Ciencia de los Materiales

La ciencia de materiales es el campo científico encargado de investigar la relación entre la estructura y las propiedades de los materiales. Paralelamente, conviene matizar que la ingeniería de materiales se fundamenta en esta, las relaciones propiedades-estructura-procesamiento-funcionamiento, y diseña o proyecta la estructura de un material para conseguir un conjunto predeterminado de propiedades.

La ciencia de materiales es, por ello mismo, un campo multidisciplinar que estudia los conocimientos fundamentales sobre las propiedades físicas macroscópicas de los materiales y los aplica en varias áreas de la ciencia y la ingeniería, consiguiendo que éstos puedan ser utilizados en obras, máquinas y herramientas diversas, o convertidos en productos necesarios o requeridos por la sociedad. Incluye elementos de la química y física, así como las ingenierías química, mecánica, civil y eléctrica o medicina, biología y ciencias ambientales. Con la atención puesta de los medios en la nanociencia y la nanotecnología en los últimos años, la ciencia de los materiales ha sido impulsada en muchas universidades.

A pesar de los espectaculares progresos en el conocimiento y en el desarrollo de los materiales en los últimos años, el permanente desafío tecnológico requiere materiales cada vez más sofisticados y especializados. 

Todos los Ingenieros tienen que ver con materiales, de manera cotidiana, en manufactura y procesanientos, y en el diseño y construccion de componentes o de estructuras. Deben selecionar y utilizar materiales y analizar las fallas de los mismos. Deben tomarse una divercidad de decisiones importantes al seleccionar los materiales a incorporar en un diseño, incluyendo si los materiales pueden ser transformados de manera consistente en un producto, con las tolerancias dimensionales correctas y si pueden mantener la forma correcta durante su uso. Tambien si las propiedades requeridas se pueden conseguir y mantener durante el uso; si el material es compatible con otras partes de un ensamble y puede fácilmente unirse a ellas; por otro lado, considerar que pueda reciclarse fácilmente y observar si el material o su fabricacion puede causar problemas ecologicos. Finalmente, si se puede convertirse de manera economica en un componente útil.

Tipos de materiales

Los materiales se clasifican en tres grupos priciplaes: metales, cerámicos, polimeros. pero tambien existen semiconductores y materiales compuestos. Los materiales de cada uno de estos grupos poseen estructuras y propiedades distintas. 

Metales 

Estos materiales son sustancias inorgánicas compuestas por uno o más elementos metálicos y pueden contener algunos elementos no metálicos. Son ejemplos de elementos metálicos el hierro, el cobre, el aluminio, el níquel y el titanio. Los materiales metálicos pueden contener elementos no metálicos como carbono, nitrógeno y oxígeno. Los metales tienen una estructura cristalina en la que los átomos están dispuestos de manera ordenada. En general, los metales son buenos conductores térmicos y eléctricos. Muchos metales son relativamente resistentes y dúctiles a la temperatura ambiente y presentan alta resistencia, incluso a altas temperaturas. Los metable y las aleaciones2 suelen divires en dos clases: aleaclones y metales ferrosos que contienen un alto porcentaje de hierro, como el acero y el hierro fundido, y aleaciones y metales no ferrosos que carecen de hierro o contienen sólo cantidades relativamente pequeñas de éste. Son ejemplos de metales no ferrosos el aluminio, el cobre, el zinc, el titanio y el níquel. La distinción entre aleaciones ferrosas y no ferrosas se hace debido al empleo y producción considerablemente mayores de aceros y hierros fundidos en comparación con otras aleaciones.

Polimeros

La mayoría de los materiales poliméricos constan de largas cadenas o redes moleculares que frecuentemente se basan en compuestos orgánicos (precursores que contienen carbono). Desde un punto de vista estructural, la mayoría de los materiales poliméricos no son cristalinos, pero algunos constan de mezclas de regiones cristalinas y no cristalinas. La resistencia y ductibilidad de los materiales poliméricos varía considerablemente. Dada la naturaleza de su estructura interna, la mayoría de los materiales poliméricos son malos conductores de electricidad. Algunos de estos materiales son buenos aislantes y se emplean como aislantes eléctricos. Una de las aplicaciones más recientes de materiales poliméricos ha sido en la fabricación de discos de video digitales (DVD). En general, los materiales poliméricos tienen bajas densidades y temperaturas de ablandamiento o de descomposición relativamente bajas. En el transcurso de la historia, los plásticos han sido el material básico de crecimiento más acelerado en Estados Unidos, con un ritmo anual de crecimiento de 9% con base en su peso. Sin embargo, el ritmo de crecimiento de los plásticos durante 1995 bajó a menos de 5%, una disminución considerable. Esta reducción se esperaba, puesto que los plásticos ya sustituyeron a los metales, al vidrio y al papel en la mayoría de los principales mercados que manejan grandes volúmenes, como los del embalaje y la construcción, para los cuales los plásticos son apropiados.

