Title: enlace
Course: Tecnología e Ingeniería 1º Bachillerato 25-26

Q: Enlace covalente

El enlace covalente es el que se produce entre [...]. Se caracteriza por estar mantenido por [...](esto es, zonas del espacio en que comparten los electrones de dos o más átomo). Los orbitales tienen como una de sus características la direccionalidad. Estos enlaces se pueden "doblar"[...], pero habrá que invertir energía en ello. También se pueden estirar [...]. Para romper un enlace de estos hay que invertir bastante energía. Son fuertes.
Si son enlaces simples, los átomos unidos entre ellos [...] girar, si son enlaces dobles o triples, los átomos del enlace [...] girar.

El enlace covalente puede estar restringido a las moléculas de un material o bien extendido a todo el material. [...].
A: elementos no metálicos; orbitales moleculares; un poco; un poco; pueden; no puede; La diferencia entre estas situaciones es muy grande
Gap 1 offers: elementos no metálicos; elementos metálicos; entre metales y no metales
Gap 2 offers: orbitales moleculares; fuerzas electrostáticas
Gap 3 offers: un poco; mucho
Gap 4 offers: un poco; mucho
Gap 5 offers: pueden; no pueden
Gap 6 offers: no puede; puden
Gap 7 offers: La diferencia entre estas situaciones es muy grande; Ambos tipos de compuestos tiene carecterísticas similares

Q: Propiedades de los metales

Los metales son [...] conductores de la electricidad ya que los electrones del mar de electrones no tienen posiciones fijas entre dos átomos sino que se pueden mover por todo el sólido.
Estos materiales [...] plasticidad ya que los enlaces [...] direccionales.
Los metales presentan estructura [...]. Como consecuencia, la disposición de sus átomos está [...].
Las estructuras más típicas de los metales son la red cúbica centrada en el cuerpo (BCC)y la red cúbica centrada en las caras (FCC).
En una red cúbica centrada en el cuerpo tenemos 4 átomos del metal en los vértices de un tetraedro y uno más en el interior.
En una red cúbica centrada en las caras tenemos átomos del metal en los vértices de un tetraedro más otro átomo en el centro de cada cara.
Una celda elemental es el prisma más pequeño de la red. Apilando celdas elementales idénticas en todas direcciones se construye la red completa.
En una red BCC la celda elemental tiene [...] átomos (date cuenta que que hay partes de los átomos que están fuera de la celda elemental y que, por tanto, solo una parte de los mismos pertenece a la celda elemental)
En una FCC la celda elemental tiene [...] átomos.
A: buenos; presentan; no son; cristalina; ordenada; 2; 4
Gap 1 offers: buenos; malos
Gap 2 offers: presentan; no presentan
Gap 3 offers: son; no son
Gap 4 offers: cristalina; amorfa
Gap 5 offers: ordenada; desordenada

Q: Enlace Iónico

El enlace iónico se da entre metales y no metales. Los no metales tienen [...] afinidad por electrones. Los metales tienen [...] afinidad por electrones. Como consecuencia, cuando se combinan, los metales [...] electrones formándose [...] (iónes con carga [...]); mientras que los no metales [...] electrones formándose [...] (iónes con carga [...]).
Los aniones y los cationes tienden a acercarse por interacción eléctrica mientras que tanto aniones como cationes entre sí tienden a separarse. La forma de maximizar al máximo las interacciones atractivas y minimizar las repulsivas es que las partículas de un tipo y otro se alternen en una red tridimensional ordenada llamada cristal.

