UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LA MIXTECA

INGENIERIA EN MECATRONICA

Problemas del libro “La ciencia e ingeniería de

materiales”, Donald Askeland. Seccion 2.1-La

importancia de los materiales: Importancia

tecnológica.

Docente: Dr. Juan Manuel Espinoza Cuadra

Integrantes del equipo:

Castillo Aguilar Francisco

Dominguez Sanchez Jorge Armando

Guzmán Zavala Jaime

Leyva Olivera Irving

Leyva Pacheco Armando

Huajuapan de León, Oaxaca. 19 de Octubre del 2016

2-1._¿Qué significa el término composición de un material?

Es la diversidad de partículas subatómicas que intervienen en la formación de un compuesto, en otras palabras son los elementos que forman un material.

2-2._ ¿Qué significa el término estructura de un material?

A nivel molecular es la organización de los elementos para formar compuestos, que va desde el tipo de partículas hasta los enlaces que hacen posible el material.

2-3._ ¿Cuáles son los diferentes niveles de estructura de un material?

Hoy sabemos que los átomos no son las partículas más pequeñas que hay sin embargo esta es nuestra base para la descripción de los materiales. Podría decirse que existen tres niveles el atómico, el molecular y el macromolecular.

2-4._ ¿Por qué es importante tener en cuenta la estructura de un material cuando se diseñan y fabrican componentes?

Todos los elementos poseen características diferentes y la forma en que se enlazan con otros elementos determina las propiedades de los materiales derivados entonces es necesario y preciso tener en cuenta la estructura molecular de los materiales pues son la base de los objetos fabricados con los materiales hechos.

2-5._ ¿Cuál es la diferencia entre la microestructura y la macroestructura de un material?

La microestructura nos proporciona información sobre los granos que conforman el material no visible a simple vista mientras que la macroestructura, observable a simple vista, nos indican las características físicas de los materiales.

2-6._ El papel de aluminio que se usa para almacenar alimentos pero unos 2.5 g por pulgada cuadrada. ¿Cuántos átomos de aluminio contiene una pulgada cuadra de este papel?

Un mol de aluminio equivale a 6.022 X 1023 átomos y la masa molar de este es 26.98 grs Ahora si tenemos en cuenta que una pulgada cuadrada de papel de aluminio pesa aproximadamente 0.3 grs.

Lo primero que hacemos es dividir la masa del papel sobre la masa molar del mol de aluminio.

0.3 grs/26.98 grs = 0.011119347

Ahora esta cantidad la multiplicamos por la cantidad de átomos contenidos en un mol de aluminio.

(0.011119347)*(6.022 X 1023 átomos) = 6.696071164 X 1021 átomos

Que es la cantidad de átomos existentes en una pulgada cuadrada de este papel de aluminio

2-8._ Para niquelar un parte de acero con 200 ¿2 de superficie, con una capa de 0.002 in de espesor de níquel: a) ¿Cuántos átomos de níquel se requieren? b) ¿Cuántos moles de níquel se requieren?

Primero tenemos que calcular el volumen total de la pieza terminada

Volumen = (200 ¿2)(0.002)(2.54 cm/in)(2.54 cm /¿)3 = 6.555 cm3

a)(6.555 cm3 )(8.902 g/cm3)(6.02 x 1023 átomos/mol) = 5.98 x 1023

58.71 g/ mol

b)

De manera similar tenemos que

(6.555 cm3 )(8.902 g/cm3) = 0.994 moles de Níquel

58.71 g/ mol

2-9 Suponiendo que un elemento tiene valencia 2 y número atómico 27, y sólo con base en los números cuánticos. ¿Cuantos electrones debe haber en el nivel de energía 3d?

Suponiendo que x es el número de electrones en el nivel de energía 3d. Tenemos que:

1s2 2s2 2 p6 3s2 3p6 3d x 4s2 Le ponemos 2 electrones a 4s para que el balance sea = 27

Y entonces decimos que X= 27-(2+2+6+2+6+2) = 27-20 = 7; X=7, Y entonces deben de haber 7 electrones in el tercer nivel.

2-10 El indio, con número atómico 49, no contiene electrones en sus niveles de energía 4f- Sólo con esta información. ¿Cuál debe ser la valencia del indio?