De acuerdo con algunas predicciones, se espera que los plásticos industriales, como el nailon, sigan compitiendo con los metales.  Las industrias proveedoras de polímeros se centran cada vez más en la creación de mezclas de polímeros con otros polímeros, conocidas también como aleaciones o mezclas, para ajustarlas a aplicaciones específicas para las cuales ningún otro polímero es adecuado por sí solo. Debido a que las mezclas se producen con base en los polímeros existentes con propiedades bien conocidas, su creación resulta menos costosa y más confiable que sintetizar un polímero único para una aplicación específica. Por ejemplo, los elastómeros (un tipo de polímero muy deformable) suelen mezclarse con otros plásticos para mejorar la resistencia del material al impacto. Esas mezclas tienen un empleo importante en parachoques automotores, alojamientos de las herramientas motorizadas, artículos deportivos y componentes sintéticos de muchas instalaciones de pistas de atletismo techadas, que suelen estar fabricadas con una combinación de caucho y poliuretano. Los revestimientos acrílicos mezclados con varias fibras y materiales de refuerzo y colores brillantes se emplean como material de revestimiento para pistas de tenis y patios de juegos. Sin embargo, otros materiales de revestimiento fabricados con polímeros se están empleando para proteger de la corrosión, ambientes químicos amenazantes, choque térmico, impacto, desgaste y abrasión. La búsqueda de nuevos plásticos y aleaciones continúa dado su menor costo y buenas propiedades para muchas aplicaciones.

                              

                                 Planta de 1- Buteno, Polinter (Poliolefinas Internacionales)

                                                 Petroquimica de Venezuela (Pequiven)

Cerámicos

Los materiales cerámicos son materiales inorgánicos formados por elementos metálicos y no metálicos enlazados químicamente entre sí. Los materiales cerámicos pueden ser cristalinos, no cristalinos o mezclas de ambos. La mayoría de los materiales cerámicos tienen una gran dureza y resistencia a las altas temperaturas pero tienden a ser frágiles (con poca o nula deformación antes de la fractura). Destacan entre las ventajas de los materiales cerámicos para aplicaciones industriales su peso ligero, gran resistencia y dureza, buena resistencia al calor y al desgaste, poca fricción y propiedades aislantes. Las propiedades aislantes, junto con la alta resistencia al calor y al desgaste de muchos materiales cerámicos, los vuelve útiles en revestimientos de hornos para tratamientos térmicos y fusión de metales como el acero. La búsqueda de nuevos plásticos y aleaciones continúa dado su menor costo y buenas propiedades para muchas aplicaciones.

Semiconductores

Los materiales electrónicos no son importantes por su volumen de producción, pero sí lo son extremadamente por su avanzada tecnología. El material electrónico más importante es el silicio puro, al que se modifica de distintos modos para cambiar sus características eléctricas. Muchísimos circuitos electrónicos complejos se pueden miniaturizar en un chip de silicio de aproximadamente 3/4 de pulg2 (1.90 cm2). Los dispositivos microelectrónicos han hecho posibles nuevos productos, como los satélites de comunicaciones, las computadoras avanzadas, las calculadoras de bolsillo, los relojes digitales y los robots. El empleo del silicio y otros materiales semiconductores en la electrónica de estado sólido y en la microelectrónica, ha demostrado un enorme crecimiento desde 1970, y se espera que esta tendencia continúe. Han sido espectaculares los efectos de las computadoras y otros tipos de equipo industrial que emplean circuitos integrados fabricados con chips de silicio. Aún está por determinarse el efecto de los robots computarizados en los procesos de fabricación actuales. Sin duda, los materiales electrónicos tendrán un papel fundamental en las “fábricas del futuro”, en las que casi toda la fabricación la realizarán robots asistidos por herramientas controladas por computadora. 

                                 

Materiales Compuestos

Un material compuesto puede definirse como dos o más materiales (fases o constituyentes) integrados para formar un material nuevo. Los constituyentes conservan sus propiedades y el nuevo compuesto tendrá propiedades distintas a la de cada uno de ellos. La mayoría de los materiales compuestos están formados por un material específico de relleno que a su vez sirve de refuerzo, y una resina aglomerante con objeto de lograr las características y propiedades deseadas. Los componentes no suelen disolverse entre sí y pueden identificarse físicamente gracias a la interfaz que existe entre ellos. Los materiales compuestos pueden ser de muchos tipos. Los que predominan son los fibrosos (compuestos o fibras en una matriz) y los particulados (compuestos o partículas en una matriz). Existen muchas combinaciones diferentes de materiales de refuerzo y matrices que puede emplearse para producir materiales compuestos. Por ejemplo, el material de la matriz puede ser un metal, como el aluminio; una cerámica, como la alúmina; o un polímero, como la resina epóxica. Dependiendo del tipo de matriz empleado, el material compuesto puede clasificarse como compuesto de matriz metálica (MMC, por sus siglas en inglés), compuesto de matriz cerámica (CMC, por sus siglas en inglés), o compuesto de matriz polimérica (PMC, por sus siglas en inglés). También pueden seleccionarse los materiales fibrosos o particulados entre cualquiera de las tres clases principales de materiales con ejemplos como carbón, vidrio, aramida, carburo de silicio y otros. Las combinaciones de materiales empleados en el diseño de compuestos dependen principalmente del tipo de aplicación y ambiente en el que el material habrá de emplearse. Los materiales compuestos han sustituido a numerosos componentes mecánicos, en particular en las industrias aeronáutica, electrónica de la aviación, automotriz, de estructuras civiles y de equipo deportivo. Se ha previsto un aumento anual medio de alrededor de 5% en el empleo futuro de estos materiales. Una de las razones de ello es su elevada relación de resistencia y rigidez-peso. Algunos materiales compuestos avanzados tienen una rigidez y resistencia similar a la de algunos metales, pero con una densidad considerablemente menor y, por lo tanto, menor peso general de los componentes. Estas características vuelven muy atractivos a los materiales compuestos avanzados cuando el peso de los componentes resulta crucial. Por regla general, de manera similar a los materiales cerámicos, las principales desventajas de la mayoría de los materiales compuestos son su fragilidad y baja tenacidad. Algunos de los inconvenientes pueden superarse, en determinadas situaciones, mediante la selección adecuada del material de la matriz.

