SUSTANCIAS PURAS

Una sustancia pura es aquella que tiene unas propiedades específicas que la caracterizan y que sirven para diferenciarla de otras sustancias. Las sustancias puras pueden ser elementos o compuestos.

Sustancias Puras:tipo de materia que esta formada por àtomos o moleculas todas iguales. a su vez estas se clasifican en sustancias puras simple y compuestos quimicos. para definir estos dos tipos se sustancias puras hay dos formas.

Sustancias Puras Simples: estan formadas por atomos todos iguales o moleculas con atomos iguales. Ojo hay elementos como el oxigeno que si lo miramos por un microscopio esta formado todo por atomos de oxigeno iguales, pero agrupados de dos en dos, es decir agrupado en moleculas de o2, pero como los atomos que forman estas moleculas son iguales (oxigeno-oxigeno) se considera sustancia pura simple.  

Compuestos Químicos:  Formados por moleculas todas iguales. en este casolos atomos que forman las moleculas tienen que ser diferentes. Por ejemplo el agua, cuya formula es H2O moleculas todas iguales, y cada molecula estara formada por dos atomos de hidrogeno (H) y uno de oxigeno (O). Como el comportamiento quimico de estos dos tipos de sustancias puras  tambien es diferente podriamos definir los dos tipos de sustancias puras en funcion de su comportamiento quimico.

Sustancias puras simples o elementos: son aquella sustancias puras que no se pueden descomponer en otras mas simples. 
Compuestos Quimicos: son aquellas sustancias puras que pueden descomponerse en otras mas simples por metodos quimicos (mediante reacciones).
Por ejemplo: El agua pura se puede descomponer mediante una reaccion quimica en hidrogeno por un lado y oxigeno por otro; pero el hidrogeno o el oxigeno no pdriamos descomponer de ninguna forma en otra sustancia mas simple. Por eso el agua seria un compuesto quimico y el oxigeno y el hidrogeno son sustancias puras simples o elementos quimicos. 



Para acabar, aunque no es parte de este tema, vamos a definir el otro tipo de materia llamado mezcla.

Mezclas: tipo de materia que esta formada por mas de un componente diferente, es decir por atomos de diferente tipo, moleculas de diferentes tipos o mezclas de atomos y moleculas diferentes. las mezclas pueden ser homogeneas o heterogeneas.

SOLUCIONES SÓLIDA

Son muy pocos los metales que se utilizan de forma pura o casi pura, pues la mayoría de ellos se combinan con otros metales o no metales para conseguir materiales de mayor dureza, resistencia mecánica, resistencia a la
corrosión u otras propiedades. Estos materiales se conocen con el nombre de aleaciones. 

La aleacion metalica es una mezcla de dos metales o de algun metal y no metal

En toda aleación se debe cumplir:

— Los elementos a mezclar deben ser totalmente miscibles en estado líquido, para que al solidificar se origine un producto homogéneo.
—— El producto obtenido debe poseer carácter metálico; es decir, su estructura interna ha de ser igual que la de los metales.

Algunos ejemplos los tenemos en el latón ( tiene el 70% de cobre y 30% de cinc ) u otras más complejas como las aleaciones a base de níquel utilizadas en motores a reacción, en cuya composición existen unos diez elementos .

Al elemento que aporta la mayor proporción se le denomina disolvente y soluto al de menor proporción.

La aleación cristaliza según la misma red tridimensional del disolvente.

Si lo anterior no se cumple, o sea, la red que se adopta es la del elemento que aporta menos parte de la mezcla, es a éste al que se denomina disolvente

Las soluciones sólidas pueden ser de dos tipos

— De sustitución, cuando algunos átomos de la red cristalina del metal se encuentran sustituidos por átomos de otro metal diferente.
— De inserción, cuando en los espacios interatómicos de la red cristalina de un metal se introducen átomos extraño.

SOLUCIONES SÓLIDAS DE SUSTITUCIÓN

Las condiciones que se deben cumplir son:

• Ambos metales han de cristalizar en el mismo sistema.

• Debe tener la misma valencia y por tanto el número de electrones que ceden a la nube electrónica es el mismo.

• Electronegatividad: Debe  ser lo más parecida posibles.

• Los diámetros atómicos no deben diferir en más de un 15%.

Se puede dar el caso que aun cumpliéndose todas las condiciones anteriores, la solubilidad no sea total, o sea solo admita un determinado porcentaje. El cobre y el Níquel la forma de forma ilimitada pero no otros

ALEACIÓN POR SOLUCIÓN SÓLIDA DE INSERCIÓN

En este caso, los átomos de soluto se introducen en los intersticios existentes en la red cristalina del disolvente.