De manera similar al anterior ejercicio, decimos que x es el número de electrones para el siguiente nivel de energía sp, entonces

1s2 2s2 2 p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4 p6 4 d10 4f 0 5(sp)x

x = 49-(2+2+6+2+6+10+2+6+10+0) = 49-46 = 3; x=3

Siguiendo esto, queda que en el nivel 5sp debe ser:

5s25p1 o valencia = 3

2-11 Sin ver el apéndice C, describa los números cuánticos de cada uno de los 18 electrones en la capa M del cobre, con un formato semejante al de la figura 2-9

Solución: Para la estructura cuántica queda:

Figura 2-9

2-12 En los metales. La carga eléctrica se transfiere con el movimiento de los electrones de valencia. ¿Cuántos portadores potenciales de carga hay en un alambre de aluminio de 1 mm de diámetro y 100 m de longitud?

Solución: Sabiendo que el Aluminio tiene 3 electrones de valencia por átomo; calculando el volumen del cable tenemos que:

Volumen = (∏/4)(diametro )2(longitud) = (∏/4)(0.1cm)2(10000 cm) = 78.54 cm3

(78.54 cm3)(2.699 g/cm3)(6.02 x 1023 átomos/mol)(3 electrones/átomo)

n = 26.981 g/mol

n = 1.42 x 1025 portadores potenciales de carga

2-13 La tabla periódica de los elementos nos puede ayudar a racionalizar mejor las tendencias en las propiedades de los elementos y los compuestos, a partir de elementos de distintos grupos. Busque en la literatura publicada los coeficientes de expansión o dilatación térmica de los elementos del grupo 4B. Determine una tendencia y vea si se correlacionan con las temperaturas de fusión u otras propiedades -por ejemplo, espacio entre bandas- de estos elementos.

2-14 El enlace del compuesto intermetálico Ni, Al es principalmente metálico. Explique por qué hay poco componente iónico, si es que lo hay, en el enlace. La electronegatividad aproximada del níquel es de 1.8

La electronegatividad del Al es de 1.5, mientras que la del Ni es 1.8. Estos valores son relativamente cercanos, así que no podemos esperar mucho enlace iónico. Además, son metales y prefieren renunciar a sus electrones en lugar de compartirlos o donarlos.

2.15._Haga una gráfica de las temperaturas de fusión de los elementos de las columnas desde la 4Ahasta la 8 o 10 en la tabla periódica, en función del número atómico. Es decir, Grafique las temperaturas de fusión del Ti hasta el Ni, del Zr hasta el Pd y del Hf Hasta el Pt. Describe estas relaciones con base en el tipo de enlace atómico y en las energías de enlace: a) al aumentar el número atómico en cada fila de la tabla periódica y b) al aumentar el número atómico en cada columna de la tabla periódica.

Conforme el número de átomos aumenta la temperatura de fusión aumenta

Materiales

Num. Atom.

Temperatura

TI 22 1668

V 23 1900

Cr 24 1875

Mn 25 1244

Fe 26 1538

Co 27 1495

Ni 28 1453

Zr 40 1852

Nb 41 2468

Mo 42 2610

Tc 43 2200

Ru 44 2310

Rh 45 1963

Pd 46 1552

Hf 72 2277

Ta 73 2996

W 74 3410

Re 75 3180

Os 76 2700

Ir 77 2447

Pt 78 1769

2.16._ Haga una gráfica de la temperatura de fusión de los elementos de la columna 1ª en la tabla periódica, en función del número atómico. Es decir, grafique las temperaturas de fusión del li hasta el Cs hasta el Cs. Describa la relación con base en el enlace atómico y la energía de enlace.

Material

Num. Atom.

Temperatura

Li 3 181

Na 11 98

K 19 63

Rb 37 39

Cs 55 28

La temperatura de fusión decrece conforme el número de átomos avanza.

2.17._Al aumentar la temp. De un semiconductor se rompen los enlaces covalentes. Por cada enlace roto se liberados electrones, que se mueven y trasfieren carga eléctrica. a) ¿Qué fracción del total de los electrones de valencia tiene libertad de movimiento?

3 11 19 37 550

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

NUMERO ATOMICO

TEM

PERA

TURA

°C

b) ¿Qué fracción de enlaces covalentes se debe romper para que 5x10 15 electrones conduzcan carga eléctrica en 50g de silicio?

c) ¿Qué fracción del total de átomos de silicio debe sustituirse con átomos de arsénico para que haya un millón de electrones que se muevan con libertad en una libra de silicio?

