Manual de Naturaleza de Las Cosas 2 (COMPLETE) (Mlw)

Naturaleza de las Cosas II

Manual de referencia

Desarrollado por CORD Adaptado para el Instituto Politécnico Loyola-

Iniciativa Empresarial para la Educación Técnica República Dominicana

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Copyright © 2010 by CORD Waco, Texas USA Program Director and Chief Implementation Specialist: Agustin Navarra, Ph.D. Authors (at CORD): Bonnie Rinard, and Holly Doughty Technical Editors (Spanish language): Gladys G. Navarra and Agustin Navarra Production, art work and formatting: Mark Whitney and Kathy Kral COPYING AND DISTRIBUTION OF THIS MATERIAL ARE STRICTLY PROHIBITED BY LAW! Ownership of this instructional material is protected by international copyright laws. The text of this publication, or any part thereof, may not be copied, reproduced or transmitted in any form or by any means whatsoever—electronic or mechanical, including photocopying, recording, storage in an information retrieval system, or otherwise—without the express prior written permission of the publisher. Violators may be prosecuted to the full extent provided by law. This material has been copyrighted by CORD and is protected from illegal duplication and dissemination by international copyright law. Published and distributed by CORD COMMUNICATIONS, Inc. 601 Lake Air Drive, Suite E Waco, Texas 76710 USA 254-776-1822 ISBN 978-1-57837-587-8 Neither CORD nor CORD COMMUNICATIONS, Inc., assumes any liabilities with respect to the use of, or for damages resulting from the use of, any information, apparatus, method, or process described in this publication. For further information, contact:

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ÍNDICE

Objetivos Generales ........................................................................................................ 1

Unidad 2: Introducción a los Metales .............................................................................. 2

Laboratorio 2: Propiedades de los metales ................................................................. 4

Capítulo 1: Propiedades de los metales ...................................................................... 9

Laboratorio 3: Estirado de un alambre ...................................................................... 18

Capítulo 2: Serie de actividad de los metales ............................................................ 22

Laboratorio 4: Estudio de cristales ............................................................................ 25

Capítulo 3: Aleaciones metálicas ............................................................................... 30

Laboratorio 5: Recocido de cobre .............................................................................. 40

Capítulo 4: Mecanismos de endurecimiento del metal .............................................. 44

Laboratorio 6: Prueba de deformación de metales .................................................... 46

Laboratorio 7: Probar y medir la dureza de los metales ............................................ 50

Capítulo 5: Falla de metal y prueba de metales ........................................................ 57

Laboratorio 8: Corrosión de metales ......................................................................... 61

Capítulo 6: Reciclaje de metal ................................................................................... 66

Glosario ..................................................................................................................... 70

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Naturaleza de las Cosas II

OBJETIVOS GENERALES

Al término de este curso serás capaz de:

1. Relacionar usos de materiales con sus propiedades químicas y físicas.

2. Usar la tabla periódica para predecir cómo ciertos elementos pueden combinarse con otros.

3. Predecir las propiedades que se generen con el uso de diferentes procesos industriales físicos y químicos.

4. Evaluar los efectos de procesos industriales físicos y químicos usados para producir diversos materiales.

5. Evaluar el impacto del proceso de producción sobre la salud del trabajador y el ambiente.

6. Practicar métodos industriales de medición y prueba de materiales seleccionados.

7. Simular el proceso por el cual se diseña un producto en la industria, cumpliendo con normas para su adecuada viabilidad, relación con el medio ambiente y rentabilidad.

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UNIDAD 2: INTRODUCCIÓN A LOS METALES

PIENSA UN POCO SOBRE ESTO

¿Qué partes de un automóvil son de metal? ¿Por qué?

¿Por qué un fregadero de metal no se oxida, si queda a la intemperie en el rocío o bajo la lluvia, en la forma en que una pala o azada si lo hace?

¿Por qué se hacen de acero los puentes?

¿Por qué se hacen de cobre los cables eléctricos?

¿Por qué un anillo de oro no pone verde tu dedo de la manera en que lo hace uno de bronce?

OBJETIVOS

Al término de esta unidad serás capaz de:

1. Relacionar las propiedades físicas y químicas de los metales y las aleaciones con sus usos.

2. Explicar las propiedades de los metales y aleaciones en relación a su estructura atómica, cristalina y granular.

3. Pronosticar las propiedades de las aleaciones de acero basado en los procesos utilizados en su elaboración.

4. Tipificar los metales en base a su comportamiento frente a pruebas de ciertas propiedades.

5. Comparar dos métodos diferentes para probar la dureza de un metal.

6. Ordenar una serie de metales de acuerdo a su dureza.

7. Identificar los cambios químicos de un pedazo de metal.

8. Predecir el resultado de la unión de dos pedazos de metal.

HABILIDADES DE PROCESO

Durante el desarrollo de esta unidad vas a adquirir y mejorar las siguientes habilidades:

Usar una lima para raspar metales.

Hacer conexiones eléctricas entre dos pedazos de metal.

Observar pedazos de metal buscando evidencias de cambio químico.

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Observar cambios en la dimensión de cables.

Observar el crecimiento de cristales.

Evaluar el magnetismo en metales.

Realizar una prueba destructiva en materiales específicos.

Obtener un grupo de datos.

Interpretar un grupo de datos.

Obtener conclusiones.

Observar propiedades y estructuras.

Experimentar con procesos de manufactura y fabricación.

HABILIDADES DE MEDICIÓN

Durante el desarrollo de esta unidad vas a adquirir y mejorar las siguientes habilidades:

Usar una regla para medir longitud.

Usar una lente de aumento como ayuda para tomar medidas.

Medir voltaje con un voltímetro digital.

Medir las dimensiones de un cable usando un micrómetro.

Usar una balanza para medir masa.

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Laboratorio 2: Propiedades de los metales*

ASPECTOS

GENERALES Propósito En esta actividad de laboratorio conocerás las propiedades de

ciertos metales al realizar “mini-experimentos” en diferentes estaciones de laboratorio organizadas por tu profesor.

Objetivos

Al término de esta actividad de laboratorio serás capaz de:

Determinar diferentes propiedades de algunos metales.

Evaluar características de metales.

Habilidades requeridas

Para realizar esta actividad necesitas mostrar tu desempeño en el uso de las siguientes habilidades:

Usar un medidor de conductividad eléctrica para probar esa propiedad de los metales.

Evaluar magnetismo de algunos metales.

Comparar diferentes materiales y escribir comentarios.

Materiales y equipamiento necesarios

Imanes Clips (sujetapapeles) Diferentes objetos metálicos Probeta Diferentes objetos no metálicos Guantes de cuero Balanza de brazo triple Medidor de conductividad/continuidad eléctrica

*La información seleccionada para esta actividad de laboratorio ha sido modifiicada de su fuente original y usada con

permiso de Pacific Northwest National Laboratory.

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Comentario preliminar

Como hemos visto en el capítulo anterior, el enlace metálico y el arreglo de los electrones hacen que los metales tengan ciertas propiedades o características.

En esta actividad de laboratorio vas a realizar seis “mini-experimentos” en diferentes estaciones de laboratorio para determinar diferentes propiedades de los metales. A continuación vas a anotar tus observaciones en la hoja de recolección de datos.

Instrucciones de seguridad En la estación de laboratorio No. 6, de nombre “resistencia

de materiales”, ten cuidado cuando estés doblando pedazos de metal, ya que si hay algunos bordes filosos, te puedes cortar.

PROCEDIMIENTO

DE TRABAJO Método

Ponte el delantal de laboratorio y las gafas de seguridad. Tú y tu compañero de laboratorio van a pasar por todas las

estaciones de laboratorio y realizar todas las actividades correspondientes.

Estación 1. Comparación de conductividad eléctrica: metales y no metales:

1. Con la ayuda de un dispositivo para medir conductividad eléctrica prueba si los materiales que están en esta estación, conducen la electricidad. Entre los materiales que vas a probar están: lápiz, taza de café, clip, alambre de metal, lata de aluminio, botella de vidrio, engrapadora, liga o banda de goma, pedazos de diferentes metales (hierro, cobre, bronce, plata, etc), monedas, piezas de joyería, latas, alambre, clavos.

2. Cuando estés utilizando ese dispositivo, asegúrate de que el clip esté fijo a una de las puntas del objeto, y que el sensor indicador esté tocando la otra punta del objeto que se está probando.

3. ¿Encontraste alguna diferencia entre los metales y los no metales? ¿Todos los pedazos de metal conducen de la misma forma la electricidad?

4. Anota tus hallazgos en la hoja de datos.

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Estación 2. Propiedades magnéticas de los metales

1. Utiliza imanes para probar si los metales que están en la estación de laboratorio tienen propiedades magnéticas. Los objetos a probar incluyen pedazos de diferentes metales (hierro, cobre, bronce, plata, etc), monedas, piezas de joyería, latas, alambre, clavos, etc.


Estación 3. Propiedades físicas de los metales

1. Compara y contrasta las propiedades físicas (color, textura, brillo) de objetos de diferentes metales. Entre los objetos que vas a probar están pedazos de diferentes metales (hierro, cobre, bronce, plata, etc), monedas, piezas de joyería, latas, alambre, clavos, etc.


Estación 4. Identificación de metales

1. Compara diferentes pedazos de metal. Con la ayuda de una balanza, probeta, imanes o un dispositivo de continuidad investiga cuáles pedazos son del mismo metal.


Estación 5. Tipos de tratamiento de metales

1. Compara latas de empaques de metal de diferentes productos (gaseosas, atún, comida de gato, sardinas, carne enlatada, etc.) ¿Qué semejanzas y diferencias has observado en los envases? ¿Cómo crees que se hicieron y formaron los envases analizados?


Estación 6. Resistencia de metales

1. Compara la resistencia de dos objetos metálicos diferentes (sujetapaples, alambre, prendedores y pinzas u horquillas de cabello, y otros pedazos delgados de metal). Usa los guantes de piel para proteger tus manos. Dobla el pedazo de metal de una parte para otra. Cuenta el número de veces que doblas cada pedazo de metal hasta que se rompa.


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Tabla de datos

Estación de laboratorio Observaciones

1a: Conductividad eléctrica de metales y no metales

1b: Conductividad eléctrica entre metales

2: Propiedades magnéticas de metales

3: Propiedades físicas de metales

4: Identificación de metales

5: Tipos de tratamiento de metales

6: Resistencia de metales

Instrucciones de limpieza

Coloca los pedazos de metal indeseados en el zafacón.

Regresa el equipamiento de laboratorio a su respectivo lugar.

Cálculos

No es necesario realizar cálculos en esta actividad de laboratorio.

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RESUMEN Conclusiones

1. Con base en las observaciones que tienes en la hoja de datos de la estación de laboratorio No. 1, ¿qué crees que hace conductor a un material?

2. Con base en las observaciones que tienes en la hoja de datos de la estación de laboratorio No. 1, ¿qué crees que hace más conductor a un metal que a otro?

3. Con base en las observaciones que tienes en la hoja de datos de la estación de laboratorio No. 2, ¿cuáles objetos tienen propiedades magnéticas?, ¿cuáles no las tienen?

4. Con base en las observaciones que tienes en la hoja de datos de la estación de laboratorio No. 5, ¿cuántos objetos parecen tener el mismo tratamiento?

