Ensayos físicos

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Ensayos físicos

Xoán Carlos Rodríguez García

© Xoán Carlos Rodríguez García

© EDITORIAL SÍNTESIS, S. A.Vallehermoso, 34. 28015 Madrid

Teléfono 91 593 20 98www.sintesis.com

ISBN: 978-84-9077-189-1Depósito Legal: M-29.146-2016

Impreso en España - Printed in Spain

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de Editorial Síntesis, S. A.

Índice

Índice

PRESENTACIÓN ............................................................................................................................................................... 13

1. INTRODUCCIÓN AL ESTUDIO DE LA MATERIA Y DE LOS MATERIALES .............................. 15

Objetivos .................................................................................................................................................................... 15Mapa conceptual .................................................................................................................................................. 16Glosario ....................................................................................................................................................................... 171.1. Introducción ............................................................................................................................................. 171.2. El átomo y las moléculas ................................................................................................................... 17

1.2.1. Modelo atómico de Bohr ..................................................................................................... 181.2.2. Modelo de la mecánica ondulatoria ................................................................................ 191.2.3. Tabla periódica ......................................................................................................................... 20

1.3. Enlaces químicos .................................................................................................................................... 211.3.1. Enlace iónico ............................................................................................................................. 211.3.2. Enlace covalente ...................................................................................................................... 221.3.3. Enlace metálico ........................................................................................................................ 25

1.4. Estados de agregación de la materia ........................................................................................ 261.4.1. Estado sólido ............................................................................................................................. 261.4.2. Estado líquido ........................................................................................................................... 261.4.3. Estado gaseoso ......................................................................................................................... 261.4.4. Plasma y fluidos supercríticos ............................................................................................. 261.4.5. Cambios de estado ................................................................................................................. 27

1.5. Sólidos cristalinos .................................................................................................................................. 281.5.1. Celda unidad ............................................................................................................................. 281.5.2. Tipos de sólidos cristalinos .................................................................................................. 281.5.3. Estructuras cristalinas en metales ....................................................................................... 291.5.4. Defectos cristalinos ................................................................................................................. 32

6 Ensayos físicos

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1.6. Diagramas de fases ................................................................................................................................ 341.6.1. Conceptos previos y determinaciones ........................................................................... 351.6.2. Diagramas binarios isomórficos .......................................................................................... 371.6.3. Diagramas binarios eutécticos ............................................................................................ 37

Resumen ..................................................................................................................................................................... 38Ejercicios propuestos ......................................................................................................................................... 39Práctica n.º 1 ............................................................................................................................................................ 41Actividades de autoevaluación ................................................................................................................... 42

2. PROPIEDADES MECÁNICAS. ENSAYOS .................................................................................................. 45

Objetivos .................................................................................................................................................................... 45Mapa conceptual ................................................................................................................................................ 46Glosario ....................................................................................................................................................................... 472.1. Introducción ............................................................................................................................................. 472.2. Comportamiento mecánico ............................................................................................................ 482.3. Clasificación de los ensayos ............................................................................................................ 492.4. Normativa de los ensayos................................................................................................................. 502.5. Muestras de ensayos: probetas .................................................................................................... 512.6. Ensayos estáticos ................................................................................................................................... 51

2.6.1. Ensayos de tracción ................................................................................................................ 512.6.2. Ensayos de fluencia ................................................................................................................. 562.6.3. Ensayos de compresión ........................................................................................................ 572.6.4. Ensayos de flexión ................................................................................................................... 582.6.5. Ensayos de cizalladura ......................................................................................................... 592.6.6. Ensayos de torsión .................................................................................................................. 602.6.7. Ensayos de dureza estática .................................................................................................. 60

2.7. Ensayos dinámicos ................................................................................................................................ 662.7.1. Ensayos de dureza dinámica .............................................................................................. 662.7.2. Ensayos de resistencia al impacto: resiliencia .............................................................. 672.7.3. Ensayos de fatiga ...................................................................................................................... 68

2.8. Ensayos tecnológicos .......................................................................................................................... 702.8.1. Ensayos de chispa ................................................................................................................... 702.8.2. Ensayos de plegado ............................................................................................................... 702.8.3. Ensayos de embutición ......................................................................................................... 712.8.4. Ensayos de forja ....................................................................................................................... 71

2.9. Ensayos no destructivos .................................................................................................................... 712.9.1. Ensayos con partículas magnéticas ................................................................................... 712.9.2. Ensayos con ultrasonidos ..................................................................................................... 722.9.3. Ensayos con líquidos penetrantes .................................................................................... 732.9.4. Ensayos radiográficos ............................................................................................................. 74

Resumen ..................................................................................................................................................................... 76Ejercicios propuestos ......................................................................................................................................... 76Práctica n.º 2 ............................................................................................................................................................ 78Práctica n.º 3 ............................................................................................................................................................ 78Actividades de autoevaluación ................................................................................................................... 79

3. CORROSIÓN ............................................................................................................................................................ 81

Objetivos .................................................................................................................................................................... 81Mapa conceptual ................................................................................................................................................ 82

