
• L a sílice pura (SiO^,) tiene a l t o p u n t o d e f u s i ó n (lo q u e conlleva un alto costo de fabricación
d e l vidrio), por lo q u e la sílice pura es modificada por la a d i c i ó n d e v a r i o s ó x i d o s , que
p e r m i t e n b a j a r el p u n t o d e f u s i ó n y v i s c o s i d a d , haciéndolo e c o n ó m i c o a nivel industrial.
Si a la sílice se le a g r e g a n cantidades a d e c u a d a s de óxido d e calcio y óxido de sodio
( m o d i f i c a d o r e s de red), se o b t i e n e u n vidrio con bajo punto de fusión e i n s o l u b l e e n a g u a .
F o r m a d o r e s de vidrio: Ó x i d o s de sílice.
• M o d i f i c a d o r e s d e r e d : R o m p e n la estructura reticular y finalmente hacen q u e el vidrio
se desvitrifique, es decir, se cristalice. Los m o d i f i c a d o r e s c o m o Li^O, K^O, Na^O, Cs^O,
C a O , etcétera r o m p e n a l g u n o s e n l a c e s , a b r i e n d o la red vitrea a través del oxígeno,
e n t o n c e s los c a t i o n e s del metal s e a l o j a n e n la r e d . S o n e s p e c i e s incapaces de formar
tres e n l a c e s o m á s con sus v e c i n o s . Los m o d i f i c a d o r e s d e red r o m p e n la red t r i d i m e n s i o n a l ,
r e d u c i e n d o la d e n s i d a d del vidrio, d e c r e c i e n d o la t e m p e r a t u r a d e transición vitrea.
I I
I
I
I
I
-Si-O-Si-O+CaO ^ -Si-O- -Si-O + C a - 0 ^ •Si-0-Ca++0-Si-C
I I
I
I
I
I
I I
I
I
I
I
-Si-O-Si-O+NazO ^ -Si-O- - S i - 0 + N a , - 0 ^ - S i - O - N a W O - S i - O
I I
I
I
I
I
• M o d i f i c a d o r e s i n t e r m e d i a r i o s . S o n c a p a c e s de reforzar la malla vitrea, p u e d e n eliminar
características indeseables. No f o r m a n por si m i s m o s el vidrio, p e r o se i n c o r p o r a n a la
estructura de la red (óxidos de aluminio y p l o m o ) .
Otros m o d i f i c a d o r e s : El F e , C o , A u . etc. le confieren diversos colores al vidrio.
M A T E R I A S P R I M A S (Nivel industrial)
* A r e n a de c u a r z o o sílice ( S i 0 2 ) .
* Cal (carbonato calcico).
* Sosa (carbonato de sodio).
* Alumina (AI203) (pequeñas cantidades).
* Potasa ( c a r b o n a t o de potasio) ( p e q u e ñ a s c a n t i d a d e s ) .
* D e s e c h o s d e vidrio ( p e q u e ñ a s c a n t i d a d e s ) .
A l fundirse se tiene la siguiente reacción ( f o r m a c i ó n de los ó x i d o s a ) :
S i O j (formador) + Na^COg + С а С О з + К^СОз + F e ^ O , + AI^Oj (modificadores)
Na^O + C a O + Кр + Fep^ + A\p^ + ЗСО^
Si02 +
••Características q u e aportan al vidrio:
S í l i c e , m a y o r resistencia y m a y o r t e m p e r a t u r a de trabajo.
Cal (CaO). m e n o r solubilidad m a y o r t e n d e n c i a a cristalización (desvitrificación).
S o s a , m e n o r viscosidad y m e n o r t e m p e r a t u r a d e fusión.
A l ú m i n a , evita la cristalización (desvitrificación).
P o t a s a , d i s m i n u y e la t e m p e r a t u r a de fusión.
• D E S V I T R I F I C A C I Ó N . F o r m a c i ó n de u n p r o d u c t o cristalino a partir d e un material v i t r e o ,
por lo general a alta t e m p e r a t u r a .
M o l d e a d o : Los principales m é t o d o s e m p l e a d o s para m o l d e a r el vidrio s o n el c o l a d o , el
s o p l a d o , el p r e n s a d o , el estirado y el l a m i n a d o .
• 5 . 2 . F O R M A C I Ó N DE U N A E S T R U C T U R A V Í T R E A
El c a l e n t a m i e n t o de un metal a alta t e m p e r a t u r a conlleva a la fusión del sólido (se v u e l v e
líquido). Al dejar enfriar ese material líquido (ver siguiente gráfica), el metal p u e d e volver a
su estructura sólida anterior, pero si se enfria rápidamente los á t o m o s no tendrán el suficiente
tiempo para a c o m o d a r s e (matenal a m o r f o ) , o b t e n i é n d o s e m a y o r de v o l u m e n . En la gráfica
siguiente se p u e d e ver q u e existe diferencia d e v o l u m e n entre un material vitreo (vidrio) y
un cristalino.
Líquido
estable
o
•í
^
С:
^
:
{ m a y o r
:
:
rCrístali2:ación
•(enfriamiento
I
lento)
v o l u m e n )
VIDRIO
I
.
\
II
\I
CRISTAL
¿
T- d e T r a n s i c i ó n
vitrea
Ì
i
T
e
m
p
e
RAT
U
RA
T . <Je f u s i ó n
5 . 3 . TIPOS DE VIDRIOS
• V i d r i o s o l u b l e o v i d r i o s o d o c á l c i c o . Es un vidrio c o n e l e v a d o contenido en sodio q u e s e
d i s u e l v e e n a g u a para f o r m a r u n líquido viscoso q u e s e d e n o m i n a vidrio soluble y se e m p l e a
c o m o barniz o c o m o sellador.
• V i d r i o al p l o m o . El vidrio e m p l e a d o para " c r i s t a l e r í a s d e m e s a " , se obtiene mediante
la c o m b i n a c i ó n del silicato de potasio c o n óxido de p l o m o . El vidrio al plomo es pesado y
refracta m á s la luz (alto índice d e refracción), por lo q u e resulta apropiado para lentes o
p r i s m a s . C o m o el p l o m o a b s o r b e la radiación d e alta e n e r g í a , s e utiliza para proteger al
p e r s o n a l de las instalaciones n u c l e a r e s .
• V i d r i o d e b o r o s i l i c a t o ( p i r e x ) . Contiene bórax entre sus ingredientes (Sp^), junto
c o n sílice y álcali. Es utilizado por su durabilidad y resistencia a los ataques químicos y las
altas t e m p e r a t u r a s , por lo q u e se usa m u c h o en utensilios de cocina y aparatos de laboratorio.
V i d r i o s d e c o l o r e s . Las i m p u r e z a s e n las materias primas afectan al color del vidrio.
Los efectos de p e q u e ñ a s c a n t i d a d e s d e h i e r r o y c o b r e que producen tonos verdes y pardos.
El color resultante p u e d e ser utilizado c o m o protección de la luz e n e n v a s e s d e : vino, cocacola y s u b s t a n c i a s q u í m i c a s .
V i d r i o ó p t i c o . Éste se diferencia de los d e m á s vidrios por su f o r m a de desviar (refractar)
la luz. S e f a b r i c a c o n vidrio óptico la m a y o r í a d e las lentes q u e se utilizan en anteojos,
m i c r o s c o p i o s , telescopios, c á m a r a s y otros instrumentos ópticos. Las mateñas primas deben
t e n e r u n a g r a n p u r e z a , y evitar q u e s e i n t r o d u z c a n i m p e r f e c c i o n e s en el p r o c e s o de
fabricación.
V i d r i o f o t o s e n s i b l e . El vidrio f o t o c r o m á t i c o s e o s c u r e c e c u a n d o se e x p o n e a la luz,
pero p u e d e r e c u p e r a r su claridad original. Este s e d e b e a la acción de la luz sobre el cloruro
de plata o b r o m u r o d e plata distribuidos por todo el vidrio. Es m u y utilizado e n lentes y en
electrónica.
V i d r i o p i a n o . Se utiliza e n v e n t a n a s y placas, los vidrios inastillables se fabrican con
u n a lámina de plástico entre d o s de vidrio.