Se cumple cuando el tamaño de los átomos del soluto es muy pequeño comparado con el disolvente. Ejemplos son Carbono, Oxígeno, Nitrógeno o Hidrógeno.

Un ejemplo es la ferrita (BCC) conde tenemos el carbono en los huecos de la red del hierro.

DIAGRAMA DE FASES BINARIOS

Los diagramas de fases binarios tienen sólo dos componentes. En ellos la presión se mantiene constante, generalmente a 1 atm. Los parámetros variables son la temperatura y la composición. Los diagramas de fases binarios son mapas que representan las relaciones entre temperatura, composición y cantidad de fases en equilibrio, las cuales influyen en la microestructura de una aleación.

Muchas microestructuras se desarrollan a partir de transformaciones de fases, que son los cambios que ocurren entre las fases cuando se altera la temperatura (en general, en el enfriamiento). Esto puede implicar la transición de una fase a otra, o la aparición o desaparición de una fase.

Sistemas Isomorfos Binarios Los sistemas binarios se denominan isomorfos cuando existe solubilidad completa de los dos componentes en estado líquido y sólido. Para que ocurra solubilidad completa en estado sólido, ambos elementos aleantes deben tener la misma estructura cristalina, radios atómicos y electronegatividades casi iguales y valencias similares. Éste es el caso del sistema Cobre-Níquel.  Un campo alfa (α), un campo líquido (L) y un campo bifásico (α + L). Cada región está definida por la fase o fases existentes en el intervalo de temperaturas y composiciones acotadas por los límites de fases. El líquido L es una disolución líquida homogénea compuesta de cobre y níquel. La fase α es una disolución sólida sustitucional que consiste de átomos de Cu y Ni, de estructura cúbica de caras centrada. A temperaturas inferiores a 1080°C, el Cu y el Ni son mutuamente solubles en estado sólido para todas las composiciones, razón por la cual el sistema se denomina isomorfo. El calentamiento del cobre puro corresponde al desplazamiento vertical hacia arriba en el eje izquierdo de temperaturas. El cobre permanecerá solido hasta que alcance su temperatura de fusión (1085°C), en donde ocurrirá la transformación de sólido a líquido. La temperatura no se incrementará hasta tanto no termine la fusión completa de todo el sólido. En una composición diferente a la de los componentes puros, la fusión  ocurrirá en un intervalo de temperaturas entre liquidos y solidos. Ambas fases (sólido y líquido) estarán en equilibrio dentro de este intervalo de temperaturas.

 

 

 

NIVELES DE ORDENAMIENTO ATOMICO

NIVELES DE ORDENAMIENTO ATÓMICO

Orden de Corto y Largo Alcance Orden de corto alcance.- es el arreglo espacial de los átomos o moléculas que se extiende sólo a los vecinos más cercanos de éstos. A estas estructuras se les denomina como estructuras no cristalinas. Ejemplos de estas estructuras son los vidrios, geles y recubrimientos por deposición de vapor.

Vidrios.- durante la solidificación los átomos no tienen el tiempo suficiente para formar una estructura periódica. Una estructura vítrea puede también obtenerse por solidificación rápida de materiales que normalmente forman estructuras cristalinas. Los vidrios tienen las siguientes características generales:

