ESTRUCTURA DE LOS MATERIALES MATERIALES ORGANICOS E INORGANICOS. MATERIALES ORGÁNICOS. Son así considerados cuando contienen células de vegetales o animales. Estos materiales pueden usualmente disolverse en líquidos orgánicos como el alcohol o los tretracloruros, no se disuelven en el agua y no soportan altas temperaturas. Algunos de los representantes de este grupo son:
Plásticos Productos del petróleo Madera Papel Hule Piel
PLASTICOS: Los tipos de plásticos según su estructura, que se clasifican en tres: termoplásticos, termoestables y elastómeros. Bien, empecemos por los termoplásticos.
Se obtienen principalmente de derivados del petróleo. Están constituidos por cadenas muy débilmente unidas entre sí. Esto hace que a temperatura
ambiente
sean
“blandos”
y
deformables, que se fundan al calentarse y se queden en un estado vítreo al enfriarse lo suficiente. Los más corrientes son: -El PVC (tuberías, impermeables, botas, mangueras) -El Poliestireno (envases y tetrabricks) -Polietileno (cubos de basura, contenedores, cajones, juguetes, bolsas, vasos, vasos, cubiertos…)
-Metacrilato (faros, carteles,gafas de protección…) -Teflón (sartenes, utensilios de cocina, paletas…) -Celofán (cintas de embalaje, envasado, empaquetado…) -Nailon (tejidos, cepillos, hilos para pesca, encordado de raquetas…)
Los termoestables.
También se obtienen de derivados del petroleo, pero las cadenas por las que están formados los termoestables se encuentran unidas fuertemente y en muchas direcciones. Al someterlos al calor se vuelven rígidos, solo pueden ser calentados una vez, además no se deforman. Suelen ser duros y extremadamente resistente, pero mas frágiles que los termoplásticos.
Los mas usuales son: -Poliuretano (colchones, esponjas sintéticas, barnices y pegamentos…)
-Resinas fenólicas mangos y asas…)
(carcasas
de electrodomésticos,
-Melamina (accesorios eléctricos, aislantes…)
Los elastómeros están formados por cadenas unidas lateralmente y plegadas sobre ellas mismas, como una bobina. Cuando se les aplica fuerza estas se estiran, con lo que es un tipo de plástico muy elástico ademas de que son adherentes y duros. Los más corrientes son: -Caucho natural (aislantes, neumáticos…) -Caucho sintético (componentes de coches, tuberías, esponjas…)
PETROLEO: El petróleo es la fuente de energía más importante de la sociedad actual, si nos ponemos a pensar qué pasaría si se acabara repentinamente, enseguida nos daríamos cuenta de la dimensión de la catástrofe: los aviones, los automóviles y autobuses, gran parte de los ferrocarriles, los barcos, las máquinas de guerra, centrales térmicas, muchas calefacciones dejarían de funcionar; además de que los países dependientes del petróleo para sus economías se hundirían en la miseria. Así mismo, sus derivados son de gran importancia en nuestra vida moderna, puesto que casi todo los que compramos, vemos, y tocamos están fabricados con polímeros u algún otro tipo de material subderivado de los polímeros. Es así que en el presente trabajo de investigación estudiaremos a fondo lo que son los polímeros, sus características, productos obtenidos ó fabricados con ellos, los tipos de polímeros existentes, las
aminas, y demás conceptos relacionados con el petróleo, sus derivados y su proceso de obtención. LAS AMINAS. Estructura Casi todos los compuestos orgánicos vistos hasta ahora son bases, aunque muy débiles Gran parte de la química de los alcoholes, éteres, ésteres y aun alquenos e hidrocarburos aromáticos puede comprenderse en función de la basicidad de estos compuestos. De las sustancias orgánicas que muestran basicidad apreciable (por ejemplo, aquellas con fuerza suficiente para azulear al tornasol), las más importantes son las aminas. Una amina tiene la fórmula general RNH2, R2nh o R3N, donde R es un grupo alquilo o arilo. Por ejemplo:
Clasificación
Las aminas se clasifican en primarias, secundarias o terciarias, según el número de grupos que se unen al nitrógeno. En relación con sus propiedades fundamentales basicidad y la nucleofilicidad que la acompañan-, las aminas de tipo diferentes son prácticamente iguales. Sin embargo, en muchas de sus reacciones, los productos finales dependen del número de átomos de hidrógeno unidos al de nitrógeno, por esa razón son diferentes para aminas de distintos tipos. MADERA: Las fibras vegetales requeridas para la producción de papel están compuestas por largas cadenas de un polímero natural, la celulosa, el cual está formado por la repetición sucesiva de una unidad individual de celobiosa, la cual a su vez está constituida por dos unidades de un polisacárido denominado glucosa. Así, la fórmula molecular de la celulosa se puede expresar como (C6H10O5)n, siendo n el número de unidades que forman la cadena (también se denomina grado de polimerización, GP). La mayoría de las fibras utilizadas en la fabricación de papel tienen un GP de entre 600 a 1500. Este tipo de fibras utilizables suelen presentar un diámetro de entre 10 y 40 μm, y su longitud se sitúa entre 0,5 y 30 mm.
