Fuerzas y Energía de Enlace
Cuando se forman enlaces entre átomos, existe afinidad química entre estos. Cuando no hay afinidad química, los átomos no se unen, cada uno de ellos está bien separado de los demás, y los elementos son gaseosos a temperaturas y presiones ordinarias.
Cuando hay afinidad química, existe una fuerza de atracción electroestática (coulómbica) positiva de largo alcance, FA, que acerca mucho los átomos unos a otros. Esto se muestra en la figura 1, donde la atracción ocurre entre el núcleo de un átomo (N1) y los electrones (e2) del otro átomo (N2).
Cuando los átomos están muy próximos entre sí, se manifiesta una fuerza de repulsión negativa, FR, cuyo origen es la repulsión mutua de los electrones, (e1) y (e2). La fuerza de enlace total, FB, es la suma de las fuerzas de atracción y repulsión; es decir, FB = FA + FR.
Tipos de Enlace
Enlace Iónico
Es el resultado de la transferencia de electrones (o paso de electrones) de un átomo a otro. Se forma entre un átomo electropositivo y uno electronegativo. El átomo electropositivo cede sus electrones y el átomo electronegativo los acepta. Como resultado de este proceso se forman iones positivos (con valencia +n1) y negativos (con valencia -n2) con configuraciones de capa cerrada.
En estas condiciones, los iones con cargas +n1 y -n2 experimentan atracción mutua. La fuerza de repulsión se manifiesta cuando las configuraciones electrónicas de capa cerrada iónica comienzan a traslaparse.
Enlace Covalente
El enlace iónico no es direccional. En oposición a él, el enlace covalente tiene una naturaleza altamente direccional. El nombre covalente se deriva de la distribución compartida, cooperativa, de electrones de valencia entre dos átomos adyacentes.
El enlace covalente se forma entre átomos con pequeñas diferencias de electronegatividad y ubicados muy próximos en la tabla periódica, generalmente se comparten sus electrones externos s y p con otros átomos, de modo que alcanza la configuración electrónica de gas noble.
Enlace Secundario o de Van der Waals
La principal causa de cohesión dentro de determinado material técnico es uno o varios de los tres enlazamientos que se describieron anteriormente. El enlace van der Waals es una fuerza débil de atracción que puede existir entre los átomos y las moléculas. A este enlace se debe la condensación de los gases nobles y de las moléculas con enlaces químicamente para formar líquidos y sólidos a temperaturas bajas.
El mecanismo de enlazamiento secundario es algo semejante al iónico, esto es, por atracción de cargas opuestas. La diferencia clave es que no se transfieren electrones. La atracción depende de las distribuciones asimétricas de carga positiva y negativa dentro de cada unidad atómica o molecular que se enlaza. Esta asimetría de carga se llama dipolo.
El enlazamiento secundario puede ser de dos tipos, según los dipolos sean:
- Temporales
- Permanentes
Enlaces Mixtos
El enlace químico de átomos o iones puede involucrar más de un tipo de enlace primario y también enlaces dipolares secundarios. Para el enlace primario existen las siguientes combinaciones de tipos de enlace mixto:
- Iónico – covalente
- Metálico – covalente
- Metálico – iónico
- Iónico – covalente – metálico
Tipos de Materiales
Densidad
La densidad es una de las propiedades más importantes de los materiales porque determina el peso de la estructura o componente. Básicamente, la densidad de un sólido depende de tres factores: la masa atómica media de sus átomos o iones, su tamaño atómico o iónico y su estructura cristalina (la manera en como están empaquetados).
La diversidad de densidades de los materiales surge principalmente de la masa atómica y de la fracción volumétrica de empaquetamiento. Los metales son densos porque se componen de átomos pesados y su empaquetamiento es más o menos compacto. Los polímeros tienen baja densidad porque consisten de átomos ligeros, principalmente carbono e hidrógeno, en una red lineal bi o tridimensional, empaquetados de manera laxa. Los cerámicos son de baja densidad porque contienen átomos de C, O ó N, y también tienen fracciones de empaquetamiento mas pequeñas que las de los metales.
Punto de Fusión
La energía de enlace de los átomos es directamente proporcional al punto de fusión del material. Esta propiedad se convierte en un factor cuando se contempla el uso de materiales en ambientes de alta temperatura, como los que se dan en los motores de combustión. Sin embargo, una temperatura alta para un material puede ser relativamente baja para otro material en virtud de diferencias en los puntos de fusión. En general, todas las propiedades varían con la temperatura.
Si un material está sometido a esfuerzos, la propiedad principal de interés es la termofluencia, que es el cambio lento de las dimensiones de un material que soporta una carga cuando la razón antes citada es mayor que la temperatura ambiente. Por consiguiente, uno de los factores que deben tomarse en cuenta en el diseño es el punto de fusión de los materiales, en especial para aplicaciones a altas temperaturas. Un ejemplo de esta propiedad son los cerámicos que debido a sus altos puntos de fusión se utilizan para motores de combustión, tanto para vehículos terrestres (automóviles) como en vehículos espaciales.