5. Con base en las observaciones que tienes en la hoja de datos de la estación de laboratorio No. 6, ¿qué objeto de metal fue el más fuerte (necesitó de más dobleces para quebrarse)?

Desafío

6. Crea tu propia “mini-actividad de laboratorio” para probar una propiedad de los metales. Haz una relación de los materiales que vas a necesitar para realizar esa actividad, haz una lista con los pasos a realizar durante la misma, crea tu tabla de datos para anotar la información y observaciones, para que otros compañeros puedan realizar la misma.

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Capítulo 1: Propiedades de los metales

Perfil laboral: Soldador y propietario de una metalúrgica

Ignacio es el dueño y gerente de Hierros, una fábrica de acero. Esta compañía se especializa en la elaboración de estructuras metálicas para plantas de tratamiento de aguas residuales y equipamiento de yacimientos petrolíferos. Generalmente ambos tipos de estructuras son muy grandes. “Cuando se habla de toneladas, es cuando empiezo a interesarme”, dice Ignacio. Continúa empezando a describir un producto recientemente pedido por un cliente: un quemador de gas residual (o quemador de plataforma) para una instalación de campo petrolífero, de 200 pies de alto, 8 pies de diámetro en la base, 88 000 libras de peso y capacidad para resistir vientos de más de 120 millas por hora. “Eso le da una idea de lo que estamos hablando”, dice. (Para tener una idea, la mayoría de los autos pesan entre 2000 y 3000 libras.) “Se hizo la parte principal de la chimenea de acero al carbono (acero semiduro), pero la parte superior, donde escapan los gases que se queman hacia el viento, se hizo de un acero inoxidable llamado incoloy”. Ignacio describe la soldadura del equipamiento del campo petrolífero como muy exigente. “Una soldadura con problemas podría causar una explosión. Por eso, todo lo que hacemos, hasta el trabajo de tratamiento de aguas, tienen códigos de fabricación e inspectores independientes que realizan radiografías a todas las soldaduras para verificar su calidad”. Cuando se le pregunta cuánto tiempo toma llegar a ser un buen soldador, Ignacio primero responde: “Quizás dentro de unos veinte o treinta años yo sea un buen soldador”, al tiempo que continúa distinguiendo entre los diferentes niveles de habilidades. “Ser soldador es bastante fácil, si haces el mismo tipo de soldadura todos los días y alguien te muestra dónde soldar. Esto lo puedes aprender en unas cuantas semanas. Sin embargo, este tipo de soldadura se hace cada vez más y más con robots, como se puede ver en la industria automovilística, donde se utiliza mucho a los robots en la soldadura”. “Ser un soldador que pueda leer y seguir planos, medir en forma precisa y mantener un nivel de habilidad de alto nivel, mientras trabaja al revés o a un ángulo difícil, requiere mucho tiempo y mucha experiencia. Ese tipo de soldadura va a ser necesario y demandado por mucho tiempo”. Cuando se le pregunta cuál es el aspecto de la soldadura que más le satisface, Ignacio enseguida responde: “Construir algo que perdure por un largo tiempo, eso sí que satisface. Por ejemplo, ¿quién no estaría orgulloso de haber intervenido en la construcción de un hermoso puente de acero?” Aunque su compañía no construye puentes, el equipamiento que produce la empresa de Ignacio, “perdurará aún después de mucho tiempo”.

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Los metales están entre los materiales más útiles para los seres humanos. Ellos han jugado un papel tan importante en el desarrollo de la civilización, que los períodos de desarrollo de la humanidad han sido denominados con el nombre del metal más usado en cada época, por ejemplo, la edad de bronce o la edad de hierro.

¿Qué hace que los metales sean tan importantes? ¿Cómo se usan en la actualidad?

Actividad 2-1

Traigan uno o más objetos de metal (tornillos, clavos, relojes, plumas o bolígrafos, herramientas, etc.) a la clase.

Trabajando en grupos de seis a ocho alumnos; traten de identificar qué tipo de metal se usó en cada objeto. Tu profesor les dará un folleto con pistas útiles en la identificación de los metales.

Cada integrante del equipo va a buscar información acerca de uno de los metales que hayan identificado (basado en una hipótesis razonable) y, después va a dar un breve informe al equipo.

Como grupo, traten de decidir por qué se hicieron los objetos con los metales específicamente usados. ¿Cuáles son las propiedades que tienen los diferentes metales? ¿Cuáles son las propiedades que los diferentes metales tienen en común?

Anota tus conclusiones en tu cuaderno de la asignatura.

Propiedades físicas

El soldador y dueño de la compañía descrito en el perfil laboral anterior usa metales principalmente por sus propiedades estructurales, para hacer grandes contenedores, sistemas de tuberías y otros equipamientos. Él conoce las propiedades físicas de los diferentes metales, tales como resistencia, conductividad del calor y resistencia al calor, por mencionar algunas.

Como vimos en la actividad 2-1, hay un buen número de propiedades que los metales tienen en común. Son buenos conductores del calor y de la electricidad; se pueden convertir en alambres (son dúctiles); se pueden moldear en hojas (son maleables); son opacos pero se pueden pulir para reflejar eficientemente la luz (tienen lustre metálico). Éstas son las propiedades o características que precisamente clasifican a los metales como metales. ¿Por qué ellos tienen estas propiedades?

Enlace metálico: crucial para entender las propiedades de los metales

En la figura 2-1, podemos ver el modelo de los enlaces metálicos. En este modelo, representamos los átomos de metal de un cristal como iones de metal (signos positivos en la figura). Sabemos que las cargas positivas y negativas se atraen entre ellas, y que

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dos cargas positivas o dos cargas negativas se repelen mutuamente. La atracción y la repulsión mutuas de cargas eléctricas es la causa de los diferentes tipos de enlaces que ocurren entre átomos o moléculas. En el cristal que está en dicha figura, hay un electrón por cada carga positiva de cada ion. Esto le da al material una carga global neutra, es decir, ni positiva ni negativa.

La nube de electrones que vemos en la misma figura, no inmoviliza los iones del metal en una posición fija. Por eso, los iones del metal pueden moverse alrededor en cierta medida. Esta mobilidad limitada de los iones del metal explica muchas propiedades metálicas, mientras la nube de electrones “libres” explica muchas otras.

Figura 2-1 Enlace metálico

La nube de electrones “libres” existe porque los átomos del metal tienen regiones grandes de espacio donde los electrones pueden estar en un momento dado. Como vimos, estas regiones del espacio de tres dimensiones se llaman orbitales. Cada orbital puede tener un máximo de dos electrones. Cuando los átomos de metal forman cristales, estos grandes orbitales exteriores se solapan y forman regiones grandes de espacio con combinaciones de todos los orbitales superpuestos. En otras palabras, muchos átomos comparten los electrones en los orbitales exteriores.

Los orbitales están ocupados en función de la cantidad de energía que posee un electrón cuando está en ese orbital. Los electrones son más estables cuando tienen el mínimo de energía. Esto significa que los electrones, como las personas, tienen menos probabilidad de moverse cuando tienen poca energía. Por eso, se ocupa primero el orbital en que los electrones tienen la menor energía.

¿Cómo la conductividad eléctrica es el resultado de los enlaces metálicos?

Los valores de energía relativamente cercanos entre los orbitales combinados de los metales, da un rango estrecho de energía para los electrones en esos orbitales. Los

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valores de energía cercanos significan que un electrón puede ir fácilmente de un orbital a otro orbital desocupado. Este rango estrecho de energías, o banda, tiene un nombre especial. Se llama banda de conducción porque permite el flujo de corriente mediante el movimiento de electrones de un orbital a otro.

Aunque cada uno de los orbitales combinados puede tener dos electrones, estos están tan cerca de la misma energía de los metales, que podría haber un solo electrón en cada orbital. Esto ocurre sobre todo cuando una diferencia de voltaje se aplica al metal y una corriente eléctrica fluye a medida que los electrones se mueven de un orbital a otro.

La combinación de orbitales ocurre en muchos cristales. Sin embargo, no siempre da lugar a un rango estrecho de energía como en los metales. Hay tres clasificaciones de materiales basado en la capacidad de conducir corriente eléctrica:

Conductores (como los metales).

Semiconductores (como los metaloides, son los elementos que están en la línea que separa los metales de los no metales).

Aislantes (como los no metales).

Los semiconductores y aislantes no tienen el rango estrecho de energía como lo tienen los metales. Estos materiales tienen una brecha en la energía entre los orbitales ocupados y los orbitales vacíos que puede permitir el flujo de una corriente eléctrica. La separación es grande en el caso de los aislantes y mucho más pequeña en el caso de los semiconductores. Vemos estos rangos o bandas de energía en la figura 2-2.

La existencia de una región de solapamiento o de separación de bandas (tamaño de la brecha de energía o brecha de banda) depende de los orbitales que forman los orbitales combinados. Antes que un semiconductor o aislante pueda conducir una corriente, los electrones deben tener bastante energía para saltar la brecha de banda. La energía se suministra al aplicar una diferencia de voltaje o diferencia de energía potencial al material. Los voltajes bajos usualmente son adecuados para los semiconductores que conducen corriente, pero hacen falta voltajes muy altos para los aislantes. Cuando un aislante conduce en presencia de un alto voltaje, se dice que dejó de funcionar.

Figura 2-2 Rangos o bandas de energía

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Actividad 2-2

Trabajando en equipos, investiga en el internet la conductiividad de por lo menos 10 sustancias diferentes, entre las cuales esté el cobre y el vidrio. Ordena dichas sustancias en función de las que tiene más conductividad hasta la que tiene menos.

Anota tus resultados en el cuaderno de la asignatura.

¿Cómo la conductividad del calor es el resultado del enlace metálico?

Como ya vimos, los metales son buenos conductores de la electricidad. Hemos dicho que es debido a la facilidad con que los electrones pueden moverse dentro del material. Los metales son también buenos conductores del calor. En este caso, los metales también usan la movilidad de sus electrones “libres”.

La energía térmica almacena en un material en forma de energía cinética molecular o atómica, es decir, en el movimiento de sus moléculas. Los tipos de movimiento molecular son:

Translación: es el movimiento de una posición a otra en línea recta.

Rotación: es el movimiento de la molécula alrededor de su centro de masa.

Vibración: es el movimiento relativo de los átomos de una molécula o cristal.

Cuando un material se calienta, la energía cinética de las moléculas aumenta. Esto significa que en un gas o en un líquido, las moléculas se mueven de un lado a otro más rápido (traslación), giran más rápido y vibran más rápido. En los sólidos, el movimiento de las moléculas sólo puede ser de vibración. Por eso, cuando un sólido se calienta, sus moléculas vibran más rápido.

La energía térmica se mueve desde una zona más caliente hacia una zona menos caliente. Esto significa que si un gas caliente y un gas frío se conectan por un tubo como vemos en la figura 2-3 y las moléculas están chocando constantemente, las moléculas del gas caliente, moviéndose rápidamente, y las del gas frío, moviéndose despacio, van a chocar. La colisión transfiere energía de las moléculas calientes rápidas a las moléculas frías lentas. Esto transferencia de energía frena y enfría a la molécula caliente, y, al mismo tiempo, aumenta la velocidad y calienta la molécula fría. Figura 2-3 Conducción del calor por un gas

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¿Por qué los metales son buenos conductores del calor? La mayoría de los metales a temperatura ambiente son materiales sólidos. Esto significa que las vibraciones de los átomos del cristal son el único método de almacenar energía térmica. A medida que los átomos vibran más rápido cuando se calienta un metal, chocan con los electrones “libres” flotantes. Esta colisión transfiere energía al electrón flotante, haciendo que se traslade más rápido. Por eso, los electrones “libres” de un metal transfieren calor de la misma manera que las moléculas del gas lo hacen en la figura 2-3.