EJEMPLOS

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Propiedades Características De La Materia.

Toda sustancia pura, tiene una serie de propiedades características, que la distinguen de las demás. Un quimico generalmente identifica una sustancia desconocida, midiendo sus propiedades y comparandolas con las descritas en la literatura química para sustancias conocidas. Para identificar una sustancia se miden sus propiedades fisicas, que son aquellas que pueden medirse sin cambiar la identidad química de la sustancia.

Densidad

La Densidad es una propedad caracteristica de la materia que relaciona dos propiedades no caracteristicas; la masa y el volumen, para determinar la densidad de una sustancia, se debe encontrar tanto el volumen como su masa.
Tanto la masa como el volumen, son propiedades extensivas de una sustancia: cuanto más hay de una, más grande es el valor de la otra. La densidad es una propiedad intensiva, su valor no depende de la cantidad de material. Para un cuerpo cualquiera, la densidad se calcula dividiendo el valor de su masa entre el valor del volumen que ocupa. Por eso se dice también, que la densidad es la masa contenida en una unidad de volumen, de la sustancia que consideremos.
                           

La densidad es una propiedad caracteristica, que varía de una sustancia a otra.

                                             

Por ser la densidad, una relación entre la masa y el volumen, sus unidades serán, una unidad de masa / una unidad de volumen.

La densidad de los liquidos y solidos, se expresa en g/cc. La densidad de los gases, se expresa en g/l.

Ejemplo

(1) Una pieza de madera de pino, pesa 283,3g y ocupa un volumen de 545cc. ¿Cual sera la densidad de la pieza?

DATOS
M=283,3 g
V= 545cc
D=?

• Se tienen los valores de masa en gramos y de volumen en centímetros cúbicos.
• Se trata de un sólido, por lo tanto la densidad, debe quedar expresada en g/cc
• Utilizamos la ecuación:   

Sustituimos, y nos queda: D= 238,3g

                                                545cc

Por lo tanto: D= 0,4 g/cc

(2) El rubí tiene densidad de 4,1 g/cc. ¿Cual es el volumen de un rubí, que pesa 6,7g?

DATOS

D= 4,1g/cc
V= ?
M= 6,7g

Tenemos que: 

Conocemos la densidad y la masa, por lo tano, despejamos volumen de ka ecuación anterior y tendremos el valor que buscamos.

Tambíen podemos tener el caso, de que para un material dado, conozcamos su densidad y su volumen y necesitamos calcular su masa.

Para hallar la masa con estos datos, despejamos de la ecuación de densidad.

                              

(3) ¿Cual es la masa, de un rubí de densidad 4,1g/cc, que tiene un volumen de 0,42cc

DATOS

M= ?
D= 4,1g/cc
V= 0,42cc

M= 4,1g/cc . 0,42cc

M= 1,73g

ESTADOS DE AGREGACION DE LA MATERIA 

Los materiales están formados por la agrupación de moléculas y éstas a su vez, estan formadas por átomos, la fuerza de atracción capaz de mantenerlos unidos se llama cohesión, la cual influye en el estado físico de los materiales, pero las moléculas no están en íntimo contacto, sino separadas unas de otras por la acción de una fuerza repulsiva, que se opone a la cohesión o fuerza atractiva. Según el grado de intensídad de ambas fuerzas, la materia se agrupa y reune de modos distintos. que reciben el nombre de Estados Fisicos o Fases de la Materia. Existen tres  diferentes estados de la materia.: Sólido, Líquido y Gaseoso. Generalmente, estas fases pueden distinguirse por medio de la vista o el tacto. Una piedra y un escritorio evidentemente son Sólidos y tienen una forma definida. El agua y la gasolina son ejemplos de líquidos, adquieren la forma del recipiente que los contiene. Los gases como el dióxido de carbono y el oxigeno no pueden observarse con la vista o el tacto.    