El v i d r i o o " c r i s t a l b l i n d a d o " . Está c o m p u e s t o por varias c a p a s de vidrio q u e van
intercaladas e n u n a o varias c a p a s d e materiales sintéticos, g e n e r a l m e n t e poli c a r b o n a t e s o
polivinll butiral con los q u e se o b t i e n e u n a m a y o r resistencia d e proyectiles d e p e n d i e n d o de
su resistencia al proyectil. E l v i d r i o l a m i n a d o está c o m p u e s t o por d o s c a p a s d e vidrio y
una intermedia de plástico. A u n c u a n d o la c a p a de plástico p u e d e ser m u y d e l g a d a , es
resistente. Los impactos quizá estrellen el vidrio, pero q u e d a r á a d h e r i d o al plástico y no
f o r m a r á astillas, por lo q u e es a d e c u a d o para parabrisas de a u t o m ó v i l .
El v i d r i o d e a l t a r e s i s t e n c i a se p r o d u c e por e n d u r e c i m i e n t o ( t e m p l á n d o l o ) o por
laminación. Para t e m p l a r el vidrio, se calienta hasta casi alcanzar su t e m p e r a t u r a de f u s i ó n ,
y luego se enfría s ú b i t a m e n t e con c h o r r o s de aire. Esto hace q u e la superficie del vidrio se
enfríe y contraiga antes q u e su intehor. La superficie se c o m p r i m e hacia adentro. Esta
c o m p r e s i ó n d e b e lograrse antes de q u e el vidrio e n d u r e c i d o se r o m p a . Así, el vidrio t e m p l a d o
es m á s resistente a la flexión. De ocurrir ésta, se parte e n p e q u e ñ o s f r a g m e n t o s .
•Características de los vidrios:
Rigidez. G r a n resistencia al a l a i g a m i e n t o .
Fragilidad. Poca resistencia a fracturarse.
D u r e z a . G r a n resistencia al ser r a y a d o .
Transparencia. Deja pasar la luz sin distorsionarla.
C o n d u c t i v i d a d . No p e r m i t e c o n d u c t i v i d a d térmica o eléctrica (no electrones libres).
Resistencia q u í m i c a . No r e a c c i o n a f á c i l m e n t e c o n otras s u b s t a n c i a s .
índice de refracción.Es el c o c i e n t e de la v e l o c i d a d d e la luz e n aire y la v e l o c i d a d de la
luz e n el m e d i o c u y o índice se calcula (los vidrios con alto índice de refracción tienen g r a n
utilidad para la fabricación de fibras ópticas, lentes y para e q u i p o s de protección).
6. P O L Í M E R O S
• P o l í m e r o s . S o n macromoléculas o moléculas gigantes f o r m a d a s por unidades monoméricas
o m o n ó m e r o s q u e se repiten v a r i a s v e c e s . Las m o l é c u l a s s i m p l e s q u e s o n e n l a z a d a s d e
forma covalente d e c a d e n a s largas se l l a m a n m o n ó m e r o s (de las p a l a b r a s griegas mono,
que signific uno, y mero, q u e significa pieza). Los polímeros p u e d e n ser definidos
q u í m i c a m e n t e c o m o m o l é c u l a s r e l a t i v a m e n t e g r a n d e s , d e p e s o s m o l e c u l a r e s del o r d e n de
1.000 a 1.000.000 g / m o l , e n c u y a estructura se e n c u e n t r a n u n i d a d e s q u í m i c a s sencillas
repetidas (meros).
H
H
I
I
H
H
H
H
H
H
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H
I
I
!
I
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I I i I
^ — C - C - C — C - C - C - C - C - C - C - C - —
H
H
H
H
H
H
H
H
H
Mero
Para ver la historia de los p o l í m e r o s ir a las p á g i n a s :
http://www.tecnomaq.com.mx/plasticos.html
http://members.tripod.com/fotografia/textos/polimeros.html
6.1. CLASIFICACIÓN DE LOS POLÍMEROS
1) Por su tipo;
• H o m o p o l í m e r o s . El h o m o p o l i m e r o e s t a f o r m a d o p o r u n s o l o t i p o d e m o n ó m e r o ,
A-A-A-A-A.
• C o p o l i m e r o s . El c o p o l í m e r o esta f o r m a d o por 2 ó más m o n ó m e r o s distintos, A-B-B-AA - A - B - ó A - B - A - B - A - B (diferentes m o n ó m e r o s ) .
Estas c o m b i n a c i o n e s d e m o n ó m e r o s se realizan para modificar las propiedades de los
polímeros y lograr n u e v a s aplicaciones. Lo q u e se busca es q u e cada m o n ó m e r o imparta
u n a d e sus p r o p i e d a d e s al material final; así, por ejemplo, e n el A B S (acrylonitrile butadiene
styrene), el acrilonitrilo aporta su resistencia química, el butadieno su flexibilidad y el estlreno
i m p a r t e al material la rigidez q u e requiera la aplicación particular.
2) Por su grado de polimerización:
-A-Oligómeros. P o c o s m o n ó m e r o s ( m e n o s de 100 m o n ó m e r o s ) .
P o l í m e r o s . M á s d e 100 m o n ó m e r o s .
3) Por su naturaleza:
Naturales y artificiales.
4) Por su o r i g e n :
Vegetales, a n i m a l e s y minerales.
5) Por su estructura:
Lineales. En una sola d i r e c c i ó n .
Ramificado. C o n cierto g r a d o de entrecruzamiento.
Reíiculado. Da lugar a una red reticulada.
6) Por sus u s o s :
Fibras. Polímeros lineales.
E l a s t ó m e r o s . Lineales, l i g e r a m e n t e entrecruzados.
7) P O R S U S P R O P I E D A D E S :
• T e r m o p l á s t i c o s . C a d e n a s l i n e a l e s , c o n c i e r t a m o v i l i d a d . P o l í m e r o f o r m a d o por
m o l é c u l a s d e c a d e n a l a r g a , q u e con frecuencia se c o m p o n e n de u n a columna vertebral con
e n l a c e s covalentes y varios g r u p o s laterales. Estas moléculas se pueden calentar e n forma
repetida para f o r m a r un fluido (se p u e d e n volver a moldear). C a d e n a s lineales con cierta
movilidad.
• T e r m o f í j o s ( t e r m o e s t a b l e ) . C o n alto grado de entrecruzamieníos q u e mantiene rígidas
las c a d e n a s , no se logra la movilidad. La temperatura p u e d e destruir el polímero.
TermD|iá5lkx>
Bastámero
Taiipestaüe
8) P O R S U S M É T O D O S DE O B T E N C I Ó N (método de preparación)
* a ) DE A D I C I Ó N . La m a s a molecular de los m o n ó m e r o s es idéntica a la m a s a molecu
lar del p o l í m e r o . No se f o r m a n productos s e c u n d a r i o s .
M a s a Molecular de los M o n ó m e r o
> Masa molecular del polímero
La p o l i m e r i z a c i ó n p o r a d i c i ó n s e p u e d e l l e v a r a c a b o d e 2 m a n e r a s :
V í a r a d i c a l l i b r e . En la que se requiere un iniciador. E j e m p l o , O b t e n c i ó n d e polietileno:
H O O H (peróxido d e h i d r ó g e n o )
> H 0 * + HO*
(l=HO')
I + C H . ^ C H ^ (Iniciación)
> l-CH^-CH,- + C H , = C H ,
> l-CH^-CH.-GH^-CH,(Propagación)
> l-(CH^)/ + l - ( C H j ) /
> l - ( C H 2 ) 3 - l (Terminación).
V í a M e c a n i s m o p o l a r . En esta r e a c c i ó n una e s p e c i e p r e s e n t a u n a d e f i c i e n c i a d e
electrones, por lo que una e s p e c i e pierde un doblete d e electrones y la otra la retiene.
b) DE C O N D E N S A C I Ó N . La m a s a molecular del polímero es ligeramente m e n o r q u e el
de las unidades m o n o m é r i c a s , d e b i d o a la o b t e n c i ó n d e u n s u b p r o d u c t o d e baja m a s a
molecular (generalmente a g u a , m e t a n o l o ácido clorhídrico). En la reacción participan por lo
m e n o s d o s tipos distintos de m o n ó m e r o s .
M a s a Molecular de los M o n ó m e r o s
> M a s a molecular del polímero + s u b p r o d u c t o
Ejemplos métodos de condensación:
O b t e n c i ó n de Poliamidas: R e a c c i ó n entre m o n ó m e r o s con g r u p o s f u n c i o n a l e s ácido y
grupos a m i n o . (Nylon 6 6 ) .