 1. Estructura isotrópica (las propiedades son uniformes en todas direcciones). 

2. Son típicamente transparentes, pero pueden formularse para absorber o transmitir ciertas longitudes de onda. 

3. Buenos aislantes eléctricos y térmicos. 

4. Reblandece antes de fundir, por lo que puede moldearse por soplo.

Un ejemplo de estructura vítrea es la sílice (SiO2) cuya unidad estructural es un tetraedro en el que cuatro átomos de oxígeno se unen de manera covalente con un átomo de silicio. Puesto que los átomos de oxígeno deben formar ángulos de 109.5º para satisfacer los requerimientos de direccionalidad de los enlaces covalentes, se obtiene una estructura con orden de corto alcance. Dentro de las estructuras vítreas se encuentra un grupo denominado Estructuras Moleculares en el que se ubican los compuestos orgánicos (con enlaces covalentes), donde los más comunes son los hidrocarburos los cuales pueden contener algunos otros elementos o grupos reemplazando a uno o más hidrógenos, como halógenos (Cl y F), hidróxido (OH), acetato, amonio y silicones. Hidrocarburos.- éstos se clasifican en saturados y no saturados. El incremento del punto de fusión con el peso molecular se debe en parte al decremento de la morbilidad y en mayor grado a los enlaces de Van der Waals entre moléculas. Entre más grande sea la molécula habrá más sitios en donde puedan ocurrir enlaces de Van der Waals. Bajo las condiciones adecuadas los hidrocarburos no saturados pueden romper sus dobles o triples enlaces para formar moléculas más grandes, por ejemplo los polímeros. Esto se denomina reacción de polimerización. Geles.- sólidos no-cristalinos formados por reacción química en lugar de fusión. Estos materiales son útiles en la unión de cerámicos y metales (al actuar como cementos). Ejemplos de éstos son Si(OH)4 y Al(H2PO4)3. Recubrimientos por Deposición de Vapor.- sólido no-cristalino producido por condensación rápida de un vapor sobre un substrato frío o por reacción de un gas sobre con un substrato caliente. El vapor pude producirse por bombardeo iónico, evaporación mediante haz de electrones o evaporación térmica. Los recubrimientos así obtenidos por lo general son no-porosos, tienen granos finos y muestran propiedades únicas. A los materiales con un ordenamiento de corto alcance se denominan comúnmente como materiales amorfos. Síntesis de polímeros Polimerización por adición.- el principio de este proceso es la obtención de un monómero (unidad mérica) la cual se une con otra para formar cadenas largas.

                                                               nA→ (-A-) n

Normalmente la polimerización se da en moléculas idénticas, sin embargo, la polimerización entre moléculas diferentes ocurre, a esto se le llama copolimerización.

                                                       nA + mB → ( AnBm )

Este tipo de polimerización puede ocurrir sí más de un doble enlace está presente (p.ej. la polimerización del butadieno para formar hule no vulcanizado). Los polímeros producidos por adición son generalmente termoplásticos (reciclables). Polimerización por condensación.- involucra la reacción química de dos moléculas orgánicas diferentes para formar una nueva, acompañada por la formación de un subproducto (agua, alcohol o ácido).

                                                        pC + pD→ ( E ) + pF

El dacrón es un ejemplo de este proceso. Este sintetiza por la reacción de dimetil tereftalato y etilen glicol, produciendo alcohol metílico como subproducto. La síntesis del fenol-formaldehido (baquelita) es otro ejemplo. La mayoría de los polímeros obtenidos por este proceso son conocidos como resinas termoendurecibles, los cuales tienen mayor resistencia que los termoplásticos, pero son más caros de fabricar.

Las propiedades de los polímeros se ven afectadas por el grado de cristalinidad, el entrelazamiento y la ramificación de las moléculas; estas dos últimas tienen un efecto mayor. 

Orden de largo alcance.:es el arreglo espacial de los átomos o moléculas que se extiende por todo el sólido, formando un patrón repetitivo, regular, que resulta en una red. Los materiales pueden diferenciarse entre sí por el tipo de red que posean. El tipo de red de un material depende del tamaño de los átomos o iones, y del tipo de enlace. Al patrón geométrico que sigue una red de un material se le denomina estructura cristalina, y se define en función de su tamaño, forma y ordenamiento atómico.

TIPOS DE MATERIALES

¿ QUE TIPOS DE MATERIALES HAY?

METALICOS

Los metales poseen propiedades llamadas metálicas, las cuales, si bien no son exclusivas de ellos, las tienen en grado suficiente como para caracterizarlos. Este carácter especial es consecuencia de la naturaleza de sus átomos y sus enlaces.

• acereos
• aluminios y aleaciones
• cobre y sus aleaciones
• aleaciones especiales

ESTRUCTURA DE LOS METALES

Se llama estructura de los metales a la disposición ordenada y geométrica, en el espacio, de los constituyentes de la materia en estado sólido (átomos, moléculas y grupos de moléculas).

La estructura está íntimamente ligada con el comportamiento de un metal, por lo que es conveniente efectuar un estudio elemental de la misma.

Hay que considerar dos tipos de estructura: La cristalina y la granular. 

ESTRUCTURA CRISTALINA

En ésta, los átomos están ordenados en el espacio según una red geométrica, constituida por repetición de un elemento básico llamado cristal.

 ESTRUCTURA GRANULAR

En ésta, el elemento fundamental es el grano, constituido por agrupación de cristales. 

Los granos tienen gran importancia en las propiedades mecánicas de los metales. Los granos son de forma irregular y su tamaño oscila entre 0,02 y 0,2 mm, lo cual depende, principalmente:

-Del proceso de fabricación del metal.