7Ensayos físicos

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Glosario ....................................................................................................................................................................... 833.1. Corrosión y degradación de materiales .................................................................................. 833.2. Tipos de corrosión ................................................................................................................................ 85

3.2.1. Ataque uniforme o corrosión general .............................................................................. 85 3.2.2. Corrosión galvánica ................................................................................................................. 85 3.2.3. Corrosión por aireación diferencial .................................................................................. 85 3.2.4. Corrosión por picadura o pitting ....................................................................................... 86 3.2.5. Corrosión por grietas .............................................................................................................. 86 3.2.6. Corrosión bajo tensión ........................................................................................................... 86 3.2.7. Corrosión por erosión ............................................................................................................ 86 3.2.8. Corrosión intergranular ........................................................................................................... 86 3.2.9. Corrosión selectiva .................................................................................................................. 873.2.10. Corrosión microbiológica ..................................................................................................... 873.2.11. Corrosión por cavitación ....................................................................................................... 87

3.3. Reacciones electroquímicas ........................................................................................................... 87 3.3.1. Celdas galvánicas ..................................................................................................................... 88 3.3.2. Celdas electrolíticas ................................................................................................................ 88 3.3.3. Potenciales de reducción ..................................................................................................... 89

3.4. Velocidad de corrosión ..................................................................................................................... 90 3.4.1. Polarización ................................................................................................................................ 91 3.4.2. Pasivación .................................................................................................................................... 92 3.4.3. Otros factores ............................................................................................................................ 93

3.5. Métodos de protección contra la corrosión ....................................................................... 93 3.5.1. Diseño y selección de materiales ...................................................................................... 93 3.5.2. Recubrimientos ......................................................................................................................... 93 3.5.3. Inhibidores ................................................................................................................................. 95 3.5.4. Protección anódica ................................................................................................................. 95 3.5.5. Protección catódica ................................................................................................................ 95

3.6. Ensayos de corrosión .......................................................................................................................... 96 3.6.1. Ensayos atmosféricos ............................................................................................................. 96 3.6.2. Ensayos acelerados ................................................................................................................. 97

Resumen ..................................................................................................................................................................... 99Ejercicios propuestos ......................................................................................................................................... 99Práctica n.º 4 ............................................................................................................................................................ 100Práctica n.º 5 ............................................................................................................................................................ 102Práctica n.º 6 ............................................................................................................................................................ 103Actividades de autoevaluación ................................................................................................................... 104

4. METALOGRAFÍA ..................................................................................................................................................... 107

Objetivos .................................................................................................................................................................... 107Mapa conceptual ................................................................................................................................................ 108Glosario ....................................................................................................................................................................... 1084.1. Introducción ............................................................................................................................................. 1094.2. Etapas del ensayo metalográfico ................................................................................................. 109

4.2.1. Muestreo ...................................................................................................................................... 109 4.2.2. Corte .............................................................................................................................................. 110 4.2.3. Montaje ........................................................................................................................................ 111 4.2.4. Desbaste ...................................................................................................................................... 112 4.2.5. Pulido ............................................................................................................................................ 113 4.2.6. Ataque .......................................................................................................................................... 115

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4.2.7. Observación .............................................................................................................................. 1164.2.8. Determinación del tamaño de grano ............................................................................... 118

Resumen ..................................................................................................................................................................... 120Ejercicios propuestos ......................................................................................................................................... 120Práctica n.º 7 ............................................................................................................................................................ 121Actividades de autoevaluación ................................................................................................................... 122

5. METALES Y ALEACIONES. ACERO ............................................................................................................... 125

Objetivos .................................................................................................................................................................... 125Mapa conceptual ................................................................................................................................................ 126Glosario ....................................................................................................................................................................... 1275.1. Introducción ............................................................................................................................................. 1275.2. Propiedades de metales y aleaciones ...................................................................................... 1275.3. Procesado de metales y aleaciones .......................................................................................... 1285.4. Aleaciones férreas. Acero ................................................................................................................ 130

5.4.1. Diagrama hierro-carbono ...................................................................................................... 1315.4.2. Aceros .......................................................................................................................................... 1355.4.3. Fundiciones ................................................................................................................................ 1375.4.4. Tratamientos térmicos y termoquímicos de los aceros ............................................ 138

5.5. Aleaciones no férreas ......................................................................................................................... 1435.5.1. Aleaciones de cobre .............................................................................................................. 1445.5.2. Aleaciones de aluminio ......................................................................................................... 1445.5.3. Aleaciones de estaño ............................................................................................................. 1455.5.4. Aleaciones de plomo ............................................................................................................ 1455.5.5. Aleaciones de cinc ................................................................................................................. 1455.5.6. Aleaciones de níquel ............................................................................................................. 1465.5.7. Aleaciones de cromo ............................................................................................................. 1465.5.8. Aleaciones de titanio ............................................................................................................. 1465.5.9. Aleaciones de magnesio ....................................................................................................... 146

