Conceptes Fonamentals de Ciència i Enginyeria de Materials

1. Enllaços Químics i Intermoleculars

Enllaç Iònic (Metall-No Metall)

• Sòlids cristal·lins.
• Temperatura de fusió i ebullició elevades.
• Sòlids a temperatura ambient, durs (xarxa estable).
• No condueixen l'electricitat en estat sòlid, però sí dissolts en aigua.

Enllaç Covalent (No Metall)

Xarxes Covalents

• Durs (resistència a la ratllada).
• Elevats punts de fusió i ebullició.
• No condueixen el corrent elèctric.
• Amorfs o cristal·lins.

Substàncies Moleculars

• Temperatures de fusió i ebullició baixes.
• No condueixen l'electricitat.
• Són molt mals conductors de la calor.
• Poc solubles en aigua.

Enllaç Metàl·lic

• Temperatures de fusió i ebullició elevades.
• Són sòlids a temperatura ambient.
• Bons conductors de l'electricitat i la calor.
• Dúctils i mal·leables a la pressió.
• Són durs.
• S'oxiden amb facilitat.
• Són sòlids cristal·lins.

Enllaç Intermolecular

• Forces del tipus dipol-dipol: Es donen en molècules polars.
• Ponts d'hidrogen: Tenen lloc entre molècules amb H i un element molt electronegatiu.
• Forces de Van der Waals: En molècules apolars es pot generar desplaçament de càrrega que provoca dipols.

2. Sòlids i Xarxes Cristal·lines

Sòlids Amorfos

Tenen temperatura de fusió i transició vítria (Tg). En escalfar-se s'estoven progressivament i tendeixen a deformar-se. Es comporten com a materials ferromagnètics (presenten ordenament magnètic en la mateixa direcció i sentit). Presenten propietats mecàniques interessants per a l'aplicació en la indústria i la construcció.

Xarxes Cristal·lines

Cel·la Unitat

Mínima unitat estructural que es repeteix en l'espai formant les xarxes tridimensionals (3D) d'un sòlid cristal·lí. Es defineix per la longitud de les seves arestes i els seus angles. Els àtoms o molècules se situen en els vèrtexs de l'estructura. Només existeixen 7 xarxes cristal·lines simples que constitueixen els 7 sistemes.

A la cel·la unitat més senzilla (només elements en els vèrtexs) se la denomina primitiva (P). Poden, segons els grups, existir altres tipus de cel·les:

• Centrada en l'interior (I)
• Centrada en 2 cares (C)
• Centrada en totes les cares (F)

3. Defectes Cristal·lins

• Defectes de Punt: Afecten les propietats mecàniques i la conductivitat del material.
• Defectes de Línia: Es produeixen quan es trenca la regularitat de l'estructura 3D de la xarxa, quedant debilitada.
• Defectes de Superfície: Són defectes de límit de grans; es produeixen perquè en la frontera entre grans les masses d'àtoms tenen ordenacions espacials diferents. Això crea tensions i impureses.

4. Classificació dels Materials

Metalls i Aliatges

Substàncies inorgàniques, formades per un o més elements metàl·lics. Són cristal·lins, bons conductors, dúctils i mal·leables. Tipus: fèrrics i no fèrrics.

Polímers

Combinació d'elements orgànics (es produeixen creant polímers a partir de monòmers). Enllaç covalent, amorfs. Es classifiquen en:

• Termoplàstics
• Termoestables
• Elastòmers

Ceràmics

Enllaç iònic i covalent. S'obtenen a partir de materials inorgànics. Cristal·lins o amorfs. Presenten escassa conductivitat, bona duresa, són fràgils i tenen resistència a la conformitat.

Compostos

Unió de dos o més materials per aconseguir una combinació de propietats superiors. Es classifiquen segons la matriu:

• Matriu metàl·lica (d'alta resistència i baix pes)
• Matriu ceràmica (de resistència i tenacitat)
• Matriu polimèrica (resistència a la corrosió i als agents químics)

Semiconductors

Poden comportar-se com a conductors o aïllants. Són tetravalents (formen 4 enllaços covalents).

5. Propietats dels Materials

• Mecàniques: Duresa, tenacitat, elasticitat, plasticitat, resistència a l'impacte.
• Químiques: Resistència a la corrosió/combustió, inflamabilitat.
• Físiques: Comportament tèrmic, elèctric, òptic i magnètic del material.
• Tecnològiques: Capacitat de deformació, emmotllament i mecanitzat; propietat industrial.

Conceptes Atòmics Fonamentals

Isòtop

Àtom d'un mateix element químic que es distingeix per tenir un nombre diferent de neutrons en el seu nucli, mentre que manté el mateix nombre de protons (Z) i, per tant, el mateix nombre atòmic.

Electrons de València

Són els electrons que es troben en el nivell principal d'energia més alt de l'àtom. Són els responsables de la interacció entre àtoms de diferents espècies o entre els àtoms d'una mateixa. Els electrons en els nivells d'energia externs són aquells que seran utilitzats en la formació de compostos i als quals se'ls denomina com a electrons de valència. Són molt importants perquè són els electrons en la capa més externa d'un àtom.

Estat d'Oxidació

És el nombre de càrregues positives o negatives que té un àtom quan guanya o perd electrons en formar un compost. Dit d’una altra manera, indica quants electrons ha cedit o agafat respecte a la seva configuració original. Es pot justificar mirant la configuració electrònica, perquè els àtoms tendeixen a aconseguir l’estabilitat de la capa externa.

Polimorfisme

És quan una mateixa substància química pot existir en diferents formes cristal·lines, és a dir, quan els àtoms o molècules s’ordenen de manera diferent dins del sòlid. Aquesta diferent organització fa que la substància pugui tenir propietats físiques diferents, encara que la composició química sigui la mateixa. És important perquè depenent de la forma polimòrfica, la substància pot tenir usos molt diferents.

Al·lotropia

Són les diferents formes en què un mateix element químic pot existir, depenent de com s’ordenen els seus àtoms dins del sòlid. Això fa que, tot i ser el mateix element, les diferents formes puguin tenir propietats físiques i químiques molt diferents, com la duresa, la reactivitat o la conductivitat.

Diferències entre Sòlid Cristal·lí i Amorf

Les principals diferències són:

• Estructura interna: Cristal·lí: ordenada i repetitiva. Amorf: desordenada, sense patró fix.
• Punt de fusió: Cristal·lí: clar i definit. Amorf: progressiu, es fon gradualment.
• Propietats físiques: Cristal·lí: anisotròpiques (varien segons la direcció). Amorf: isòtropes (iguals en totes les direccions).
• Exemples: Cristal·lí: sal comuna (NaCl), diamant. Amorf: vidre, polímers amorfos.