Estado Sólido

Los objetos en estado sólido se presentan como cuerpos de forma definida; sus átomos a menudo se entrelazan formando estructuras estrechas definidas, lo que les confiere la capacidad de soportar fuerzas sin deformación aparente. Son calificados generalmente como duros así como resistentes, y en ellos las fuerzas de atracción son mayores que las de repulsión. En los sólidos cristalinos, la presencia de espacios intermoleculares pequeños da paso a la intervención de las fuerzas de enlace, que ubican a las celdillas en formas geométricas. En los amorfos o vítreos, por el contrario, las partículas que los constituyen carecen de una estructura ordenada.

Las sustancias en estado sólido suelen presentar algunas de las siguientes características:

• Cohesión elevada.
• Tienen una forma definida y memoria de forma, presentando fuerzas elásticas restitutivas si se deforman fuera de su configuración original.
• A efectos prácticos son incompresibles.
• Resistencia a la fragmentación.
• Fluidez muy baja o nula.
• Algunos de ellos se subliman.

Estado Líquido

Si se incrementa la temperatura de un sólido, este va perdiendo forma hasta desaparecer la estructura cristalina, alcanzando el estado líquido. Característica principal: la capacidad de fluir y adaptarse a la forma del recipiente que lo contiene. En este caso, aún existe cierta unión entre los átomos del cuerpo, aunque mucho menos intensa que en los sólidos. El estado líquido presenta las siguientes características:

• Cohesión menor.
• Poseen movimiento de energía cinética.
• Son fluidos, no poseen forma definida, ni memoria de forma por lo que toman la forma de la superficie o el recipiente que lo contiene.
• En el frío se contrae (exceptuando el agua).
• Posee fluidez a través de pequeños orificios.
• Puede presentar difusión.
• Son poco compresibles.

Estado Gaseoso

Se denomina gas al estado de agregación de la materia compuesto principalmente por moléculas no unidas, expandidas y con poca fuerza de atracción, lo que hace que los gases no tengan volumen y forma definida, y se expandan libremente hasta llenar el recipiente que los contiene. Su densidad es mucho menor que la de los líquidos y sólidos, y las fuerzas gravitatorias y de atracción entre sus moléculas resultan insignificantes. En algunos diccionarios el término gas es considerado como sinónimo de vapor, aunque no hay que confundir sus conceptos: vapor se refiere estrictamente a aquel gas que se puede condensar por presurización a temperatura constante.

Dependiendo de sus contenidos de energía o de las fuerzas que actúan, la materia puede estar en un estado o en otro diferente: se ha hablado durante la historia, de un gas ideal o de un sólido cristalino perfecto, pero ambos son modelos límites ideales y, por tanto, no tienen existencia real.

En los gases reales no existe un desorden total y absoluto, aunque sí un desorden más o menos grande.

En un gas, las moléculas están en estado de caos y muestran poca respuesta a la gravedad. Se mueven tan rápidamente que se liberan unas de otras. Ocupan entonces un volumen mucho mayor que en los otros estados porque dejan espacios libres intermedios y están enormemente separadas unas de otras. Por eso es tan fácil comprimir un gas, lo que significa, en este caso, disminuir la distancia entre moléculas. El gas carece de forma y de volumen, porque se comprende que donde tenga espacio libre allí irán sus moléculas errantes y el gas se expandirá hasta llenar por completo cualquier recipiente.

El estado gaseoso presenta las siguientes características:

• Cohesión casi nula.
• No tienen forma definida.
• Su volumen es variable.

PUNTO DE FUSION

El punto de fusión es la temperatura a la cual se encuentra el equilibrio de fases sólido-líquido, es decir la materia pasa de estado sólido aestado líquido, se funde.¹ Cabe destacar que el cambio de fase ocurre a temperatura constante. El punto de fusión es una propiedad intensiva.

En la mayoría de las sustancias, el punto de fusión y de congelación, son iguales. Pero esto no siempre es así: por ejemplo, el agar-agar se funde a 85 °C y se solidifica a partir de los 31 a 40 °C; este proceso se conoce como histéresis.

A diferencia del punto de ebullición, el punto de fusión de una sustancia es poco afectado por la presión y, por lo tanto, puede ser utilizado para caracterizar compuestos orgánicos y para comprobar su pureza.

El punto de fusión de una sustancia pura es siempre más alto y tiene una gama más pequeña de variación que el punto de fusión de una sustancia impura. Cuanto más impura sea, más bajo es el punto de fusión y más amplia es la gama de variación. Eventualmente, se alcanza un punto de fusión mínimo. El cociente de la mezcla que da lugar al punto de fusión posible más bajo se conoce como el punto eutéctico, temperatura correspondiente a cada átomo de la sustancia a la que se somete a fusión.