5.6. Ensayos físicos de metales y aleaciones .................................................................................. 1475.6.1. Ensayos destructivos .............................................................................................................. 1475.6.2. Ensayos tecnológicos ............................................................................................................. 1515.6.3. Ensayos no destructivos ........................................................................................................ 152

Resumen ..................................................................................................................................................................... 155Ejercicios propuestos ......................................................................................................................................... 155Práctica n.º 8 ............................................................................................................................................................ 156Práctica n.º 9 ............................................................................................................................................................ 157Actividades de autoevaluación ................................................................................................................... 158

6. POLÍMEROS .............................................................................................................................................................. 161

Objetivos .................................................................................................................................................................... 161Mapa conceptual ................................................................................................................................................ 162Glosario ....................................................................................................................................................................... 1636.1. Introducción ............................................................................................................................................. 1636.2. Propiedades químicas, mecánicas y térmicas de los polímeros .............................. 1646.3. Clasificación de los polímeros ....................................................................................................... 165

6.3.1. Según su composición .......................................................................................................... 1666.3.2. Según su origen ........................................................................................................................ 1666.3.3. Según su comportamiento térmico y mecánico ......................................................... 167

9Ensayos físicos

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6.4. Conformado de polímeros .............................................................................................................. 1716.5. Ensayos de polímeros ......................................................................................................................... 173

6.5.1. Ensayo de tracción (UNE-EN ISO 6259-1) ............................................................................... 173 6.5.2. Termofluencia (ISO 899-1:2003) ........................................................................................ 174 6.5.3. Ensayo de compresión (UNE-EN ISO 604:2003) ........................................................ 174 6.5.4. Ensayo de flexión (UNE-EN ISO 178:2011) ................................................................... 175 6.5.5. Ensayo de dureza (ISO 868:2003) .................................................................................... 175 6.5.6. Ensayos de impacto ............................................................................................................... 175 6.5.7. Retracción longitudinal (UNE-EN ISO 2505:2006) ...................................................... 177 6.5.8. Ensayo de reblandecimiento de Vicat (UNE-EN 727:1995) ................................... 177 6.5.9. Ensayo de presión interna (UNE-EN 1167-1:2006) ..................................................... 1776.5.10. Ensayo de calorimetría ........................................................................................................... 1776.5.11. Ensayo de índice de fluidez (UNE-EN ISO 1133-1:2011) ....................................... 1786.5.12. Ensayo de absorción de agua (UNE-EN ISO 62:2008) ............................................. 1796.5.13. Ensayos de densidad y viscosidad .................................................................................. 179

6.6. Reciclaje de polímeros ....................................................................................................................... 180 6.6.1. Reciclado mecánico ............................................................................................................... 180 6.6.2. Reciclado químico .................................................................................................................. 180

Resumen ..................................................................................................................................................................... 183Ejercicios propuestos ......................................................................................................................................... 183Práctica n.º 10 ......................................................................................................................................................... 185Práctica n.º 11 ......................................................................................................................................................... 186Actividades de autoevaluación ................................................................................................................... 187

7. CERÁMICOS. VIDRIO ........................................................................................................................................... 189

Objetivos .................................................................................................................................................................... 189Mapa conceptual ................................................................................................................................................ 190Glosario ....................................................................................................................................................................... 1907.1. Definición, composición y clasificación ................................................................................... 1917.2. Estructura .................................................................................................................................................... 192

7.2.1. Estructuras cristalinas características ................................................................................. 192 7.2.2. Estructuras formadas por silicatos ..................................................................................... 193 7.2.3. Estructuras derivadas del carbono.................................................................................... 194

7.3. Diagramas de fases ................................................................................................................................ 1947.4. Propiedades físicas y mecánicas de los materiales cerámicos .................................. 195

7.4.1. Propiedades térmicas............................................................................................................. 195 7.4.2. Propiedades eléctricas .......................................................................................................... 195 7.4.3. Propiedades mecánicas ........................................................................................................ 196

7.5. Fabricación y conformación ........................................................................................................... 196 7.5.1. Conformación ............................................................................................................................ 197

7.6. Vidrio ............................................................................................................................................................. 198 7.6.1. Composición, tipos y propiedades ................................................................................. 199 7.6.2. Fabricación y conformado del vidrio .............................................................................. 201

7.7. Ensayos de materiales cerámicos ................................................................................................ 203 7.7.1. Ensayos de materiales cerámicos de construcción .................................................... 203 7.7.2. Ensayos del vidrio .................................................................................................................... 208

7.8. Reciclaje de cerámicos ....................................................................................................................... 211Resumen ..................................................................................................................................................................... 213Ejercicios propuestos ......................................................................................................................................... 213Práctica n.º 12 ......................................................................................................................................................... 214

10 Ensayos físicos

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Práctica n.º 13 ......................................................................................................................................................... 214Actividades de autoevaluación ................................................................................................................... 215

8. CEMENTOS Y SUS DERIVADOS .................................................................................................................... 219