H
H
H
H
H M U H H H H H
I
I
)
(
I
I
I
I
H H H H H H H H
Etileno
Polietileno
O b t e n c i ó n de Poliésteres: R e a c c i ó n entre m o n ó m e r o s c o n g r u p o s f u n c i o n a l e s ácido y
g r u p o s de alcohol.
H
H
O
O
H
II
II
H-N-(CH2)6-N-H + H-0-C-(CH2)4-C-0-H
I
I
H
O
O
II
II
> -[N-(CH2)6-N-C-(CH2)4-C-0]-+ H2O
I
I
Ejemplos de polímeros de condensación y sus subproductos: a) Formación de poliésteres,
poliamidas, políéteres, polianhídros, por e l i m i n a c i ó n de a g u a o a l c o h o l e s b) F o r m a c i ó n
de poli hidrocarburos, por eliminación de h a l ó g e n o s o h a l u r o s d e h i d r ó g e n o , c) F o r m a c i ó n
de polisulfuros o poli-polisulfuros, por e l i m i n a c i ó n d e c l o r u r o d e s o d i o •6.2. FIBRAS
De cadena lineal m u y larga, se caracteriza por su flexibilidad, finura y una elevada relación
entre su longitud y su grosor.
Fibras naturales:
A l g o d ó n . Obtenida de una planta, es celulosa p u r a .
Lana. Pelo de reses ovinas, f o r m a d a por queratina.
S e d a . Capullo de g u s a n o de s e d a , f o r m a d a por la m a c r o m o l é c u l a sericina.
Fibras artificiales:
Poliamidas poliéster (Nylon 66).
Acrílico. resistente al a g u a n o necesita planchar.
0
0
II / - - X II
H-O-CH2-CH2-O-H + H - O - C ^ O / C - O - H
0
0
II / — A
"
> -[0-C^(^^-C-0-CH2-CH2l- + H2O
6 . 3 . E L A S T Ó M E R O S (hule)
•A-Materia o r g á n i c a elástica c o h e r e n t e ligeramente entrelazada en forma tridimensional,
f o r m a d a de c a d e n a s de alta flexibilidad. El c a u c h o natural es u n elastòmero. Las c a d e n a s
largas de un e l a s t ò m e r o se c o n e c t a n entre si por e n l a c e s c r u z a d o s ocasionales: deben ser
suficientes para evitar el d e s l i z a m i e n t o de las m o l é c u l a s , pero no privar a las cadenas de la
flexibilidad n e c e s a r i a para e x t e n d e r s e c o n facilidad y volver n u e v a m e n t e al d e s o r d e n .
• C a u c h o n a t u r a l (poliisopreno). Es el látex obtenido de varias plantas tropicales (Hevea,
G u a y u t e y Catilloa) p o s e e d o r de g r a n elasticidad. С Н з
-
СН2=С-СН-СНз
СНз
-СНа-С<:Н-СНа-
Isopreno
cis Poliisopreno
(Caucho natural)
Para saber m á s sobre el c a u c h o natural ver la siguiente página:
fotografia/textos/caucho.
htm
http://members.tripod.com/
Propiedades físicas de los polímeros:
Elasticidad m ò d u l o ( c a p a c i d a d d e volver a su posición inicial), histéresis (medida de la
perdida de e n e r g i a al ser sometido a una fuerza cíclica), dureza, comprensión, rebote (medida
de la e n e r g í a d e retorno), plasticidad (deformación q u e sufre un material c u a n d o se somete
a un e s f u e r z o ) , resistencia eléctrica.
Clasificación química de elastómeros.
P o l i b u t a d i e n o . Alto rebote.
• C l o r o p r e n o ( N e o p r e n e ) . Resistente q u í m i c a m e n t e , resiste a la llama, agua, o z o n o ,
á c i d o s , gasolina y alta t e m p e r a t u r a , pero es atacado por hidrocarburos aromáticos y fosfatos.
S u s á t o m o s d e cloro lo h a c e n m á s resistente q u e el c a u c h o natural (ver apéndice A ) .
n ( C H 2 = C C I - C H = C H j ) ( c l o r o p r e n o ) — > [-CH^-CCNCH-CH^-ln (neoprene).
P o l í m e r o a t á c t i c o . S u s g r u p o s l a t e r a l e s a d q u i e r e n p o s i c i o n e s a l e a t o r i a s e n la
polimerización.
P o l í m e r o isotáctico. S u s g r u p o s laterales están u b i c a d o s e n el m i s m o lado de la cadena
principal, e s m a s cristalina.
C o m o e j e m p l o p o d e m o s mostrar el polipropileno: El polipropileno q u e normalmente se
utiliza, es e n su m a y o r parte isotáctico. Esto significa q u e todos los grupos metilos de la
c a d e n a e s t á n del m i s m o lado, d e esta f o r m a :
*4W4
CH2-CH—CH2-CH—CH2-CH-CH2-CH-CH2-CH
' I
' 1
" 1
l
I
CH3
CH3
CH3
CHj
CHj
-~
Polipropileno isotáctico
P e r o a v e c e s s e usa el polipropileno atáctico. Atáctico significa q u e los grupos metilos
e s t á n distribuidos al azar a a m b o s lados de la c a d e n a , de e s t e m o d o :
CH3
CHJ
—CHJ—CH-CH2—CH-CH2—CH-CH2—CH-CH2—CH—
CK^
CHi
CHi
Polipropileno atáctico
P O L I A D I C I Ó N (ver a p é n d i c e A)
п
* P O L I A D I C I Ó N (ver a p é n d i c e A)
Adición
Monómero
Unidad monómera
(Polímero)
Bolsas, botellas
polietileno
^
^
etileno
polipropileno
[CH2-CH]„
c u
propilene
[CH2-CH]„
C H 2 = C H
I
Mangueraf'
Juguetes
(CgHs)
^'
estireno
C l o r u r o d e vinilo
de
Lamillas, tubos,
recipientes
C H 3
3
poliestireno
Policloruro
vinilo
(PVC)
Usos
[CH2-CH]„
CH2=CH
Tubos,
pisos,
mangueras.
Cl
Cl
Politetrafluoroetileno
(TEFLON)
Poliacrilonithlo
(orlon, acrilan,
creslan)s
^
^
tetrafloruro
d e etileno
"^etilmetracrllato
CH5=CH
^ j
[CF2-CF2ln
[CHj-CHJn
* POLICONDENSACIÓN
Condensación
Unidad monómera
(Polímero)
N y l o n 66
Poliéster
Keviar (PPTA)
rH
1
00
1II
0
1
II
n
N < 0 > N - C < 0 > C
Epóxícos
H
1
t O - R - O - C 1
l-l
pinturas,
Alfombras,
cuerdas.
Películas, fibras
y prendas
de
vestir.
0
H
Fibras,
lentes.
Usos
H
H 0
0
1
1 II
II
-IN-(CH2)6N-C-(CH2)^-C-OJ-
0
Recubrimientos,
empaques,
sellos.
H
1
C - C H ^ l n
i
O H
Fibras,
chalecos
antibalas,
raquetas.
Adhesivos.
• 6 . 4 . VULCANIZACIÓN
C h a r l e s G o o d y e a r mezcló a c c i d e n t a l m e n t e l á t e x ( c a u c h o ) + Azufre en una estufa caliente,
o b s e r v a n d o q u e el material obtenido y a n o e r a p e g a j o s o , q u e seguía siendo flexible y que
e r a resistente a las sustancias q u e disolvían el látex.
El v u l c a n i z a d o i n h i b e la t e n d e n c i a d e l c a u c h o a r e b l a n d e c e r c o n el calor. El calor del
vulcanizado abre los dobles enlaces atrapando el azufre, formando múltiples enlaces cruzados
de azufre. El vulcanizado es c o m ú n m e n t e utilizado en las llantas de carro. Bajo contenido de
azufre dejan al caucho blando y flexible. Si se incremento el contenido de azufre, se limita el
desenroscado de cadena y el caucho se hace m á s duro, más rígido y más frágil. Típicamente,
se agrega del 0.5 al 5 % de azufre para formar en los elastómeros los enlaces cruzados.
"7^^
СНз
I 3
n|:CH2=C-CH=CH2]
.[CH2"¿=CH-CH2]-
-[CHj-f-fH-CHj].
+azufre->
Cís-lsopreno
-[ÒH2-C=CH-CHp]-"
I
.[CH^i-eH-CHj^1
^
CH^
СНз
6.5. P O L Í M E R O S I N O R G Á N I C O S
Naturales: A s b e s t o . C a d e n a s dobles de silicato [SiO^O.,,]^.
