La estructura de los átomos (modelo de Rutherford-Bohr)




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títuloLa estructura de los átomos (modelo de Rutherford-Bohr)
fecha de publicación24.08.2016
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Materiales Naturales: Madera; minerales; cuero; hueso; algodón; seda

Materiales metálicos: sustancias inorgánicas que están formadas por 1 ó + elementos metálicos y pueden contener también algunos elementos no metálicos. Los metales tienen una estructura cristalina en la que los átomos están dispuestos de una manera ordenada. Los metales son en general buenos conductores térmicos y eléctricos. Muchos metales tienen relativamente alta resistencia mecánica y son dúctiles a temperatura ambiente, y algunos tienen elevada resistencia, incluso a altas temperaturas.

Materiales poliméricos: están formados por largas cadenas de moléculas orgánicas o redes hechas de la mezcla entre todos o algunos de los siguientes elementos: Nitrógeno, Oxigeno, Carbono, Hidrogeno. Distintas disposiciones de estos elementos me da distintas propiedades/características. Estructuralmente la mayoría de los materiales poliméricos son no cristalinos pero algunos contienen mezclas de regiones cristalinas y amorfas. La resistencia y ductilidad de los materiales poliméricos varía mucho. Debido a la naturaleza de su estructura interna la mayoría de los materiales poliméricos son malos conductores de la electricidad.

Materiales Cerámicos: Los metales cerámicos son materiales inorgánicos formados por elementos metálicos y no metálicos unidos químicamente. Los materiales cerámicos pueden ser cristalinos, amorfos o mezclas de ellos. La mayor parte de los cerámicos tienen alta dureza y resisten altas temperaturas pero tienden a tener fragilidad mecánica. Las ventajas de los materiales cerámicos para aplicaciones de ingeniería son su bajo peso, su alta resistencia y dureza, su buena resistencia al calor y a la humedad, su reducida fricción y propiedades aislantes.

Materiales compuestos: Los materiales compuestos son mezclas de dos ó + materiales. La mayor parte de los materiales compuestos consisten en un relleno escogido o material de refuerzo y una resina compatible de unión para obtener unas características específicas y propiedades deseadas. Normalmente, los componentes no se disuelven uno en otro y pueden ser físicamente identificados por una interface entre ellos.

La estructura de los átomos (modelo de Rutherford-Bohr)
Los átomos están constituidos fundamentalmente por 3 partículas subatómicas: protones neutrones y electrones. El modelo común más simple de un átomo es el de un núcleo muy pequeño rodeado por una nube de electrones relativamente poco dispersa y de densidad variable. El núcleo aglutina casi toda la masa del átomo y contiene los protones y neutrones. La nube de carga electrónica constituye casi todo el volumen del átomo pero solo representa una pequeña parte de su masa. Los electrones, particularmente los más extremos, determinan la mayor parte de las propiedades eléctricas, mecánicas, químicas, y térmicas de los átomos, por lo que un conocimiento básico de la estructura atómica es importante en el estudio de los materiales.
Los átomos se vinculan para lograr estabilidad, pero esto produce desbalance electrónico. Mientras menor sea la diferencia entre (cantidad de) protones y e-de ultima orbita, mayor es la estabilidad.

Críticas al modelo
1) los protones están reunidos pero no se repelen. ¿Por qué?
Todos los iones interiores están fijos porque se repelen mutuamente en todas las direcciones, los iones de la superficie están fijos por los e- libres que los atraen. Se dice que está estable porque hay un equilibrio por la compensación de las acciones
2) los e- son del mismo signo, ¿no debería expandirse?
3) por que el núcleo no atrae a la materia concentrando todo en el mismo?
4) principio de incertidumbre->anulación del campo generado por el protón.
En realidad el átomo es parcialmente neutro, debido al movimiento constante del e- se filtra el campo. Algebraicamente es neutro.

