Conceptos Esenciales en Química de Materiales y Metalurgia

Enlaces Químicos y Propiedades de Compuestos

Enlace Iónico

Se da entre metales y no metales, por la atracción electrostática entre cargas de distinto signo.

Enlace Covalente

Se forma entre no metálicos y no metálicos. Puede ser simple, doble o triple.

Compuestos Iónicos

• Duros
• Puntos de fusión y ebullición altos
• Solubles en disolventes polares
• Conductores en estado disuelto o fundido
• Frágiles

Compuestos Metálicos

• Puntos de fusión y ebullición variados
• Muy solubles en otros metales
• Conductores en estado sólido
• Dúctiles y maleables

Compuestos Covalentes

• Moleculares: Puntos de fusión y ebullición bajos, solubles (polares en polares y no polares en no polares), conductores solo en compuestos polares.
• Atómicos: Puntos de fusión y ebullición altos, insolubles, no conductores.

Estructura Cristalina y Defectos

Cristalización

Proceso de formación de una fase sólida a partir de una fase líquida.

Cristales Perfectos e Imperfectos

• Cristales Perfectos: Aquellos en los que todos los átomos se encuentran en reposo y en posiciones ideales. Ningún cristal real es perfecto.
• Cristales Imperfectos: Cristales con defectos. Las imperfecciones afectan las propiedades mecánicas, químicas y eléctricas.

Defectos Cristalinos

Variaciones en el ordenamiento regular de los átomos o moléculas de un cristal. Se clasifican por su dimensionalidad:

• 0-Dimensional (Puntual): Nanómetros (nm).
• 1-Dimensional (Lineal): Micrómetros (µm).
• 2-Dimensional (Plano): Milímetros (mm).
• 3-Dimensional (Volumen): Centímetros (cm).

Tipos de Defectos Puntuales

• Estequiométricos: Aquellos que no producen un cambio en la composición del cristal.
• No Estequiométricos: Aquellos que producen un cambio en la composición del cristal.
• Defecto de Schottky: En un compuesto con enlace iónico de forma M_aX_b, consiste en la existencia de 'a' posiciones catiónicas y 'b' posiciones aniónicas vacantes.
• Defecto de Frenkel: Consiste en la existencia de un ion en una posición intersticial, que generalmente está vacía, con lo que su posición normal queda vacante.

Solubilidad

Se da si el diámetro atómico no difiere más del 15%, si la estructura del cristal es similar, y si las electronegatividades no difieren mucho.

Vacancia

Formada por un átomo faltante. Se forma durante la cristalización o por la movilidad de átomos. Los átomos en los cristales algunas veces ocupan espacios intersticiales, lo cual no ocurre naturalmente y se induce por radiación.

Vector de Burgers

Vector de la red cristalina que indica la dirección y magnitud del desplazamiento que sufren los átomos de la red con el paso de una dislocación.

Dislocaciones

Defectos lineales que producen deformación plástica en materiales cristalinos.

• De Borde: La línea de dislocación es perpendicular al vector de Burgers y determina un único plano de deslizamiento. El movimiento es paralelo al vector de Burgers.
• De Tornillo: La línea de dislocación es paralela al vector de Burgers y no determina un único plano de deslizamiento. El movimiento es perpendicular al vector de Burgers.
• Mixta.

Intersticio

Son los huecos que están en la red cristalina entre los átomos y donde pueden alojarse átomos no invitados.

Aleaciones y Diagramas de Fase

Aleación

Es la mezcla de un metal con otros metales o no metales, y se describe por los elementos que la componen, su porcentaje en peso y su porcentaje atómico.

Componentes

Elementos químicos que forman la aleación.

Aleación Binaria

Está formada por dos componentes.

Sistemas Binarios

Presentan las siguientes características:

• Solubles en estado líquido y en estado sólido.
• Solubles en estado líquido e insolubles en estado sólido.
• Solubles en estado líquido y parcialmente solubles en estado sólido.
• Sistemas que forman compuestos intermetálicos, los cuales son la combinación de redes cristalinas duras.

Regla de las Fases de Gibbs

Permite calcular el número de fases que pueden coexistir en equilibrio en cualquier sistema. Se expresa como: P + F = C + 2, donde P = fases, C = componentes y F = grados de libertad.

Regla de la Palanca

Es válida para cualquier diagrama binario y permite determinar las cantidades relativas de las fases presentes en equilibrio.

Conceptos Fundamentales de Fases

1. Fase: Es la porción homogénea de un sistema, donde las propiedades macroscópicas intensivas son idénticas en cualquier punto del sistema.
2. Sistema Homogéneo: Está formado por una fase, consta de estructuras cristalinas compactas y también se ve influenciado por sus características de enlace.
3. Sistema Heterogéneo: Está formado por más de una fase.
4. Transición de Fase: Es la conversión de una fase en otra.
5. Plasma: Es una fase que se encuentra entre la zona líquida y gaseosa, donde un material todavía puede ceder electrones.
6. Condensado: Es una fase que se encuentra debajo de la zona sólida, en la que se pueden conducir mejor los electrones, dando origen a la electrónica.
7. Fase Sólida: Está formada combinando varios elementos o compuestos de tal forma que, en general, la fase tiene composición y propiedades uniformes, distintas de las de los elementos o compuestos que la forman.
8. Sinterizar: Significa hacer un material más resistente y duro al calentarlo, sin llegar a su punto de fusión, y se moldea con presión.
9. Energía Libre de Gibbs: Es una variable de estado que combina la entropía y la entalpía, y tiene las mismas unidades que estas. Se utiliza para predecir si una reacción es espontánea o está en equilibrio. Está definida como G = H - TS.
10. Regla de Fases de Gibbs: Describe el número de grados de libertad o el número de variables que deben ser fijadas para especificar la temperatura y composición de una fase.

Gráfica de Enfriamiento

Conforme un material se enfría, se observan los granos y estos se enriquecen en fases alfa y beta.

Reacciones Eutécticas y Eutectoides

• Reacciones Eutécticas: Implican el paso de una fase líquida a dos fases sólidas.
• Reacciones Eutectoides: Se efectúan totalmente dentro del estado sólido.

La siguiente es una expresión general de una reacción eutectoide: ? = â + g + calor. Donde ?, â y g son fases sólidas y, a menudo, soluciones sólidas.