Objetivos .................................................................................................................................................................... 219Mapa conceptual ................................................................................................................................................ 220Glosario ....................................................................................................................................................................... 2208.1. Introducción ............................................................................................................................................. 2218.2. Composición, propiedades y clasificación ............................................................................ 222

8.2.1. Composición del cemento .................................................................................................. 2228.2.2. Propiedades del cemento y sus derivados ................................................................... 2238.2.3. Clasificación del cemento .................................................................................................... 224

8.3. Obtención y fabricación del cemento .................................................................................... 2268.4. Hormigón .................................................................................................................................................... 228

8.4.1. Composición ............................................................................................................................. 2288.4.2. Tipos de hormigón .................................................................................................................. 2308.4.3. Proceso de fabricación del hormigón ............................................................................. 232

8.5. Morteros ...................................................................................................................................................... 2338.5.1. Tipos de morteros.................................................................................................................... 234

8.6. Ensayos físicos de cemento y derivados ................................................................................ 2348.6.1. Ensayos de cementos ............................................................................................................ 2348.6.2. Ensayos de hormigón ............................................................................................................. 2388.6.3. Ensayos de morteros .............................................................................................................. 241

8.7. Reciclaje de cemento y derivados.............................................................................................. 244Resumen ..................................................................................................................................................................... 246Ejercicios propuestos ......................................................................................................................................... 246Práctica n.º 14 ......................................................................................................................................................... 247Práctica n.º 15 ......................................................................................................................................................... 248Actividades de autoevaluación ................................................................................................................... 249

9. MATERIALES COMPUESTOS ........................................................................................................................... 251

Objetivos .................................................................................................................................................................... 251Mapa conceptual ................................................................................................................................................ 252Glosario ....................................................................................................................................................................... 2529.1. Introducción ............................................................................................................................................. 253

9.1.1. Matrices ........................................................................................................................................ 2549.1.2. Refuerzos ..................................................................................................................................... 2579.1.3. Propiedades mecánicas de los materiales compuestos .......................................... 257

9.2. Materiales compuestos reforzados con fibras (CFR) ...................................................... 2589.2.1. Fibras. Tipos de fibras ............................................................................................................ 2589.2.2. Propiedades de las fibras que se utilizan en los materiales compuestos ......... 2599.2.3. Influencia de la longitud de la fibra .................................................................................. 2609.2.4. Influencia de la orientación y de la concentración de la fibra ............................... 2609.2.5. Principales materiales compuestos reforzados con fibras ...................................... 2619.2.6. Procesos de fabricación ........................................................................................................ 262

9.3 Maderas y derivados ............................................................................................................................ 2639.3.1. Composición y clasificación ................................................................................................ 264

11Ensayos físicos

índicE

9.4. Papel .............................................................................................................................................................. 2669.4.1. Composición y clasificación ................................................................................................ 2679.4.2. Reciclaje del papel .................................................................................................................. 269

9.5. Asfaltos. Mezcla asfáltica .................................................................................................................. 2699.5.1. Composición y clasificación de asfaltos ......................................................................... 2709.5.2. Mezcla asfáltica ........................................................................................................................ 271

9.6. Ensayos de materiales compuestos ........................................................................................... 2739.6.1. Ensayos de materiales reforzados con fibras................................................................ 2739.6.2. Ensayos de madera y derivados ........................................................................................ 2769.6.3. Ensayos del papel ................................................................................................................... 2829.6.4. Ensayos sobre mezclas asfálticas ...................................................................................... 285

Resumen ..................................................................................................................................................................... 291Ejercicios propuestos ......................................................................................................................................... 291Práctica n.º 16 ......................................................................................................................................................... 293Práctica n.º 17 ......................................................................................................................................................... 293Actividades de autoevaluación ................................................................................................................... 294

1

Introducción al estudio de la materia

y de los materiales

3 Reflexionar sobre la composición de la materia y de los materiales.3 Relacionar la estructura y los enlaces con las propiedades físicas.3 Conocer estructuras cristalinas de metales.3 Realizar cálculos de propiedades macroscópicas empleando variables

microscópicas (celdillas unidad y diagramas de fase).

Objetivos

16 ensaYOs FÍsICOs

CaPÍtULO 1

Mapa conceptual

Materia y materiales

INTRODUCCIÓN AL ESTUDIO DE LA MATERIA Y DE LOS MATERIALES

Covalentes moleculares. Fuerzas

intermoleculares

Covalentes atómicos

Enlaces

Átomos y moléculas

Diagramas de fase

Estados de agregación

Sólidos cristalinos

Iónico

Modelos atómicos

Tabla periódica

Isomórficos

Eutécticos

Covalente

Metálico

Sólido

Líquido

Plasma y fluidos supercríticos

Estructuras cristalinas en metales

Gaseoso

Celda unidad

Cambios de estado

Defectos cristalinos

17IntrODUCCIÓn aL estUDIO De La materIa Y De LOs materIaLes

CaPÍtULO 1

1.1. Introducción

Se define como materia todo aquello que tiene masa, volumen y está sometido a una inercia, mientras que material es el conjunto de mate-ria con unas propiedades características que lo hacen apto para una finalidad concreta.