Estructura electrónica y reactividad química
Las propiedades químicas de los átomos de los elementos dependen principalmente de la reactividad de sus elementos más extremos. Los más estables y menos reactivos de todos los elementos son los gases nobles. Los átomos permanecen estables a menos que haya un cambio energético.
-Elementos electropositivos y electronegativos: los elementos electro+ son metálicos por naturaleza y ceden electrones en las reacciones químicas para dar iones positivos o cationes. El número de electrones cedido por un átomo de un elemento electro+ se conoce como numero de oxidación positivo. Los elementos electro- son no metálicos por naturaleza y aceptan electrones en las reacciones químicas para producir iones negativos o aniones. El número de electrones aceptados por un átomo de un elemento electro- se conoce como numero de oxidación negativa.

Tipos de enlace
El enlace químico entre átomos acontece siempre que hay una disminución neta en la energía potencial en el átomo enlazado. Es decir, los átomos en estado enlazado se encuentran en condiciones energéticas más estables.
-Enlace iónico: los enlaces iónicos se pueden formar entre elementos altamente electro+ (metales) y elementos altamente electro- (NM). En el proceso de ionización se transfieren e- desde los átomos del elemento electro+ a los átomos del elemento electro- produciendo cationes cargados positivamente y aniones cargados negativamente. Las fuerzas de enlace iónico son debidas a la acción de fuerzas de atracción electrostáticas o de Coulomb entre iones de carga opuesta.
-Enlace covalente: Un segundo tipo de enlace atómico primario es el enlace covalente. Mientras que el enlace iónico involucra átomos muy electro+ y electro-, el enlace covalente se forma entre átomos con pequeñas diferencias en electronegatividad y próximos en la tabla periódica. En el enlace covalente los átomos generalmente comparten sus e- externos con otros átomos, de modo que cada átomo alcanza la configuración electrónica de gas noble para formar el par de electrones y las energías de ambos átomos enlazados covalentemente son menores (mayor estabilidad) como consecuencia de la interacción de los e-. Mediante enlazamiento covalente se pueden formar enlaces múltiples entre átomos iguales o átomos distintos.
-Enlace metálico: un 3er tipo de enlace atómico primario es el enlace metálico, que se presenta en los metales sólidos. En los metales en estado sólido, los átomos están empaquetados relativamente juntos en una ordenación sistémica o estructura cristalina. Los sólidos metálicos se representan como formados por núcleos de iones positivos (átomos sin sus e- de valencia) y por e- de valencia dispersados en forma de una nube electrónica que cubre una gran extensión de espacio. Los e- de valencia están débilmente unidos a los núcleos de iones positivos. Y pueden separarse fácilmente del metal cristalino por lo que se denominan frecuentemente electrones libres. Las altas conductividadades térmica y eléctrica de los metales se basan en la teoría de que algunos e- son libres para moverse a través de la celda cristalina del metal. La mayoría de los metales pueden deformarse considerablemente sin fracturas porque los átomos del metal pueden deslizar unos sobre otros sin distorsionar completamente la estructura de enlace metálico. Los átomos en un metal solido enlazan consigo mismo por enlace metálico para alcanzar un estado de más baja energía (más estable). Para el enlace metálico no hay restricciones sobre pares de e- como en el enlace covalente ni sobre la neutralidad de carga como en el enlace iónico. En el enlace metálico los e- de valencia mas externos de los átomos son compartidos por muchos átomos circundantes, y así, en general, el enlace metálico es no direccional. Las condiciones de estado metálico son las siguientes: 1)los átomos provienen de elementos electro+. 2) los átomos están ionizados, no hay uniones metálicas de otra forma. 3) los iones al estado sólido se disponen ordenadamente según un modelo geométrico y a una distribución mutua característica, formando una estructura modelizada por Brevais(da origen a propiedades mecánicas). 4) Los e- producto de la ionización permanecen libres dentro de la estructura (da origen a la conducción de energía).

Estructura y geometría cristalina
Si los átomos o iones de un sólido están ordenados según una disposición que se repite en las 3 dimensiones, forman un sólido que se dice posee estructura cristalina y es referido como solido cristalino o material cristalino.
La disposición atómica en los sólidos cristalinos se puede representar considerando a los átomos como los puntos de intersección de una red de líneas en 3 dimensiones. Esta red se denomina red espacial. Cada punto de la red espacial tiene idéntico entorno. Cada red espacial se puede describir especificando la disposición de los átomos como una celdilla unidad que se repite.