¿Cómo la “formabilidad” de los metales (maleabilidad y ductilidad) es el resultado del enlace metálico?

La mayoría de los metales se pueden formar ya sea martillando el material en hojas (maleabilidad) o al estirar el material en alambres (ductilidad). Estas propiedades de los metales se usan para transformarlos en objetos útiles.

Un proceso llamado “compresión” se usa a menudo para darle una forma específica a los metales (como vemos en la figura 2-4). Los moldes para pasteles (tortas) y los capós (capirotes) para automóviles son ejemplos de productos hechos por compresión. Este tipo de artículos se hace al poner una hoja de metal en una forma llamada troquel. Éste tiene la forma del producto final, lo mismo que un molde de galleta tiene la forma de las galletas que se quieren hacer. Cuando el metal y el troquel se presionan juntos, el metal se deforma y toma la forma del troquel. Sólo los metales que tienen la propiedad de ser maleables pueden ser procesados por compresión.

Un metal es maleable porque los núcleos metálicos tienen la habilidad de deslizarse entre ellos hacia nuevas posiciones sin romper los enlaces que conservan el metal. Los enlaces no se rompen porque los electrones de valencia se mueven con los núcleos a medida que cambian de posición. Figura 2-4 Moldeado de partes a partir de hojas de metal

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La ductilidad es otra característica de los metales, (como vemos en la figura 2-5). El término ductilidad se refiere a la capacidad de un metal de estirarse para formar un alambre o varrilla. (Al igual que la maleabilidad, la ductilidad requiere que un material pueda ser plásticamente deformado sin romperse.) Las perchas para la ropa y los sujetapapeles son ejemplos de productos hechos de metales que tienen la propiedad de ductilidad.

Figura 2-5 Extrusión de alambre

La naturaleza del enlace metálico ayuda a explicar tanto las propiedades de maleabilidad y ductilidad, como la conductividad eléctrica y la del calor. Los átomos del metal forman los orbitales combinados y los electrones exteriores ocupan dichos orbitales creando así la nube de electrones “libres”. Al resto del átomo de metal se lo considera un ion de metal. Los electrones móviles no sostienen rígidamente estos iones de metal en la red cristalina. En cambio, el material es similar a galletas con chispas de chocolate (iones de metal) en la masa de la galleta (electrones móviles) la cual se puede moldear fácilmente en la forma deseada.

¿Cómo el lustre de los metales es el resultado del enlace metálico?

La naturaleza del enlace metálico también produce el lustre en la mayoría de los metales. Esta propiedad es debido a la cercanía en la separación de los atomos en la estructura y el tipo de enlaces que mantiene unido a los átomos. El empaquetamiento compacto de los átomos produce el espectro visible de longitud de onda que se absorbe o refleja por el metal, el cual produce luz visible que se refleja para dar el lustre característico de su apariencia.

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Propiedades mecánicas

Una propiedad mecánica es la que está relacionada con las características del material en respuesta a las fuerzas aplicadas externamente. Estas propiedades de los metales son importantes para entender los usos de metales diferentes en aplicaciones diferentes. El cobre tiene resistencia a la corrosión alta por lo cual se utiliza en aplicaciones de plomería. El acero estructural es fuerte por lo cual se usa en la construcción de edificios.

Entre las propiedade mecánicas comunes están: resistencia, ductilidad y resistencia al impacto. En función de la aplicación del uso del metal, este debe ser capaz de resistir fuerzas mecánicas como tracción, presión, torsión, flexión, impacto súbito, y otras.

Resistencia

Esta propiedad hace referencia al nivel de fuerza mecánica que se puede aplicar a un material sin cambiar significativamente el estado del mismo, es decir, sin romperlo, deformarlo, fracturarlo o destruirlo.

La resistencia a la tracción significa el esfuerzo máximo que un material puede soportar sin romperse. Esto es, es la cantidad máxima de fuerzas de tracción longitudinales que un material puede soportar sin romperse.

Dureza

Esta propiedad se refiere a la capacidad de los metales para resistir raspaduras, inclusión de la superficie y abrasiones. Esta propiedad la veremos posteriormente en la actividad de laboratorio 6: Probar y medir la dureza de los metales.

Resistencia al impacto

Se habla de resistencia al impacto cuando un metal tiene la capacidad de resistir el daño producido por un impacto, por ejemplo, el choque físico de un objeto que cae.

Propiedades químicas

Las propiedades químicas de los metales son determinadas por la configuración de los electrones en el átomo. Sólo algunos de estos electrones participan en las reacciones químicas. En la mayoría de los casos, los únicos electrones que intervienen en las reacciones químicas son los electrones exteriores, llamados electrones de valencia. Hay tres cosas que un átomo puede hacer durante una reacción química.

Ganar electrones completamente: ser reducido a iones negativos.

Perder electrones completamente: ser oxidado a iones positivos.

Compartir electrones: formar un enlace covalente con otro átomo.

Cuando los metales experimentan las reacciones químicas, usualmente se oxidan, es decir, pierden electrones y se conviereten en iones positivos. Sin embargo, bajo ciertas condiciones, los iones de metal se pueden reducir (ganar electrones). Cuando la

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barra de refuerzo de acero de los puentes que ha sido tratada con zinc entra en contacto con la solución de sal, los iones de hierro de dicha barra se reducen para convertirse nuevamente en átomos de hierro. Al mismo tiempo, los átomos de zinc se oxidan volviendose iones de zinc. Este tipo de reacción se llama de oxidación-reducción o reacción de redox. Las reacciones que ocurren en este proceso son:

Sin protección del zinc:

oxidación del hierro en óxido ferroso u óxido de hierro II:

2 Fe + O2 2 FeO

(hierro) (oxígeno) (óxido ferroso [Fe+2])

Ecuación 2-1

oxidación del óxido ferroso u óxido de hierro hierro II en óxido férrico u óxido de hierro III:

4 FeO + O2 2 Fe2O3 (óxido ferroso) (oxígeno) (óxido férrico [Fe+3])

Ecuación 2-2

Con protección del zinc:

oxidación del hierro en óxido ferroso u óxido de hierro II:

2 Fe + O2 2 FeO (hierro) (oxígeno) (óxido ferroso [Fe+2])

Ecuación 2-3

oxidación del zinc:

Zn

+

O2

H2O

Zn+2 +

2 OH–

(zinc) (oxígeno) (en agua) (ion de zinc)

(ion hidróxido )

Ecuación 2-4

reducción simultánea del óxido ferroso u óxido de hierro II en hierro:

2 FeO

H2O

2 Fe

+

O2

(óxido ferroso [Fe+2])

(en agua) (hierro) (oxígeno)

Ecuación 2-5

Algunos metales son más reactivos químicamente que otros. El grado de reactividad depende de la configuración de los electrones. Esto lo vamos a analizar en el capítulo siguiente.

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Laboratorio 3: Estirado de un alambre*

ASPECTOS

GENERALES Propósito

En esta actividad de laboratorio endureceremos un alambre de metal al estirarlo (o trefilarlo) a través de unas orificios calibrados llamados hileras.

Objetivos


Entender el proceso de estirar un alambre.

Demostrar la deformación de metales, entendiendo lo que le pasa a la estructura de un alambre metálico.



Usar diferentes herramientas para estirar un alambre.

Usar un micrómetro para medir espesor.

Usar una regla para medir longitud.

Usar una balanza para medir masa.


Alambre de cobre (#12) Lubricante (grasa-aceite) Gafas de seguridad Pinzas de presión Tenazas de estirar Morsa de banco Micrómetro Regla Cinta métrica Balanza Lima

*La información seleccionada para esta actividad de laboratorio ha sido modifiicada de su fuente original y usada con permiso de Pacific Northwest National Laboratory.

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La ductilidad es la capacidad de un pedazo de metal para ser transformado en un alambre o varilla a través del proceso de trefilado o estirado. La ductilidad requiere que un material pueda ser deformado plásticamente sin romperse. Los diferentes tamaños del alambre metálico se logran al estirar una varilla de metal a través de una hilera de trefilar, que tiene agujeros que disminuyen progresivamente, hasta que llegue al diámetro deseado del producto.

Cuando un pedazo de metal se va pasando a través de la hilera de trefilar se dan varios cambios en la estructura de dicho metal. A medida que se va pasando el alambre a través de los orificios, se va haciendo más difícil de trabajar porque se hace más rígido.

En esta actividad de laboratorio vas a experimentar con el proceso de estirar un alambre, y conocer más acerca de las propiedades y estructura de los metales.

Instrucciones de seguridad Ten cuidado cuando estés jalando el alambre a través de

la hilera de trefilar. Si la estás sujetando de forma distraída, puedes de forma accidental, golpear a alguien con tu mano, codo o el equipamiento.

PROCEDIMIENTO

DE TRABAJO Método

Ponte el delantal de laboratorio y las gafas de seguridad.

1. Mide y corta un pedazo de alambre de cobre de 6 pulgadas. Mide el espesor que tiene con el micrómetro, y pésalo en la balanza. Anota estos datos en tu cuaderno.

2. Fija la hilera de trefilar en la morsa (el borde largo debe estar de forma horizontal). Asegúrate que los agujeros pequeños de la hilera estén en el lado desde donde se va a jalar el cable (frente a la persona que va a jalarlo). La morsa de banco debe estar bien asegurada a la mesa de laboratorio.

3. Con la ayuda de una lima, disminuye de forma gradual el espesor de una de las puntas del alambre.

4. Pasa el alambre a través del agujero más grande de la hilera por el que puedas pasarlo. El lado afilado debe estar frente a

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la persona que está jalándolo. Aplica algun tipo de lubricante (grasa-aceite) al alambre y a los orificios de la hilera.

5. Agarra el lado afilado con pinzas de presión (tenazas de estirar), y con cuidado, ve jalando el alambre hasta que pase completamente.

6. Repite los pasos 4 y 5 hasta que hayas pasado el alambre a través del agujero más pequeño posible.

7. Después de que hayas terminado de trefilar el alambre, mide su longitud, espesor y masa. Calcula la cantidad de cambio en cada una de las medidas con relación al estado original del alambre. Anota tus datos en tu cuaderno. Haz una tabla de datos con la ayuda de la guía que está a continuación.

Tabla de datos de las medidas del alambre

Medidas iniciales Medidas finales Cambio

porcentual

Longitud

Espesor

Masa


Coloca los pedazos indeseados de alambre en el zafacón.

Retira el lubricante (grasa) de los orificios y de las tenazas.

Regresa el equipamiento y suministros a su lugar correspondiente.

Cálculos

Realiza las operaciones para obtener la diferencia en el porcentaje de cambio de la tabla de datos.


1. ¿Qué tan fácil fue jalar el alambre a través de los orificios la primera vez? ¿Se hizo cada vez más fácil o más difícil seguir jalándolo a medida que íbamos cambiando de orificio? ¿Por qué?