Estas propiedades no solo dependen de la composición química del material, sino también de la disposición geométrica de los átomos, de las interacciones que existen entre ellos y de las interacciones entre las moléculas que lo constituyen.

1.2. El átomo y las moléculas

El átomo, que por definición sería la parte más pequeña e indivisible de la materia, sí es divisi-ble, ya que está compuesto por partículas menores, aunque estas no tienen propiedades químicas definidas mientras que el átomo sí.

Las moléculas son el conjunto de átomos unidos por un enlace covalente y que forman un sistema estable.

Los átomos están formados por un núcleo central donde se encuentran los protones y los neutrones, los primeros de carga positiva (1,6 · 10–19 C), y los segundos eléctricamente neutros,

Figura 1.1Materiales diversos

Aleación. Mezcla homogénea de dos o más metales, o de uno o varios metales con ele-mentos no metálicos que conservan las propiedades de los metales: brillo metálico, alta conducción térmica y eléctrica.

Capa de valencia. Electrones más externos de un átomo responsables de la interacción de este con otros átomos.

Cuanto de energía. Cantidad concreta de energía que un sistema puede intercambiar con su entorno.

Elemento químico. Sustancia constituida por átomos de la misma especie que no pue-de descomponerse en otra más sencilla.

Esfuerzo cortante. Esfuerzo resultante de tensiones paralelas al sistema estudiado.

Recocido. Tratamiento térmico de metales empleado para eliminar tensiones internas. Consiste en calentar hasta una cierta temperatura y después enfriar lentamente.

Glosario

18 Ensayos físicos

capítulo 1

es decir, sin carga. El núcleo aparece rodeado por lo que se conoce como una nube electrónica, donde los electrones se encuentran en continuo movimiento. Los electrones tienen igual carga que los protones pero de signo contrario, en este caso la carga es negativa, de ahí que un átomo con igual número de electrones que protones resulte ser un átomo neutro. Un mayor número de electrones respecto al número de protones da lugar a aniones o átomos con carga negativa, mientras que en caso contrario se habla de cationes o átomos de carga positiva.

Una vez conocido el reparto de la carga en el átomo, se expondrá lo que ocurre con la masa. En este caso, prácticamente toda la masa del átomo está en el núcleo, ya que la masa de los electrones resulta insignificante frente a la masa de los protones y neutrones (1,67 · 10–27 kg). Por lo expuesto se deduce que, conocido el número de partículas que conforman el núcleo, se puede conocer fácilmente su masa.

Cada elemento químico se caracteriza por dos valores:

l El número atómico, Z: es el número de protones del núcleo. En el caso de un elemento neutro, el número atómico coincide también con el número de electrones; no sucede así para aniones y cationes, donde el número de electrones varía respecto a Z.

l El número másico, A: es la masa atómica de un átomo que, como se expuso anterior-mente, se expresa como la suma de las masas de protones y neutrones que conforman el núcleo. Cabe señalar que el número de protones es el mismo para los átomos de un mismo elemento, pero el número de neutrones puede variar, haciéndolo entonces su masa atómica. Los átomos de un mismo elemento con distinta masa atómica se conocen como isótopos. El peso atómico que aparece en el sistema periódico para un elemento no es más que una media ponderada de cada una de las masas de los distintos isótopos de un elemento en función de su abundancia relativa en la naturaleza. Para cualquier peso atómico se utiliza el concepto de unidad de masa atómica (UMA). El peso atómico también se puede expresar por mol (6,022 · 1023 partículas), correspondiéndose con el peso del átomo en UMA pero en este caso en g/mol.

1.2.1. Modelo atómico de Bohr

Bohr se basó en el átomo de hidrógeno para hacer el modelo que lleva su nombre. Construyó un modelo capaz de explicar la estabilidad de la materia y los es-pectros de emisión y absorción de los gases. Describió el átomo de hidrógeno con un protón en el núcleo, y un electrón girando a su alrededor en órbitas circu-lares lo más próximo al núcleo que sea posible. Estas órbitas circulares tienen una energía específica y pue-den identificarse mediante números enteros llamados número cuántico principal (figura 1.2). De acuerdo con el número cuántico principal calculó las distancias a las cuales se hallaba cada una de las órbitas permiti-das con respecto al núcleo. Estas órbitas pueden ser ocupadas por el electrón que va pasando de unas a otras emitiendo o absorbiendo energía en forma de radiación.