Fibras de c a r b o n a t o . Fibras de grafito.
Artificiales: Fibras de vidrio. Fibras de sílice en forma de fibras.
Silicones. C a d e n a s d e silicio con ramificaciones orgánicas.
Silicon:
[-0-Si-0-]„
• P r o p i e d a d e s de los polímeros:
C o n d u c t i v i d a d . P u e d e n c o n d u c i r si se les agrega grafito.
Estabilidad. El calor e x c e s i v o p u e d e degradarlos.
D e g r a d a c i ó n . Al q u e m a r l o s en presencia de aire.
O x i d a c i ó n . S e v u e l v e n m á s d u r o s y m e n o s flexibles. La oxidación lleva al fenómeno de
e n v e j e c i m i e n t o del polietileno así c o m o los hules c o m u n e s q u e sufren u n a perdida d e
flexibilidad con el t i e m p o , d e b i d o a q u e se f o r m a n enlaces cruzados por efecto de los á t o m o s
d e o x í g e n o (vulcanización), bajo la acción catalítica del sol.
• E s c i s i ó n . La luz Ultravioleta (luz del sol) puede romper los enlaces, modificando las
p r o p i e d a d e s del p o l í m e r o .
• 6 . 6 . G R A D O DE POLIMERIZACIÓN
C a n t i d a d de m o n ó m e r o s e n l a z a d o s q u e forman un polímero; es igual al peso molecular
del p o l í m e r o y se divide entre el peso molecular del m o n ó m e r o .
G.P. =
Peso molecular del polímero
Peso m o l e c u l a r del m e r o (unidad de repetición)
En el c a s o de d e los polímeros q u e contienen un solo tipo de m o n ó m e r o s , el peso m o ­
lecular d e la unidad de repetición es el m i s m o m o n ó m e r o . Si el polímero contiene m á s de un
tipo de m o n ó m e r o , el p e s o m o l e c u l a r de la unidad de repetición será la suma de los pesos
m o l e c u l a r e s d e los m o n ó m e r o s , m e n o s el peso molecular del subproducto.
• E j e m p l o : U n a muestra d e polietileno tiene una m a s a m o l e c u l a r d e 2 5 0 0 0 g / m o l . Cuál
es el g r a d o d e polimerización d e la m o l é c u l a p r o m e d i o del polietileno, [C^HJ^.
Cálculo d e Peso m o l e c u l a r d e l m e r o del e t i l e n o :
C a r b ó n = 2 ( M a s a a t ó m i c a c a r b ó n ) = 2 x 12.01= 2 4 g r / m o l .
Hidrógeno= 4 ( M a s a a t ó m i c a H i d r ó g e n o ) = 4 x 1.008= 4 g r / m o l .
Masa atómica del c a r b ó n + M a s a a t ó m i c a Hidrógeno: 2 8 g r / m o l .
G . R { g r a d o d e p o l i m e r i z a c i ó n ) = 2 5 0 0 0 g/mol = 8 9 2 . 8 5
28 g/mol
Ejemplos para resolver:
1. Calcular el grado d e polimerización del teflon si s u p e s o m o l e c u l a r e s igual a 2 5 0 0 0 0
g/mol.
2. Calcular el g r a d o d e p o l i m e r i z a c i ó n del nylon 6 6 ( t o m a r e n c u e n t a q u e e s u n p o l í m e r o
de condesación) si tiene un peso m o l e c u l a r d e 2 4 0 0 0 0 g / m o l .
3. Calcular la c a n t i d a d d e m e r o s e n u n a muestra c o m e r c i a l d e polipropileno - ( C 3 H 6 ) - ,
cuyo peso molecular e s d e 1 5 0 ООО g / m o l .
4. Un polímero d e s c o n o c i d o p r e s e n t a u n p e s o m o l e c u l a r d e 2 5 , 0 0 0 g/mol y s e s a b e q u e
su grado d e polimerización e s d e 8 9 1 . ¿ D e q u e p o l í m e r o s e trata? S e s o s p e c h a q u e p u e d e
ser T E F L O N -[CF^-CFJ^., C l o r u r o d e vinilo -[CH2-CHCI]„_, o Polietileno -[CH^-CHJ^..
Apéndice A
Polietileno
Éste es el polímero q u e hace las bolsas d e a l m a c é n , los frascos de c h a m p ú , los j u g u e t e s de
los niños y chalecos a p r u e b a de balas. Es un material m u y versátil y tiene u n a estructura
m u y simple.
— ( ^ _ C — c — C — С
H
H
H
H
H
t
i
i
1
I
I
1
H
1
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H
H
H
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1
1
- c c - - c - - c - - c - i ~c-
-MMW
H
C u a n d o a l g u n o s de los c a r b o n o s (en lugar de t e n e r h i d r ó g e n o s unidos a ellos) tienen
asociadas largas c a d e n a s de polietileno. Esto se llama polietileno ramificado, o d e baja
densidad, o L D P E (low density polyethylene). C u a n d o no hay ramificación, se llama polietileno
lineal, o H D P E (high density polyethylene). El polietileno lineal es m á s fuerte q u e el polietileno
ramificado. El polietileno se recalienta a a p r o x i m a d a m e n t e 1 0 0 ° C , lo q u e significa q u e los
platos de polietileno se defonmarían e n el l a v a p l a t o s .
Polipropileno
El polipropileno c u m p l e u n a d o b l e tarea, c o m o plástico y c o m o fibra. C o m o plástico s e utiliza para hacer cosas c o m o e n v a s e s para alimentos c a p a c e s d e ser lavados en un lavaplatos.
Esto es posible p o r q u e no funde por d e b a j o d e 160°C. C o m o fibra, el polipropileno se utiliza
para hacer a l f o m b r a s de interior y exterior (a diferencia del n y l o n , no a b s o r b e el a g u a ) .
Estructuraímente u n o de los c a r b o n o s d e la u n i d a d m o n o m é r i c a tiene u n i d o u n g r u p o metilo.
H
H
H
H
- ^ ¿ _ c - 4 -
' ' c ^ c
/
H
\
1
СНз
Propileno
H
1 "
СНз
Ро1ч)горйепо
El polipropileno q u e utilizamos, es e n su m a y o r parte isotáctico. Esto significa q u e t o d o s
los grupos metilos d e la c a d e n a están del m i s m o lado. Este polímero es un b u e n e l a s t ò m e r o .
Esto es p o r q u e los b l o q u e s isotácficos f o r m a n cristales. Pero d a d o q u e los b l o q u e s isotácticos están unidos a los bloques atácticos, c a d a p e q u e ñ o a g r u p a m i e n t o d e polipropileno
c r i s t a l i n o i s o t á c t i c o q u e d a r í a f u e r t e m e n t e e n l a z a d o por h e b r a s d e l d ú c t i l y g o m o s o
polipropileno atáctico.
Poliestireno
La cubierta exterior esta h e c h a d e poliesfireno, así c o m o las m a q u e t a s de a u t o s y a v i o n e s .
El poliestireno t a m b i é n se presenta e n f o r m a d e e s p u m a para envoltorio. Las tazas h e c h a s
de plástico t r a n s p a r e n t e están h e c h a s de poliestireno. T a m b i é n u n a g r a n c a n t i d a d d e partes
del interior de un auto. Es u s a d o en j u g u e t e s y e n s e c a d o r e s de cabello y c o m p u t a d o r a s . Es
una c a d e n a h i d r o c a r b o n a d a , con un g r u p o fonilo unido c a d a d o s á t o m o s de c a r b o n o .
H
H
Poliestireno
Estíreno
PVC
El poli c l o r u r o d e vinilo es el plástico q u e se c o n o c e c o m o P V C . La m a y o r í a de las
instalaciones de plomería d e las c a s a s es de P V C . El PVC es útil porque resiste: fuego y
a g u a . Debido a su resistencia al a g u a , se lo utiliza para hacer impermeables para la lluvia y
cortinas para b a ñ o . También tiene resistencia a la llama {porque contiene cloro). C u a n d o se
q u e m a el P V C , los á t o m o s de cloro son liberados, inhibiendo la c o m b u s t i ó n .