Temperatura de Transición Vítrea
La temperatura de transición vítrea es una propiedad de los materiales no cristalinos o amorfos. El término de temperatura de transición vítrea tuvo su origen en los materiales cerámicos, específicamente en la sílice, donde el silicato amorfo recibe el nombre de vidrio. Este nombre se hizo extensivo primero a los polímeros, y ahora a los metales amorfos. Las temperaturas de transición vítrea de los polímeros son relativamente bajas, de tal manera que, incluso a temperatura ambiente, el diseño con plásticos o polímeros implica efectos de termofluencia de largo plazo.
Coeficiente de Expansión Térmica Lineal
El coeficiente de expansión térmica lineal (CETL), al igual que el punto de fusión, también puede relacionarse cualitativamente con la energía de enlace. En el diseño, los ingenieros civiles toman en cuenta el CETL incorporando juntas de expansión en estructuras tales como puentes. En los materiales compuestos es necesario armonizar con gran precisión los CETL, a fin de reducir el riesgo de deslaminación en las superficies de contacto entre los componentes debido a los esfuerzos térmicos inducidos por los ciclos térmicos. Esto reviste una importancia especial en la industria de semiconductores.
Conductividad Térmica
En la conducción de calor, la conductividad térmica es la propiedad análoga a la conductividad eléctrica. Cuando se impone un gradiente de temperatura a un material, el flujo específico de calor por unidad de área y por unidad de tiempo es donde la conductividad térmica está en watts por metro por kelvin.
Esfuerzo
Se aplica la misma fuerza normal a dos materiales con secciones transversales A1 y A2, con A2 > A1. Aunque la fuerza es la misma, la intensidad (esfuerzo) de la fuerza en A1 es mayor que en A2. Cuando el esfuerzo alarga los filamentos de un material, se le denomina esfuerzo de tensión.
Deformación
De acuerdo con el estado de esfuerzo, el material se deforma (cambia de forma) en consecuencia. Un esfuerzo de tensión induce al material a alargarse en dirección paralela, y a contraerse lateralmente a lo largo de una dirección perpendicular a la misma fuerza. También en este caso, la elongación y la contracción se normalizan dividiéndolas entre las dimensiones originales paralela (longitud) y perpendicular (anchura) a la fuerza de tensión.
Ductilidad
La ductilidad es la propiedad de un material que permite impartirle diferentes formas sin que se rompa. Un material que puede hacer esto, se dice que es dúctil, en tanto que un material que no cambia de forma o lo hace con dificultad o se rompe es frágil o quebradizo. Por lo que toca a consideraciones de diseño, la ductilidad influye directamente en la tenacidad a la fractura y en la capacidad de fabricar un componente: un material dúctil tiene mayor tenacidad a la fractura que un material frágil. Por otra parte, la selección de un material para aplicaciones de ingeniería depende de modo importante de su capacidad para recibir la forma del componente o producto deseado. Esto explica la importancia y el uso en ingeniería de los metales en comparación con los cerámicos, porque los metales se comportan mejor en la producción en masa que las cerámicas.
Mecánica de Fractura y Tenacidad a la Fractura
La mecánica de fractura es el campo de la mecánica que se ocupa principalmente del estudio de la propagación de grietas de un material. Se trata de un campo relativamente nuevo pues apenas se creó durante y después de la Segunda Guerra Mundial para explicar la ruptura de muchas naves mercantes y barcos. La aplicación de la mecánica de fractura se ha expandido ahora a muchos campos, y donde resulta más crítica es en las estructuras aeroespaciales. La premisa fundamental para el uso de la mecánica de fractura en el diseño es el supuesto de que los materiales tienen defectos o grietas. La propiedad de los materiales que se opone a la propagación de esas grietas es la tenacidad a la fractura.
Fatiga
Los componentes de máquinas, vehículos y estructuras suelen verse sometidos a cargas cíclicas repetidas, y los esfuerzos cíclicos reducen daños a los materiales de construcción. Estos daños, que se producen sobre todo a esfuerzos muy por debajo del esfuerzo de fluencia, se acumulan con la aplicación continua hasta que se comienzan a formar grietas que se propagan y terminan por fracturar el material. Esta falla de los materiales es a causa de esfuerzos y deformaciones cíclicas repetidas se denomina fatiga. Debido a que los esfuerzos y deformaciones cíclicas se aplican de manera continua y a ritmos elevados.
Termofluencia
En ciertas aplicaciones, como turbinas de vapor en plantas termoeléctricas, motores de aviones a reacción y cohetes, hornos de fundición y reactores nucleares, los materiales están expuestos a temperaturas extremadamente altas. La termofluencia es el movimiento de los átomos que inducen una deformación muy lenta, si el material está expuesto a esfuerzos.
Semiconductores
Es evidente que la tecnología ha revolucionado a la sociedad, pero la electrónica del estado sólido está revolucionando a la misma tecnología. Un grupo relativamente pequeño de elementos y compuestos tienen una propiedad eléctrica importante, la semiconducción, en la cual ni son buenos conductores eléctricos, ni son buenos aislantes eléctricos. En vez de ello, su capacidad de conducción eléctrica es intermedia. Podemos clasificarlos en:
- Semiconductor intrínseco
- Semiconductor extrínseco
Todos los chips de cómputo dependen de los semiconductores. Fabricamos diodos, transistores y láser utilizando semiconductores.