Las fibras celulósicas se disponen en el interior de la madera unidas entre sí, ordenadamente, formando regiones cristalinas, y dichos aglomerados cristalinos se unen a su vez entre sí por medio de fibras sobresalientes, creando entonces zonas amorfas de unión y zonas cristalinas. Las propiedades que hacen de la fibra celulósica el material idóneo para la confección del papel son las siguientes:
Gran resistencia mecánica a tensión Buena flexibilidad, natural y adquirida Resistencia a la deformación plástica Insolubilidad en agua de la fibra Hidrofilia Amplio rango de dimensiones Facilidad inherente a enlazarse Facilidad para absorber aditivos modificantes Estable químicamente Relativamente incolora
En la estructura de la madera también aparecen otro tipo de fibras con base de polisacáridos, denominadas hemicelulosa; sus longitudes son menores, y las unidades de que están formados son diferentes: glucosa, manosa, galactosa, xylosa y arabinosa, dependiendo de la planta considerada. Tanto las fibras de celulosa como las de hemicelulosa están unidas entre sí por una sustancia polimérica de estructura amorfa denominada lignina, la cual actúa como cemento de unión de las mencionadas fibras, dando consistencia y rigidez a la planta. La lignina se sitúa
formando una capa externa alrededor de las fibras, y dicha capa externa se une a la existente en las demás fibras por medio de enlaces covalentes y de puente de hidrógeno. La estructura química de la lignina es extremadamente complicada, pero se basa en la unión tridimensional de unidades de fenilpropano, cuyos sustituyentes varían en función de la planta considerada. Las uniones entre los monómeros han de ser quebradas para poder separar las fibras celulósicas necesarias en la obtención de la pulpa. Además de los anteriores componentes, existen en las maderas pequeñas cantidades de otros materiales de diferente naturaleza, los cuales son fácilmente extraídos durante el procesado de la pasta de papel: terpenos, resinas, fenoles ácidos grasos,... Su porcentaje varía de unas maderas a otras (entre 2 y 8%), pero en cualquier caso no representan ningún problema en el proceso de fabricación. La Figura 3.1 muestra un esquema aproximado de la composición química de la madera.
Composición química de la madera
La distinción entre maderas duras y suaves se basa en la estructura interna de la madera, sobre todo por la densidad y la longitud de fibra. Donde sí se distinguen claramente unidades aisladas, es en los llamados materiales orgánicos, en donde aparece el concepto de entidad molecular (molécula), formada por átomos enlazados entre sí, pero en donde la unión entre las moléculas, dentro del cristal, es mucho más débil (cristales moleculares). Son generalmente materiales más blandos e inestables que los inorgánicos.
Estructura cristalina de un material orgánico: cinnamida
En las proteínas también existen unidades moleculares como en los materiales orgánicos, pero mucho más grandes. Las fuerzas que unen estas moléculas son también similares, pero su empaquetamiento en los
cristales deja muchos huecos que se rellenan con agua no ordenada y de ahí su extrema inestabilidad.