El punto de fusión de un compuesto puro, en muchos casos se da con una sola temperatura, ya que el intervalo de fusión puede ser muy pequeño (menor a 1 °C). En cambio, si hay impurezas, estas provocan que el punto de fusión disminuya y el intervalo de fusión se amplíe. Por ejemplo, el punto de fusión del ácido benzoico impuro podría ser. pf = 117°-120º

Nota: El proceso inverso, la conversión de un líquido en un sólido se denomina Solidificación.

                                    

                                   

Sublimación 

La sublimación (del latín sublimāre) es el proceso que consiste en el cambio de estado de sólido al estado gaseoso sin pasar por el estado líquido. Al proceso inverso se le denomina deposición o sublimación inversa; es decir, el paso directo del estado gaseoso al estado sólido.

El agua puede encontrarse fundamentalmente en tres estados: sólida, líquida y gaseosa. El agua en la Tierra constituye la hidrosfera, y se distribuye en tres tipos de reservas o compartimentos esenciales, particularmente dentro del medio ecológico, los océanos, los continentes y la atmósfera, entre los que existe una continua circulación que configura el ciclo hidrológico. El ciclo hidrológico es mantenido por la radiación del sol, que proporciona la energía, y la fuerza gravitatoria, que condiciona y orienta la circulación.

Por medio de esta secuencia de fenómenos, el agua de la superficie terrestre pasa como vapor a la atmósfera y regresa a sus fases líquidas y sólidas a través de las diversas formas de precipitación. El agua pasa al estado de vapor, no sólo por la evaporación directa y la transpiración de las plantas y animales, sino por sublimación (paso directo del agua sólida a vapor de agua).

Punto de Ebullición

La definición formal de punto de ebullición es aquella temperatura en la cual la presión de vapor del líquido iguala a la presión de vapor del medio en el que se encuentra. Coloquialmente, se dice que es la temperatura a la cual la materia cambia del estado líquido al estado gaseoso.

La temperatura de una sustancia o cuerpo depende de la energía cinética media de las moléculas. A temperaturas inferiores al punto de ebullición, sólo una pequeña fracción de las moléculas en la superficie tiene energía suficiente para romper la tensión superficial y escapar. Este incremento de energía constituye un intercambio de calor que da lugar al aumento de la entropía del sistema (tendencia al desorden de las partículas que componen su cuerpo).

El punto de ebullición depende de la masa molecular de la sustancia y del tipo de las fuerzas intermoleculares de esta sustancia. Para ello se debe determinar si la sustancia es covalente polar, covalente no polar, y determinar el tipo de enlaces (dipolo permanente —dipolo inducido o puentes de hidrógeno).

El punto de ebullición no puede elevarse en forma indefinida. Conforme se aumenta la presión, la densidad de la fase gaseosa aumenta hasta que, finalmente, se vuelve indistinguible de la fase líquida con la que está en equilibrio; ésta es la temperatura crítica, por encima de la cual no existe una fase líquida clara. El helio tiene el punto normal de ebullición más bajo (–268,9 °C) de los correspondientes a cualquier sustancia, y el carburo de wolframio, uno de los más altos (5555 °C).

Nota: El caso contrario, el cambio de estado gaseoso al estado líquido, se denomina Condensacíon. 

                

Punto Triple

El punto triple es aquel en el cual coexisten en equilibrio el estado sólido, el estado líquido y el estado gaseoso de una sustancia. Se define con una temperatura y una presión de vapor.

El punto triple del agua, por ejemplo, está a 273,16 K (0,01 °C) y a una presión de 611,73 Pa ITS90. Esta temperatura, debido a que es un valor constante, sirve para calibrar las escalas Kelvin y Celsius de los termómetros de mayor precisión.

Punto Triple en el Agua

Es la combinación de presión y temperatura en la que los estados de agregación del agua; sólido, líquido y gaseoso (agua líquida, hielo y vapor, respectivamente) pueden coexistir en un equilibrio estable, se produce exactamente a una temperatura de 273,16 K(0,0098 °C) y a una presión parcial de vapor de agua de 611,73 pascales (6,1173 milibares; 0,0060373057 atm). En esas condiciones, es posible cambiar el estado de toda la masa de agua a hielo, agua líquida o vapor arbitrariamente haciendo pequeños cambios en la presión y la temperatura. Se debe tener en cuenta que incluso si la presión total de un sistema está muy por encima de 611,73 pascales (es decir, un sistema con una presión atmosférica normal), si la presión parcial del vapor de agua es 611,73 pascales, entonces el sistema puede encontrarse aún en el punto triple del agua. Estrictamente hablando, las superficies que separan las distintas fases también debe ser perfectamente planas, para evitar los efectos de las tensiones de superficie.

El agua tiene un inusual y complejo diagrama de fase (aunque esto no afecta a las consideraciones generales expuestas sobre el punto triple). A altas temperaturas, incrementando la presión, primero se obtiene agua líquida y, a continuación, agua sólida. Por encima de 109 Pa aproximadamente se obtiene una forma cristalina de hielo que es más denso que el agua líquida. A temperaturas más bajas en virtud de la compresión, el estado líquido deja de aparecer y el agua pasa directamente de sólido a gas.