[Image: cristal iónico]
A: mucha; poca; pierden; cationes; positiva; ganan; aniones; negativa
Gap 1 offers: mucha; poca
Gap 2 offers: mucha; poca
Gap 3 offers: pierden; ganan
Gap 4 offers: aniones; cationes
Gap 5 offers: positiva; negativa
Gap 6 offers: pierden; ganan
Gap 7 offers: aniones; cationes
Gap 8 offers: positiva; negativa

Q: vidrio/cristal

La palabra cristal tiene un significado científico que difiere del significado en lenguaje vulgar.
La diferencia entre un cristal y un vidrio es que el cristal tiene orden interno mientras que las partículas que forman un vidrio están desordenadas (es amorfo).
Lo que tienen las ventanas es [...]
Con respecto a la isotropía, los vidrios son siempre [...] mientras que los cristales pueden ser tanto isótropos como anisótropos.
A: un vidrio; isótropos
Gap 1 offers: un cristal; un vidrio

Q: Propiedades de los sólidos iónicos

Los sólidos iónicos tienen [...] puntos de ebullición porque la energía del enlace iónico es [...].
Estos compuestos son [...] porque su estabilidad depende del orden. Una pequeña deformación aproxima iones del mismo signo que se repelen. Eso no quita que puedan ser duros.

La plasticidad [...] una de sus características.
A: altos; grande; frágiles; no es
Gap 1 offers: bajos; altos
Gap 2 offers: grande; pequeña
Gap 3 offers: frágiles; resistentes
Gap 4 offers: no es; es

Enlace metálico

El enlace metálico se da entre metales. Los metales tienen menos afinidad por les electrones que los no metales y tienen muchos orbitales atómicos con energía próxima. Como consecuencia, los sólidos metálicos se comportan como un conjunto de cationes (iones con carga positiva) que comparten un mar de electrones que los estabiliza. Por tanto, el enlace no es direccional.

Q: Fuerzas intermoleculares

Los dipolos son zonas de una molécula con una distribución asimétrica de carga. El conjunto es neutro, pero en una zona hay un poco más de carga positiva y en otro un poco más de carga negativa.

Las fuerzas intermoleculares, también llamadas fuerzas de van der Waals, son de tipo electrostático. Se pueden dar entre:
- dipolos permanentes
- dipolo permamente-dipolo inducido
- dipolo inducido-dipolo inducido

Estas fuerzas son [...] que las del enlace iónico porque [...] y la distancia entre polos atractivos es [...].

Si no hay fuerzas intermoleculares, el compuesto será [...]. Si hay fuerzas intermoleculares cuanto mayores sean estás, [...] será la temperatura de fusión o de ebullición.

Cuanto mayor es una molécula, más importante son estas fuerzas ya que hay más posibles interacciones entre moléculas. Por eso el propano (3 carbonos) tiene un punto de ebullición [...] que el butano (4 carbonos). Por esa razón, para calefacción es preferible usar [...] para que no se congele con el frío.
En las bombonas, estos compuestos tiene una fase líquida y una gaseosa. Si las mueves, observarás que chapota el líquido. Lo que quemamos es la fase gaseosa. A medida que se gasta el gas, se va evaporando lo que hace que la temperatura de la bombona baje. Si el líquido se congela, se interrumpe la evaporación con lo que el suministro de gas se corta.
A: más débiles; la carga es menor; mayor; gaseoso; menor / mayor; menor; propano
Gap 1 offers: más fuertes; más débiles
Gap 2 offers: la carga es menor; la carga es mayor
Gap 3 offers: mayor; menor
Gap 4 offers: sólido; líquido; gaseoso
Gap 5 offers: menor; mayor
Gap 6 offers: mayor; menor
Gap 7 offers: butano; propano

Materiales estructurales

Los materiales estructurales son aquellos que se usan para mantener la forma de los objetos construidos. En este sentido, las propiedades mecánicas son esenciales para su elección. Pero además pueden ser interesantes otras propiedades para responder a otros requerimientos de los objetos técnicos. Por ejemplo, puede ser que interese que el material sea aislante además de estructuralmente resistente cuando se va a utilizar para construir una casa, o que sea conductor eléctrico cuando se desea ser usado también para que trasmita electricidad como ocurre con el chasis y carrocería de un coche.