H
H
H
H
C=C
/
H
Oí
H
Cl
Cloruro de Vinilo
Policloruro de vinile (PVC)
Nylon
Los n y l o n s s o n usados c o m o fibras. Se utiliza para fabricación de ropa. En la Segunda
G u e r r a M u n d i a l el nylon fue n e c e s a r i o para hacer material de guerra, c o m o cuerdas y
p a r a c a í d a s . Los nylons t a m b i é n se llaman poliamidas, debido a los característicos grupos
a m i d a e n la c a d e n a principal. Estos g r u p o s a m i d a son m u y polares y pueden unirse entre sí
m e d i a n t e enlaces por puente de hidrógeno.
O
hC
-1:'- - C H r - C H r - C H 2 - C H 2 - C - - N H " - C H ^ C H r - C H T - C H r C H v - C H 2 ~ N H - i 11
I
!
Seis átomos de carbono
i
J
Seis átomos de carbono
El nylon se llama nylon 6.6, p o r q u e cada unidad repetitiva de la c a d e n a polimèrica, tiene
d o s e x t e n s i o n e s de á t o m o s de c a r b o n o , c a d a una con una longitud de seis átomos de
c a r b o n o . Otros tipos de nylon p u e d e n tener diversos n ú m e r o s de átomos de carbono en
estas e x t e n s i o n e s . Los nylons se p u e d e n sintetizar a partir de las diaminas y los cloruros de
diácido (en el laboratorio). El nylon 6.6 se hace con los m o n ó m e r o s cloruro del adipoilo y
hexametilén diamina.
Ci
Cloruro de adipoilo
Nylon 6 , 6
Hexametilén díamina
Pero en una planta industrial de n y l o n , se lo fabrica g e n e r a l m e n t e h a c i e n d o r e a c c i o n a r
el ácido a d í p i c o con la hexametilén d i a m i n a .
O
II
H O ,
^
^
NH2
^ c .
^
+
^
II
o Acido adipico
hexametilén diamtna
Nylon 6,6 H
Nomex y Keviar
Las a r a m i d a s pertenecen a u n a familia d e nylons, i n c l u y e n d o el N o m e x y el K e v i a r El
Keviar se utiliza para hacer chalecos a p r u e b a d e balas y neumáticos de bicicleta resistentes
a las pinchaduras. Las m e z c l a s de Keviar y d e N o m e x se utilizan para hacer ropas a n t i ­
llama {ropa d e los b o m b e r o s ) . El Keviar e s u n a p o l i a m i d a , e n la cual t o d o s los g r u p o s a m i d a
están s e p a r a d o s por g r u p o s para-fenileno, e s decir, los g r u p o s a m i d a se u n e n al anillo fenilo
en posiciones o p u e s t a s entre sí.
Keviar
El N o m e x , por otra parte, p o s e e g r u p o s m e t a - f e n i l e n o :
^\
Nomex
H
Poliacrilonltrllo
El poliacrilonitrilo es de la familia d e los acrilatos poliméricos. S e h a c e a partir del m o n ó m e r o
acrilonitrilo, por m e d i o d e una p o l i m e r i z a c i ó n vinilica por radicales libres.
H
H
C=^C
H
C=N
H
l
-C
!
H
H
Poliacrilonitrifo
Acrilonitrilo
El poliacrilonitrilo se utiliza para hacer la fibra de c a r b o n o . Pero los c o p o l i m e r o s q u e
contienen principalmente poliacrilonitrilo, se utilizan c o m o fibras para hacer tejidos, c o m o
m e d i a s , s u é t e r e s y c a r p a s . La palabra "acrilico", d e n o t a q u e la prenda está h e c h a c o n a l g ú n
c o p o l í m e r o de poliacrilonitrilo. G e n e r a l m e n t e son c o p o l i m e r o s de acrilonitrilo y metil acrilato,
o acrilonitrilo y metil metacrilato.
El poli(estireno-co-acrilonitrilo) ( S A N ) y el polKacrilonitrilo-co-butadieno-co-esílreno)
( A B S ) , s e utilizan c o m o plásticos.
E l S A N (estireno y acrilonitrilo polímero lineal) es un simple copolímero al azar de estíreno
y acrilonitrilo. Pero el A B S esta hecho por medio de la polimerización de estireno y acrilonitrilo
e n presencia de polibutadieno. El polibutadieno tiene enlaces dobles carbono-carbono en
su e s t r u c t u r a , los que p u e d e n t a m b i é n polimerlzar. Así q u e t e r m i n a m o s c o n una cadena de
polibutadieno, c o n t e n i e n d o c a d e n a s de S A N injertados en el, tal c o m o usted ve abajo.
• | - С Н 2 - С Щ п - + С Н г - С Н 4 щ
C=N
SAN
El A B S e s m u y fuerte y liviano. Es lo suficientemente fuerte c o m o para ser utilizado en la
fabricación d e piezas para a u t o m ó v i l e s . El e m p l e o de plásticos c o m o A B S hace más livianos
a los a u t o s , así q u e utilizan m e n o s c o m b u s t i b l e y por lo tanto c o n t a m i n a n m e n o s . El A B S es
un plástico m á s fuerte q u e el poliestireno d a d o a los g r u p o s nitrilo en sus unidades de
acrilonitrilo. Los g r u p o s nitrilo s o n m u y polares, así q u e s e atraen m u t u a m e n t e . Esto permite
q u e las c a r g a s o p u e s t a s d e los grupos nitrilo p u e d a n estabilizarse. Esta fuerte atracción
sostiene f i r m e m e n t e las c a d e n a s de A B S , h a c i e n d o el material m á s fuerte. También el
p o l i b u t a d i e n o , c o n su a p a r i e n c i a de c a u c h o , hace al A B S m á s resistente q u e el poliestireno.
Poliuretanos
Los p o l i u r e t a n o s s o n los p o l í m e r o s m e j o r c o n o c i d o s para h a c e r e s p u m a s . P u e d e n ser
e l a s t ó m e r o s , p u e d e n ser pinturas, p u e d e n ser fibras y p u e d e n ser a d h e s i v o s . Por supuesto,
los poliuretanos se llaman así p o r q u e e n su c a d e n a principal contienen e n l a c e s uretano.
O
%
"
^
"
o
-
^
^
Uretano
1
H
La figura muestra un poliuretano simple, pero un poliuretano puede ser cualquier polímero
q u e c o n t e n g a u n e n l a c e u r e t a n o e n su c a d e n a principal.
L o s poliuretanos se sintetizan h a c i e n d o reaccionar diisocianatos c o n dialcoholes.
0 = C ^ N —
CHj
— N = C = 0
+
Díisocianato
H
—
HO—CHZ—CHJ—OH
Díaicohol
' — '
H
А v e c e s , el dialcohol se sustituye por u n a d i a m i n a y el polímero q u e o b t e n e m o s es u n a
poliurea, p o r q u e contiene m á s bien un e n l a c e urea, en lugar d e un enlace u r e t a n o . Pero
g e n e r a l m e n t e se les llama poliuretanos.
0=C=N-((^)-CHi-^:;^^N=C=0
+
H2N-CH2-CHÍ-NH2
Diisocianatos
¿
^—^
Diamina
^—^
H
H
H
Poli metil metacrilato
El poli (metil metacrilato) l l a m a d o P M M A , u s a d o c o m o material irrompible e n r e e m p l a z o del
cristal (es u n plástico claro). S e hace v e n t a n a s c o n P M M A y se les llama Plexiglás o Lucite.
S e utiliza para hacer las superficies d e las b a ñ e r a s , piletas de c o c i n a y las tinas d e b a ñ o y
d u c h a s de u n a sola pieza. La ventaja c o n r e s p e c t o al vidrio es q u e es m á s t r a n s p a r e n t e , las
ventanas d e P M M A se pueden hacerse gruesas y siguen siendo perfectamente transparentes.
Esto hace del P M M A un b u e n material para fabricar g r a n d e s acuarios, c u y a s v e n t a n a s
d e b e n c o n t e n e r la alta presión de litros d e a g u a . L a s pinturas d e "látex" acrílico c o n t i e n e n a
m e n u d o u n a s u s p e n s i ó n de P M M A e n a g u a . C u a n d o se disuelve u n p o c o de P M M A e n el
aceite lubricante o fluido, éstos no se v u e l v e n v i s c o s o s con el frío y el motor d e u n carro
puede funcionar hasta a -100°C.
El P M M A es f o r m a d o por polimerización vinilica de radicales libres a partir del m o n ó m e r o
metil metacrilato.