2.18 El metano (CH4) tiene una estructura tetraédrica parecida a la de la SiO2, con un átomo de carbono de radio 0.77x10-3 cm en el centro y átomos de hidrógeno de 0.46x 10-8 cm en cuatro de los ocho vértices. Calcule e tamaño del bubo tetraédrico del metano

2.19._El fosfuro de Al (AlP) es un

semiconductor compuesto que tiene enlaces iónicos y covalentes mezclados. Calcule la fracción de enlace que es iónica.

2.20 Calcule la fracción de los enlaces del MgO que es iónica

2.21._¿Cuál es el tipo de enlace en el diamante? ¿Concuerdan las propiedades del diamante con la naturaleza de sus enlaces?

Su estructura corresponde al enlace covalente. Y claro que concuerdan con las propiedades del diamante, pues los materiales con enlaces covalentes son demasiados resistentes y duros, además su punto de fusión es muy alto y estas son propiedades características dell diamante.

2-22._ ¿Cuáles son algunas aplicaciones industriales del diamante?

El diamante es el material con mayor dureza encontrado en la naturaleza, el cual posee una estructura tetraédrica. En la industria el diamante tiene distintos usos, por ejemplo es usado para crear muelas y troqueles que se ocupan para pulir. Por su dureza el diamante es usado para perforar otras piedras, o incluso es usado a gran escala para perforar pozos petroleros. Hoy en día el diamante es investigado debido a que tiene excelentes características de conducción, tanto de calor como de electrones.

2-23._ Los materiales como el carburo de silicio (SiC) y el nitruro de silicio (Si3 N4) se usan en aplicaciones de esmerilado y pulimiento; explique por qué se escogen estos materiales para estas aplicaciones.

Ambos materiales tienen propiedades muy comunes, y poseen las propiedades adecuadas para llevar acabo estos dos procesos, como la alta dureza, además de que resisten muy altas temperaturas lo cual los ayuda a no quebrarse en el proceso, añadiendo su alta resistencia a los choques de temperatura.

2-24._ ¿Qué clase de fuerzas de van der Waals actúan entre los átomos de Argón?

Las fuerzas dipolos instantáneo – inducido se dan entre moléculas covalentes apolares, e incluso entre átomos no enlazados como es el caso de los gases nobles, la fuerza que actúa sobre las moléculas de Argón es la denominada Fuerza de London.

2-25._ ¿Qué clase de fuerzas de van der Waals actúan entre las moléculas de agua?

En el agua, los electrones de oxigeno tienden a estar alejados del hidrogeno, lo cual hace que la carga resultante lo cual permite a la molécula adherirse más fácil a las demás moléculas de agua. Por lo tanto la fuerza que actúa es la denominada interacción de Keemson .

2-26._ Explique por qué la tensión superficial del agua es mayor que las de los líquidos orgánicos no polares.

Debido a que existe enlaces de hidrogeno y esto en si es una fuerza de Keemson, esta fuerza es relativamente intensa entre las moléculas de agua, lo cual favorece a que la tensión superficial de agua sea mayor a otros líquidos orgánicos.

2-27._Explique las fuerzas de van der Waals en el plástico de PVC.

La fuerza de van der Waals varia en los polímeros, mientras mayor sea la fuerza mayor será la rigidez del polímero. En los plásticos, las moléculas contienen partes polares o grupos laterales, lo cual aumenta la fuerza de van der Waals y provee una fuerza extra entre sus cadenas.

2-28._ ¿Por qué son importantes la fuerzas de van der Waals en la preparación de todos los cerámicos y otras soluciones?

Debido a que las fuerzas de van der Waals son consideradas como la explicación molecular para las energías cohesivas de los líquidos y son semejantes en magnitud a las entalpías de vaporización de muchos líquidos. En otras palabras son fuerzas de estabilización molecular (dan estabilidad a la unión entre varias moléculas), también conocidas como atracciones intermoleculares o de largo alcance y son las fuerzas entre moléculas.

2-29._ El berilio y el magnesio, ambos de la columna 2ª de la tabla periódica, son metales ligeros. ¿Cuál esperaría usted que tenga mayor módulo de elasticidad? Expliquelo con base en la energía de enlace y los radios atómicos, son con los esquemas correspondientes de fuerza en función de la distancia interatómica.