Metales

La palabra metal es polisémica. En química se utiliza para designar a elementos químicos poco electronegativos y que se situan en la parte izquierda de la tabla periódica, por contraposición a los no metales. En ingeniería se utiliza para designar a un tipo de materiales caracterizado porque sus átomos están unidos por enlace metálico, lo que les da sus características esenciales. Pero no solo se refiere a elementos, sino también a aleaciones (mezclas de elementos que mantienen las propiedades metálicas). En este sentido, el bronce, el latón o el acero inoxidable son metales desde un punto de vista técnico, pero no desde un punto de vista químico ya que no son elementos puros sino mezclas. No todos los elementos químicos denominados metales se usan en la práctica como materiales metálicos técnicos. El calcio o el sodio, por ejemplo, son elementos metálicos pero no se usan como materiales técnicos metálicos ya que son tan reactivos químicamente que se oxidan expontaneamente al estar en contacto con el aire o el agua. En general los materiales metálicos estructurales estarán formados mayoritariamente por metales de transición.

La reactividad química de los metales es muy variable, por un lado los alcalinos y alcalinoterreos se oxidan extrordinariamente fácil mientras que otros metales como el oro, o el platino son prácticamente inertes (no reaccionan con casi nada). La reactividad de algunos metales les puede hacer interesantes para proteger a otros. Si unimos electricamente un metal A a un metal B que se oxida muy fácilmente, mientras se pueda oxidad el material B, el A no se oxidará. Se habla entonces de ánodos de sacrificio que son un trozo de metal de oxidación muy fácil que se unen electricamente a otros para protegerlos de la corrosión. El magnesio es uno metal muy usado como ánodo de sacrificio. Si el casco de un barco está construido de hierro, con el tiempo se corroerá, pero si se le une un trozo de magnesio, antes de que se oxide el hierro, se oxidará el magnesio, protegiendo el casco del barco contra la corrosión. Cuando el magnesio se ha oxidado completamente, hay que poner un nuevo ánodo de sacrificio.

Algunos materiales metálicos como el aluminio o el cinc se oxidan muy fácilmente pero el óxido es muy compacto de manera que protejen el interior contra la oxidación. Es como si se pintaran espontaneamente con pintura antióxido. Observa que los objetos de alumninio no suelen tener mucho brillo. Eso es porque siempre están recubiertos de una fina película de óxido de aluminio que impide que el el oxígeno del aire penetre. Este proceso se denomina pasivación y se dice que los materiales se pasivan espontaneamente.

El hierro es el elemento más usado en materiales metálicos estructurales. Cuando un átomo de hierro se oxida pierde adherencia con el conjunto del solido de manera que el oxido puede ir avanzando hacia el interior. El hierro no solo se oxida sino que al oxidarse se vuelve poroso y el óxido avanza. Para evitar este problema, el hierro suele estar aleado con otros metales. El cromo es un componente fundamental del acero (aleación de hierro con bajo contenido en carbono) inoxidable ya que le otorga la propiedad de pasivación.

Los metales son materiales muy usados estructuralmente por sus propiedaes mecánicas. Se caracterizan por no se frágiles y eso es debido a que presentan plasticidad. Es decir, cuando un esfuerzo es demasiado grande, antes de romperse, se deforman de manera plástica porque, debido a que el enlace metálico no es direccional, los átomos pueden moverse sin que los enlaces se rompan. Este movimiento requiere tiempo por eso los esfuerzos repentinos, como el que se produce en el péndulo de charpy, sí pueden roperlos sin deformación plástica. Habitualmente no se desea que una estructura tenga deformaciones plásticas y se calculan para que eso no ocurra. Pero todo objeto tiene defectos, por ejemplo grietas que aumentan los esfuerzos en una zona muy pequeña de la estructura. Haz el siguiente experimento: coje una hoja de papel y tira de ella. A pesar de ser un objeto tan fino, es sorprendente lo que resiste. Ahora rompe un poquito esa hoja y vuelve a tirar. El papel se rompe muy fácimente, a pesar que casi no ha cambiado la cantidad de material que está soportando la fuerza. Eso es porque las fuerzas no se distribuyen de manera equitativa en el objeto, se concentran en los alrededores de la grieta haciéndola crecer hasta que todo se rompe. Sin embargo, cuando el material tiene plasticidad, se producen pequeñas deformaciones en los bordes de la grieta, relajando las tensiones en ese punto, de manera que la estructura sobrevive.