Figura 1.2 Modelo atómico de Bohr en el que se observa un electrón pasando a otro nivel superior después de absorber un cuanto de energía según la ecuación de Planck

19IntroduccIón al estudIo de la materIa y de los materIales

capítulo 1

1.2.2. Modelo de la mecánica ondulatoria

La solución a las deficiencias del modelo de Bohr (órbitas circulares) fue aportada por el mo-delo de la mecánica ondulatoria (Schrödinger), donde se considera el electrón como una dua-lidad onda-partícula a la que se aplican las ecuaciones de la mecánica ondulatoria. Este modelo permite que el electrón ocupe un espacio tridimensional, cambiando los orbitales discretos por la probabilidad de encontrar el electrón en una zona alrededor del núcleo (nube electrónica de probabilidad). A partir de aquí se necesitan cuatro números cuánticos para describir la energía y la posición del electrón y no únicamente el número cuántico principal “n” del modelo de Bohr. La descripción de los átomos mediante la mecánica ondulatoria está basada en el cálculo de las soluciones de la ecuación de Schrödinger, que permite obtener los otros números cuánticos para los electrones. Así, además del número cuántico “n” o principal descrito ya en el modelo anterior, se tiene:

l Número cuántico del momento angular orbital (l): describe la forma del orbital atómico. Puede tomar valores naturales desde 0 hasta n–1 (siendo n el valor del número cuántico principal). Por ejemplo, si n = 5, los valores de l pueden ser l = 0, 1, 2, 3, 4.

l = 0 orbital s.l = 1 orbital p.l = 2 orbital d.l = 3 orbital f.

l Número cuántico magnético (m): determina la orientación espacial del orbital. Se denomina magnético porque esta orientación espacial acostumbra a definirse en relación con un campo magnético externo. Puede tomar valores enteros desde –l hasta +l. Por ejemplo, si l = 2, los valores posibles para m son –2, –1, 0, 1, 2.

l Número cuántico de espín (s): solo puede tomar dos valores: +1/2 y –1/2.

Los números cuánticos se corresponden con el nivel del orbital que ocupan los electrones. Así, un orbital con un número cuántico principal menor tie-ne menos energía; por ejemplo, un 1s tendría menos energía que un 2s. Dentro del mismo nivel la ener-gía de los orbitales aumenta con el número cuántico secundario l; así un orbital 3d tendrá mayor energía que un orbital 3p. Aun así, y según estas reglas, se pue-den encontrar ciertas excepciones y comprobar, por ejemplo, que un nivel 4s tiene una energía menor que un 3d. Es posible conocer perfectamente el aumento de energía en los orbitales siguiendo el diagrama de Moeller (figura 1.3).

Además de la clasificación energética de los dis-tintos orbitales, que indica cómo se irán ocupando con los electrones, habrá que tener en cuenta el prin-cipio de exclusión de Pauli: cada estado electrónico solo puede estar ocupado por dos electrones que tendrán espines opuestos.

Figura 1.3 Diagrama de Moeller que rige

la distribución de los electrones en los orbitales

20 Ensayos físicos

capítulo 1

Cuando todos los electrones ocupan las energías más bajas de todas las posibles, se dice que el átomo está en estado fundamental y son posibles las transiciones de los electrones a estados energéticos superiores, absorbiendo energía.

Entre los electrones que ocupan los distintos orbitales hay que destacar los llamados electro-nes de valencia, que son aquellos que ocupan los niveles más externos y que son responsables de los enlaces entre los átomos. Así, por ejemplo, los átomos que presentan los niveles más externos completamente llenos son átomos estables que no reaccionan (gases nobles). Los átomos que no tienen los niveles de valencia llenos adquieren la configuración estable ganando, perdiendo o compartiendo electrones. Ello da lugar a los distintos tipos de enlace que se analizarán en un apartado posterior.

1.2.3. Tabla periódica

La tabla periódica es una clasificación de los elementos en función de sus propiedades y ca-racterísticas. En ella los elementos se distribuyen en orden creciente de sus números atómicos.

En la tabla se denomina periodos a las filas y grupos a las columnas. Todos los elementos que pertenecen al mismo grupo tienen idéntica configuración electrónica en la capa de valencia y por lo tanto una reactividad similar. Los elementos del mismo periodo tienen el mismo número de niveles energéticos.

En función de la posición de un elemento en la tabla o sistema periódico se pueden cono-cer algunas de sus propiedades más importantes, como su radio atómico, afinidad electrónica, energía de ionización, electronegatividad, etc.

l Radio atómico. Se define como la distancia media entre dos núcleos de átomos iguales unidos entre sí por un enlace atómico.

En un grupo cualquiera, el radio atómico aumenta de arriba abajo, ya que crece el número de capas electrónicas (cantidad de niveles de energía).

En los periodos, el radio atómico disminuye hacia la derecha debido a la mayor atracción que ejerce el núcleo sobre los electrones de los orbitales más externos a causa de la mayor densidad eléctrica al aumentar el número de protones y de electrones.

l Energía de ionización. Es la energía que hay que suministrar a un átomo neutro, gaseoso y en estado fundamental para arrancarle el electrón menos retenido por el núcleo.

A lo largo de un periodo (de izquierda a derecha) disminuye el radio atómico y au-menta la atracción que el núcleo ejerce sobre los electrones. Esto implica que la energía de ionización aumenta de derecha a izquierda dentro del mismo periodo.

En los elementos del mismo grupo, la energía de ionización disminuye de arriba abajo, ya que aumenta el número de niveles energéticos y disminuye la atracción del núcleo por los electrones más externos.

l Electronegatividad. Es la facilidad que tiene un átomo para atraer hacia sí la nube electró-nica cuando forma enlaces con otros átomos.