H
СНз
CHj
^
H
Ч-СНг—C-4=-
c^o
c ^ o Po'*"^**' metacrilato
СНз
СНз
metil metacrilato
o t r o polímero u s a d o c o m o sustituto irrompible d e l vidrio es el policarbonato. Pero el
P M M A es m á s barato.
Policarbonato
El policarbonato, o e s p e c í f i c a m e n t e p o l i c a r b o n a t o de bisfenol A , es u n plástico claro u s a d o
para hacer v e n t a n a s inastillables, lentes livianas p a r a anteojos y otros (el d i f e n o l - p r o p a n o
es mejor c o n o c i d o c o m o Bisfenol A ) .
СНэ
Grupo carbonato
El policarbonato t o m a su n o m b r e de los g r u p o s c a r b o n a t o e n su c a d e n a principal. Lo
l l a m a m o s policarbonato d e bisfenol A , p o r q u e se e l a b o r a a partir d e bisfenol A y f o s g e n o
( C O C I 3 ) .
Esto c o m i e n z a con la reacción del bisfenol A con hidróxido d e s o d i o para dar la sal
2892970
s ó d i c a del bisfenol A. El policarbonato q u e se utiliza para hacer lentes ultra-livianas. No sólo
es m u c h o m á s liviano q u e el cristal, sino q u e tiene un índice de refracción mucho m á s alto.
Eso significa q u e la luz se refracta m á s q u e e n el cristal, así q u e mis cristales ya no necesitan
ser tan g r u e s o s .
Resinas epoxi
El p r i m e r c o m p o n e n t e d e l e p o x i es u n polímero de bajo peso molecular con grupos epoxi en
c a d a e x t r e m o . L a s resinas e p o x i han producido excelentes p e g a m e n t o s , siendo éstos unos
d e los p o c o s q u e se p u e d e n utilizar e n los m e t a l e s . Pero t a m b i é n se los utiliza c o m o
r e c u b r i m i e n t o s protectores, c o m o materiales e n objetos tales c o m o tableros electrónicos y
p a r a e m p a r c h a r agujeros e n p a v i m e n t o s de c e m e n t o . Los epóxidos también se utilizan para
hacer c o m p ó s i t o s .
P
/
\
^
\
^
Molécula con dos grupos epoxi en sus extremos
C u a n d o s e m e z c l a n a m b a s partes, el diepoxi y la d i a m i n a , éstos hacen algo divertido.
R e a c c i o n a n y se u n e n entre sí, d e m a n e r a tal q u e se enlazan t o d a s las moléculas del
d i e p o x i y d e la d i a m i n a :
R
Diamlna
S e f o r m a u n a red e n t r e c r u z a d a :
OH
OH
\-™¿H-~CHv,.. . C H ; - ¿ H - - ^
t
á
OH
OH
/-^i~cn¿^^-^c»^<¡ii^'\^^
I
R
i
l
Es decir q u e todas las moléculas de diamina y de epoxi se han convertido en un polímero,
el resultado es una sustancia rígida q u e p u e d e ser muy resistente, pero no procesable. No
p u e d e s e r m o l d e a d a , ni siquiera fundida. Esta es la razón por ta cual tas dos sustancias no
vienen mezcladas.
Poliimidas
Las poliimidas es grupo d e polímeros fuertes y resistentes al calor y a los a g e n t e s q u í m i c o s .
S e utilizan para los defensas y el chasis d e los autos. También son u s a d a s e n la construcción
de vajilla para hornos d e m i c r o o n d a s {transparencia a la radiación de m i c r o o n d a s ) y para
envoltorio d e a l i m e n t o s .
U n a poliimida es un p o l í m e r o q u e contiene un g r u p o imJda:
O
O
R._¿_iir_|l_R"
Grupo imida
!
R
C u a n d o una poliimida aromática se incendia, lo cual es difícil de suceder, se f o r m a u n a
capa carbonosa q u e sofoca la llama, b l o q u e á n d o l e el c o m b u s t i b l e para q u e m a r s e . L u e g o
esta c a p a se r e m u e v e y t o d o q u e d a c o m o si n u n c a se hubiera p r o d u c i d o u n incendio.
PoMcloropreno
El policloropreno se v e n d e bajo el n o m b r e c o m e r c i a l N e o p r e n e . Es resistente al aceite. Fue
el primer e l a s t ò m e r o sintético q u e tuvo éxito a nivel c o m e r c i a l . El c l o r o p r e n o tiene d o s e n laces dobles (dieno). El polycloropreno tiene características similares a las de otros polímeros
c o m o el poliisopreno y el polibutadieno.
El policloropreno se o b t i e n e a partir del m o n ó m e r o cloropreno, de la siguiente m a n e r a :
;c=c
H
H
c==c
C
=C
/
Cl /
Cl
^
\
\H
V^Ax
„/
Policloropreno
Cl
H
ClorcH»'eno
Para m a y o r información v e r
http:/A//ww.psrc.usm.edu/spanish/np.htm
NOMBRE
PET
Polietilén
Tereftalato
PEAD
(HDPE)
Polietileno de
alta densidad
PVC
Policíoruro de
Vinilo
&
PEBD (LOPE)
Polietileno de
baja densidad
PP
Polipropileno
PS
Poliestireno
DATOS
USOS
Se p r o d u c e a p a r t i r del A c i d o
tereftálico y Etílenglicol, por p o l i c o n d e n s a c i ó n ; existiendo dos
tipos: grado textil y grado botella se
debe postcondensar, existiendo
diversos colores para estos usos.
Se caracteriza por sus propiedades de
resistencia mecánica, transparencia y
barrera a gases. Presenta mayor
barrera al oxigeno y al bióxido de
carbono que la mayoría de los oros
plásticos.
Envases para bebidas con gas, aceites
vegetales comestibles, aguas, licores,
películas transparentes, cintas de video,
películas radiográficas, fibras láminas,
piezas de ingeniería, etcétera
El polietileno de alta densidad es un
termoplàstico fabricado a partir det
etileno. La importancia de los polietilenos de alta densidad es debida a su
atto consumo y a su gran diversidad de
aplicaciones.
Adecuado en la fabricación de películas
y/o 0 bolsas tipo camiseta, envases para
alimentos, empaques que estén en con­
tacto con alimentos, envases de pared
delgada, fabricación de cajas de refresco,
cubetas de uso industrial, vajillas,
juguetes, etcétera.
Se produce a partir de dos mate-rias
p r i m a s n a t u r a l e s , gas 43% y sat
c o m ú n 57%. El PVC es un polímero
termoplàstico, que por si sólo es el más
inestable de todos, pero con aditivos
es el más versátil, debido a que puede
ser transformado por 12 procesos en
una infinidad de productos útiles.
Conectores y recubrimientos de cable;
Garrafones cisternas, tuberías y tinacos
de agua; Equipo industrial y médico;
Piscinas prefabricadas; Perfiles para
ventana; Tarjetas de crédito; Creden­
ciales; películas para envolver carne,
alfombras, etcétera
El polietileno pertenece al grupo de
polímeros denominados Poliolefinas.
Estas provienen de tiidrocarburos
simples, compuestos por átomos de
carbono e hidrógeno. El polietileno de
baja densidad.
El mayor uso de polietileno de baja
densidad es en el sector de Envase y
Empaque, destacando su utilización en
bolsas, laminaciones, películas encogible
y estirable, tapas para botellas, aislante
para cables, tubería, etcétera.
El PP es un plástico que se obtiene
por polimerizacjón del propíleno. El
PP es un plástico con elevado Punto
de f u s i ó n , e x c e l e n t e r e s i s t e n c i a
química y de más baja densidad. Es
un tiomopolimero translúcido. Se
desarrollaron el Polipropileno Random
Clarificado que combina las propieda­
des del Polipropileno Homopolimero
con una excelente transparencia.
Película laminada para empacadoras,
{Película Cast. Película biorientada)
material para empacar prendas de vestir
como camisas y medias, se utiliza para
jeringas e instrumentos de laboratorio,
rafia, etcétera.
Material termoplastico, se distingue por
su elevada transparencia y brillo.
Ocupan el quinto lugar de consumo
después del Polietileno, Polipropileno,
Polietilén Tereftalato y Policíoruro de
Vinilo,
Estuches para cosméticos; Envases y
cubiertos desechables; Envases de pared
delgada; Vasos; Empaques de pasteles y
dulces: Carcasas de electrodomésticos;
Empaque de verdura y fruta fresca;
Decorado de plumas y estuches.