Cuando un objeto se deforma plásticamente, los enlaces se tensan, por tanto, el material se hace más duro y frágil. Esta característica se denomina acritud y se puede solucionar calentando el material y enfriándolo nuevamente. De esa manera los átomos se reordenan y las tensiones desaparecen. Si, por ejemplo cojes un trozo de cobre del interior de un hilo conductor y pruebas a deformarlo, verás que se muy plástico, se deforma fácilmente. Si lo golpeas con un martillo sobre un yunque (puedes usar la arte de atrás de un tornillo de banco) verás que se aplasta fácilmente, pero ahora será más duro. Cuesta más deformarlo. Si lo calientas y lo dejas enfriar, recuperará su plasticidad.

La plasticidad es la que disminuye la fragilidad de los materiales metálicos, pero no se desea que, en los márgenes de trabajo de la estructura, esta presente deformaciones plásticas. Se desea un equilibrio entre plasticidad y rigidez y eso se consigue mediante aleaciones. Las aleaciones son disoluciones en estado sólido en las que el disolvente es siempre un metal. Por ejemplo, el hierro siempre está aleado con carbono. El hierro puro es demasiado blando y plástico y solo se usa para aplicaciones magnéticas, no para estructurales. El carbono se puede introducir en su estructura entre los huecos de la misma de manera que tensa un poco los enlaces. Como consecuencia, el hierro se hace más duro y menos plástico. Cuanto más carbono, más duro es y también más frágil por ser menos plástico. Cuando el porcentaje de carbono es inferior al 2% la aleación se llama acero y cuando esta entre el 2 y el 6% se llama fundición. Por encima del 6% ya no se muede disolver más carbono en el hierro y tendríamos una mezcla de fundición con partículas de carbono. Estos granos de carbono perjudican rápidamente las carecterísticas mecánicas del material.

El acero es pues, menos frágil que la fundición, pero más blando. Lo ideal sería tener objetos tan resistentes como el acero y tan duros como la fundición y eso se puede conseguir mediante tratamientos térmicos. Las propiedades mecánicas del hierro dependen de como están ordenados los átomos. A temperatura ambiente, los atomos de carbono tienen una estructura de red cúbica centrada en el interior. Donde hay un átomo de carbono en cada uno de los vértices de un cubo más un átomo de hierro en el centro de ese cubo. Cuando la temperatura aumenta la estructura cambia y se transforma en una estructura cúbica centrada en las caras. En esta estructura hay 8 átomos de hierro en los vértices de un cubo más 6 átomos más en el centro de cada cara. Esta estructura es algo más compacta que la otra y es más dura y, como siempre, más frágil. Si se enfría rápidamente, por ejemplo sumergiéndolo en agua, la parte externa se enfrá tan rápidamente que no le da tiempo a reorgaanizarse y mantiene esa estructura cúbica centrada en las caras. Como consecuencia, el acero templado tiene un núcleo resistente y una superficie dura.

Las estructuras de los metales son cristalinas, es decir, sus átomos están ordenados. Pero el objeto entero no es un cristal, sino un conglomerado de granos cristalinos agregados. La unión entre los granos cristalinos no es tan buena como entre los átomos de un cristal. Hay algunos enlaces que están tensados. Como consecuencia, cuanto más pequeños son los grandos más duro y frágil es un objeto. El tamaño de los granos se ajustar con la velocidad de enfriamiento(cuanto más rápido se enfría, más pequeños son los granos) y mediante métodos mecánicos, como por ejemplo dar martillazos (forjar).

Materiales cerámicos

Los materiales cerámicos se obtienen mediante pastas que se consolidan por acción del calor. El ejemlo más sencillo es la arcilla. Antes de cocerlas son pastas cerámicas y en ese estado presentan plasticidad, lo que permite conformarlos por moldeo o estrusión. Aunque reciban el nombre de pastas cerámicas, antes de ser cocidas, todavía no son cerámicas. Se llaman así porque producirán ese tipo de materiales.

Los materiales cerámicos presentan enlace iónico con cierto componente covalente. Son duros, pero frágiles. Su densidad depende de que sean porosos (lo que es muy frecuente) o compactos.