-De los procesos térmicos a que se haya sometido el metal.

MICROGRAFIAS DE CONSTITUYENTES ALEACIONES (FE-C)

Cuando se hace un estudio de la microestructura de un metal, se pule la superficie y se la ataca con sustancias ácidas que resaltan los límites de grano. A continuación se fotografía el aspecto, y se obtiene la micrografía del metal. Para los aceros tenemos esta muestra de micrografías 

PROPIEDADES DE LOS METALES

Las propiedades de los metales se clasifican en físicas, mecánicas y tecnológicas.

FISICAS

-Peso específico.
-Calor específico.
-Dilatación térmica.
-Temperatura de fusión y solidificación.
-Conductividad térmica y eléctrica.
-Resistencia al ataque químico. 

MECANICAS

-Resistencia.
-Dureza.
-Elasticidad.
-Plasticidad.
-Tenacidad.
-Fragilidad.
-Fluencia.
-Fatiga.
-Resiliencia

TECNOLOGICAS

-Ductilidad.
-Fusibilidad.
-Colabilidad.
-Maleabilidad.
-Soldabilidad.
-Endurecimiento por el temple.
-Facilidad de mecanizado.

Dureza: Propiedad que expresa el grado de deformación permanente que sufre un metal bajo la acción directa de una carga determinada. Los ensayos más importantes para designar la dureza de los metales, son los de penetración, en que se aplica un penetrador (de bola, cono o diamante) sobre la superficie del metal, con una presión y un tiempo determinados, a fin de dejar una huella que depende de la dureza del metal, los métodos más utilizados son los de Brinell, Rockwell y Vickers. 

Resistencia: Capacidad de soportar una carga externa si el metal debe soportarla sin romperse se denomina carga de rotura y puede producirse por tracción, por compresión, por torsión o por cizallamiento, habrá una resistencia a la rotura (kg/mm²) para cada uno de estos esfuerzos. 

CLASIFICACION DE LOS ACEROS

La clasificación del acero se puede determinar en función de sus características, las mas conocidas son la clasificación del acero por su composición química y por sus propiedades o clasificación del acero por su uso; cada una de estas clasificaciones a la vez se subdivide o hace parte de otro grupo de clasificación.

EFECTOS AMBIENTALES SOBRE LOS MATERIALES

La mayoria de los materiales se encuentran expuestos a diferentes cambios ambientales y

climáticos como lo son: cambios en la temperatura, y cambios de las condiciones

atmósfericas; pero en algunos caso las mismas condiciones de servicio requieren materiales expuestos a condiciones extremas como es el caso partícular de las álabes de turbinas de avión.

Temperatura

Los cambios en la temperatura pueden causar alteraciones considerables de las propiedades de

los materiales, debidos principalmente a:

•Reblandecimiento

•Degradación

•Transformaciones de fases

•Fragilización

EL ÁTOMO

Estructura del átomo

Según esto, el átomo quedó constituido así:

- Una zona central o NÚCLEO donde se encuentra la carga total positiva (la de los protones) y la mayor parte de la masa del átomo, aportada por los protones y los neutrones.

- Una zona externa o CORTEZA donde se hallan los electrones, que giran alrededor del núcleo.

Hay los mismos electrones en la corteza que protones en el núcleo, por lo que el conjunto del átomo es eléctricamente neutro.

  

Identificación de los átomos

Los átomos se identifican por el número de protones que contiene su núcleo, ya que éste es fijo para los átomos de un mismo elemento. Por ejemplo: Todos los átomos de hidrógeno tienen 1 protón en su núcleo, todos los átomos de oxígeno tienen 8 protones en su núcleo, todos los átomos de hierro tienen 26 protones en su núcleo, ..., y esto permite clasificarlos en la tabla periódica por orden creciente de este número de protones.

Número atómico: Es el número de protones de un átomo. Se representa con la letra Z y se escribe como subíndice a la izquierda del símbolo del elemento: _ZX.

Ejemplos: ₁H, ₈O, ₂₆Fe.

Número másico: Es la suma del número de protones y del número de neutrones de un átomo. Se representa con la letra A y se escribe como superíndice a la izquierda del símbolo del elemento: ^AX.

Ejemplos: ¹H, ⁸O, ²⁶Fe.