Apéndice B
F u e r z a s i n t e r m o l e c u l a r e s . L a s interacciones entre m o l é c u l a s neutras s o n casi s i e m p r e
resultado d e las fuerzas d e v a n d e r W a a l s , las atracciones electrostáticas dipolo-dipolo y los
puentes d e h i d r ó g e n o . E n el c a s o d e los hidrocarburos, s o l o las interacciones d e v a n d e r
Waals s o n importantes. E n los líquidos las fuerzas d e a t r a c c i ó n d e t e r m i n a n el punto d e
ebullición. E n general las s u b s t a n c i a s polares presentan m a y o r p u n t o d e ebullición q u e las
moléculas no polares c o n m a s a s m o l e c u l a r e s s e m e j a n t e s .
-ArMasa m o l e c u l a r . El a u m e n t o d e la m a s a m o l e c u l a r involucra u n a u m e n t o e n el punto
de ebullición.
P u n t o e b u l l i c i ó n , °C
P u n t o f u s i ó n , °C
M e t a n o {1 c a r b o n o )
-161.7
-182.5
E t a n o (2 c a r b o n o s )
-88.6
-183.3
H e x a n o (6 c a r b o n o s )
68.7
-95.3
0.66
D e c a n o (10 c a r b o n o s )
174.0
-29.7
0.73
Nombre
D e n s i d a d g / m l , 20°C
L o n g i t u d d e l a s m o l é c u l a s ; C o n el a u m e n t o d e l t a m a ñ o d e las m o l é c u l a s a u m e n t a n las
f u e r z a s d e a t r a c c i ó n . L a s f u e r z a s d e a t r a c c i ó n de v a n d e r W a a l s d e p e n d e n d e l á r e a
a p r o x i m a d a de contacto entre las m o l é c u l a s , c u a n t o m á s g r a n d e e s el área, m a y o r s e r á n
las fuerzas de atracción.
• E N L A C E S PUENTE DE HIDRÓGENO
Los enlaces puente d e h i d r ó g e n o s o n interacciones polares, c o n u n a intensidad c e r c a n a al
5 - 1 0 % del enlace c o v a l e n t e . Este tipo d e e n l a c e s s o n los c a u s a n t e s de q u e el a g u a sea u n
líquido a t e m p e r a t u r a a m b i e n t e e n lugar d e u n g a s Se estableció que en muchas
moléculas d o n d e existe u n h i d r ó g e n o unido a u n e l e m e n t o f u e r t e m e n t e electronegativo s e
establece u n a unión entre el H de u n a m o l é c u l a y el e l e m e n t o n e g a t i v o de la otra. Este tipo
de enlace p u e d e e s t a r p r e s e n t e e n m o l é c u l a s q u e t e n g a n F, O, N, C l u n i d o s a u n H el cual
servirá d e p u e n t e . La existencia del p u e n t e d e h i d r ó g e n o lleva al a u m e n t o del punto de
ebullición, un e j e m p l o m á s c o m ú n e s el del a g u a q u e d e b i e n d o tener u n a t e m p e r a t u r a d e
ebullición inferior a - 1 0 0 °C lo tiene a + 1 0 0 °C e n c o n d i c i o n e s n o r m a l e s d e presión o sea
una atmósfera. El e n l a c e por p u e n t e d e h i d r ó g e n o a u m e n t a el c a l o r d e v a p o r i z a c i ó n de
las sustancias q u e t i e n e n este e n l a c e p o r q u e hay q u e v e n c e r las f u e r z a s intermoleculares y
posteriormente aportar la e n e r g í a para la libre rotación d e las m o l é c u l a s g a s e o s a s . El e n lace por puente de h i d r ó g e n o controla la orientación de las m o l é c u l a s e n el hielo lo q u e da
lugar a u n a estructura m u y abierta d e tipo cristalino y e s t o h a c e q u e el hielo flote.
En el caso del N H , , H^O y el H F , s e e s p e r a r í a q u e t u v i e r a n el m i s m o punto de ebullición
debido a q u e sus m a s a s m o l e c u l a r e s s o n m u y s e m e j a n t e s . B a s á n d o s e e n las diferencias
de e l e c t r o n e g a t i v i d a d entre el e n l a c e del hidrógeno y el N, O y F, s e tendría q u e F > 0 > N ,
entonces el punto d e ebullición del H F seria el mayor. Sin e m b a r g o , el a g u a tiene un punto
de ebullición m u c h o m a y o r de lo e s p e r a d o , esto se d e b e a q u e el a g u a t i e n e la c a p a c i d a d
d e f o r m a r 4 p u e n t e s d e h i d r ó g e n o , mientras q u e el H F s o l o p u e d e f o r m a r un p u e n t e d e
hidrógeno por molécula.
• M O L É C U L A S P O L A R E S , N O P O L A R E S Y E L M O M E N T O DIPOLAR
• M o m e n t o dipolo. El m o m e n t o dipolo (ц) e s el producto d e la c a r g a Q y la distancia r
entre las cargas (es u n a m e d i d a cuantitativa d e la polaridad):
\i=Q X r
Se e x p r e s a e n u n i d a d e s d e b y e (D), el factor de c o n v e r s i ó n e s 1D= 3.33x1 Og^ С m.
Donde С es coulomb y m es metro.
M o l é c u l a p o l a r . P o s e e un m o m e n t o dipolo.
M o l é c u l a n o p o l a r . No posee u n m o m e n t o dipolo
• L a s m o l é c u l a s p u e d e n tener e n l a c e s intramoleculares (enlaces fuertes covalentes) e
interacciones intermoleculares entre moléculas (atracciones débiles). Existen moléculas
polares y no polares. La polaridad de una molécula esta definida por 2 factores: 1) la polaridad
d e los enlaces e n la m o l é c u l a (esta relacionado c o n la electronegatividad) y 2) la geometría
de la m o l é c u l a (el m o m e n t o dipolar de las moléculas f o r m a d a s por tres o más elementos
resta d e t e r m i n a d a por su polaridad y su g e o m e t r í a ) . Un e n l a c e d i p o l o es una fuerza que
t i e n e d i r e c c i ó n y m a g n i t u d ( c o m o u n v e c t o r ) . La m a g n i t u d está r e l a c i o n a d a c o n la
e l e c t r o n e g a t i v i d a d entre los e l e m e n t o s d e la m o l é c u l a , mientras q u e la dirección esta
relacionada c o n la orientación de los e l e m e n t o s d e la molécula. La polaridad de un enlace
se caracteriza por la separación de cargas eléctricas.
• L a s m o l é c u l a s diatómicas q u e contienen á t o m o s diferentes (por ejemplo: HCI, HF, C O ,
y N O ) t i e n e n un m o m e n t o dipolo y se dice q u e son moléculas polares. Las moléculas
d i a t ó m i c a s q u e contienen á t o m o s del m i s m o e l e m e n t o (por ejemplo: H^, O^ y F^) se les
c o n s i d e r a m o l é c u l a s n o p o l a r e s y no presentan m o m e n t o dipolo. Por ejemplo, p o d e m o s
representar el HCI indicando las c a r g a s parciales 5* y 5", e n los á t o m o s (en este caso el
m o m e n t o dipolar esta relacionado con la polaridad de los enlaces e n ta molécula, el Cl
q u e d a c a r g a d o n e g a t i v a m e n t e d e b i d o a q u e es m á s electronegativo).
H5*—CI5-
• E n el caso de la molécula de dióxido de carbón, CO^, existe una ausencia de un momento
dipolar d e b i d o a su geometria molecular. C a d a enlace carbono-oxigeno existe una polaridad,
si se representa el m o m e n t o dipolar mediante una fiecha. Cada enlace dipolo, es una cantidad
vectorial; es decir, tiene m a g n i t u d y dirección. C o m o los dos enlaces dipolo son de igual
m a g n i t u d p e r o direcciones contrarias se c a n c e l a n entre sí, por lo q u e debido a esto resulta
un m o m e n t o dipolar neto igual a cero para (a molécula.
-> <-
o=c*=o
O^C=0
En c o m p a r a c i ó n la m o l é c u l a de a g u a , los enlaces dipolo apuntan a la dirección de los
á t o m o s del hidrógeno hacia el o x í g e n o m á s electronegativo. En este caso, los dos enlaces
no a p u n t a n hacia o en contra uno del otro. Por lo tanto, estos se s u m a n para dar un m o m e n t o
dipolar neto q u e no es cero para la molécula ( m o m e n t o dipolar = 1.94 D). Si la molécula del
agua fuera lineal el m o m e n t o dipolar sería cero. El caso del amoniaco, N H3, es muy semejante
al c a s o del a g u a .