Son aislantes de la electricidad y el calor, en este caso más si son porosos. Normalmente presentan bastante resistencia a la corrosión química. Cuanto más porosa es una cerámica, más aislante y menos densa y dura es.

Plásticos

Hay que diferenciar la palabra plástico como sustantivo(un tipo de material) y como adjetivo (propiedad de algunos materiales). Curiosamente plasticidad no es una característica habitual de los plásticos. Podríamos decir que los plásticos (sustantivo) no son plásticos (adjetivo).

Los plásticos (sustantivo) son macromoléculas poliméricas artificiales. La palabra macromolécula se refiere a que son moléculas muy grandes. La palabra polimérica significa que están formados por la repetición de una o unos pocos tipos de moléculas pequeñas llamadas monómeros. Las proteínas son macromoléculas (moleculas grandes) poliméricas que se forman por la unión de aminiácidos (monómeros) pero no se llaman pásticos porque no son artificiales. La celuosa es otra macromolécula natural que es la unión ramificada de muchas moléculas de glucosa. No es artificial, por lo que no se denomina plástico. Pero el acetato de celulosa es celulosa modificada químicamente de manera artificial y sí se considera un plástico. Los enlaces dentro de las moléculas son de tipo covalente. Las moléculas en conjunto son neutras aunque pueden tener en algunas zonas dipolos. Los enlaces entre moléculas son del tipo Van der Waals.

Como consecuencia suelen ser poco densos (flotan en el agua, aunque no todos). Presentan bastante inercia química (son químicamente estables, no reaccionan fácilmente), por lo que se pueden usar como contenedores de productos químicos agresivos siempre y cuando no estén calientes. Pero la inercia química es un arma de doble filo. Durante el uso de los objetos, es una propiedad interesante de los materiales, pero cuando se desechan es un problema ya que no se degradan fácilmente. Los plásticos desechados se van fragmentando en trozos pequeños (microplásticos) pero, en general no se degradan químicamente. En la actualidad el obtener plásticos biodegradabes es un campo de investigación interesante para disminuir el impacto ambiental del desecho de objetos fabricados con plásticos. La industria de los plásticos se nutre fundamentalmente de derivados del petroleo, pero cada vez más se consiguen plásticos que provienen de la modificación química de biomoléculas que en muchos casos pueden ser biodegradables. Algo es biodegradable cuando los microorganismos se pueden alimentar de ello.

Cuando las macromoléculas son muy grandes y están enrolladas, entonces presentan elasticidad. Cuando los estiramos podemos "desenrollar" estas moléculas y al soltar recuperan su forma original.

Según su comportamiento con la temperatura

Plásticos termoplásticos

Cuando se calientan, se funden y eso permite conformarlos por moldeo o estrusión. En ese estado se deforman fácilmente, pero pierden la forma por su propio peso.

Plásticos termoestables

No se funden al calentarse. Químicamente son macromoléculas ramificadas, de manera que el enlace covalente es el responsable de mantener la forma del sólido y no las fuerzas de Van der Waals. Si se calientan a suficiente temperatura se destruyen, pero no adquieren en el proceso plasticidad. Los plásticos termoestables se fabrican insitu partiendo de disoluciones con monómeros a los que se hace reaccionar para que se unan ramificadamente haciendo un todo tridimenional intrincado.

Moldeo

El moldeo es una técnica de conformación de materiales en el que una matriz se rellena con una sustancia con plasticidad y adquiere su forma. Tanto plásticos termoestables como termoplásticos pueden conformarse por moldeo.

Extrusión

La extrusión es otra técnica en la que un material con plasticidad se pasa a través de una boquilla con una forma determinada y adquiere la forma de esta. Es una técnica muy usada para obtener perfiles y es por ejemplo la técnica usada para dar la forma a los ladrillos. El moldeo se puede usar con materiales líquidos o pastosos, pero la extrusión requiere que el material tenga suficiente viscosidad para mantener su forma hasta que se consolida (secándose cuando se trata de una pasta cerámica o enfriándose si es un plástico termoplástico). Solo los plásticos termoplásticos pueden conformarse por extrusión.