2. Explica los cambios en las dimensiones del alambre.

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3. ¿Cambió la densidad del alambre durante el proceso de estirado? ¿Por qué?

4. ¿Estaba el alambre más duro y rígido después del proceso de trefilado? ¿Por qué?

5. ¿Cómo afecta el endurecimiento por deformación plástica las propiedades y estructura del metal?

Desafío

6. ¿Cómo se aplica el proceso de estirado en la fabricación de productos de metal?

7. El cambio en el espesor (diámetro) del alambre influye en la resistencia eléctrica del mismo. Usa un medidor de ohms para probar la resistencia de los alambres del laboratorio.

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Capítulo 2: Serie de actividad de los metales

Perfil laboral: Gerente de seguridad de biomateriales

Lucía trabaja en una compañía que hace instrumentos quirúrgicos y materiales que se implantan en el cuerpo, como las válvulas sintéticas para el corazón. Ella no habla acerca de productos o procesos específicos cuando habla de su trabajo, en parte por la política de la empresa sobre la difusión de información. No obstante, describe de una manera general el área que maneja. “Mi responsabilidad principal es comprobar la esterilidad”, dice Lucía. “Mi función es asegurar que todos los productos que se venden como estériles, realmente lo sean”. Continúa explicando que las compañías que hacen productos médicos, desde curitas hasta implantes de seno, deben seguir las recomendaciones generadas por los respectivos organismos oficiales (en los EEUU es la Administración de Drogas y Alimentos). Lucía explica: “Los aparatos médicos se clasifican según factores tales como dónde, cómo y por cuánto tiempo se usan. El organismo oficial pone las normas en base a esa clasificación, y nuestra compañía tiene que tener la seguridad de que nuestros productos respondan a dichas normas. Otras personas de la compañía trabajan con las propiedades físicas de los materiales tales como su resistencia o flexibilidad. Mi trabajo consiste en asegurar que se respeten las normas oficiales de nuestro producto en el área de biocompatibilidad”. “Para que a un material que entra en contacto con los tejidos internos del cuerpo o que se implanta dentro del mismo, se le considere biocompatible, debe ser seguro para usarlo a largo plazo. Esto es, no puede tener efectos sistémicos (que afecten los sistemas del cuerpo), citotóxicos (que afecten las células del cuerpo), carcinógenos (que causen cáncer) o genotóxicos (que afecten la descendencia de la persona)”. Para asegurar la esterilidad, Lucía y sus compañeros de trabajo monitorean cuidadosamente los procesos de producción. También toman muestras de los productos después de que se los hace y, se les somete a pruebas para estar seguros que son estériles. Además de supervisar y comprobar la esterilización, Lucía también prueba cualquier material que se considera puede llegar a usarse en un producto, o que puede entrar en contacto con dicho producto. Agrega: “Un material que se usa para limpiar un molde que a su vez se usa para hacer uno de nuestros productos, tiene que ser probado para asegurar que no afectará el producto final. Si una bolsa de plástico va a contener el producto por un tiempo corto, también la probamos”. Cuando Lucía habla acerca de su trabajo, es claro que se siente muy cercana al paciente, ya que agrega: “de algunos de nuestros productos depende la vida de las

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personas que los usan. A mi me gusta estar involucrada en la producción de dispositivos que ayudan a la gente”.

Reactividad de los metales

La reactividad de los metales determina su reacción con el agua, aire y ácidos. Muchos metales, que pierden electrones fácilmente, son tan reactivos que no son útiles en puentes u otro tipo de estructuras. Metales como el litio, al igual que el sodio y el potasio son tan reactivos que reaccionan con el agua. Unos tornillos de litio en un puente, por ejemplo, se oxidarían al entrar en contacto con el agua y reaccionarían aun con el vapor de agua del aire.

2 Li + 2 H2O 2 LiOH + H2

(litio) (agua) (hidróxido de litio) (hidrógeno)

Ecuación 2-6

Este tipo de metales tan reactivos se almacenan en querosén o en algún otro solvente “no basado” en agua para no estar expuesto al agua. A causa de su reactividad, estos metales no son útiles en estructuras tales como puentes o cañerías, pero tienen otros usos precisamente por su reactividad. Por ejemplo, el litio se usa en los acumuladores livianos de larga vida.

Uso de la tabla periódica para descubrir la reactividad de los metales

¿Cómo distinguen los científicos los metales altamente reactivos de los que no lo son tanto? La tabla periódica ofrece mucha ayuda en esta tarea. El litio (Li), el sodio (Na) y el potasio (K) son elementos del grupo 1 (están en la primera columna de la tabla periódica). Este lugar en ella significa que tienen sólo un electrón de valencia, es decir, tienen sólo un electrón en su orbital ns.

Estos elementos son metales reactivos porque pierden fácilmente este único electrón. Los elementos del grupo 1 a menudo se llaman metales alcalinos, y reaccionan violentamente con el agua cediendo gas de hidrógeno y formando una solución de hidróxido de metal, que es una solución alcalina. Los metales alcalinos son lo suficientemente blandos que se pueden cortar con un cuchillo. La superficie recién cortada de un metal alcalino es brillante, pero se opaca rápidamente cuando se oxida con el oxígeno del aire. Los metales alcalinos tienen densidades bajas, bajos puntos de fusión y buena conductividad eléctrica.

La segunda columna de la tabla periódica es el grupo 2. Los elementos de este grupo tienen 2 electrones en su orbital ns. Los metales de este grupo también son reactivos, pero no lo son tanto como los que están en el grupo 1. Los elementos de este grupo se llaman metales alcalinotérreos, porque también forman soluciones alcalinas. La porción “térreos” del nombre proviene del hecho que se encuentran en minerales.

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Las superficies nuevas expuestas de los metales alcalinotérreos reaccionan rápidamente con el oxígeno del aire formando una delgada capa de óxido, la cual protege a estos metales de una oxidación adicional. Esta protección hace que estos metales sean útiles en estructuras donde se requiere peso ligero y alta resistencia.

Actividad 2-3

Trabajando en pares, toma un pedazo de cinta de magnesio de tres pulgadas de largo, un pedazo de papel de lija y un vaso de precipitados de 250 mililitros con agua hasta la mitad. Lija aproximadamente una pulgada de un extremo de la cinta de magnesio, e introdúcela en el agua del vaso de precipitados. Observa los dos extremos de la cinta por diez minutos.

Describe en tu cuaderno las diferencias que ves en los dos extremos de la cinta.

Muchos de los metales usados en aleaciones (materiales en los que los metales se combinan entre ellos o con otros elementos) se llaman metales de transición. Esto significa que se localizan en la tabla periódica entre los grupos 2 y 13, y están en el cuarto, quinto o sexto períodos (fila). Los grupos de los metales de transición son los grupos 3 al 12.

Los metales de transición (y lantánidos y actínidos) son los únicos elementos en que los electrones por debajo del nivel de valencia (nivel exterior) participan en reacciones químicas. Al principio del cuarto período, el potasio (K) y el calcio (Ca) llenan el primer orbital en el cuarto nivel (llamado orbital 4s). Luego, con el escandio (Sc), los electrones se repliegan al tercer nivel y llenan los orbitales llamados orbitales d en todos los metales de transición. Los orbitales d, en el proceso de ser llenados, están siempre un nivel más bajo que el nivel de valencia. Sin embargo, estos electrones d participan en las reacciones químicas.

En el capítulo 1, vimos que los elementos conocidos se dividen en dos grupos principales, metales y no metales. Algunos elementos del grupo de los metales se destacan por sus propiedades útiles. Por ejemplo: el aluminio (Al), la plata (Ag), el hierro (Fe), el cobre (Cu), etc. Estos metales son muy útiles, en parte porque están entre los menos reactivos y más durables. Pero, aunque estos metales no son tan reactivos para ser considerados inestables, son capaces de combinarse con otros metales y formar los materiales conocidos como aleaciones.

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Laboratorio 4: Estudio de cristales*

ASPECTOS

GENERALES Propósito En esta actividad de laboratorio vas a observar el crecimiento

macro cristalino, la forma en la que los cristales crecen juntos y forman límites de grano, y comparar diferentes tipos de cristales. Las observaciones realizadas en esta actividad relacionadas con el crecimiento de cristales pueden transferirse a otros materiales como los metales y materiales cerámicos, los cuales forman estructuras cristalinas de la misma manera, sólo que en menor escala.

Objetivos


Seguir un procedimiento que permite el estudio del crecimiento del cristal, su tamaño y sus formas.

Evaluar las condiciones que determinan las características de los cristales.



Usar una lente de aumento para agrandar un objeto

Observar un sistema

Observar una estructura cristalina

Obtener un grupo de datos

Interpretar un grupo de datos

Obtener conclusiones

* La información seleccionada para esta actividad de laboratorio ha sido modifiicada de su fuente original y usada con permiso de Pacific Northwest National Laboratory.

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Placas de vidrio tipo sándwich de (5 cm × 5 cm, 2 por cada químico utilizado, tipo Pyrex/vidrio resistente al choque térmico, de ⅛ in o menor) Film polarizado film (5 cm × 5 cm) Tenazas Gafas de seguridad Lápices de colores Lente de aumento Placa calefactora Agarradera para objetos calientes Pinzas


Entender el crecimiento del cristal ayuda a los científicos a comprender la estructura cristalina, y el conocer la estructura cristalina los ayuda a comprender las propiedades de los materiales.

Muchos científicos e industrias usan el crecimiento controlado de los cristales en determinados procesos de producción, como por ejemplo, en la elaboración de la sal y el azúcar, así como de algunos fármacos.

Instrucciones de seguridad NO calientes de más las placas de vidrio. La cristalería

caliente puede causar quemaduras. No te olvides de que el vidrio caliente luce de la misma forma que el vidrio frío.

Se cuidadoso cuando estés trabajando cerca de superficies caliente como son las placas de vidrio y la cristalería caliente. Maneja esos materiales con agarraderas para objetos calientes.

Cuando estés calentando productos químicos, no pongas la cara arriba de la placa calefactora.

Es importante que cuando estén preparando las placas de vidrio lo hagan bajo una campana de humos. Eviten respirar los gases.

Es recommendable que el profesor prepare las placas de vidrio

antes de la actividad de laboratorio. Una vez que estén realizadas, se pueden utilizar muchas veces, y almacenar de un año para otro.

Los productos químicos que están a continuación, ¡deben usarlos con precaución! Algunos de ellos producen gases y olores muy fuertes. Ten cuidado de no derramar dichos materiales en la placa calefactora. Por favor, traten de realizar las placas de vidrio bajo la campana de humos.

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Los productos químicos que están a continuación pueden usarse para hacer las placas de vidrio tipo sándwich con cristales:

Fenil salicilato, “salol”

Timol

Ácido benzoico

Urea

Naftalina

Naftol

Puedes usar los siguientes productos químicos para crear estructuras amorfas que te sirvan como punto de comparación con las estructuras cristalinas:

Parafina

Ácido esteárico

Instrucciones para el profesor para la preparación de las placas de vidrio

Preparar las placas de vidrio bajo una campana de humos. Algunos de los productos químicos que se van a usar, producen gases y olores muy fuertes, por lo tanto evite respirarlos.