La electronegatividad aumenta de izquierda a derecha en los periodos y de abajo arriba en los grupos. Según esto, se puede comprobar que el F es el elemento más elec-tronegativo.

21IntroduccIón al estudIo de la materIa y de los materIales

capítulo 1

1.3. Enlaces químicos

Los enlaces químicos son la fuerza que mantiene unidos los átomos que surgen al ceder o compartir electrones entre sí con el fin de lograr una estructura más estable. De esta manera los átomos pueden formar moléculas, sólidos moleculares y cristales. La formación de enlaces libera energía, mientras que el proceso contrario necesita energía y se conoce como entalpía de enlace, que separa los átomos que lo conforman. Cuando dos átomos forman un enlace, estos pueden ganar, perder (enlace iónico) o compartir (covalente) electrones con la intención de completar su capa de valencia y adquirir una configuración electrónica como los gases nobles.

Se clasifican en tres tipos: enlace iónico, enlace covalente y enlace metálico.

1.3.1. Enlace iónico

El enlace iónico es un enlace entre un metal (elemen-to con facilidad para perder electrones) y un no metal (que tiende a ganar algún electrón para completar su capa más externa). En él, uno o más electrones se trans-fieren del elemento electropositivo al electronegativo.

Los compuestos iónicos forman estructuras crista-linas muy estables y el proceso se puede estudiar por etapas mediante el ciclo de Born-Haber (figura 1.4).

Como ambos iones tienen cargas netas de signo opuesto, la interacción es de atracción. Como resulta-do, los dos iones tienen menor energía cuando están juntos (interaccionando) que cuando están separados, por lo que se produce el enlace químico.

Las propiedades de los compuestos iónicos son:

l Todos los compuestos iónicos son sólidos a temperatura ambiente, debido a la elevada energía reticular.

l Presentan alta dureza (resistencia a ser rayados), ya que para rayar el cristal iónico hay que romper muchos enlaces de bastante energía. La dureza aumenta con el valor absoluto de la energía reticular.

l Presentan elevados puntos de fusión, debido a las intensas fuerzas electrostáticas presentes en el sólido; a mayor valor absoluto de la energía de red, mayor temperatura de fusión.

l Los puntos de ebullición también son elevados, son sustancias poco volátiles.l Son malos conductores de la electricidad en estado sólido debido a que los iones no

pueden desplazarse en la red cristalina. l En estado fundido y en disolución son buenos conductores de la electricidad, ya que

cuando la red cristalina se funde o se disuelve en líquidos polares los iones quedan libres para moverse.

l Son muy solubles en disolventes polares, como el agua.

Los compuestos iónicos forman cristales constituidos por distintas celdas unidad que man-tienen unas características comunes:

Figura 1.4 Ciclo Born-Haber

para formación de NaCl

22 Ensayos físicos

capítulo 1

l Tanto el catión como el anión dispuestos en la estructura tratan de tener el mayor nú-mero de coordinación posible, esto es, estar rodeados los cationes del mayor número de aniones posible y viceversa.

l Se trata de optimizar la atracción de cargas distintas reduciendo las distancias, y asimismo reducir la repulsión entre cargas iguales aumentando la distancia entre estas.

l La proporción cationes/aniones vendrá dada por la relación entre el metal y el no metal en el compuesto y se conoce como número de coordinación.

En el cuadro 1.1 se muestra la estructura cristalina de algunos compuestos iónicos con sus índices de coordinación.

En la figura 1.5 se pueden observar dos estructuras típicas y representativas de compuestos iónicos.

1.3.2. Enlace covalente

El enlace covalente se define como la unión entre dos átomos que comparten dos o más elec-trones de su capa externa con objeto de formar una molécula estable. A diferencia de lo que pasa en un enlace iónico, donde se produce la transferencia de electrones de un átomo a otro, en el enlace covalente los electrones de enlace son compartidos por ambos átomos. Entre los dos

Tipo de red Índice de coordinación Compuestos

Cúbica centrada en el cuerpo 8 CsCl, CsBr, Csl

Cúbica centrada en las caras 6 NaCl, NaBr, Nal, MgO

Tetraédrica 4 ZnS, BeS

Tipo fluorita Catión = 8Anión = 4

CaF2, BaCl2

Tipo rutilo Catión = 6Anión = 3

SnO2, PbO2

Cuadro 1.1 Estructura de compuestos iónicos

Figura 1.5 Estructuras del NaCl y CsClNaCl CsCl

23IntroduccIón al estudIo de la materIa y de los materIales

capítulo 1

átomos pueden compartir uno, dos o tres pares de electrones, lo cual dará lugar a la formación de un enlace simple, doble o triple.

En ocasiones, la idea expuesta anteriormente de compartir electrones es insuficiente para predecir la geometría molecular de algunas moléculas covalentes, lo que hace necesario ampliar el modelo de enlace de valencia e introducir el concepto de hibridación de orbitales atómicos.