Nuevos materiales

Grafeno

El carbono es un elemento capaz de unirse así mismo de muchas maneras. Una de ellas es el diamante en el que cada átomo de carbono se une a otros 4 átomos de carbono mediante enlaces covalentes, formando una estructura tridimensional cúbica centrada en las caras. El diamante es extraordinariamente duro, y es aislante. Otra forma de organizarse es el grafito donde cada átomo de carbono se une a otros 3 formando planos con forma de panal de abejas. Los átomos están dispuesto de tal forma que forman hexágonos. Las uniones entre estos átomos es mediante enlaces covalentes, pero además hay una nube electrónica deslocalizada que abarca todo el plano. Una especie de enlace metálico. Los diversos planos de carbono se unen entre ellos mediante fuerzas de Van der Waals. Por tanto, se trata de un material anisótropo muy duro frente a esfuerzos que intenten separar los átomos de un plano pero muy blando frente a esfuerzos que pretendan separar o deslizar esos planos. Como no es un único cristal sino un conjunto de ellos con disposiciones aleatorias, macroscópicamente se comporta como un material blando. Debido a la nube de electrones deslocalizados que completan las valencias del carbono, el grafito conduce la electricidad.

El grafeno es un nanomaterial bidimensional compuesto por una única capa de átomos de carbono organizados en un patrón hexagonal como en el grafito, considerado el material más fino, resistente, flexible y conductor conocido.

Estaneno

El estaneno es un material bidimensional teórico formado por una sola capa de átomos de estaño, similar al grafeno, con potencial para ser un supermaterial en la electrónica. Se considera un aislante topológico que se comporta como un aislante eléctrico en su interior, pero que permite el flujo de corriente en su superficie o bordes.

Shrilk

El Shrilk es un bioplástico biodegradable y biocompatible, desarrollado por investigadores de la Universidad de Harvard, hecho de quitosano (cáscaras de crustáceos) y fibroína (proteína de seda). Imita la cutícula de los insectos, ofreciendo la resistencia del aluminio con la mitad de peso, siendo una alternativa sostenible y versátil al plástico, además de tener aplicaciones médicas.

Características y beneficios principales del Shrilk:

- Biodegradable y Ecológico: Se descompone rápidamente en compost y puede actuar como fertilizante orgánico, a diferencia de los plásticos tradicionales.
- Alta Resistencia: Posee una fuerza y tenacidad comparable a las aleaciones de aluminio, pero siendo mucho más ligero.
- Producción de Bajo Coste: Se elabora a partir de desechos de crustáceos (quitina), lo que lo hace económico y sostenible.
- Versatilidad: Es moldeable, flexible y transparente, ideal para envases, bolsas de basura y envases de alimentos.
- Uso Médico: Es biocompatible, lo que permite su uso en suturas quirúrgicas, andamios para regeneración de tejidos y curación de heridas

Enlace covalente

El enlace covalente es el que se produce entre elementos no metálicos. Se caracteriza por estar mantenido por orbitales moleculares. Esto es, zonas del espacio en que comparten los electrones de dos o más átomo. Estos orbitales tienen como una de sus características la direccionalidad. Estos enlaces se pueden "doblar", pero habrá que invertir energía en ello. También se pueden estirar un poco. Para romper un enlace de estos hay que invertir bastante energía. Son fuertes.
Si son enlaces simples, los átomos unidos entre ellos pueden girar, si son enlaces dobles o triples, los átomos del enlace no puede girar.

El enlace covalente puede estar restringido a las moléculas de un material o bien extendido a todo el material. La diferencia entre estas situaciones es muy grande.

Q: Sólidos covalentes

Los sólidos covalentes son materiales que mantienen su estructura gracias a enlaces covalentes.
Son [...] ya que las fuerzas de atracción entre las partículas son [...]. Por tanto su temperaura de fusión es [...].
Son materiales [...] ya que los enlaces son [...]
A: duros; fuertes; alta; rígidos; direccionales
Gap 1 offers: duros; blandos
Gap 2 offers: fuertes; débiles
Gap 3 offers: baja; alta
Gap 4 offers: plásticos; rígidos
Gap 5 offers: direccionales; no direccionales