Estructura cristalina de una proteína: AtHal3
MATERIALES INORGÁNICOs Son todos aquellos que no proceden de células animales o vegetales o relacionadas con el carbón. Por lo regular se pueden disolver en el agua y en general resisten el calor mejor que las sustancias orgánicas. Algunos de los materiales inorgánicos más utilizados en la manufactura son: • Los minerales • El cemento • La cerámica • El vidrio • El grafito (carbón mineral)
Los materiales sean metálicos o no metálicos, orgánicos o inorgánicos casi nunca se encuentran en el estado en el que van a ser utilizados, por lo regular estos deben ser sometidos a un conjunto de procesos para lograr las características requeridas en tareas específicas. Estos procesos han requerido del desarrollo de técnicas especiales muy elaboradas que han dado el refinamiento necesario para cumplir con requerimientos prácticos. También estos procesos aumentan notablemente el costo de los materiales, tanto que esto puede significar varias veces el costo original del material por lo que su estudio y perfeccionamiento repercutirán directamente en el costo de los materiales y los artículos que integraran. Los procesos de manufactura implicados en la conversión de los materiales originales en materiales útiles para el hombre requieren de estudios especiales
para lograr su mejor aplicación, desarrollo y disminución de costo. En la ingeniería la transformación de los materiales y sus propiedades tienen un espacio especial, ya que en casi todos los casos de ello dependerá el éxito o fracaso del uso de un material. 1 MINERAL: La composición química de un mineral está reflejada en un arreglo regular y repetitivo de los átomos, que se llama la estructura de cristal de un mineral. La estructura de cristal del hálito se puede ver a continuación. La estructura interna (a la izquierda) está reflejada en una forma de cristal externa de manera consistente (a la derecha), tal como lo observó Steno. La forma cúbica de los cristales de sal refleja claramente el ángulo derecho de los enclace químicos entre los átomos Na y Cl de su estructura atómica.
La forma cúbica de los cristales de sal proviene del arreglo regular de los átomos que forman el cristal.
Lo más importante es que la estructura se repite. A medida que el hálito de cristal se quiebra en piezas más pequeñas, retiene su estructura cúbica. Si usted observa un puñado de sal de mesa bajo un microscopio, confirmará que es así. El par de minerales diamante-grafito es un ejemplo extremo de la importancia de la estructura de cristal. Estos dos minerales muy difenteres entre sí, tienen exactamente la misma fórmula química, pero la estructura de cristal de ambos minerales es muy diferente. En el grafito los átomos carbónicos están unidos en un plano liso. Estas capas de carbón están vagamente unidas por fuerzas de atracción débiles. Sin embargo, las fuerzas atractivas entre las capas pueden ser rotas fácilmente, permitiendo que se deslicen unas al lado de otras. Por consiguiente, el grafito es un mineral blando y resbaladizo que se usa comúnmente como lubricante de máquinas. Cuando se frota grafito contra otro material, como un pedazo de papel, éste deja una huella de pequeñas capas que se han ido soltando, razón por la cual también se usa en los lápices. En comparación, en un diamante cada átomo carbónico está poderosamente unido a cuatro átomos carbónicos que lo rodean en una estructura tridimensional. Esto crea la sustancia natural más dura del planeta. La estructura de cada uno de estos minerales es crucial para determinar sus propiedades físicas.
© Corel Corporation El grafito tiene un Un cristal de brillo metálico, es diamante entero blando, y se es claro y es la rompe fácilmente sustancia en delgadas conocida más capas. dura. © Richard Busch
La estructura átomica interna del grafito y el diamante, que se muestra aquí, explica las propiedades de estos dos minerales.
La estructura interna del grafito muestra enlaces fuertes
La estructura interna del diamante muestra enlaces
dentro de los igualmente planos y fuerzas fuertes en todas débiles entre las direcciones. ellos.
En la estructura cristalina (ordenada) de los materiales inorgánicos, los motivos repetitivos son átomos o iones enlazados entre sí, de modo que generalmente no se distinguen unidades aisladas y de ahí su estabilidad y dureza ( cristales iónicos, fundamentalmente)
Estructura cristalina de un material inorgánico: el alfa-cuarzo
Los distintos modos de empaquetamiento en un cristal dan lugar a las llamadas fases polimórficas ( fases alotrópicas para los elementos), que confieren a los cristales (a los materiales) distintas propiedades. Por ejemplo, de todos son conocidas las distintas apariencias y propiedades del elemento químico Carbono, que se presenta en la Naturaleza en dos formas cristalinas muy diferentes, el diamante (carbono puro) y el grafito (carbono puro):
Diamante
Grafito El grafito es negro, blando y un lubricante excelente, lo que sugiere que sus átomos deben estar distribuidos (empaquetados) de un modo que puedan entenderse sus propiedades. Sin embargo,
el diamante es transparente y muy duro, por lo que debe esperarse que sus átomos estén muy fijamente unidos. En efecto, sus estructuras submicroscópicas (a nivel atómico) dan cuenta de sus diferencias:
Diamante, con estructura muy compacta
Grafito, con estructura atómica en láminas El carbono es un elemento químico de número atómico 6 y símbolo C. Es sólido a temperatura ambiente. Dependiendo de las condiciones de formación puede encontrarse en la naturaleza en distintas formas alotrópicas, carbono amorfo y cristalino en forma de grafito o diamante. Estructura cristalina Estructura cristalina
Cúbica o hexagonal (diamante); hexagonal o romboédrica
(grafito) Otros materiales inorgánicos: Silicatos Son una familia de Compuestos cuya unidad estructural es el SiO44- el cual tiene una geometría tetraédrica, en la cual un átomo de Silicio se encuentra en el centro y los átomos de Oxígeno en los vértices (Ver Diagrama).
