Sesion 1 Properties Students

8/17/2019 Sesion 1 Properties Students

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PROPIEDADESRespuesta de un material a la acción de un agente externo, que sea medible.Ejemplos

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1 Propiedades mecánicas:

Describen la forma en que un material soporta fuerzas aplicadas, incluyendo

fuerzas de tensión, compresión, impacto, cíclicas o de fatiga, o fuerzas a altas

temperaturas. continuación, se definen las que mencionaremos m!sadelante:

" #enacidad: Es la propiedad que tienen ciertos materiales de soportar, sin

deformarse ni romperse, los esfuerzos bruscos que se les apliquen.

" Elasticidad: $onsiste en la capacidad de algunos materiales para recobrar su

forma y dimensiones primiti%as cuando cesa el esfuerzo que &abía determinado

su deformación.

" Dureza: Es la resistencia que un material opone a la penetración.

" 'ragilidad: (n material es fr!gil cuando se rompe f!cilmente por la acción de

un c&oque.

" )lasticidad: ptitud de algunos materiales sólidos de adquirir deformaciones

permanentes, bajo la acción de una presión o fuerza exterior, sin que seproduzca rotura.

" Ductilidad: $onsiderada una %ariante de la plasticidad, es la propiedad que

poseen ciertos metales para poder estirarse en forma de &ilos finos.

" *aleabilidad: +tra %ariante de la plasticidad, consiste en la posibilidad de

transformar algunos metales en l!minas delgadas.

En ingeniería, se llama resiliencia de un material a la energía de deformación

por unidad de %olumen- que puede ser recuperada de un cuerpo deformado

cuando cesa el esfuerzo que causa la deformación. a resiliencia es igual al

trabajo externo realizado para deformar un material &asta su límite el!stico. /e

diferencia de la tenacidad en que 0sta cuantifica la cantidad de energía

almacenada por el material antes de romperse, mientas que la resiliencia tan

sólo da cuenta de la energía almacenada durante la deformación el!stica. arelación entre resiliencia y tenacidad es generalmente monótona creciente, es

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decir, cuando un material presenta mayor resiliencia que otro, generalmente

presenta mayor tenacidad. /in embargo, dic&a relación no es lineal.

2 Propiedades físicas: )ueden di%idirse en: el0ctricas, magn0ticas y ópticas.

2.1 Propiedades Eléctricas Describen el comportamiento el0ctrico del metal,

el cual en muc&as ocasiones es m!s crítico que su comportamiento mec!nico.

Existe tambi0n el comportamiento diel0ctrico, propio de los materiales que

impiden el flujo de corriente el0ctrica, que %a m!s all! de simplemente

proporcionar aislamiento.

os electrones son los portadores de carga en los materiales conductores,

semiconductores y muc&os de los aislantes1 en los compuestos iónicos son los

iones quienes transportan la mayor parte de la carga. a mo%ilidad de los

portadores depende de los enlaces atómicos, de las imperfecciones de la red,

de la microestructura y, en los compuestos iónicos, de las %elocidades de

difusión.

a aplicación de un campo el0ctrico genera la formación y el mo%imiento de

dipolos contenidos en el material. Estos dipolos son !tomos o grupos de

!tomos que tienen carga desequilibrada. Dentro de un campo el0ctrico aplicado

los dipolos se alinean causando polarización. Existen cuatro mecanismos de

polarización:

" )olarización electrónica. $onsiste en la concentración de los electrones en ellado del n2cleo m!s cercano al extremo positi%o del campo. Esto implica una

distorsión del arreglo electrónico, en la que el !tomo act2a como un dipolo

temporal inducido. Este efecto, que ocurre en todos los materiales es peque3o

y temporal.

" )olarización iónica. os enlaces iónicos tienden a deformarse el!sticamente

cuando se colocan en un campo el0ctrico. En consecuencia la carga se

redistribuye min2sculamente dentro del material. os cationes y aniones se

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acercan o se alejan dependiendo de la dirección de campo. Estos dipolos

temporalmente inducidos causan polarización y tambi0n pueden modificar las

dimensiones generales del material.

" )olarización molecular. lgunos materiales contienen dipolos naturales, que,

al aplic!rseles un campo giran, &asta alinearse con 0l. En algunos materiales,

como el titanato de bario, los dipolos se mantienen alineados a pesar de

&aberse eliminado la influencia del campo externo.

nteriormente, al &ablar de polarización iónica, mencionamos la posibilidad de

que &ubiera modificación de las dimensiones del material. Este efecto se

conoce como electrostricción, adem!s de darse por cambios en la longitud delos enlaces entre iones, puede ser resultado de la actuación de los !tomos

como partículas en forma o%al en %ez de esf0rica o por distorsión debida a la

orientación de los dipolos permanentes del material

/in embargo, existen materiales que muestran una propiedad adicional: cuando

se les impone un cambio dimensional, ocurre polarización, lo que crea un

%oltaje o un campo. os materiales que presentan este comportamiento son

piezoel0ctricos.

