Conceptos Esenciales en Ciencia de Materiales: Corrosión, Mecánica y Polímeros

Cinética de Corrosión

La cinética de corrosión describe la velocidad a la que un material se deteriora debido a reacciones electroquímicas. Las siguientes fórmulas son fundamentales para su estudio:

Fórmulas Clave en Corrosión

• Ley de Faraday para la Corrosión:
  • W = (I · t · M) / (n · F)
  • t = (W · n · F) / (I · M)
  • W = (i · A · t · M) / (n · F)

Variables y Unidades

• I: Flujo de corriente (A)
• t: Tiempo (s)
• M: Masa molar del metal (g/mol)
• n: Número de electrones transferidos
• F: Constante de Faraday (96500 C/mol)
• i: Densidad de corriente (A/cm²)
• A: Área (cm²)

Reacciones Electroquímicas Fundamentales

La corrosión es un proceso electroquímico que involucra reacciones de oxidación y reducción.

• Oxidación: Deterioro que sufre un material a consecuencia de un ataque químico por su entorno.
• Reacción de Oxidación: Fenómeno mediante el cual una especie química pierde electrones; por lo tanto, su número de oxidación aumenta al perder cargas negativas.
  • Ejemplo: Fe - 2e⁻ ⇄ Fe²⁺
• Reacción Anódica (Ánodo): Pérdida de electrones (disolución del metal).
• Reacción de Reducción: Fenómeno mediante el cual una especie química gana electrones; por lo tanto, su número de oxidación disminuye al ganar cargas negativas.
  • Ejemplo: Cu²⁺ + 2e⁻ ⇄ Cu
• Reacción Catódica (Cátodo): Ganancia de electrones (deposición del metal).

Clasificación de Metales por Potencial de Oxidación

• Metales Nobles: Potencial de oxidación positivo. Ejemplos: Cu, Au, Ag.
• Metales Activos: Potencial de oxidación negativo. Ejemplos: Fe, Zn, Mg.

Ejemplo de Reacción Catódica Común

En presencia de oxígeno y agua:

O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻

Mecánica de Materiales

La mecánica de materiales estudia el comportamiento de los cuerpos sólidos deformables bajo la acción de cargas. A continuación, se presentan conceptos y fórmulas clave.

Tracción y Deformación

La tracción es una fuerza que tiende a estirar un material.

Fórmulas de Tensión y Deformación

• Tensión Nominal (σ): σ = F / A₀
• Deformación Nominal (ε): ε = (Lᵢ - L₀) / L₀

Variables y Unidades

• F: Carga instantánea (N)
• A₀: Área inicial (m²)
• σ: Tensión nominal (Pa)
• Lᵢ: Longitud instantánea (m)
• L₀: Longitud inicial (m)
• ε: Deformación nominal

Notas sobre el Área

Para geometrías cilíndricas, el área transversal (A) puede calcularse como: π · r²

Ley de Hooke

Esta ley describe el comportamiento elástico de los materiales.

• Fórmula: σ = E · ε
• E: Módulo de elasticidad (N/m² o Pa)
• ε: Deformación elástica

Ley de Ohm

Aunque no es directamente de mecánica de materiales, la Ley de Ohm es un principio fundamental en la física y la ingeniería, a menudo relevante en el estudio de propiedades eléctricas de materiales.

• Fórmula: V = I · R

Variables y Unidades

• V: Voltaje (J/C o V)
• I: Intensidad de corriente (C/s o A)
• R: Resistencia (V/A o Ω)

Propiedades Mecánicas de los Materiales

Las propiedades mecánicas definen cómo un material reacciona a fuerzas externas.

• Rigidez (E): Resistencia que opone un material a la deformación elástica.
• Ductilidad: Medida del grado de deformación plástica que puede soportar un material hasta su rotura.
• Tenacidad: Medida de la capacidad de un material para absorber energía antes de la fractura.
• Dureza: Medida de la resistencia de un material a la deformación plástica localizada.
• Límite Elástico: Es la tensión que, una vez superada, produce la deformación plástica. Representa el punto que separa las zonas de deformación elástica y plástica.

Introducción a los Polímeros

Los polímeros son una clase importante de materiales con aplicaciones muy diversas.

Definición de Polímero

Polímero (del griego "poli" = muchas; "mero" = partes): Material compuesto por muchas unidades (monómeros) enlazadas químicamente entre sí.

Son macromoléculas orgánicas con pesos moleculares que oscilan entre 10.000 y 1.000.000 g/mol.

Su esqueleto principal suele estar constituido por átomos de carbono (C) y otros elementos como hidrógeno (H), oxígeno (O), nitrógeno (N), azufre (S), cloro (Cl) y flúor (F).

Propiedades de los Polímeros

• Ligeros
• Resistentes a la corrosión
• Aislantes eléctricos
• Baja resistencia térmica
• Baja rigidez (puede aumentarse con refuerzos para formar materiales compuestos)

Tipos de Polímeros

• Termoplásticos
• Termoestables
• Elastómeros

Aplicaciones de los Polímeros

Muy variadas, incluyendo: juguetes, artículos del hogar, artículos decorativos, pinturas, recubrimientos, adhesivos, neumáticos, embalajes, etc.