Principales estructuras cristalinas
La mayor parte de los metales elementales (90%) cristalizan al solidificar en 3 estructuras cristalinas de empaquetamiento compacto: Cubica centrada en el cuerpo (BCC), cubica centrada en las caras (FCC), hexagonal compacta (HCP).
Todos estos modelos se pueden identificar debido a 2 características. Largo de los lados respecto de los ejes cartesianos, y debido a los ángulos de las aristas
-BCC: equivalente de 2 átomos por celdilla unidad. Un átomo completo está localizado en el centro de la celdilla unidad. Un octavo de una esfera está localizado en cada vértice de la celdilla, constituyendo el equivalente de otro átomo. Así, hay un total de 1 (en el centro) + 8 x1/8 (en los vértices) = 2 átomos por celdilla unidad.
-FCC: La celdilla unidad tiene un equivalente de 4 átomos. Los ocho octavos de átomos de los vértices cuentan como uno entero y los 6 medios átomos de las caras del cubo cuentan como por 3 átomos haciendo un total de 4 átomos por celdilla unidad.
Un metal puede presentar distintas estructuras a distintas temperaturas, esta propiedad se llama alotropía.
La resistencia mecánica (fuerza que se genera para oponerse a las solicitaciones externas) varia de acuerdo a la complejidad de la estructura.

Comportamiento térmico
Los iones y e- tienen movimiento, pero es estable, al aplicarlo calor aumenta su movimiento en esa posición. Al aumentar la posibilidad de movimiento, aumenta el volumen (dilatación). Al quitarle el calor, los iones “vuelven a su posición de estabilidad, el volumen disminuye” (contracción). Al alejarse los iones por el calor (aumento de la distancia inter-iónica) disminuye la resistencia, aumenta la ductilidad. Al entregarle energía también aumenta la velocidad de los e-, hay menos control y chocan los e- entre sí y entre e- y iones, desprendiendo calor y trasladando la energía. Al entregarle mucho calor los iones externos se desprenden, y cambia la consistencia del material, si el proceso sigue se llega al estado liquido (fusión).

Comportamiento eléctrico
Al aplicar la DDP los iones+ tienden a ir al polo-, pero como tienen masa quedan fijos, los e- de menor masa sí se desplazan al polo+. Para fluir los e- necesitan espacio entre los iones (espacio interiónico ¡= distancia interiónica). Este proceso también aumenta la temperatura, si la DDP es muy grande el calentamiento logra la ruptura del conductor (cortocircuito). La R eléctrica cambia con la temperatura debido al movimiento de los iones, que tienen su mínima en el 0 absoluto 0 ºK porque los iones no tienen movimiento (superconductividad)

Solidificación
En general, la solidificación de un metal o aleación puede dividirse en las siguientes etapas: formación de núcleos estables en el fundido; crecimiento del núcleo hasta dar origen a cristales, y la formación de una estructura granular.
Al sacar la fuente de calor va disminuyendo la energía (aumenta la estabilidad). Cuando 2 iones llegan a la misma condición de energía, se posicionan a su distancia interiónica, luego los iones se van acoplando de acuerdo a los ejes cartesianos para lograr la estabilidad (crecimiento dendrítico). Para que la estructura se forme parejo y se mantenga la estructura la velocidad de enfriamiento debe ser muy lenta (monocristal). En la realidad esa velocidad es inalcanzable, lo que sucede es que se forman varios núcleos de solidificación (policristal).
-Limite de grano: zona que se genera al encontrarse 2 núcleos de solidificación. Dentro de cada grano hay regularidad, pero en los límites, las distancias interiónicas son azarosas. Debido a las irregularidades de la estructura, la “forma” de una fisura es tan cambiante, porque va siguiendo los puntos de debilidad. Las impurezas que puede haber en la solidificaciones, quedan atrapadas en los límites de grano => intensifican la debilidad.