Teniendo en cuenta los radios atómicos del magnesio (1.604Ȧ) y el del berilio (1.14Ȧ) y por su punto de fusión (Be = 1290c)(Mg=650c) y observando que estos son bastantes activos y divalentes , pues la expulsión de los 2 electrones exige una absorción elevada de energia. Cabe notar que el uso más importante del berilio es la preparación de aleaciones especiales con el cobre níquel aluminio hierro. A causa de su elevado punto de fusión se utiliza como aleación madre de cobre con 3% de berilio para introducirlo en otras que contengan metales debajo punto de fusión . Algunas propiedades mejoran notablemente con pequeñas proporciones de berilio : flexibilidad , ductibilidad , dureza , conductividad térmica y eléctrica ,y características antimagnéticas y anti inductivas .

2-30._ El Boro tiene un coeficiente de dilatación mucho menor que el aluminio, aun cuando ambos están en la columna 3B de la tabla periódica. Explique porque es de esperarse esta diferencia, con base en la energía de enlace, tamaño de átomos y el pozo de energía.

Los átomos de aluminio adoptan la estructura conocida como cúbica centrada en las caras y el boro ni tan siquiera se encuentra formando una estructura determinada en su forma elemental. El boro tiene alótropos distintos. Debido al carácter semimetálico del boro, éste presentará un comportamiento covalente al igual que el aluminio pero de todos modos, el boro sigue siendo bastante distinto al resto.

2-31._ ¿Que espera usted que tenga mayor módulo de elasticidad: el MgO o el magnesio?

En punto personal pienso que debido a su bajo módulo de elasticidad, las aleaciones de magnesio o por ejemplo el óxido de magnesio pueden absorber energía elásticamente. Combinado con

tensiones moderadas, esto provee excelente resistencia al rayado y alta capacidad de amortiguamiento. El magnesio aleado posee buena resistencia a la fatiga y se comporta particularmente bien en aplicaciones que involucran un gran número de ciclos de tensiones relativamente bajas. Sin embargo, el metal es sensible a la concentración de tensiones, por lo que deberían evitarse muescas, aristas agudas y cambios abruptos de sección.

2-32._ ¿Que espera usted que tenga mayor módulo de elasticidad: el Al2O3 o el aluminio?

La alúmina tiene menor módulo de elasticidad esto hace que el material sea más elástico sin perder sus propiedades solo se vuelve más maleable ante la carga y el aluminio por ser un material puro tiende a tener su módulo de elasticidad más alto y por lo tanto es más rígido en cuanto a elasticidad.

2-33._ El aluminio y el silicio son vecinos en la tabla periódica ¿Cuál de ellos espera usted que tenga mayor módulo de elasticidad?

El silicio ya que es un material ligero con un módulo de elasticidad mas pequeño y es ocupado en diversos productos como ligas, productos faciales, incluso ropa y esto contesta solo la pregunta.

2.34._Explique por qué es de esperarse que el módulo de elasticidad de los polímeros termoplásticos sencillos –como el polietileno y el poliestireno- sea muy pequeño en comparación con los de los metales y los cerámicos.

Porque la energía de sus enlaces son bajas esto quiere decir que son enlaces secundarios de Van der Waals y eso lo hace menos resistente al aplicarle algún esfuerzo. Esto en el módulo de elasticidad o de Young implica que si la energía de los enlaces del polietileno y poliestireno necesita una mínima aplicación de fuerza para estirar el enlace. Por lo tanto su módulo de elasticidad es bajo

2.35._ Para tratar de proteger el acero, se reviste con una capa delgada de un material cerámico contra la corrosión. ¿Qué cree usted que le sucederá al recubrimiento cuando la temperatura del acero aumente en forma apreciable? Explique por qué.

El material cerámico que tiene enlaces iónicos o covalentes tiene un coeficiente de dilatación o expansión térmica baja. Este coeficiente se encuentra en función de volumen e incremento de temperatura en un material. Al contario el coeficiente de dilatación del acero es mayor. Lo cual provocaría que al incrementar la temperatura el acero se expandiera más que el material cerámico provocando grietas en el recubrimiento exponiendo de esa forma al acero a la corrosión.

2.36._¿Por qué se considera que el módulo de elasticidad es una propiedad insensible a la estructura?

Porque se relaciona directamente con la fuerza de los enlaces entre los átomos, así que el módulo de Young depende de los átomos que conforman la materia. ÉL módulo de elasticidad es sensible a la microestructura.