Metano
La estructura del m e t a n o tiene una geometría tetraèdrica y sus ángulos de enlace son
de 109.5°. Sus cuatro enlaces dipolo son d e igual magnitud y apuntan a la dirección hacia el
e l e m e n t o m á s electronegativo, por lo q u e se cancelan entre si.
• E l e c t r o n e g a t i v i d a d . fuerza o c a p a c i d a d d e atracción de los e l e c t r o n e s por un á t o m o .
M a y o r electronegatividad es igual a m a y o r atracción d e e l e c t r o n e s .
•Molécula
Geometría
M o m e n t o dipolo (D)
HF
Lineal
1.92
HCI
Lineal
1.08
FBr
Lineal
0.78
HI
Lineal
0.38
H,0
Angular
1.87
H,S
Angular
1.10
NH3
Piramidal
1.46
Angular
1.60
Tetraèdrica
0.1
C H C I 3
Tetraèdrica
0.0
CCI,
Lineal
0.12
CO
Lineal
0.0
e s .
Lineal
0.0
NF3
Piramidal
0.24
S O 4
H3,CI,.Br,,N,,l,,CH,H3,C,H,,CBr,.
0.0
En la tabla aterior c u a n t o m a y o r es el m o m e n t o dipolar (D) , m a y o r es la polaridad d e las
m o l é c u l a s , por lo q u e la m o l é c u l a m á s potar en la tabla es el HF.
INTERACCIONES MOLECULARES
D i p o l o p e r m a n e n t e - d i p o l o p e r m a n e n t e . C u a n d o 2 ó m á s moléculas con dipolo
p e r m a n e n t e { m o l é c u l a s p o l a r e s , con m o m e n t o dipelar m a y o r a cero) se a c e r c a n , é s t a s se
alinean o r i e n t a n d o s u s e x t r e m o s positivos h a c i a el e x t r e m o n e g a t i v o d e las m o l é c u l a s
a d y a c e n t e s , existe u n a atracción electrostática e n t r e dipolos.
D i p o l o p e r m a n e n t e - d i p o l o i n d u c i d o . C u a n d o u n a m o l é c u l a polar se a c e r c a a u n a
molécula no polar, la m o l é c u l a polar p u e d e inducir un dipolo e n la m o l é c u l a n o polar. La
atracción electrostática es m e n o r q u e e n la anterior.
D i p o l o i n d u c i d o - d i p o l o i n d u c i d o . C u a n d o e n m o l é c u l a s con m o m e n t o dipelar igual a
c e r o p,=0 { e j e m p l o el CH^). O c u r r e d e p r o n t o u n a p o l a r i z a c i ó n i n s t a n t á n e a , d e b i d o a
oscilaciones d e ta n u b e electrónica alrededor de los núcleos a t ó m i c o s , la n u b e elec t r ónic a
se distribuye m á s d e un lado de la m o l é c u l a q u e d e otro. El d i p o l o i n s t a n t á n e o i n d u c e la
polarización de las m o l é c u l a s a d y a c e n t e s p r o d u c i e n d o tas f u e r z a s de d i s p e r s i ó n d e L o n d o n
{fuerzas de atracción débiles entre moléculas, que resultan de p e q u e ñ o s dipolos
instantáneos). El c o n j u n t o d e f o r m a s d e atracción e n t r e m o l é c u l a s a d y a c e n t e s se llama
fuerzas de Van der W a a l s { a s o c i a d a s c o n e n e r g í a s e n t r e 0.4 y 4 0 kJ/mol). Su a c c i ó n sólo
resulta i m p o r t a n t e para e x p l i c a r i n t e r a c c i o n e s e n t r e m o l é c u l a s y á t o m o s c o n o r b i t a l e s
saturados, d o n d e no es p r o b a b l e la u n i ó n covalente adicional).
Elemento
Símbolo
Número
atómico
Peso
atómico
Actinio
Ac
89
227.0
Lutecio
Aluminio
Al
13
26.98
Magnesio
Americio
Am
95
Argón
Ar
18
Arsénico
As
33
Astato
At
Elemento
(243)
Br
Cadmio
|
Cd
Calcio
j
Ca
Californio
¡
Cf
Carbono
1
C
Cerio
Cesio
i
]
Ce
Cs
55.94
144.2
Molibdeno
Neodimio
|
|
Mo
Nd
42
60
97
t
i
83
i
209.0
i
5
i
1
1
¡
4
B
1
54.94
74.92
(210)
137".3"^
Boro
I
85
32.06
Bromo
25
101
16
Bi
Mn
1 24.30'
Md
56
Bismuto
¡
1
12
|
S
Bk
Manganeso
9.Ò12
(247)
Neón
Ne
Neptuno
Np
Níquel
Ñi
Nb
N
41
|
No
Au
102
10.80
1
Nobelio
¡
Oro
48
20
!
112.4
1
Osmio
40.08
1
Oxígeno
(251)
j
Paladio
¡
Pd
12.01 Ì
Plata
i
Ag
140.1"^
132.9 ~|
Platino
Plomo
i
]
Pt
Pb
58
55
Cloro
Cl
17
Cobalto
Co
27
Cobre
Cu
29
58.93
63.55
35.45
!
i
Os
0
175.0
1 (258)
7
1
20.18
237.0
58.69
1
|
i 79.90
98
6
10
93
Niobio
Nitrógeno
35
Peso
atómico
71
Mendelevio
Ba
Be
Mg
i
Bario
Berilio
Lu
!
Número
atómico
39.95
Azufre
Berícelio
Simbolo
7
79
76
8
46
1 92.91
1 14.00
1 (259)
1 197,0
j 190.2
i 16.00
1 106.4
78
~Y 1Ó7.9
"Pigs.!
82
j 207.2
47'
"""94j—^244)"""'
Plutonio
1
Pu
Polonio
Potasio
i
{
Po
K
84
19
i¡
59
1 140.9
61
91
i 231.0
(145)
88
1 226.0
Cromo
Cr
24
52.00
i Praseodimio
{
Pr
Curio
Cm
96
(247)
j
|
Pm
Disprosio
Dy
66
162.5
i Protoactinio
|
Ra
Einstenio
Es
99
Erbio
Er
68
(252)
167.3
i
i
j
\
Ra
Rn
Escandio
Se
21
44.96
1
Renio
|
Re
86
75
Estaño
Sn
50
Estroncio
Sr
38
118.7
87.62
1
Rodio
Rubidio
]
!
Rh
Rb
45
37
Prometió
Radio
Radón
(209)
39.10
i
]
1 186.2
(222)
i
102.9
( 85.47
Europio
Eu
63
152.0
Rutenio
1
Ru
44
Fermio
Fm
100
(257)
i
Samarlo
[
Sm
62
1
Flúor
F
9
Fósforo
P
15
34
14
I 78.96
! 28.09
11
i
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íoi.l
150.4
19.00
1
Selenio
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30.97
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Silicio
1
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1
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Sodio
Talio
l
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Na
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!
Ta
81
73
1 204.4
! 180.9
Francio
Fr
87
Gadolinio
Gd
64
(223)
157.2
Galio
Ga
31
69.72
Tántalo
Germanio
Ge
32
72.59
Tecnecio
j
Te
43
1
(98)
Hafnio
Hf
72
178.5
Telurio
j
Te
52
r
127.6
Helio
He
H
2
4.003
Terbio
\
Tb
Hidrógeno
1
1.008
65
22
Hierro
Fe
26
55.85
Titanio
Torio
1
[
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90"
232.Ó
Holmio
Ho
67
164.9
Tulio
1
Tm
69
! 168.9
23.00
158.9
47.88
Indio
In
49
114.8
Tungsteno
W
74
! 183,9
Iridio
Ir
77
192.2
Uranio
U
92
! 238.0
Iterbio
Yt
30
173.0
1
Vanadio
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39
1
j
Xenón
Yodo
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23
54
1 50.94
! 131.3
36
88.91
83.80
I
53
I
30
40
1 65.38
91.22
Itrio
¡
Kriptón
]
Kr
Lantano
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Laurencio
|
Lr
j
57
103
Litio
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3
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|
138.9
(260)
6.941
1
!
Zinc
Zirconio
Zn
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126.9
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V a n V l a c k , Materiales
Para Ingeniería,
W i l l i a m F. S m i t h , Fundamentos
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