1. Coloque las placas de vidrio sobre la placa calefactora fría y caliéntalas poco a poco. Una vez calientes, use las pinzas para manipularlas.

2. Esparza unos granos del producto químico en la placa de vidrio, y deje que se derritan y formen una pequena mezcla de producto químico derretido en el centro de la misma.

3. Tome otra placa de vidrio tibia y con cuidado cubra la mezcla. Para reducir el número de burbujas de aire entre las placas, coloque un borde de la placa superior en una de los extremos de la placa de abajo y despacio vaya descendiendo para cubrir la mezcla de forma uniforme y forzar el aire hacia los lados de las placas. Precaución: Si el producto químico se sale de las placas y gotea en la placa calefactora, puede producir que se volatilicen los gases dañinos.

4. Deje que se enfríen poco a poco las placas de vidrio.

5. Trate de que una placa que tenga la mezcla de dos productos químicos (asegúrese que ellos sean compatibles, como el naftol y la naftalina). Observe la forma en la que la mezcla se comporta cuando se enfría de forma rápida y de forma lenta. Se pueden hacen una serie de tres placas con diferentes concentraciones de la mezcla de los dos productos químicos.

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6. Enfríe las placas de forma gradual, es decir, aísle una mitad de la placa para que se enfríe más despacio que la otra mitad. Compare ambas regiones y también la zona de transición. Note cómo la forma y el tamaño de los cristales dependen de la manera en la que la placa se enfrió. Repita este paso con las placas que tienen la mezcla de los dos productos químicos.

7. No olvide de poner una etiqueta con el o los productos químicos utilizados en las placas. En el caso de la mezcla de dos productos químicos, escriba en ella también las proporciones de cada uno de los productos utilizados.

PROCEDIMIENTO

DE TRABAJO Método


1. Pídele a tu profesor que te dé unas placas de vidrio tipo sándwich etiquetadas.

2. También él te va a proporcionar dos pedazos de film polarizado.

3. Coloca una de las placas en la placa calefactora fría y enciéndela en la posición “BAJO”. No calientes la placa muy rápido, y NO coloques la placa en una posición más alta.

4. Cuidadosamente observa la formación de cristal entre las dos partes de vidrio.

5. Cuando los cristales empiezan a derretirse, retira inmediatamente, con las pinzas, las placas de la fuente de calor. Apaga dicha fuente y continúa observando las placas.

6. Anota tus observaciones en tu cuaderno. Dibuja lo que estás viendo en las placas.

7. Una vez que las placas se han enfriado, coloca el film entre dichas placas y una fuente de luz (retropoyector). Observa las placas con los dos pedazos de film en diferentes formas.

8. Anota tus observaciones en tu cuaderno. Dibuja lo que estás viendo en las placas.

9. Examina las placas con un microscópio o una lente de aumento. Anota tus observaciones en tu cuaderno. Dibuja lo que estás viendo en las placas.

10. Repite los pasos 3 a 9 con las otras placas de vidrio que tu profesor te va a proporcionar.

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Regresa las placas de vidrio a tu profesor.

Limpia tu área de trabajo del laboratorio.

Regresa el equipamiento y suministros a su lugar correspondiente.

Cálculos



1. ¿Por qué se usó el film polarizado para observar las placas de vidrio tipo sándwich?

2. ¿Cuáles diferencias observaste en tus dibujos? ¿Por qué crees que existen estas diferencias?

3. ¿Cómo se puede usar la estructura de un cristal para identificar un compuesto?

Desafío

4. ¿Por qué el crecimiento de cristales controlado es importante en la elaboración de los fármacos?

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Capítulo 3: Aleaciones metálicas

Perfil laboral: Técnico metalúrgico

Antonio trabaja en una compañía que fabrica productos de acero forjado. Él explica en qué consiste el forjar. “Forjar es el proceso de presionar un metal caliente en un troquel o molde aplicando presión de forma constante. Para nuestros productos principales que son las partes giratorias de los motores de los aviones a reacción (o aviones jet), se usa una aleación de titanio y níquel”. “Comenzamos con un lingote o barra (una masa con una cierta forma) de acero, que fundimos y lo vertemos en moldes para producir lingotes más pequeños de acuerdo al tamaño que necesitamos para nuestro producto. Un lingote cilíndrico puede ser de nueve pulgadas de diámetro y más de treinta pies de largo”. Los nuevos lingotes una vez enfriados y solidificados, con frecuencia se los licúa de nuevo para quitarles las impurezas del acero. Como explica Antonio, para ciertos productos, la pureza de la aleación metálica es crítica para el buen funcionamiento del producto. Los lingotes purificados se presionan, se forman por extrusión o por algún otro método en lingotes con dimensiones parecidas a las del producto final. Luego se cortan en pedazos, y cada uno de ellos será un producto terminado. “A esta altura del proceso”, explica Antonio, “a cada pieza se le asigna un número de serie único, que llevará hasta su terminación. Estas piezas numeradas son calentadas y presionadas en los moldes para producir las partes ásperas forjadas. A esto llamamos pieza de hierro forjado”. En la sección de control de calidad donde Antonio trabaja, se realizan varias pruebas en las piezas de hierro forjado. Algunas de ellas se llaman pruebas destructivas porque destruyen la pieza. Antonio explica: “algunas de las pruebas destructivas que efectuamos sirven para comprobar la resistencia a la tracción, pruebas de tensión y rotura, y pruebas de alargamiento”. “También hacemos ensayos no destructivos”, dice Antonio. “Después que las piezas fueron al maquinado fino y dimensionamiento, les hacemos un ensayo no destructivo. Los verificamos ultrasónicamente para detectar algún defecto. Ejecutamos pruebas de dureza y de penetración líquida. Además de hacer estas pruebas, grabamos y anotamos todos los defectos en nuestro sistema computarizado de almacenamiento de datos. Y por supuesto, rechazamos las piezas defectuosas”. Antonio se graduó en tecnología química en un colegio técnico y también llevó unas clases de estadística en la universidad. Añade que mucho de lo que sabe de metalurgia lo aprendió en el trabajo.

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Una aleación es la combinación de dos o más metales para producir un material nuevo. Por ejemplo, el acero es una aleación de hierro (Fe) y carbono (C). El latón es una aleación de cobre (Cu) y zinc (Zn). El bronce es una aleación de estaño (Sn) y cobre (Cu).

Las aleaciones son soluciones sólidas

La mayoría de las aleaciones son soluciones formadas por uno o más elementos disueltos en un metal. Una solución es una mezcla en la que se disuelve completamente una sustancia en otra. Puedes observar la formación de una solución cuando pones azúcar en un vaso con té frío. Pero, si agregas más azúcar de la que se puede disolver, parte de la misma sale de la solución y se deposita en el fondo del vaso.

El término “solución sólida” hace referencia a una solución en la que ambos materiales normalmente son sólidos. El hierro fundido, que es una aleación de hierro (Fe) y carbono (C), es un buen ejemplo. En una mezcla de carbono y hierro, el carbono no se disuelve a temperatura ambiente, sino que a aproximadamente 843oC (1550oF), el carbono y el hierro se funden. En el estado líquido, el hierro fácilmente disuelve el carbono. El hierro fundido, se llama de esta manera porque se forma en un molde en un proceso llamado fundición; tiene tanto carbono disuelto y añadido que el exceso se deposita en forma de esferas pequeñas, como el azúcar se deposita en el té frío. (Este carbono ayuda a lubricar las partes de las herramientas cuando taladras o procesas el hierro fundido.)

El hierro (Fe) es un ingrediente tan importante en las aleaciones, que éstas se clasifican de acuerdo a la cantidad que contengan de él. Las aleaciones se clasifican como ferrosas si el elemento principal es el hierro y no ferrosas si el elemento principal es otro metal, como el aluminio (Al) o el cobre (Cu).

Actividad 2-4

Con la ayuda de un diccionario técnico o enciclopedia, investiga las diferencias en los siguientes tipos de hierro: hierro en bruto, hierro fundido y hierro forjado.

En tu cuaderno escribe una breve definición y un ejemplo del uso de cada uno de ellos.

Muchos tipos de acero

Una de las aleaciones más útiles es el acero. Esto lo veremos en detalle porque tiene muchos usos y formas. Al igual que el hierro fundido, el acero se forma principalmente con hierro y carbono. Sin embargo, el acero tiene menor contenido de carbono que el hierro fundido. La mayoría de los aceros es hierro con menos del uno por ciento de materiales disueltos. No obstante, el ingrediente del uno por ciento de una

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aleación, puede tener un efecto muy importante en la manera que se comporta el acero. Dicho de otra manera, el uno por ciento de los ingredientes cambia las propiedades del acero.

¿Cómo el contenido de carbono afecta las propiedades del acero?

En la industria, los diferentes tipos de acero se clasifican en familias o grupos según su contenido de carbono. La cantidad de carbono tiene un efecto directo en las propiedades del acero. La clasificación de los grupos de acero puede variar según los autores, en la tabla 2-1 vemos una de dichas clasificaciones con sus grupos más importantes y algunos de sus usos.

Tabla 2-1. Tipos de acero según su contenido de carbono

Grupo Contenido de

carbono Ejemplos de uso

Acero bajo en carbono

Menos del 0.15 % Remaches de alambre, clavos, materiales de soldadura.

Acero medio en carbono

Entre el 0.15 y el 0.30 %

Formas estructurales, ángulos, canaletas, vigas en I.

Acero alto en carbono

Más del 0.30 % Herramientas, taladros, vias de ferrocarril.

Cuando aumenta el contenido de carbono en el acero, aumenta su resistencia a la tracción. Como vimos anteriormente, la resistencia a la tracción es la capacidad para resistir al rompimiento ante las fuerzas de tracción. Sin embargo, la capacidad de la aleación para deformarse o curvarse sin romperse (ductilidad o maleabilidad) disminuye al aumentar el contenido de carbono en el acero. La formulación del acero siempre implica un equilibrio entre la resistencia a la tracción por un lado y la ductilidad por el otro.

Puedes ver en esa tabla cómo este cambio en las propiedades origina diferentes aplicaciones o usos de cada tipo de acero. ¿Por qué las formas estructurales tales como las vigas en I y las canaletas necesitan tener más ductilidad que las brocas o las vías de ferrocarril? ¿Cuál aplicación exige del acero una mayor resistencia a la tracción?

¿Cómo la incorporación de otros elementos afecta las propiedades del acero?

Un muchacho nuevo en el puesto

José estaba feliz en su trabajo como aprendiz de mecánico. Este es su primer trabajo luego de graduarse hace siete meses. A él le había gustado trabajar con máquinas herramientas en la escuela, por lo que ésta era una gran oportunidad de hacer algo que

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le gustaba y, que le pagarán por hacerlo. También vio que conocía a algunos de los otros empleados. El inspector que le verificó su primer lote de producción era Miguel, un compañero de escuela de su hermano mayor.

La mayor parte del primer lote de piezas logró pasar la inspección de Miguel, excepto dos partes que eran ligeramente más pequeñas. Deseoso por corregir sus errores, José sugirió que se hicieran dos partes nuevas de un pedazo que halló detrás de su torno. La reacción de Miguel lo sorprendió. “¡Espera, espera, espera!” le dice, “estás demasiado ansioso. Tú no sabes de qué está hecho ese pedazo de hierro. Tienes que estar seguro de la aleación que vas a usar. Estas partes se diseñaron para un uso muy específico, por lo que no puedes sustituir una aleación metálica por otra”.

