Impacto de los enlaces en las propiedades de los materiales

Impacto de los enlaces en las propiedades de los materiales

Introducción

Las propiedades de cada material dependen de su composición química pero también de su estructura interna, involucrando átomos y su arreglo para formar cristales, moléculas y microestructuras. La materia es la sustancia de la que están hechas las cosas. Toda la materia pesa y ocupa un lugar en el espacio. El material es toda materia que nos sirve para construir objetos. Sabemos que toda la materia esta constituida por unidades pequeñas llamadas átomos, estos intervienen en las reacciones químicas. Los átomos interactúan entre si en ciertas combinaciones a partir de las cuales forman moléculas, estas moléculas se mantienen juntas por que los electrones de valencia de los átomos que se combinan originan fuerzas de atracción, a esto se denomina enlaces químicos, entre los núcleos de los átomos. Por lo que, la valencia es el numero de enlaces que es capaz de formar al combinarse con otros elementos. Es pues una característica del átomo de un determinado elemento, independiente del compuesto del que forma parte. Dado que para la formación de un enlace químico se requiere energía, cada enlace posee cierta cantidad de energía química potencial.  La estructura de los materiales es el modo en que se enlazan, ordenan y manifiestan sus componentes a distintas escalas de observación. Cuando esta estructura es analizada a escala microscópica se le conoce como microestructura. Por lo que podemos mencionar que las propiedades de la materia son aquellas características químicas y físicas que la componen y describen.

Desarrollo del tema

La estructura de los materiales comienza con las partículas subatómicas las cuales son los electrones que contiene energía negativa, los protones contienen energía positiva y los neutrones que contienen una energía neutra. Estas tres partículas subatómicas conforman los átomos, el núcleo de los átomos contienen protones y neutrones mientras que los electrones se mantienen alrededor del núcleo por medio de la atracción electrostática. Es aquí donde entran los enlaces los cuales se definen como la fuerza existente entre los átomos para formar compuestos (moléculas). El enlace químico que une a dos átomos (corto alcance) depende del tipo de elementos enlazados y el numero de electrones de valencia disponibles. Cuando hay electrones extra, en número suficiente para unir a más átomo, ese mismo tipo de enlace se extiende hacia otros átomos vecinos y puede alcanzar a los que se encuentren más alejados (largo alcance). El tipo de enlace que mantiene unidos a los átomos, iones o moléculas de una sustancia determina las propiedades que la caracterizan; entre estas se destaca el estado de agregación, condiciones normales de temperatura y presión. Las propiedades y características de los materiales dependen del tipo de átomos que contienen, la estructura que adoptan y las fuerzas químicas que los enlazan. Los enlaces primarios son:

• Enlace metálico: este sucede con metal + metal. Los elementos metálicos tienen átomos electropositivos que donan sus electrones de valencia para formar un mar de electrones que rodean los átomos. Los electrones de valencia se mueven con libertad dentro de infinidad de electrones y se asocian con varias partes centrales de átomos. Las partes centrales de iones con carga positiva se mantienen unidas por medio de la atracción mutua al electrón, por lo que producen un enlace metálico fuerte. Los metales muestran buena ductilidad dado que los enlaces metálicos son no direccionales. Existen razones relacionadas con la microestructura que pueden explicar por que los metales exhiben resistencias mas bajas y ductilidad más alta que lo que puede anticiparse a partir de su enlazamiento. En general los puntos de fusión de los metales son mas relativamente altos. Debido a su carácter electropositivo, varios metales tienden a experimentar corrosión u oxidación. Muchos metales puros son buenos conductores de calor y se usan de manera eficaz en muchas aplicaciones de transferencias de calor. El enlace metálico es uno de los factores en los esfuerzos que se lleva a cabo para racionalizar las tendencias observadas con respecto a las propiedades de los materiales metálicos.
• Enlace covalente:  No metal+ No metal. Los materiales con enlace covalente se caracterizan por enlaces que forman por medio de la comparación de los electrones de valencia entre dos o mas átomos. Para que se forme este enlace los átomos deben arreglarse de tal manera que se tengan relación direccional, se refiere a que los enlaces entre los átomos de un material enlazado de manera covalente forman ángulos específicos que dependen del material. Los enlaces covalentes son muy fuertes esto causa que los materiales sean muy resistentes y duros. Un ejemplo es el diamante, el carburo de silicio, el nitruro de silicio y el nitruro de boro. Estos materiales también exhiben puntos de fusión muy altos, lo cual significa que deben ser útiles en aplicaciones a altas temperaturas, tienen ductilidad limitada, debido a que los enlaces tienden a ser direccionales. Muchos materiales tienen poca conductividad eléctrica, pero algunos materiales como el Si pueden obtener niveles útiles y controlados de conductividad eléctrica si se les introducen de manera deliberada pequeños niveles de otros elementos conocidos como dopantes. Los polímeros conductores también son un buen ejemplo de materiales enlazados de manera covalente que pueden convertirse en materiales semiconductores.
• Enlace iónico: Metal + No metal. Cuando esta presente mas de un tipo de átomo en un material, uno de ellos puede donar electrones de valencia a un átomo distinto para llenar la capa de energía externa del segundo átomo. Ambos átomos tienen ahora niveles de energía externos llenos, pero han adquirido una carga eléctrica y se comportan como iones. Al átomo que aportan los electrones y que se queda con una carga neta positiva se le llama catión, mientras que al átomo que acepta los electrones y adquiere una carga neta negativa se le llama anión. Entonces, los iones con carga opuesta son atraídos entre sí y producen el enlace iónico.

La combinación (composición- enlace- estructura-propiedades) determina que los materiales sean especialmente útiles o únicos para desempeñar tareas específicas.[pic 1]

 Las estructuras moleculares son un arreglo tridimensional de átomos bien definidos que posee movimiento traslacional, rotacional y vibracional. Las estructuras moleculares tienen tres características: la constitución señala la forma y secuencia de unión de los átomos, la configuración indica el arreglo espacial de los núcleos y la conformación precisa el numero de arreglos espaciales posibles que resultan de la rotación de un grupo de átomos sobre un enlace sencillo.

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