Crecimiento de cristales en un metal liquido y formación de una estructura granular.
Una vez formados núcleos estables en un metal en solidificación, estos núcleos crecen hasta formar cristales. Cuando finalmente se completa la solidificación del metal, los cristales se juntan unos con otros en diferentes orientaciones y forman limites cristalinos. Un metal solidificado que contiene muchos cristales se llama policristalino. Los cristales en el metal solidificado se llaman granos y las superficies ente ellos, limites de grano.
Si hay relativamente pocos puntos de nucleacion disponibles durante la solidificación, se produce una estructura de grano gruesa y tosca. Si hay muchos puntos de nucleacion durante la solidificación se obtendrá una estructura de grano fino.
Si las condiciones de nucleacion y crecimiento en el metal líquido durante la solidificación son tales que los cristales pueden crecer por igual en todas las direcciones, se producirán granos equiaxiales. Un fuerte enfriamiento cerca de la pared origina una alta concentración de núcleos durante la solidificación, condición necesaria para producir una estructura de granos equiaxiales. Los granos en columna son alargados, delgados y toscos y se forman cuando un metal solidifica relativamente con lentitud en presencia de un excesivo gradiente térmico.

Soluciones solidas metálicas
La mayor parte de los metales de ingeniera están combinados con otros metales o no metales para conseguir mejores propiedades mecánicas, u otras propiedades de interés. Una aleación metálica, o simplemente aleación, es una mezcla de 2 o + metales o un metal y un no metal. Es necesario que el material NM no reaccione como tal. Se tiene que incorporar a la estructura metálica
La clase de aleación más sencilla es la solución solida. Una solución solida es un sólido que consta de 2 ó + elementos que están dispersos automáticamente formando una única estructura. En general hay dos tipos de soluciones solidas: sustitucionales o intersticiales.
-Sustitucionales: en soluciones solidas formadas por dos elementos, los átomos de soluto pueden sustituirse por átomos de disolvente en las posiciones de la red cristalina. La estructura cristalina del elemento progenitor o disolvente permanece inalterada. Pero la red puede distorsionarse por la presencia de los átomos de sólido, especialmente si hay una diferencia significativa entre los diámetros atómicos de los átomos de soluto y de disolvente.
Si los diámetros atómicos de los 2 elementos que forman una solución solida son distintos, habrá una distorsión de la red cristalina. La red atómica solo puede soportar hasta un cierto límite de contracción o expansión por lo que hay un límite en la diferencia de los diámetros atómicos hasta el cual la solución solida puede mantener una estructura cristalina. Cuando los diámetros atómicos difieren más de un 15% aprox, la situación no es favorable para formar soluciones solidas sustitucionales.
-Intersticiales: En las soluciones intersticiales los átomos de soluto se sitúan en los espacios que hay entre los átomos de disolvente o átomos progenitores. Estos espacios o huecos se denominan intersticios. Se pueden formar soluciones solidas intersticiales cuando un átomo es mayor que otro.

Imperfecciones cristalinas
-Defectos puntuales: el defecto puntual más simple es la vacante, hueco creado por la pérdida de un átomo que se encontraba en esa posición. Las vacantes pueden producirse durante la solidificación como resultado de perturbaciones locales durante el crecimiento de los cristales, o pueden ser debidas a reordenaciones atómicas en un cristal ya formado como consecuencia de la movilidad de los átomos.
Las vacantes adicionales en los metales pueden ser producidas por deformación plástica del metal, por enfriamiento rápido de mayores a menores temperaturas y por bombardeo de partículas energéticas tales como neutrones. Algunas veces un átomo en un cristal puede ocupar un hueco intersticial entre átomos de su entorno que ocupan posiciones atómicas normales. Este tipo de defecto puntual se llama intersticial. Estos defectos no ocurren generalmente en forma natura por la distorsión estructural que producen, pero se pueden introducir en una estructura por irradiación.
-Defectos de línea: o dislocaciones, en sólidos cristalinos son defectos que dan lugar a una distorsión de la red centrada en torno a una línea. Las dislocaciones se crean durante la solidificación de los sólidos cristalinos. También se pueden formar por deformación plástica del solido cristalino, por condensación de vacantes o por emparejamientos atómicos incorrectos en soluciones solidas. Los 2 principales tipos de dislocaciones son el tipo de cuña y el tipo helicoidal. También puede darse una combinación de las dos. Una dislocación de cuña se crea en un cristal por inserción de un semiplano adicional de átomos, tiene una zona de esfuerzo de compresión donde se encuentra el semiplano adicional de átomos y tiene una región de esfuerzo de tensión por debajo del semiplano de átomos.
-Límites de grano: los límites de grano son defectos interfaciales en materiales policristalinos, son límites que separan granos o cristales de diferentes orientaciones. En los metales los límites de grano se crean durante la solidificación cuando los cristales se han formado a partir de diferentes núcleos que crecen simultáneamente juntándose unos a otros. La forma de los límites de grano viene determinada por las restricciones impuestas por el crecimiento de los granos más próximos. La regularidad de la estructura también se puede ver afectada debido a que la superficie donde se solidifica el material no sea perfecta y la alineación se da según la forma del recipiente.
-Tamaño de grano: es importante porque la cantidad de superficie de límite de grano tiene un efecto significativo en muchas propiedades de los metales, especialmente en la resistencia. A temperaturas más bajas (menos de aprox la mitad de su temp de fusión) los límites de grano refuerzan a los metales por restricción del movimiento de las dislocaciones bajo tensión. A elevadas temp puede tener lugar un desplazamiento del límite de grano, y los límites de grano pueden llegar a ser regiones de baja resistencia en metales policristalinos