José se sintió un poco desubicado, pero de cualquier forma, Miguel estaba tratando de ayudarlo explicándole las diferencias entre las aleaciones, para mejorar su trabajo. “¿Recuerdas esa bicicleta de montaña que te dio tu hermano? ¿Por qué piensas que todavía está entera después de que tu hermano la utilizó durante dos años? Porque la estructura era de acero al cromo 4130. Esa barra que hay detrás de tu torno es también de acero, pero es acero dulce o acero suave y entre ellos hay mucha diferencia”.

“¿Qué tipo de diferencia?” preguntó José.

“El acero 4130, si se lo trata con calor, puede resistir una tracción constante de más de 120 000 libras por pulgada cuadrada (827 000 000 N/m2). Ésa es su resistencia a la tracción. La barra de acero suave (o acero con bajo contenido carbónico) sólo soporta 55 000 libras por pulgada cuadrada (379 000 000 N/m2)”.

Miguel parece saber mucho acerca de los materiales que ellos están usando. Luego le dice a José que ya no está en la escuela y agrega: “Ahora lo que sabes es verdaderamente importante, no porque vas a tener un examen, sino porque no podrías hacer tu trabajo en forma correcta si no lo supieras”.

El carbono (C) no es el único elemento que se agrega al hierro para formar acero. Las aleaciones de acero a menudo contienen cantidades pequeñas de uno o más elementos adicionales tales como manganeso (Mn), aluminio (Al), fósforo (P), molibdeno (Mo), tungsteno (W), silicio (Si) y aún gases como el nitrógeno (N). Cada una de estas aleaciones tiene un cierto efecto sobre las propiedades del acero. Los elementos se pueden agregar para mejorar la resistencia a la tracción, la resistencia a la corrosión, la maleabilidad u otras propiedades.

Aquí veremos tres elementos que a menudo se encuentran en las aleaciones de acero. Cada uno afecta la aleación de manera diferente.

Manganeso (Mn)

El manganeso (Mn) es un poderoso endurecedor del acero cuando se combina con el carbono. También se agrega manganeso para que reaccione con el excedente de azufre y produzca sulfuro de manganeso (MnS), como vemos en la ecuación 2-7.

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Mn + S MnS

(manganeso) (azufre) (sulfuro de manganeso)

Ecuación 2-7

Si el azufre (S) se combinara con el hierro y formara sulfuro de hierro (FeS), el acero tendería a romperse en el ciclo de enfriamiento porque la capacidad de expansión térmica del acero y del sulfuro de hierro es diferente. ¿Puedes explicar cómo esto puede causar una fractura)?

Fósforo (P)

El fósforo (P) puede aumentar la dureza y la resistencia del acero cuando se agrega en cantidades grandes, pero eso también tiende a producir un acero frágil. Pequeñas cantidades ayudan a lubricar al acero y aumentar la llamada maquinabilidad. El fósforo (P) hace al acero más fácil de cortar, taladrar o moler, reduciendo el tamaño de las astillas generadas durante el maquinado. El silicio (Si) es otro elemento que actúa como endurecedor, pero su uso más importante es aumentar la resistencia a la oxidación.

Cromo (Cr)

El cromo (Cr) aumenta la dureza del acero, su uso y resistencia a la abrasión y su resistencia a la corrosión. Agregamos cromo en cantidades grandes (de 11 % a 20 %), junto con otros elementos como titanio (Ti), molibdeno (Mo), cobre (Cu), niobio (Nb) y selenio (Se), para producir aceros inoxidables. Los aceros inoxidables son muy resistentes a la corrosión porque tienen una capa, llamada óxido de cromo, formada en la superficie.

Otras aleaciones (principalmente no ferrosas)

Hasta ahora hemos hablado sobre los diferentes tipos de acero. Existen además otras aleaciones útiles que se hacen con metales no ferrosos tales como cobre (Cu), zinc (Zn), plomo (Pb), estaño (Sn), níquel (Ni) y oro (Au). Las aleaciones no ferrosas son tan numerosas que no se pueden describir en un solo grupo. Ellas son muy diferentes y tienen múltiples usos. En la Tabla 2-2 vemos algunas aleaciones no ferrosas, sus propiedades y sus usos. Ten presente que la tabla está simplificada y muestra sólo los principales componentes de muchas aleaciones. La mayoría de éstas tiene más de dos componentes y la incorporación de cantidades pequeñas de otros elementos puede tener resultados importantes.

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Tabla 2-2. Aleaciones no ferrosas

Aleaciones Propiedades Aplicaciones

Aleaciones de cobre

Aleación de alto contenido de cobre

Temperatura de fusión 1093 C (1999 F), conductividad eléctrica buena

Barras de distribución, tubería de agua y de aire acondicionado

Cobre-berilio Conductividad eléctrica buena

Resortes para instrumentos eléctricos

Latón (cobre y zinc) Capacidad de ser moldeado a baja temperatura (927 C) (1701 F)

Productos decorativos, joyería, productos de plomería

Bronces (cobre, estaño y otros materiales)

Capacidad de ser moldeado, resistencia a la tracción, resistencia a la corrosión

Estatuas, productos de plomería, partes de máquinas

Cobre-níquel Resistencia a la corrosión Tanques y tubería para condensación, destilación, evaporación

Aleaciones de níquel

Níquel y cobre, cromo y/o molibdeno

Resistencia a la corrosión, alta resistencia a la tracción, resistencia al calor (dependiendo de los componentes)

Equipo de procesamiento de químicos, equipo de procesamiento de alimentos, aparatos eléctricos, elementos industriales resistentes al calor

Aleaciones de plomo

Plomo y estaño-antimonio

Bajo punto de fusión, alta ductilidad, alta resistencia a la corrosión

Protección contra la radiación, acumuladores, calafateo (o enmasillado)

Aleaciones de zinc

Zinc y aluminio, cobre y/o magnesio

Resistencia a la corrosión baja, ductilidad alta

Cobertura para acero, tipos de imprenta, techos corrugados

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Actividad 2-5

Realizar un cuadro sinóptico que incluya las siguientes aleaciones:

Latón

Bronze

Oro de 14 quilates.

Oro de 22 quilates.

Peltre (pewter)

Aleacion fusible

Acero inoxidable

Plata

Hierro forjado

Con la ayuda de la biblioteca y el Internet, investiga la siguiente información para incluirla en dicho cuadro: composición de la aleación (qué elementos y su porcentaje), propiedades y usos comunes de la misma.

Anota tus conclusiones en tu cuaderno.

Superaleaciones

Últimamente se han desarrollado numerosas aleaciones nuevas. Muchas de ellas son productos de la investigación en la industria aerospacial. Los motores de los aviones a reacción (o aviones jet) fueron un importante factor en el desarrollo de muchas aleaciones nueva.

El motor a reacción presentó muchos desafíos a los metalurgistas, que son las personas que trabajan con la ciencia y tecnología de los metales. Los metalurgistas así como los químicos y científicos de las ciencias de los materiales han trabajado en el desarrollo de superaleaciones. Los componentes de estos motores están expuestos a condiciones extremas: temperaturas altas, vibración, fuerza centrífuga fuerte y gases corrosivos, y deben continuar funcionando bien luego de miles de ciclos de arrancar, acelerar, desacelerar y parar. Este tipo de ciclos, repetidos muchas veces, puede llevar a un tipo de falla llamada fatiga de bajo número de ciclos.

La erosión a temperaturas elevadas y la corrosión en estas condiciones formarían rápidamente agujeros en los aceros al carbono. Aun los mejores aceros inoxidables tendrían que ser muy gruesos para compensar el incesante desgaste del metal bajo las condiciones del motor a reacción del avión. Por lo que se ha desarrollado nuevos materiales basados en el níquel, conocidos como superaleaciones, para solucionar los desafíos de las condiciones de ese tipo de motores.

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Las superaleaciones difieren de las otras aleaciones en su microestructura. El ordenamiento de los cristales de las superaleaciones es tal que es muy difícil que se dispersen los átomos dentro del cristal. Esto significa que una superaleación se resiste a la deformación causada por fuerzas centrífugas y fuerzas de corte que ocurren durante un vuelo.

La fabricación de una superaleación requiere que se caliente la mezcla de la aleación y se enfríe de tal manera que se controle la formación de cristales. En la próxima sección veremos más sobre la forma en que se controla la formación de cristales durante la fabricación de aleaciones.

Actividad 2-6

Trabajando en grupos de cinco, analiza qué aleaciones usarías en cada aplicación de la lista que está a continuación:

Elemento térmico de un secador comercial de ropa.

Escudo protector de radiación en un laboratorio de medicina nuclear.

Resorte de un voltímetro analógico.

Tubo de desagüe del lavabo de un baño.

Tanques de destilación de una planta química.

Como clase analicen las opciones de cada grupo. Traten de llegar a un acuerdo general en cada opción.

Anota tus conclusiones en tu cuaderno.

¿Cómo se controlan las propiedades de las aleaciones?

Formación de cristales

Anteriormente vimos que la forma más común de una sustancia pura, sólida, es cristalina. Cristalino significa que los átomos o moléculas están ordenados en posiciones fijas con distancias y ángulos determinados entre los átomos o moléculas vecinos.

La formación cristalina de una aleación está determinada en parte por los procesos de calentamiento y enfriamiento a que se somete la aleación cuando se fabrica. La fabricación de acero es un proceso bien conocido, por lo que lo usaremos como ejemplo.

La formación del acero empieza con hierro ígneo a 2800 oF (1538 °C), al que le agregamos carbono, manganeso y silicio. Esta mezcla se enfría hasta que adopta una forma sólida (los pedazos sólidos se llaman lingotes) que se puede manipular y transportar fácilmente. Una vez que tenemos los lingotes de acero, se les puede dar

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forma de productos. Finalmente, a los productos se les da tratamiento térmico para darles las propiedades requeridas según su uso específico.

La mayoría de los aceros con un contenido de carbono superior al 0.30 % llegan a ser mucho más fuertes cuando se los recalienta a 1500 oF (815 oC) y se los enfría al templarlos rápidamente en agua o en aceite. ¿Por qué ocurre este endurecimiento?

Veamos el proceso de enfriado para contestar esta pregunta. Cuando el acero se enfría, empieza a solidificarse. La estructura cristalina empieza a crecer a partir de un núcleo o cristal pequeño. Este crecimiento cristalino se da en muchas áreas de la masa de acero que se solidifica. Cuando estos cristales se encuentran entre ellos, se forman bordes granulares. (Cada grano es un monocristal.) Esta estructura granular se repite a medida que la aleación se enfría (usualmente del exterior hacia adentro.)

Cada metal tiene su propia estructura cristalina. Todos los granos de un metal en particular tienen la misma estructura cristalina. Sin embargo, a medida que un metal se enfría a temperatura ambiente, los granos se empujan unos contra otros al encontrarse. El resultado es una distorsión de la estructura cristalina única del metal. En un metal que se enfría rápidamente, los granos son más pequeños, y ejercen menor presión unos contra otros, por eso hay menos distorsión.

