Fundamentos de la Química de Materiales: Estructura, Propiedades y Aplicaciones Clave

Estructura y Propiedades de los Materiales Sólidos

Los diferentes arreglos atómicos pueden causar que algunas sustancias se deformen fácilmente, estirarse, ser fuertes y quebradizas a la vez. La estructura atómica y molecular también determina las propiedades eléctricas.

Materiales Cristalinos y Amorfos

Los materiales en estado sólido se clasifican en cristalinos y amorfos:

• Materiales Cristalinos: En estos, los átomos adoptan arreglos ordenados y repetitivos de largo alcance, formando estructuras tridimensionales periódicas. Ejemplos incluyen los metales y sus aleaciones, la sal y el dióxido de silicio.
• Materiales Amorfos: En contraste, no existe ordenamiento periódico o solo es de corto alcance. Ejemplos son el vidrio y algunos materiales plásticos.

Cristalización: Formación y Crecimiento de Cristales

La cristalización consiste en la formación de cuerpos sólidos dentro de una fase homogénea líquida o gaseosa. Los cristales pueden ser monocristalinos o policristalinos.

En un cristal se puede obtener información crucial como la distancia interplanar, el número de coordinación, el factor de empaquetamiento, la densidad volumétrica, así como sus propiedades físicas.

Métodos de Crecimiento de Cristales

Para hacer crecer un cristal, comúnmente se realiza en una solución acuosa induciendo el proceso por medio de enfriamiento o por evaporación. Existen otros métodos como el crecimiento en flujo, electrolítico y en gel, así como métodos más elaborados como Czochralski.

Etapas de la Cristalización

El proceso de cristalización tiene dos etapas principales:

1. Nucleación: Consiste en la formación inicial del cristal.
2. Crecimiento del Cristal: La segunda etapa corresponde al aumento de tamaño del cristal ya formado.

Propiedades Eléctricas de los Materiales

Electrolitos

Los electrolitos son sustancias que, cuando se disuelven en agua, conducen la electricidad porque disocian iones. Otros ejemplos de sustancias que conducen electricidad por ionización incluyen gases como el neón, argón, vapor de mercurio o sodio.

Es importante destacar que, si bien los electrones individuales fluyen a una velocidad de 25.4 mm por segundo, un impulso eléctrico viaja a 300,000 km por segundo.

Conductores, Aislantes y Semiconductores

• Material Aislante: Es aquel que no conduce fácilmente la corriente eléctrica.
• Semiconductores: Son aquellos que, en su estado puro y a temperatura ambiente normal, no son ni buenos conductores ni buenos aislantes. Ejemplos incluyen el germanio y el silicio.

Semiconductores Tipo N

En este tipo, el arsénico se le adiciona al silicio en el proceso de dopado, con lo cual un material semiconductor puro se impurifica o contamina para generar un semiconductor. Estos materiales contienen electrones negativos en exceso.

Semiconductores Tipo P

Son materiales que contienen muchos huecos. Un ejemplo es el silicio puro que, con frecuencia, se dopa con elementos como el indio, que tiene tres electrones de valencia y son de carga positiva.

Aplicaciones de la Unión P-N

La unión de semiconductores tipo N y P se utiliza ampliamente en diodos y transistores de estado sólido.

Polímeros: Estructura, Síntesis y Clasificación

Polimerización

Mediante reacciones de polimerización es posible unir, por enlaces covalentes, un número grande de moléculas de bajo peso molecular, formando una macromolécula que puede contener cientos de monómeros.

Existen dos métodos principales de polimerización:

• Polimerización por Condensación: Se efectúa mediante la reacción de dos monómeros, con la eliminación de una molécula pequeña. Este tipo se emplea en la elaboración de cubiertas protectoras, lacas, adhesivos y resinas fenólicas.
• Polimerización por Adición: Es una reacción en cadena que se efectúa mediante la unión de ciertos reactivos, los cuales pueden ser: cationes, aniones o radicales libres.

Clasificación de Polímeros

Los polímeros se clasifican principalmente en termoplásticos, termoestables y elastómeros:

• Polímeros Termoplásticos: Se componen de largas cadenas y típicamente se comportan de manera plástica y dúctil.
• Polímeros Termoestables: Están compuestos por largas cadenas de moléculas con fuertes enlaces cruzados entre las cadenas para formar redes tridimensionales. Son más resistentes pero frágiles que los termoplásticos.
• Elastómeros: Tienen una estructura intermedia en la cual se permite que ocurra una ligera formación de enlaces cruzados entre cadenas, lo que les confiere elasticidad.

Otras Propiedades de los Polímeros

La mayoría de los polímeros son aislantes, pero hay algunos como el acetal que poseen una conductividad eléctrica útil. Algunos son solubles en solventes orgánicos y otros son insolubles.