Isotropía: capacidad de un material para transmitir un fenómeno en cualquier dirección con igual intensidad ¡= anisotrópico
Metal: substancia formada por elementos típicamente anisotrópicos de comportamiento colectivo isotrópico.

Diagrama de Fases
Mapa que, trazado experimentalmente, nos indica las distintas fases presentes en función de la temperatura y la composición de la aleación. Hay 3 tipos: solubilidad total al estado sólido, insolubilidad total al estado sólido (c/u de los elementos solidifica por sepado), solubilidad parcial al estado sólido (Solubilidad total hasta determinado valor y luego insobulidad).
En un campo de 2 fases se determina: a) composición química; b) cantidad % de c/u.
Permite: mostrar que fases están presentes a diferentes composiciones y temperaturas en condiciones de enfriamiento lento; indicar la solubilidad de un elemento (o bien un compuesto en otro); indicar la temperatura a la cual una aleación que se ha enfriado en condiciones de equilibrio comienza a solidificar así como el rango de temperatura en el que ocurre la solidificación.; indicar la temperatura a la cual comienzan a fundirse las diferentes fases.
a) En un punto cualquiera trazo una isoterma hasta cortar las dos líneas más próximas, ahí bajo y me fijo en el eje x Cqs (a partir de el cruce de la isoterma y solidus) y Cql (a partir del cruce entre la isoterma y liquidus)
b)Se mide el largo de la isoterma (va como denominador) y para medir %liq mido la distancia del punto a solidus y viceversa.
Punto Eutéctico: Es un punto único y fijo dado por determinada temperatura eutéctica con una determinada composición eutéctica. En el coexisten las 3 fases. A través del punto eutéctico se pasa de una fase liquida a 2 fases solidas distintas de la original.
Punto eutectoide: de una fase sólida paso a 2 fases sólidas distintas de la original.

Sistema Hierro-Carbono




Punto [Ts Fe]

T [1535]