Los granos más pequeños de acero, fruto de un rápido enfriamiento, generan un acero más duro y más fuerte que los que tienen granos más grandes. En un acero de granos pequeños, los cristales tienen más área de superficie por unidad de volumen. (Puedes comparar esto con la composición del hormigón. El hormigón hecho de arena y grava es más fuerte que el hormigón hecho con piedras más grandes.)

Otro factor crítico de la resistencia del acero, además del tamaño de los cristales o granos, es la forma de estos. La forma de la estructura también depende de la forma en la que el acero se procesa. Una estructura cristalina se puede transformar en otra como resultado de un tratamiento térmico. En la tabla 2-3 vemos cuatro estructuras cristalinas básicas que encontramos en las aleaciones. DRAFT

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Tabla 2-3. Cuatro estructuras cristalinas de las aleaciones

Nombre de la forma cristalina

Estructura cristalina

Metales con esa forma

Forma del acero y temperatura de transición

Cúbica centrada en el cuerpo (BCC, por sus siglas en inglés).

Fe, Cr, Mo, Ta, W, V, Nb

Ferrita: esta forma se desarrolla cuando el acero se enfría muy despacio. El rango de temperatura en el cual se forma va desde 590 C a 705 C. Esta forma de acero es blanda y muy dúctil.

Cúbica: centrada en las caras (FCC, por sus siglas en inglés).

Fe, Al, Cu, Au, Pb, Ni, Pt, Ag

Austenita: esta forma se desarrolla cuando el acero se calienta por encima de los 760 C y sólo existe a temperaturas elevadas.

Tetragonal centrada en el cuerpo (BCT, por sus siglas en inglés).

Fe Martensita: esta forma se desarrolla cuando el acero se enfria rapidamente. El rango de temperatura en el cual se forma va desde 102 C a 290 C. Esta forma de acero es dura.

Hexagonal compacta (HCP, por sus siglas en inglés).

Cd, Co, Mg, Ti, Zn

Actividad 2-7

Dividir la clase en cuatro grupos. Trabajando en equipos decide si cada artículo de la siguiente lista debe ser duro, blando o intermedio. Después de determinar la dureza necesaria, decide si dicho artículo debe ser enfriado rápidamente o despacio para obtenerla.

La cabeza de un mazo.

Los tornillos que sujetan la cabeza de un cilindro al bloque de un motor.

Los dientes en el borde de una pala retroexcavadora.

La hoja o cuchilla de una navaja.

El husillo metálico (o pasador) que une las mitades de una bisagra.

Después que cada grupo ha determinado los requisitos de dureza y la velocidad de enfriamiento, comenten con la clase las conclusiones para cada artículo de la lista y lleguen a un acuerdo general para cada uno de ellos.

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Laboratorio 5: Recocido de cobre

ASPECTOS

GENERALES Propósito En esta actividad de laboratorio vas a realizar el endurecimiento y

recocido de un metal.

Objetivos


Demostrar el endurecimiento por deformación de metales y la forma en que esto afecta sus propiedades.

Demostrar el proceso de recocido y entender la forma en que esto afecta las propiedades de un metal.



Usar diferentes herramientas para recocer un pedazo de alambre.

Usar una regla para medir un pedazo de alambre.

Observar cambios en las propiedades de un alambre.





Vaso de precipitados de 250 ml Regla 4 pies de alambre de cobre de # 12 Pinzas para crisol Mechero de Bunsen Encendedor de chispa Gafas de seguridad

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El trabajo en frío y el recocido son ejemplos de prácticas de procesamiento de metales. Estos se pueden trabajar en frío o mediante el recocido para producir características específicas deseables en ciertos productos.

Podemos definir el trabajo en frío como el cambio de estructura y forma (deformación) de un metal para hacerlo más duro y fuerte.

Recocido es el proceso en el cual un metal se calienta y enfria despacio para hacerlo más blando y menos frágil.

Instrucciones de seguridad Ten cuidado cuando estés trabajando cerca de

superficies calientes, llamas y mecheros de Bunsen. Maneja el material caliente con el equipamiento adecuado.

Se cuidadoso cuando estés manejando el alambre metálico, ya que sus extremos pueden estar afilados y te puedes cortar.

PROCEDIMIENTO DE TRABAJO Método


1. Mide y corta un pedazo de alambre de cobre de 8 pulgadas.

2. Para trabajar en frío el alambre, cuidadosamente tuércelo (para hacerlo gira ambas puntas en dirección opuesta). Anota el número de veces que torciste el alambre, y qué tan difícil fue hacerlo cada vez.

3. Vierte 200 ml de agua en un vaso de precipitados de 250 ml, para que ahí vayas templando el alambre después de que lo calentaste.

4. Con las pinzas sostén el alambre en el mechero de Bunsen. Asegúrate de calentar la zona donde doblaste el alambre.

5. Cuando el alambre empieza a cambiar de color, templalo en el vaso con agua.

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6. Después de que el alambre está frío, repite el paso 2. Recuerda de anotar el número de veces que doblaste el alambre y qué tan difícil fue hacerlo cada vez.

7. Anota tus datos en tu cuaderno, y realiza una tabla tomando como ejemplo la que está a continuación.

Tabla de datos del alambre de cobre recocido (antes del recocido)

Número de dobleces

Grado de dificultad

Tabla de datos del alambre de cobre recocido (después del recocido)

Número de dobleces

Grado de dificultad


Coloca en el zafacón los pedazos usados de alambre.

Regresa el equipamiento y los suministros a su lugar correspondiente.

Cálculos


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1. ¿Qué le estaba pasando al alambre de cobre durante el paso 2? ¿Qué cambios le estuvieron ocurriendo a las propiedades del alambre?

2. ¿Qué le estaba pasando al alambre de cobre durante los pasos 4 y 5? ¿Qué cambios le estuvieron ocurriendo a las propiedades del alambre?

3. ¿Qué cambios notaste en las propiedades del alambre del paso 2 al 6? ¿Por qué ocurrieron esos cambios?

Desafío

4. ¿Crees que lograrías los mismos resultados utilizando diferentes tipos de alambres de metal? ¿Por qué si y por qué no?

5. Con la ayuda de la Internet o de la biblioteca, describe lo que está aconteciendo a nivel estructural en el alambre de metal cuando lo estás torciendo, y cuando lo estás calentando.

6. ¿Cómo se pueden aplicar en campos de la ingenieria los procesos de trabajo en frío y de recocido?

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Capítulo 4: Mecanismos de endurecimiento del metal

Existen determinados procesos que se pueden aplicar a los metales para alterar sus propiedades y así desarrollar caracteristicas que mejoren su funcionamiento. Entre los tratamientos de endurecimiento (que hemos abordado con anterioridad) están: tratamiento mecánico, tratamiento térmico y aleaciones.

Tratamiento mecánico

Es el cambio físico al que se somete un metal para cambiar su estructura y propiedades. El endurecimiento por deformación plástica, también llamado trabajo en frío, es el proceso de hacer más fuerte a un metal a través de la alteración de la estructura cristalina mediante el “trabajo” (cambio en la forma a través del procesamiento mecánico, por ejemplo, flexión). El tratamiento de un metal produce que la estructura cristalina se reorganice y “enrede”, lo que templa y endurece el metal. El endurecimiento por deformación disminuye la ductilidad de un metal.

Tratamiento térmico del metal

El tratamiento térmico de los metales es un proceso que se utiliza para cambiar las propiedades físicas (y a veces químicas) de un metal. La combinación de procesos de calentamiento y enfriamiento se aplica a un metal o aleación para crear un producto que tenga ciertas propiedades. Entre los procesos de tratamiento térmicos están: templado, revenido, recocido y normalización.

Hemos visto que la formación cristalina de una aleación está determinada en parte por los procesos de calentamiento y enfriamento a los que se les somete cuando se producen. Los tratamientos térmicos proporcionan una forma para manipular la formación cristalina y así alcanzar las propiedades deseadas en un metal o aleación.

Templado

Templado o temple es el proceso de hacer un metal más duro al calentarlo a determinada temperatura, y luego enfriarlo rápidamente en agua, aceite o algún otro método de enfriado rápido. Mientras el templado incrementa la dureza de un metal, también lo hace más frágil. Para reducir esto, a este proceso le sigue el proceso de revenido, que consiste en calentar un metal endurecido por templado a una temperatura menor que la alcanzada previamente.

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Recocido

Recocido es el proceso de hacer más blando un metal al calentarlo a una temperatura específica, y luego dejarlo enfriar lentamente hasta llegar a la temperatura ambiente dentro de un horno. Recocer un metal mejora su maquinabilidad, maleabilidad y estabilidad, y también lo ayuda a remover la tensión para así prevenir la deformación.

Normalización

Normalización es un proceso similar al recocido, en el cual el metal se calienta a una determinada temperatura, y luego se deja enfriar al aire libre hasta alcanzar la temperatura ambiente sin usar un horno. El proceso de normalización reduce la tensión interna producida por el tratamiento térmico.

Actividad 2-8

Dividir la clase en equipos de 3 o 4 alumnos.

Investiga en la biblioteca o la Internet, los temas que están a continuación:

¿De qué forma los diferentes procesos de fabricación de metales, como la forja y la soldadura, pueden afectar su dureza?

¿Son estos efectos en la dureza del metal importantes en la elección del metal que se puede usar en determinados productos? ¿Puedes dar un ejemplo?

Compara tus hallazgos con los de otros companeros de clase, analiza las diferencias y semejanzas de tus respuestas.

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Laboratorio 6: Prueba de deformación de metales*

ASPECTOS

GENERALES Propósito En esta actividad de laboratorio vas a ver cómo un metal se puede

fatigar y deformar debido a determinada cantidad de estrés y eventualmente fallar (romperse o quebrarse). Es importante entender que diferentes materiales pueden fallar más rápidamente que otros. Esta actividad también te puede ser de utilidad como una forma introductoria a los ensayos de materiales (destructivos y no destructivos).

Objetivos


Probar la deformación en diferentes tipos de productos metálicos.

Entender el concepto de ensayo o prueba destructiva.

Entender la forma en la que el estrés en un metal produce deformación y falla mediante el cambio en la estructura.



Realizar ensayos destructivos.

Observar deformación en metales.

Identificar la dureza de productos metálicos diferentes.




* La información seleccionada para esta actividad de laboratorio ha sido modifiicada de su fuente original y usada

con permiso de Pacific Northwest National Laboratory.

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Clips de tamaño normal Clips grandes Clips pequeños Perchas metálicas para ropa Gafas de seguridad Guantes de piel Cartulina Diferentes productos de alambre metálicos (seleccionados por el profesor)


Ensayos o pruebas para la ruptura o falla en materiales ayuda a los científicos a establecer estándares de control de calidad. El análisis de la rotura de un material proporciona información acerca de la ductilidad y formabilidad que es necesaria para que se elabore un determinado producto.

Instrucciones de seguridad Ten precaución cuando estés doblando pedazos de

metal, utiliza guantes de piel de protección.

Sé cuidadoso cuando estés manejando pedazos de alambre metálico, ya que sus puntas pueden estar filosas y te puedes cortar. Usa los guantes de piel de protección.

Usa las gafas de protección para proteger tus ojos de cualquier salpicadura de un producto químico, vapores dañinos, objetos puntiagudos y partículas trasmitidas por el aire.