De esta manera se pueden identificar el número y tipo de partículas de un átomo:

³₁H -----> Este átomo tiene Z = 1 y A = 3. Por tanto, tiene 1 protón, 3 - 1 = 2 neutrones y, como es neutro, tiene 1 electrón.

Si tenemos un ion habrá que sumar o restar electrones a los que tendría si el átomo fuese neutro.

- Si es un catión habrá perdido electrones y hay que restar el número que aparezca con la carga positiva:

²⁵₁₂Mg⁺² -----> Este átomo tiene Z = 12 y A = 25. Por tanto, tiene 12 protones, 25 - 12 = 13 neutrones y, al ser positivo, tendrá 2 electrones menos de los que tendría neutro: 12 - 2 = 10 electrones.

- Si es un anión habrá ganado electrones y hay que sumar el número que aparezca con la carga negativa:

¹⁹₉F^-1 -----> Este átomo tiene Z = 9 y A = 19. Por tanto, tiene 9 protones, 19 - 9 = 10 neutrones y, al ser negativo, tendrá 1 electrón más de los que tendría si fuese neutro: 9 + 1 = 10 electrones.

Aquí puedes introducir Z, A y la carga (con su signo) para un átomo determinado y obtendrás el número de partículas que tiene:

Isótopos

A comienzos del siglo XX se descubrió que no todos los átomos de un mismo elemento tenían la misma masa. Es decir, el número de neutrones puede variar para átomos del mismo elemento.

Los isótopos son átomos de un mismo elemento que tienen igual número atómico, pero distintos números másicos. Es decir, tienen el mismo número de protones pero distinto número de neutrones.

Ejemplo: El elemento hidrógeno, cuyo número atómico es 1 (es decir, que posee un protón en el núcleo), tiene 3 isótopos en cuyos núcleos existen 0, 1 y 2 neutrones, respectivamente.

Masa atómica relativa

La masa atómica relativa de un elemento es la que corresponde a uno de sus átomos y equivale prácticamente a la suma de las masas de sus protones y neutrones, ya que la de los electrones es tan pequeña que puede despreciarse. Así, la mayor parte de la masa del átomo se encuentra en el núcleo.

Como la unidad de masa en el SI, el kilogramo, es demasiado grande se ha buscado una unidad del tamaño de los átomos de la siguiente forma:

- Se ha escogido el átomo de carbono-12 (¹²C) como átomo de referencia.

- Se le ha asignado una masa de 12 u.m.a. (unidades de masa atómica), ya que tiene 6 protones y 6 neutrones.

- La unidad de masa atómica (uma) es la 1/12 parte de la masa del átomo de carbono-12.

La masa de un átomo medida por comparación con la masa del carbono-12 se llama masa atómica. Se encuentra recogida en la tabla periódica su valor para cada elemento.

 Isótopos y masa atómica

Como hemos visto, no todos los átomos de un mismo elemento son exactamente iguales. La mayoría de los elementos tienen diferentes isótopos y esto hay que tenerlo en cuenta para calcular la masa atómica.

La masa atómica de un elemento es la media ponderada de sus isótopos (Por eso, la masa atómica de un elemento no es un número entero).

Ejemplo: El cloro tiene 2 isótopos, ³⁵₁₇Cl y ³⁷₁₇Cl, que se presentan en la naturaleza con una abundancia del 75,5 % y del 24,5 %, respectivamente.

La masa atómica del cloro será la media ponderada: 35 · 75,5/100 + 37 · 24,5/100 = 35,5 uma.

La distribución de electrones

Con el modelo atómico de Bohr sólo se podía explicar el espectro del átomo de hidrógeno. Hacia 1920 se introdujeron modificaciones y se desarrollaron nuevos modelos atómicos.

De acuerdo con este nuevo modelo, alrededor del núcleo hay capas o niveles de energía:

- En la primera capa se sitúan, como máximo, 2 electrones.

- En la segunda capa se sitúan, como máximo, 8 electrones.

- En la tercera capa se sitúan, como máximo, 18 electrones.

...

La distribución por capas de los electrones de un átomo de un elemento se conoce como estructura o configuración electrónica del elemento.

Ejemplos: 2He Tiene sólo 2 electrones. Se sitúan en la primera capa. Se representa como (2). Las capas se colocan entre paréntesis y se separan por comas. 10Ne -> (2,8) 18Ar -> (2,8,8) 11Na -> (2,8,1) 15P -> (2,8,5)

A los electrones que están situados en la última capa se les denomina electrones de valencia y, al nivel que ocupan, capa de valencia. Estos electrones son los responsables de las propiedades químicas de las sustancias.