$uando se encuentran entre capas de material conductor, los materiales

diel0ctricos que se polarizan son capaces de almacenar cargas, esta

propiedad se describe mediante:

" $onstante diel0ctrica, que es la relación de la permisi%idad del material con la

permisi%idad en el %acío.

" Resistencia diel0ctrica. Es el campo diel0ctrico m!ximo que puede mantener

un material entre conductores.

a presencia de polarización en un material despu0s de que se retira el campo

el0ctrico se puede explicar en función de una alineación residual de dipolos

permanentes. Esto sucede de la siguiente forma: se toma un cristal cuyos

dipolos se encuentran orientados de forma aleatoria, de forma que no &ay

polarización neta1 al aplicar un campo, los dipolos comienzan a alinearse con

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dic&o campo1 finalmente, el campo alinea todos los dipolos y se obtiene la

polarización m!xima o de saturación1 cuando posteriormente se retira el

campo, queda una polarización remanente, debida al acoplamiento de dipolos y

el material &a quedado permanentemente polarizado. os materiales que

retienen una polarización neta, una %ez retirado el campo se conocen como

ferroel0ctricos.

)ara que el material diel0ctrico almacene energía, se debe impedir que los

portadores de carga como iones y electrones se mue%an de un conductor a

otro a tra%0s de 0l, en consecuencia, los materiales diel0ctricos tienen

siempre una alta resisti%idad el0ctrica.

*ateriales utilizados para aislar el campo el0ctrico deben poseer alta

resisti%idad el0ctrica, alta resistencia diel0ctrica y un bajo factor de p0rdida. /in

embargo, una constante diel0ctrica alta no es necesaria e incluso puede llegar

a ser indeseable. (na constante diel0ctrica peque3a impide la polarización, por

lo que no se almacena carga localmente en el aislante.

Esto es lo esencial respecto a las propiedades el0ctrica de los materiales. En

nuestra próxima entrega, estudiaremos las propiedades magn0ticas.

2.2 Propiedades Magnéticas

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/i un material no magn0tico se le aplica un campo magn0tico, 0ste sufre una

imantación que puede actuar:

• +poni0ndose al campo magn0tico externo diamagnetismo-

• yudando al campo magn0tico externo paramagnetismo-

a magnetización total inducida ´ M definida como el momento magn0tico

total por unidad de %olumen, es proporcional a la intensidad del campo

magn0tico ´ H

´ M = χ m ´ H

χ m es la susceptibilidad magn0tica del material

χm 4 5 corresponden a materiales diamagn0ticos, χm ≠ χmT -

| χm | 6 5 corresponden a materiales paramagn0ticos χm 7 χmT -

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Este proceso se explica b!sicamente por el alineamiento de los momentos

magn0ticos internos del material con el campo aplicado.

Diamagnetismo

$uando un !tomo tiene sus orbitales llenos con un n2mero par de electrones,sus momentos magn0ticos spin y orbital son nulos1 solo posee momento

magn0tico inducido por la presencia de un campo magn0tico. Este campo

magn0tico imprime una rotación de precesión precesión de armor- sobre el

electrón en torno a la dirección del campo magn0tico lo que origina un

momento magn0tico en oposición al campo aplicado que se manifiesta en un

rec&azo por el campo magn0tico.

*uc&os !tomos aislados con orbitales incompletos cuando forman mol0culas o

estructuras iónicas forman capas electrónicas completas y por lo tanto tienen

momento magn0tico nulo, comport!ndose como materiales diamagn0ticos. )or

eso los cristales iónicos o los co%alentes en los que cada orbital contiene

electrones con spin opuestos no pueden ser paramagn0ticos

Paramagnetismo

8ajo un campo magn0tico los !tomos con capas electrónicas incompletas losspines desapareados se alinean paralelamente al campo aplicado

produci0ndose un momento magn0tico que refuerza ligeramente al campo

aplicado. Este efecto se conoce como paramagnetismo. os materiales

paramagn0ticos son atraídos por los imanes pero no se con%ierten en imanes

permanentes. Existe cinco grupos de elementos donde ocurre esto.