Símbolo

Estructura

a

Solubilidad de C

Prop Magnética

Componente Resultante

A4

1410

δ

cc

2,66

0,07% max a 1425 ºC

No magnético

Ferrita δ

A3

900

ϒ

ccc

3,26

1,67% max a 1150 ºC

Austenita

A2

790

β

cc

2,68

0,02% max a 790 ºC

Magnético Difuso

Ferrita

A1

400-700

α

cc

2,62

0,02% max a 790 ºC

Ferrita: Solución sólida de base Fe α, como tiene poco C las propiedades mecánicas prácticamente no varían (en general son valores bajos): σT = 30; σE = 18; Alargamiento = 25%; HB = 80.
Austenita: Solución sólida de C en Fe ϒ, no se lo encuentra a temperatura ambiente.
Valores + altos de las propiedades mecánicas, no se pueden determinar porque el rango de contenido de C varía mucho.
Ante la deformación plástica, elevan sus valores de propiedades mecánicas.
Acero (def): Sistema de Fe-C en el cual el C se encuentra solubilizado y combinado
Fundición (def): Sistema de Fe-C en el cual el C se encuentra solubilizado, combinado y segregado.
Cementita: es un compuesto químico CFe3; no cumple las condiciones de estado metálico ya que es una molécula. Todas las moléculas de carburo son duras: se usan para herramientas, maquinas devastadoras, etc. El material es frágil.
Para que se forme, la solidificación tiene que ser muy rápida. Se forma en la superficie, generalmente.
Es nociva para el mecanizado, no es deseable su presencia.
Perlita: Es una formación eutéctica (eutectoide) que surge a partir del enfriamiento de la austenita; se alterna ferrita y cementita en forma de placas. σT = 80; σE = 48; Alargamiento = 10-12%; HB = 200.
Ledeburita (eutéctico): son duros y frágiles, y la sección útil está reducida por el carbono en polvo que se forma. A altas temperaturas esta formado por Austenita y cementita; a menores temperaturas por perlita y cementita con mayor presencia de esta última.

Transformación Martensítica
1) Tengo Ferrita-Perlita, el C hasta 0,02 esta solubilizado en la estructura CC. El exceso está en la perlita.
2) Elevo la temperatura y tengo CCC; aumenta el volumen de la estructura(de A=2,6 paso a A=3,26); el C se difunde y ocupa el volumen que tengo.
3) Bajo la temperatura rápidamente para retener la estructura (2) pero en realidad queda una condición intermedia (estructura tetragonal con sección cuadrada). La estructura queda sobresaturada de C
DEF) Componente metalográfico típico del templado, con estructura hibrida con tendencia a ferrítica, sobresaturada con C.

Severidad de los medios de enfriamiento
Agua en movimiento: saca permanentemente el calor
Agua en reposo: al no renovarse el agua, es menor el “poder” de enfriamiento.
Aceites: tienen menos capacidad de disipación. Varía la velocidad de enfriamiento con las distintas viscosidades.
Sales: mucha densidad, menor disipación.
Metales fundidos.

De acuerdo a la velocidad de enfriamiento se forma:
Martensita (fuera de equilibrio): tiene forma acicular (agujas)
Bainita(fuera de equilibrio): Tiene tendencia a querer volver a estabilizarse. Se encuentra tensionado.
Sorbita: se empiezan a compensar la cementita (frágil) y la ferrita (dúctil)
Troostita: último antes del equilibrio
Perlita

Revenido: Se calienta el material para que los iones se acomoden y “sacar” la tensión existente (solo se hace después del templado).
Tratamiento Isotérmico
Enfrío la zona 1 hasta determinada T, una vez alcanzada la mantengo hasta que 2, 3 y 4 (ver curva de la S) alcancen la misma T, luego continua el enfriamiento, si lo hago para obtener martensita el proceso es “martenpering”, si lo hago para vainita es “austenpering”
Templabilidad: Variación de la dureza en una pieza templada desde la superficie al interior. Se evalúa mediante Grossman (observación subjetiva), o mediante método Jominy.Los aceros aleados tienen mejor resultado en el templado porque al bajar los puntos críticos, aumenta la zona austenítica y queda más homogéneo el material.
Recocido austenítico: (tratamiento de ablande) se calienta el material por encima de TA para eliminar las estructuras previas y luego se enfría muy lentamente (dentro del horno). Se vuelve al material en condición natural (mínima dureza y máxima ductilidad).
Normalizado: se aplica a aceros cuya composición es desconocida.
Tratamientos termo-químicos
Se hacen en sólidos; se le agregan elementos para modificar su estructura química ( N; C; Cr; S; Ni; Zn).
Cementado: Se agrega C a un acero para endurecerlo (caso dientes engranaje). El acero tiene que tener el mínimo contenido de C y ser calentado a 900 ºC (condición austenítica). Suelen ser tratamientos superficiales donde se obtiene un 0,7% de C
Nitrurado: Aumenta la dureza por presenca de N (se forman nitruros de comportamiento similar al carburo). Se calienta a 400 ºC (para disociar el N del H en el amoníaco). El N reaciona con los componentes metálicos. La desventaja es que es una reacción química irreversible prácticamente (recuperar la pieza es muy costoso)

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