A presiones constantes por encima del punto triple, calentar hielo hace que se pase de sólido a líquido y de éste a gas (o vapor). A presiones por debajo del punto triple, como las encontradas en el espacio exterior, donde la presión es cercana a cero, el agua líquida no puede existir y, al calentarse, el hielo se convierte directamente en vapor de agua sin pasar por el estado líquido, proceso conocido como sublimación.

La presión del punto triple del agua fue utilizada durante la misión Mariner 9 a Marte como un punto de referencia para definir "el nivel del mar". Misiones más recientes hacen uso de altimetría láser y gravimetría en lugar de la presión atmosférica para medir la elevación en Marte.

                                                      

Solubilidad

Solubilidad es una medida de la capacidad de disolverse de una determinada sustancia (soluto) en un determinado medio (disolvente). Implícitamente se corresponde con la máxima cantidad de soluto que se puede disolver en una cantidad determinada de disolvente, a determinadas condiciones de temperatura, e incluso presión (en caso de un soluto gaseoso). Puede expresarse en unidades de concentración: molaridad, fracción molar, etc.

Si en una disolución no se puede disolver más soluto decimos que la disolución está saturada. En algunas condiciones la solubilidad se puede sobrepasar de ese máximo y pasan a denominarse como soluciones sobresaturadas. Por el contrario si la disolución admite aún más soluto decimos que se encuentra insaturada.

No todas las sustancias se disuelven en un mismo solvente. Por ejemplo, en el agua, se disuelve el alcohol y la sal, en tanto que el aceite y la gasolina no se disuelven. En la solubilidad, el carácter polar o apolar de la sustancia influye mucho, ya que, debido a este carácter, la sustancia será más o menos soluble; por ejemplo, los compuestos con más de un grupo funcional presentan gran polaridad por lo que no son solubles en éter etílico.

Entonces para que un compuesto sea soluble en éter etílico ha de tener escasa polaridad; es decir, tal compuesto no ha de tener más de un grupo polar. Los compuestos con menor solubilidad son los que presentan menor reactividad, como son: las parafinas, compuestos aromáticos y los derivados halogenados.

El término solubilidad se utiliza tanto para designar al fenómeno cualitativo del proceso de disolución como para expresar cuantitativamente la concentración de las soluciones. La solubilidad de una sustancia depende de la naturaleza del disolvente y del soluto, así como de la temperatura y la presión del sistema, es decir, de la tendencia del sistema a alcanzar el valor máximo de entropía. Al proceso de interacción entre las moléculas del disolvente y las partículas del soluto para formar agregados se le llama solvatación y si el solvente es agua, hidratación.

                           

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Propiedades No Características De La Materia

La Química a pesar de su importancia universal, al igual que el resto de las Ciencias, comienza con un vocabulario y con un conjunto de conceptos fundamentales. La materia, despues de todo, incluye todo aquello que es tangible, desde nuestros cuerpos y los objetos de la vida diaria hasta los mayores cuerpos del universo. Para conocer el Mundo Metalúrgico y la ciencia de los materiales es necesario tener conocimientos solidos de Química Inorganíca, ya que esta es una de las bases importantes para el estudio de la ciencia metalúrgica.

¿Que son Materiales?

Analizando el mundo que nos rodea vemos que todos los objetos están formados por Materia. Si observas a tu alrededor; tienes pupitres, cuadernos, escritorios, árboles, rejas, etc., hasta el aire que respiramos es un "objeto" material que existe en nuestro mundo ya que, si es cierto que no podemos verlo, tenemos constancia de él por nuestros sentidos. Asi pues diremos que el mundo fisico, que constituye todo el universo, está fomado por Materiales. Sin embargo aunque todo sea materia, notamos diferencia entre un ferrón de azúcar, un acéano y un elefante. La materia ofrece propiedades que nos permiten diferenciar una cosa de otra.

Decimos queuna piedra es materia, como también lo es el agua contenida en una botella, o el aire que está dentro de un globo. Sin embargo, aún compuestos de materia, estos tres cuerpos que acabamos de nombrar, se presentan ante nosotros bajo aspectos completamente diferentes, por ello podemos clasificar los elementos que forman nuestro universo material, en tres grandes grupos:

Cuerpos Sólidos: piedra.

Cuerpos Liquidos: agua.

Cuerpos Gaseosos: aire.

                                               

                                          

La Materia presenta propiedades que nos permiten diferenciar un material de otro.

Las propiedades de las materia pueden ser:

I Propiedades no características.

II Propiedades características.

I Propiedades no característica o propiedades extensivas

Son comunes a todas las formas de la materia: Masa, Volumen, Temperatura.

Masa: Es una medida de la cantidad de materia que hay en una muestra de cualquier material.

Volumen: Es el espacio que ocupa la materia.

Temperatura: Es la medida del grado de calor de los cuerpos.

Unidades y Dimenciones 

Las Dimenciones son los conceptos básicos de las Mediciones, tales como la longitud, el tiempo, la masa, la temperatura, etc. Las Unidades son los medios para expresar Dimensiones, por ejemplo pies o centímetros para el caso de la Longitud; horas o segundos para el Tiempo.