Si se protona completamente el ión SiO44- se obtiene ácido silícico el cual se convierte en SiO2.2H2O. La Clasificación de los Silicatos es la siguiente: Ortosilicatos: Son los que contienen iones SiO44-. Sorosilicatos: Conjuntos de 2 a 6 unidades tetraedricas unidos en forma lineal mediante iones de oxígeno comunes.
Ciclosilicatos: Silicatos en los que las unidades forman anillos de tres y seis tetraedros. Diagrama.
Inosilicatos: Silicatos en los cuales los tetraedros forman filamentos de longitud indefinida. Diagrama.
Filosilicatos: Silicatos en los cuales se forman láminas compuestas de tetraedros. Diagrama.
Tectosilicatos: Las unidades tetraedricas forman una estructura tridimensional Vidrio Los Vidrios son materiales que habiendo sido fundidos previamente se hacen rígidos sin cristalizar durante el proceso de enfriamiento. En cierta forma, el Vidrio se asemeja a un líquido subenfriado. Las estructuras vítreas se producen uniendo los tetraedros de sílice u otros grupos iónicos para formar una estructura reticular no cristalina. Los Vidrios de Silicato son los vidrios más usados. La Sílice fundida, formada a partir de SiO2 puro se mezcla con óxidos "formadores de vidrio" tales como PbO, Al2O3 y "modificadores" (desvitrificadores) tales como CaO y Na2O. Los Vidrios no silicáticos se pueden producir a partir de BeF2, GeO2, B2O3. Algunos vidrios se producen combinando SiO2 y B2O3
CRISTALES Los cristales presentan formas más o menos regulares con definición de aristas, caras y vértices. Internamente, Están constituidos por partículas que guardan entre sí relaciones y distancias fijas; estos parámetros internos Se estudian mediante rayos X, mientras que los externos se realizan midiendo los ángulos que forman sus caras.
Tipos de Redes Cristalinas. Red cúbica simple Los átomos ocupan únicamente esquinas de un cubo
Red cúbica centrada en el cuerpo Los átomos ocupan las esquinas y el centro del cubo
Red cúbica centrada en las caras Los átomos ocupan las esquinas y el centro de las caras del cubo
Estructuras tipo en cristales iónicos Estructura tipo cloruro de cesio:
- Los iones cloruro ocupan las posiciones de una red cúbica simple - Los iones cesio ocupan el centro del cubo - Se trata de dos redes cúbicas simples ínter penetradas - Cada ión cesio está rodeado de 8 iones cloruro (y viceversa)
Estructura tipo cloruro sódico: -Los iones cloruro ocupan las posiciones de una red cúbica centrada en las caras -Los iones sodio ocupan los centros de las aristas y el centro del cubo - Se trata de dos redes cúbicas centradas en las caras ínter penetradas - Cada ión sodio está rodeado de 6 iones cloruro y viceversa
Empaquetamiento compacto El empaquetamiento compacto se caracteriza por la coordinación de sus átomos, que toma el valor máximo posible, 12. Las redes compactas se forman mediante apilamiento de láminas compactas:
Empaquetamiento hexagonal compacto El apilamiento A-B-A-B da lugar al empaquetamiento hexagonal compacto, al que le corresponde una red hexagonal centrada en el cuerpo.
Empaquetamiento cúbico compacto El apilamiento A-B-C-A-B-C da lugar al empaquetamiento cúbico compacto, al que le corresponde una red cúbica centrada en las caras.
Modelo atómico en un material ordenado (cristal)
Cemento El Cemento Pórtland se fabrica al mezclar arcillas (que son silicatos), caliza y algunos componentes menores. Estos se cuecen a 1700 °C para formar una escoria de silicatos.
