Fundamentos de la Ciencia de Materiales: Propiedades, Clasificación y Estructura Atómica

Propiedades Fundamentales de los Materiales

Las propiedades de los materiales determinan su comportamiento y aplicación. Se clasifican en tres categorías principales:

Propiedades Mecánicas

Son aquellas que presenta el material ante la aplicación de una fuerza.

• Resistencia
• Dureza
• Elasticidad
• Plasticidad
• Tenacidad
• Fragilidad
• Ductilidad

Propiedades Químicas

Están relacionadas con procesos químicos en los que se modifica la composición del material.

• Resistencia a la corrosión
• Combustibilidad
• Aleabilidad

Propiedades Físicas

Implican cambios de estado o de forma, pero nunca de composición.

• Térmicas
• Eléctricas
• Magnéticas
• Ópticas

Clasificación de los Materiales

La clasificación se basa en la composición química y la estructura atómica:

Metales

Son combinaciones de elementos metálicos, caracterizados por electrones deslocalizados que no pertenecen a ningún átomo en concreto. Conducen calor y electricidad, son opacos a la luz, son resistentes, aunque deformables. Se utilizan en aplicaciones estructurales.

Cerámicas

Son compuestos químicos constituidos por metales y no metales (ejemplos: arcilla, cemento y vidrio). Son aislantes eléctricos. A elevadas temperaturas y en ambientes agresivos son más resistentes que los metales y aleaciones. Son típicamente duras y frágiles.

Polímeros

Materiales que van desde los plásticos al caucho. Son compuestos orgánicos basados en el carbono, hidrógeno y otros elementos no metálicos, caracterizados por la gran longitud de sus estructuras moleculares. Poseen densidades bajas y son muy flexibles.

Compuestos

Materiales formados por más de un tipo de material. Están diseñados para alcanzar la mejor combinación de las características de cada componente.

Semiconductores

Materiales con propiedades eléctricas intermedias entre los conductores y los aislantes eléctricos.

Estructura Atómica y Modelos Cuánticos

Modelo Atómico de Bohr

Este modelo postula que los electrones giran alrededor del núcleo. Fue desarrollado para explicar el espectro del hidrógeno, basándose en los siguientes principios:

1. Cuando el electrón se mueve en una determinada órbita, ni gana ni pierde energía. Esas órbitas corresponden a niveles de energía, determinados por el número cuántico principal n (1, 2, 3, 4...).
2. Solo existen ciertos estados de energía permitidos.
3. Cuando un electrón pasa de una órbita a otra, gana (absorción) o pierde (emisión) energía, según sea la órbita de mayor o menor energía.

Mecánica Ondulatoria y Números Cuánticos

La Mecánica Ondulatoria establece que el electrón presenta la dualidad onda-corpúsculo. El movimiento del electrón se describe mediante los principios matemáticos que rigen el movimiento de las ondas. La posición del electrón se considera como la probabilidad de encontrarlo en una zona alrededor del núcleo (el orbital).

La descripción de los átomos mediante la mecánica ondulatoria (basada en el cálculo de las soluciones a la Ecuación de Schrödinger) permite obtener los cuatro números cuánticos para los electrones:

Los Cuatro Números Cuánticos

n (Número Cuántico Principal)

Define el nivel de energía principal, indicando la órbita donde se mueve el electrón (1, 2, 3, 4…).

l (Número Cuántico Secundario o Azimutal)

Designa el subnivel de energía o la forma del orbital. Sus valores van de 0 a n-1 (0=s, 1=p, 2=d, 3=f, 4=g, 5=h).

m (Número Cuántico Magnético)

Designa la orientación espacial de un orbital atómico y determina el número de estados energéticos para cada subnivel (valores de -l a +l).

m_s (Número Cuántico de Espín)

Indica el sentido de giro del electrón (+1/2 o -1/2). Este número cuántico restringe un máximo de dos electrones en cada orbital (Principio de Exclusión de Pauli).

Principio de Exclusión de Pauli

Este principio establece que:

«No es posible que dos electrones de un mismo átomo tengan los cuatro mismos números cuánticos.»

En consecuencia, cada estado energético solo puede estar ocupado por un máximo de dos electrones, los cuales deben tener espines opuestos.