Regla Básica para manejar Unidades:

No se pueden sumar o restar unidades diferentes entre sí; esto sólo es posible cuando las unidades son semejantes. Así: 10 kg + 3.2 kg = 13.2 kg. o 15.06 cm³ - 8.73 cm³  = 6.33  cm³ 

Si las unidades son diferentes no se puede sumar o restar ya que el resultado no podria expresarse en una determinada unidad. Así: 3 zapatos + 5 sillas = ?.  Las unidades contienen una buena cantidad de informacion que no puede ignorarse.

Las medidas en el mundo científico se expresan en el: SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES ( S.I.), El S.I. es una versión moderna de las Unidades de medida, adoptado en 1960 por la conferencia General de pesos y medidas, Organizacion Internacional. Este Sistema se basa en siete Unidades Fundamentales; que son las siguientes: 

¿Qué es un patron de medida?

Un patrón es el objeto que materializa una unidad.

Ejemplo: El patrón internacional de Longitud es una barra de aleacion de platino e iridio, que se denomina Metro Patrón, el cual se encuentra en la Oficina Internacional de Pesos y Medidas de París. El Patrón internacional de msa es un cilindro de platino e iridio denominado Kilogramo Patrón.

            

Medicion 

Es una operacion quepermite asignarles valor numerico a la Medida. Es la asignacion de un numero al sistema que se mide, acompañado del nombre de un patrón.

¿Como se realiza el proceso de medida?

En toda medición intervienen como mínimo tres sistemas.

1.Sistema objeto, sobre el cual se realiza la medida.

2.Sistema de Medición, que va a interactuar con el objeto.

3.Escala Graduada, que está incorporada al sistema de medición.

Muchas veces se hace necesario transformar una unidad de medida en otra, para ello puede utilizarse los factores de conversión.

Factor de Conversión: Es una relacion entre las unidades de un sistema. Es una relación que nos permite transformar información de la unidad en que se realizó la medición, a la unidad que se desea.

¿Cómo se determina la Masa?

Hablamos de la masa como cantidad de Materia que contiene los cuerpos. Unos cuerpos poseerán más Masa, esto es, más Materia que otros. Se hace necesario medir la masa de los cuerpos. y para ello se utilizan las balanzas. 

                                       

En el S.I. se definio como estándar de Masa el kilogramo (Kg) La Masa de los objetos puede compararse con este estándar por medio del proceso de la pesada. Suele utilizarse indistintamente los términos Masa y Peso y debemos distinguir uno de otro.

Se entiende por Peso: la medida de la atracción gravotoria que la tierra ejerce sobre un objeto y varía con la distancia al centro de la Tierra. La Masa de un cuerpo no varía, es una cantidad constante y supeso si lo hace; por tanto la Masa es una propiedad màs "util" que el Peso.

El Peso de un objeto puede determinarse con un Dinamómetroo balanza de resorte.

                                                

Unidades de Masa S.I. Mas utilizadas en Química.

Kilogramo (Kg) --- Unidad Base

Gramo (g)

Miligramo (mg)

Equivalencias:

1 kg ------ 1000 g

1 g ------- 1000 mg

Ejemplos:

¿Cómo transformar 2600 g en Kg?

1. Resolución por regla de tres: de acuerdo a lo dicho anteriormente:

  

1 Kg    --------   1000 g

X =      --------   1000 mg

X =   1 Kg . 2600   =   X= 2600     = 2,6 Kg

            1000 g                    1000

2. Resolución por factor de Conversión

2.1 Se inicia con el valor dado, es decir 2600 g

2.2 Sabemos que 1 Kg equivale a 1000 g, podemos decir:

  1 Kg

---------

 1000 g

2.3 Relacionando 2.1 con 2.2. Tenemos una multiplicación de fracciones.

2600 Kg .   1 Kg

-----------------------

       1000 g

Efectuando y simplificando unidades nos queda:

2600 g . 1 Kg      =      2,6 Kg

------------------

       1000 g

¿Cómo se determina el Volumen?

El Volumen no es una medida tan fundamental de la cantidad de materia contenida en un cuerpo como lo es la Masa, puesto que el volumen varia con la temperatura y la presión, mientras que la Masa no.

Las Unidades de Volumen (S.I) más utilizadas en quimica son:

Metro Cúbico (m³) ----- Unidad Base

Decímetro Cúbico (dm³ )

Centimetro Cúbico (Cm³)

No debe confundirse Volumen con Capacidad. Capacidad: Es la cantidad de material que puede contener un recipiente, correspondiente a un Volumen Interno.

Las Unidades de Capacidad más utilizadas en química son:

Kilolitro (KI)

Litro ( I) --- Unidad Base

Mililitro (ml)

El litro se define como el Volumen de 1 Kg de agua, medido a 3,98 °C y a presion de 1 atmósfera.