9rupo del 'e 776 capa d incompleta9rupo del )d 776 capa ;d incompleta

ant!nidos 776 capa ;f incompleta

9rupo del )t 776 capa


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alinearse debido a sus interacciones mutuas. Ejemplo de estas sustancias:

*agnetita y otros imanes naturales así como el 'e, $o, *n y sus

correspondientes compuestos.

El ferromagnetismo puede considerarse como un paramagnetismo

enormemente ele%ado causado por los ni%eles de energía parcialmente

ocupados del ni%el d del &ierro, el níquel y el cobalto. $onsiste en la f!cil

alineación de los dipolos permanente no apareados con el campo magn0tico

aplicado.

Dentro de una porción de material pueden existir dominios. Dentro de cada

dominio los dipolos tienen la misma orientación, pero difieren con respecto a

otros dominios de manera que el efecto magn0tico macroscópico es nulo o

despreciable. En presencia de un campo sucede:

♦ os dominios orientados fa%orablemente al campo crecen a expensas de

los orientados menos fa%orablemente %er 'ig=>.;?b-.

♦ medida que la intensidad del campo magn0tico externo aumenta, la

magnetización de los dominios tienden a alinearse en la dirección del

campo, con%irtiendo esa porción del campo en un im!n 'ig =>.;?c-

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'igura =>.;?a

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'igura =>.;?b

'igura =>.;?c

El ferromagnetismo depende de la temperatura y para cada sustancia existe la

denominada temperatura $urie T c donde si

T 6 T c, la sustancia se &ace paramagn0tica

T 4 T c, la sustancia es ferromagn0tica

Elemento #co$-

'e ??5@i ><$o =5?<9d =<

la temperatura T c la agitación t0rmica %ence las fuerzas de alineación

debido a la interacción de intercambio o al refuerzo mutuo de los dipolos. Esto

significa que a2n con campos magn0ticos peque3os se obtienen

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magnetizaciones importantes, con permeabilidad relati%a es ciento o miles de

%eces superior a la del %acío y con la particularidad que no es constante sino

que es función de los estados magn0ticos por lo que &a pasado pre%iamente la

sustancia

Antiferromagnetismo!

os momentos magn0ticos producidos en dipolos %ecinos se alinean en el

campo magn0tico oponi0ndose unos a otros, a2n cuando la intensidad de cadadipolo sea muy alta. Esto produce una magnetización nula.

errimagnetismo!

/e da principalmente en materiales cer!micos, donde diferentes iones crean

momentos magn0ticos distintos, causando que, en un campo magn0tico losdipolos de ion pueden alinearse con el campo, en tanto que los dipolos del

ion 8 pueden opon0rsele. $omo las intensidades de los dipolos son distintas, el

resultado ser! una magnetización neta. sí, los materiales con este tipo de

comportamiento pueden dar una buena intensificación del campo aplicado.

2." Propiedades #pticas. /e relacionan con la interrelación entre un material

y las radiaciones electromagn0ticas en forma de ondas o partículas de energía,

conocidas como fotones. Estas radiaciones pueden tener características que

entren en nuestro espectro de luz %isible, o ser in%isibles para el ojo &umano.

Esta interacción produce una di%ersidad de efectos, como absorción,

transmisión, reflexión, refracción y emisión Rayos 9amma, Rayos A,

uminiscencia, Electroluminiscencia, !ser, Emisión t0rmica-.

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PROPIEDADES DE $OS E$EME%&OS

Estas propiedades se describen en función a la estructura atómica de loselementos, de importancia para la extracción y refinación de los metales

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Propiedades de los elementos '(e )arían sistemáticamente en la &a*laPeri+dica

Radio At+mico ,RA-! Es la distancia entre el n2cleo y el límite efecti%o de la

nube electrónica. En la tabla periódica el R aumenta &acia abajo y &acia la

izquierda

Energía de ioniaci+n o Potencial de ioniaci+n ,I -! Es la energía mínima

necesaria para extraer el electrón del estado energ0tico m!s alto de un !tomogaseoso para con%ertirlo en un ion gaseoso con carga positi%a, en condiciones

de presión y temperatura est!ndarB.

En un !tomo polielectrónico pueden arrancarse %arios electrones, por lo que se

pueden definir tantas energías de ionización como electrones tiene el !tomo.

−¿∆H 1=1ra energiadeionizacion

+¿+e¿

X g=¿> X g¿

−¿∆ H 2=2daenergiadeionizacion

2+¿+e¿

+¿=¿> X g¿

X g¿

−¿∆ H 23=3 raenergiadeionizacion

2+¿=¿> X g3+¿+e

¿

X g¿

El !tomo neutro en estado gaseoso es m!s estable menos energ0tico- que el

catión correspondiente, por lo que para arrancar un electrón al !tomo neutro

&abr! que aportar energía proceso endot0rmico-.