Así, la hibridación de orbitales atómicos fue postulada por Pauling en 1931 para poder ex-plicar la geometría experimental de algunas moléculas. Considera que los orbitales atómicos se pueden combinar entre ellos (las funciones matemáticas de los orbitales atómicos) para dar lugar a unos orbitales híbridos que son el resultado de dicha combinación. Se obtienen tantos orbitales híbridos como orbitales atómicos se combinen.

Cabe destacar que el átomo que se hibrida es el átomo central. Los otros átomos enlazados a este lo hacen, generalmente, con su orbital atómico correspondiente sin hibridar, salvo en el caso de los enlaces carbono-carbono.

Los orbitales híbridos más generalizados son los siguientes: sp, sp2, sp3, sp3d y sp3d2. En función de la hibridación y tipo de molécula se puede tener una idea clara de la geometría y propiedades de las moléculas tal y como se muestra en el cuadro 1.2.

Dentro de los enlaces covalentes pueden encontrarse dos tipos:

l Enlace covalente polar. Se origina cuando uno de los átomos atrae con mayor fuerza los electrones de enlace. Se da por lo tanto entre elementos de distinta electronegatividad, como resultado se origina una molécula con parte negativa, próxima al elemento más electronegativo, y otra parte positiva (dipolo).

l Enlace covalente apolar. Se produce cuando ambos átomos disponen de la misma fuerza de atracción de los electrones hacia el núcleo.

Hibridación Pares e–

solitariosPares e–

enlace Ángulo Ejemplo Geometría molecular

sp 0 2 180º BeH2 Lineal

sp2 0 3 120º BH3 Trigonal plana

sp2 1 2 <120º SO2 Angular

sp3 0 4 109º CH4 Tetraédrica

sp3 1 3 <109º NH3 Pirámide trigonal

sp3 2 2 <109º H2O Angular

sp3d 0 5 90º, 120º PCl5 Bipirámide trigonal

sp3d 1 4 90º, 120º SF4 Tetraedro distorsionado

sp3d2 0 6 90º SF6 Octaédrica

sp3d2 1 5 <90º ClF5 Pirámide cuadrada

sp3d2 2 4 <90º XeF4 Plano-cuadrada

Cuadro 1.2 Geometría molecular

24 Ensayos físicos

capítulo 1

En todo caso, el que una molécula tenga enlaces polares no significa que sea polar, ya que los dipolos se pueden anular por simetría. Un ejemplo de esto es el CCl4, en el que hay cuatro enlaces C-Cl pero el resultado final es una molécula apolar.

Si se habla de las propiedades de las sustancias covalentes, se debe diferenciar entre las sus-tancias covalentes moleculares y las sustancias covalentes atómicas, o de redes covalentes.

A) Sustancias covalentes moleculares

Están formadas por moléculas individuales que únicamente establecen entre sí fuerzas dé-biles que se denominan fuerzas intermoleculares. El tipo de fuerza intermolecular condiciona las propiedades que presentan estas sustancias.

Los tipos de fuerzas intermoleculares son:

l Fuerzas dipolo inducido o de London. Se trata de una fuerza atractiva que se da entre mo-léculas no polares, como el tetracloruro de carbono o el borano. Son fuerzas bastante débiles, producidas por la distribución de densidad electrónica no uniforme en una molécula apolar. Se provoca así una autopolarización en la molécula creando un dipolo capaz de interaccionar con otros igualmente formados en moléculas vecinas. Son co-nocidas como fuerzas de dispersión, fuerzas de dispersión de London, fuerzas de Van der Waals o interacciones dipolo-inducido. Este fenómeno aumenta con el tamaño de la molécula al estar la nube electrónica más alejada de los núcleos. Son fuerzas muy débiles pero son responsables del estado líquido en gases nobles y moléculas apolares.

l Fuerzas dipolo-dipolo. Son las fuerzas intermoleculares que se dan entre moléculas polares y se conocen como atracciones dipolo-dipolo. Se trata de una interacción entre dos moléculas polares o dos grupos polares de la misma molécula (moléculas grandes), en las que la parte positiva atrae a la negativa. Son interacciones similares a las iónicas, pero más débiles con valores com-prendidos entre 0,1 y 30 kJ/mol, debido a que poseen solamente cargas parciales.

l Fuerzas de puente hidrógeno. Un caso particular de las fuerzas intermoleculares dipolo-dipolo es el que se da entre el hidrógeno y elementos pequeños y electronegativos como F, O y N. Estas interacciones se conocen como enlace de hidrógeno o puentes de hidrógeno (figura 1.6). Son las responsables de que los puntos de fusión y de ebullición de sustancias como el agua o el fluoruro de hidrógeno sean muy elevados en relación con sus pesos moleculares.

Las propiedades de las sustancias moleculares covalentes son:

l Generalmente están formadas por elementos no metálicos.l Existen compuestos gaseosos, líquidos y sólidos, pero los sólidos son frágiles y quebradi-

zos, o blandos y de aspecto céreo.

Figura 1.6 Moléculas de agua enlazadas por puentes de hidrógeno