Equivalencias Volumen - Capacidad
1 dm³ = 1 l
1 cm³ = 1 ml
1 dm³ = 1000 cm³ = 1000 ml
1 cm³ = 0,001 dm³ = 0,001 dl
Generalmente los químicos emplean indistintamente las unidades en ml y cm³ (cc)

¿Cómo medir el Volumen de una sustancia liquida?

Para medir el volumen de cualquier liquido, se utilizan recipientes de vidrio graduados; probetas, buretas, pipetas, etc.

                                   

(Como medir el Volumen de sólidos regulares)

Si tenemos un sólido regular, es decir de forma definida, para calcular su volumen, utilizamos fórmulas matematicas.

Fórmulas para calcular el volumen de sólidos regualares.

  El volumen del cubo equivale a la longitud de su cara a tercera potencia.

Formula volumen de cubo: V = a³

donde V - cubo volumen, 
a - longitud de la cara del cubo.           

                                        

Pirámide.
  

El volumen de la pirámide equivale a la tercera parte de la multiplicación del área de su base en la altura.

Formula volumen de pirámide

V =	1	Ab · h
	3

donde V - pirámide volumen, 
A_b - área de las bases de la pirámide, 
h - longitud de la altura de la pirámide. 

                                                    

Cilindro.

El volumen del cilindro equivale a la multiplicación del área de su base por la altura.

Formula volumen de cilindro:

• V = π R² h
• V = A_b h

donde V - cilindro volumen, 
A_b - área de las bases de la cilindro, 
R - radio de la cilindro, 
h - longitud de la altura de la cilindro, 
π = 3.141592.

                                                          

Esfera.

El volumen de la esfera equivale a cuatro tercias de su radio a la tercera potencia multiplicado por el número “pi”.

Formula volumen de la esfera

V =	4	π R3
	3

donde V - esfera volumen, 
R - radio de la esfera, 
π = 3.141592.

                                                        

Paralelepípedo.

Volumen del paralelepípedoequivale a la multiplicación del área de la base por la altura.

Formula volumen de paralelepípedo:

V = A_b · h

donde V - paralelepípedo volumen, 
A_b - área de las bases de la paralelepípedo, 
h - longitud de la altura de la paralelepípedo.

                                                

¿Cómo medir el volumen de sólidos irregulares?

El volumen de los sólidos que no tienen forma geometrica definida, se miden por desplazamiento de un liquido. Supongamos que queremos determinar el volumen de una roca.

                                                     

No existe una fórmula matemática, que nos permita calcular su volumen. Para hallar su volumen, tomamos un cilindro graduado y medimos en él, una cantidad determinada de agua, por ejemplo, introducimos la roca en el cilindro.

                                    
Observando el cilindro graduado, notamos que el nivel del agua sube.
Para hallar el volumen de la roca; restamos el volumen inicial delvolumen final.

Vs = vf - vi

¿Cómo se determina la Temperatura?

La Temperatura es una propiedad de la materia que está relacionada con la sensación de calor o frío que se siente en contacto con ella. Cuando tocamos un cuerpo que está a menos temperatura que el nuestro sentimos una sensación de frío, y al revés de calor. Sin embargo, aunque tengan una estrecha relación, no debemos confundir la temperatura con el calor.

Cuando dos cuerpos, que se encuentran a distinta temperatura, se ponen en contacto, se produce una transferencia de energía, en forma de calor, desde el cuerpo caliente al frío, esto ocurre hasta que las temperaturas de ambos cuerpos se igualan. En este sentido, la temperatura es un indicador de la dirección que toma la energía en su tránsito de unos cuerpos a otros.

La medida

El instrumento utilizado habitualmente para medir la temperatura es el termómetro. Los termómetros de líquido encerrado en vidrio son los más populares; se basan en la propiedad que tiene el mercurio, y otras sustancias (alcohol coloreado, etc.), de dilatarse cuando aumenta la temperatura. El líquido se aloja en una burbuja -bulbo- conectada a un capilar (tubo muy fino). Cuando la temperatura aumenta, el líquido se expande por el capilar, así, pequeñas variaciones de su volumen resultan claramente visibles.

Escalas

Actualmente se utilizan tres escalas para medir al temperatura, la escala Celsius es la que todos estamos acostumbrados a usar, la Fahrenheit se usa en los países anglosajones y la escala Kelvinde uso científico.

Nombre	Símbolo	Temperaturas de referencia	Equivalencia
Escala Celsius	ºC	Puntos de congelación (0ºC) y ebullición del agua (100ºC)
Escala Fahrenhit	ºF	Punto de congelación de una mezcla anticongelante de agua y sal y temperatura del cuerpo humano.	ºF = 1,8 ºC + 32
Escala Kelvin	K	Cero absoluto (temperatura más baja posible) y punto triple del agua.	K = ºC + 273

Conversiones de Temperatura 

                                       

Toda la informacion suministrada son base para entender el mundo metalurgico. 

Son conocimientos que debe manejar todo Ing Metalurgico, Ing de Materiales, Quimico. etc

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