Afinidad electr+nica , A-! CEs la energía liberada cuando un !tomo gaseoso

neutro en estado fundamental capte un electrón para ionizarse con carga "=

*g- e 776* g-

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Es una medida de: Cla tendencia de un !tomo a atraer electrones durante la

formación de un enlace químicoB. )ara muc&os no metales esta energía es

negati%a es decir tienden a formar aniones

Electronegati)idad finidad por atraer electrones cuando un !tomo est! formando un enlace. @o

se aplica a !tomos aislados. /e mide mediante una escala arbitraria sin

unidades Existen dos tipos de escales *ulliFen y )auling-. En escala )auling

%aría desde 5.? 'r- &asta .GH '-. En la tabla periódica aumenta &acia la

derec&a y &acia arriba

a electronegati%idad sir%e para clasificar los elementos en I grandes grupos:

J *etales: Elementos cuyos !tomos ejercen una atracción relati%amente

peque3a sobre los electrones externos, es decir, tienen %alores peque3os de I y

de . *uestran fuerte tendencia a formar cationes, son agentes reductores.

J @o metales: Elementos cuyos !tomos ejercen una atracción relati%amente

grande sobre los electrones externos, es decir, presentan %alores ele%ados de

I y de A. muestran fuerte tendencia a formar aniones, son agentes oxidantes.

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Electrones de )alencia

Estado de O/idaci+n!a oxidación se da cuando un elemento o compuesto pierde uno o m!s

electrones. 9eneralmente, cuando una sustancia se oxida pierde electrones-,

otra sustancia recibe o capta dic&os electrones reduci0ndose. Este es el

mecanismo b!sico que promue%e las reacciones de óxido"reducción o redox.

(n !tomo tiende a obedecer la regla del octeto para así tener una configuración

electrónica igual a la de los gases nobles, los cuales son muy estables

el0ctricamente. Dic&a regla sostiene que un !tomo tiende a tener oc&o

electrones en su ni%el de energía m!s externo. En el caso del &idrógeno este

tiende a tener I electrones, lo cual proporciona la misma configuración

electrónica que la del &elio.

$uando un !tomo necesita, por ejemplo, electrones para obedecer la regla

del octeto, entonces dic&o !tomo tiene un n2mero de oxidación de . )or otro

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lado, cuando un !tomo 8 tiene los electrones que deben ser cedidos para

que el !tomo cumpla la ley del octeto, entonces este !tomo tiene un n2mero

de oxidación de . En este ejemplo podemos deducir que los !tomos y 8

pueden unirse para formar un compuesto, y que esto depende de las

interacciones entre ellos. a regla del octeto y del dueto pueden ser satisfec&as

compartiendo electrones formando mol0culas- o cediendo y adquiriendo

electrones formando compuestos de iones-.

os elementos met!licos los cuales ceden electrones- cuando forman

compuestos tienen 2nicamente estados de oxidación positi%os. os elementos

no met!licos y semimet!licos, en cambio, pueden tener estado de oxidación

positi%os y negati%os, dependiendo del compuesto que est0n constituyendo.

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• os metales tienen n2meros de oxidación positivos. os no metales lospueden tener tanto positi%os como negativos.

• +bser%a que los metales de los grupos =, I y tienen estados deoxidación que coinciden con el n2mero del grupo.

• os metales de los grupos ;, y ? tienen %arios n2meros de oxidaciónpero, como mínimo, presentan el n2mero de oxidación del grupo.

• Desde el grupo =; al =? podemos saber el n2mero de oxidación

negati%o que presentan sus elementos si restamos =H al n2mero de sugrupo. )or ejemplo, para el grupo =< sería =< " =H 7 ".

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Propiedades de (n elemento metálicoEs un elemento que al oxidarse forma óxidos b!sicos y óxidos !cidos. os

óxidos b!sicos con el KI+ produce &idróxidos y los óxidos !cidos alcombinarse con el KI+ da !cidos:

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E l e m e n t o

m e t a l

+ I 7 7

L x i d o

b ! s i c o

@ a I + ,

$ a + -

K I + 7 7

K i d r ó x i d o

@ a + K ,

$ a + K - I -

7 7@ a

+ K -

"

E l e m e n t o

n o m e t a l

+ I 7 7

L x i d o

! c i d o

/ + I ,

$ + I ,

) I + < -

K I + 7 7

M c i d o

/ + K I ,

$ + K I ,

) + ; K -

7 7/ +

7

I K +

D e f i n i c i o n

q u í m i c a

d e u n

e l e m e n t o


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