PROCEDIMIENTO

DE TRABAJO Método


1. Coloca un clip en la mesa de laboratorio, con el lado que tiene sólo un semicírculo hacia la izquierda. Presiona con el dedo pulgar de tu mano izquierda el extremo con el semicírculo más pequeño, y con el pulgar de tu mano derecha agarra el mayor. Con el dedo índice izquierdo trata de abrir el clip para que se separe (es un quarto de vuelta), hasta dejarlo en forma de una especie de L.

2. Agarra el semicirculo mayor del clip entre tus dedos índice y pulgar de tu mano dominate (la que usas más). Dobla un

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pedazo de cartulina sobre el semicírculo pequeño para proteger tus dedos.

3. Tuerce el semicírculo mayor con tus dedos pulgar e índice de tu mano dominante, manteniendo el semicírculo pequeno en angulo recto con el más grande.

4. Cuenta cada media vuelta en la misma dirección. Anota en tu cuaderno el número de giros que hiciste hasta romper o fracturar el clip. Realiza una tabla de datos tomando como ejemplo el modelo que está a continuación.

5. Repite el procedimiento con los demás objetos de metal que tu profesor te va a proporcionar.

6. Comparte tus datos con tus demás compañeros.

Tabla de datos de la prueba de metal

Tipo de producto de

metal

Número de giros hasta la rotura

Clip normal

Clip grande

Clip pequeño

Percha de metal

7. Utiliza los datos que están en tu cuaderno y en la tabla de datos para crear un gráfico de barras para cada tipo de metal probado. Estos gráficos se pueden usar para analizar la resistencia y confiabilidad de los objetos de metal.


Coloca en el zafacón los pedazos de metal que ya no quieras.

Regresa el equipamiento y los suministros a su lugar correspondiente.

Cálculos


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1. ¿Cómo puedes usar tus datos para estimar la resistencia y confiabilidad de los objetos metálicos probados?

2. ¿Qué tan seguro debe estar un investigador sobre la resistencia de sus productos? ¿Por qué?

3. ¿Por qué se rompen los pedazos de metal? ¿Qué es lo que pasa en el interior del metal?

Desafío

4. ¿Qué factores afectan la resistencia de un metal?

5. ¿En qué otras situaciones o industrias es importante la prueba de materiales o productos?

6. Compara el ensayo destructivo que hiciste en esta actividad de laboratorio con otro ejemplo de prueba de materiales.

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Laboratorio 7: Probar y medir la dureza de los metales

ASPECTOS GENERALES Introducción

Betty trabaja como ayudante de compras de un taller de mecanizado. Su supervisor le ha pedido que verifique un problema potencial. Un proveedor de varillas redondas de acero ha entregado un lote de material que no está codificado por color. Éste tipo de codificación es importante porque indica las propiedades químicas que tiene el acero. El acero puede tener también propiedades físicas, tales como dureza, y esto podría arruinar las herramientas de corte. Hay muchas calidades diferentes de acero, cada una con diferentes propiedades físicas y químicas, que se usan para fabricar productos que requieren esas propiedades.

Betty se dirige al área de almacenamiento y localiza el lote de material. Con una lima raspa varias barillas de acero. La lima “muerde” el acero y con ello, ella puede saber que el material es lo suficientemente blando como para poder cortarse con una sierra. Luego le pregunta al capataz del almacén si puede cortar un pedazo de una pulgada de largo en el extremo de una de las barillas, y dárselo al especialista en metalurgia del taller para que analice sus propiedades químicas.

Propósito

En esta actividad de laboratorio vas a comprobar la dureza de varios metales usando dos métodos.

Objetivos


Comparar dos métodos diferentes para probar la dureza de un metal.

Ordenar una serie de metales de acuerdo a su dureza.

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Usar una lima para “raspar” metales.

Usar una regla para medir diámetro.

Usar una lente de aumento como ayuda para tomar medidas.


Muestras de diversos metales Lima plana Carda o cepillo para limpiar limas Aparato para probar la dureza Crayola Regla de maquinista o de ingeniero Lupa


La dureza de un material es el grado de resistencia frente a la penetración. La dureza de los metales varía desde los relativamente blandos tal como el plomo, hasta los relativamente duros como el titanio. Cuanto más duro es un metal, mejor resistirá el uso. Para algunos metales la dureza es una indicación de otras propiedades mecánicas, como la maquinabilidad y la resistencia a la tracción. Muchos metales, especialmente el acero, pueden aumentar su dureza mediante el calentamiento y un cuidadoso control de la rapidez de enfriamiento.

La dureza de los productos metálicos es rutinariamente probada durante su fabricación usando ciertas normas preestablecidas para probar materiales. Los resultados de tales pruebas ayudan a decir si un material será conveniente para una aplicación dada. Los metalurgistas usan la dureza también cuando evalúan fallas en productos de metal. También pueden verificar si se aplicó al material el tratamiento térmico correcto, o si algún ciclo no autorizado de calentamiento/enfriamiento se usó durante la fabricación.

Hay varios métodos para determinar la dureza de los metales. En la introducción a esta actividad de laboratorio hablamos de una manera cualitativa la forma de estimar la dureza, esto es, probar la dureza usando una lima (ver figura L7-1). Las pruebas de dureza de los metales miden la resistencia a la penetración de un pedazo de metal. Hay máquinas que proveen medidas precisas de dureza, al aplicar una cierta cantidad de fuerza a una punta de diamante, acero duro o esfera de carburo, causando la penetración en la superficie del pedazo de metal utilizado (ver figura L7-2). Luego, se mide la profundidad de penetración de la esfera, o el diámetro de la marca que se hizo en la superficie del pedazo de metal. Después

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se localiza esta medida en una tabla con valores de dureza para el tipo de prueba realizada.

En esta actividad de laboratorio vas a probar la dureza de un metal marcando una muestra de dicho material con una esfera de acero duro atada a la base de un peso que cae. Luego medirás los diámetros de las marcas y compararás la dureza de las piezas.

Instrucciones de seguridad Sé cuidadoso de no hacerte daño en la piel cuando uses la lima.

Aleja tus manos de la base del aparato para probar la dureza cuando tu compañero de laboratorio deje caer el peso.

PROCEDIMIENTO

DE TRABAJO Método

Trabaja en grupos de tres o cuatro alumnos.

Parte A. Prueba de la dureza de un metal usando una lima

1. Consigue un juego de muestras de metales para medir su dureza. Usando la crayola, numéralas 1, 2, 3, etc. a ½" del borde de las muestras.

2. Aplicando una presión fuerte y constante, arrastra la lima a lo largo de la primera muestra, como vemos en la figura L7-1. Observa el resultado y descríbelo en la Tabla de datos.

Figura L7-1 Prueba de la dureza de un metal usando una lima

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3. Repite los pasos 1-2 con cada una de las otras muestras de metal. Limpia la lima con la carda o cepillo después de cada uso. Arrastra la lima a lo largo de las muestras con la misma presión todas las veces.

4. Responde a la pregunta 1 de las conclusiones.

Parte B. Prueba de la dureza de un metal sometido a un peso

5. Prueba la dureza de una de las muestras de metal de la parte A. Escribe el número de la muestra en la tabla de datos. Verifica si ambas superficies de la muestra están sin muescas (o marcas). Si tiene alguna, ponle una marca en el interior de ella con la crayola, para poderla distinguir de las nuevas muescas que le harás a la muestra.

6. Coloca el aparato para probar la dureza en el suelo o en la mesa de laboratorio. Quita el peso de las varillas guía (o tubos guía) y colócalo en el suelo o encima de la mesa.

7. Coloca la muestra de metal en la base del equipo de prueba, y alíneala por debajo de las varillas (o tubos guía) para que la muesca esté por lo menos a 12" del borde de la muestra (observa la figura L7-2).

Figura L7-2 Equipo para probar dureza

8. Asegura que tu compañero de laboratorio no tenga sus dedos cerca de la base del equipo de prueba. Luego, inserta el peso (con la punta hacia abajo) en la varilla y deja que caiga en la muestra de metal.

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9. Retira el peso de las varilla y colócalo en el suelo o en la mesa del laboratorio, y la muestra de metal de la base del equipo.

10. Localiza la muesca que dejó el peso en el pedazo de metal.

Si la muesca está por lo menos a un diámetro de la muesca más cercana, mide el diámetro más grande de esta marca con una precisión de 164 de pulgada, usando la regla de maquinista y una lupa, como vemos en la figura L7-3. Anota este diámetro en la tabla de datos. Comparte tus datos con tus compañeros de clase.

Si la muesca está a una distancia de menos de un diámetro con relación a cualquier otra marca, no la midas, márcala con la crayola y repite los pasos 7-10.

Figura L7-3 Medición de la muesca dejada por el peso que cae

11. Repite los pasos 5-10 con cada muestra de metal. Informa los resultados de tus medidas a tu profesor, quien los incluirá en la tabla de datos de la clase.


Limpia las “astillas de metal” de la mesa de laboratorio.

Regresa las muestras de metal a la mesa del laboratorio.

Quita el peso del aparato para probar la dureza.

Si usaste un estereoscopio o una lupa regrésalos a su lugar correspondiente.

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Observaciones y recolección de datos Tabla de datos

Tipo de metal

Resultado de la prueba de dureza con lima (Parte A)

Diámetro de la marca

(Parte B)

Cálculos

Calcula el diámetro promedio de las muescas de cada metal hechas por la clase. Usa la fórmula:

Diámetro promedio de las muescas de cada metal

= suma de los diámetros de las muescas

cantidad de muescas

Redondea tu respuesta final al 164 de pulgada más próximo y anótala en tu cuaderno.


1. Con base en los resultados de la parte A, ordena las muestras probadas por tu grupo de la más dura a la menos dura. Escribe este ordenamiento en tu cuaderno. Comenta tus resultados con la clase y traten de llegar a un acuerdo de cómo deberían ordenarse todas las muestras.

2. Observa cuidadosamente la forma que tiene la punta del peso. En tu cuaderno, haz un dibujo de la sección transversal de esa punta después de que ha penetrado la muestra. Usa este dibujo para mostrar a la clase cómo la dureza del metal se relaciona con el diámetro de la muesca.

3. Basado en los resultados de la parte B, ordena los metales desde el más duro al menos duro. ¿Cómo difiere este orden del obtenido para los mismos metales en la parte A?

4. ¿Cuál de las dos pruebas de dureza prefieres? ¿Por qué?

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Desafío

5. Piensa si se puede usar dicho equipo para probar la dureza de los siguientes materiales no metálicos:

un pedazo de pizarra (roca)

un pedazo de azulejo o baldosa cerámica

una tabla de madera

un pedazo de caucho

Explica tu respuesta para cada uno de los materiales y sugiere una manera para que puedas medir su dureza.

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Capítulo 5: Falla de metal y prueba de metales

Defectos en la estructura cristalina

Anteriormente hemos visto la formación cristalina de los metales, y cómo ese tipo de estructura determina las propiedades de cada metal. Algunos metales tienen imperfecciones en su estructura cristalina, que pueden ser naturales o debidas a determinados procedimientos de procesamiento, o por condiciones medioambientales.

Dos defectos que pueden estar presentes en la estructura cristalina son: espacios vacíos donde se deja fuera un átomo (se le llama vacante o vacancia), y el dislocamiento, que son áreas donde el enlace de los atomos es “deficiente”. Estos defectos estructurales sumados al estrés que se aplica a los metales pueden producir en el metal la deformación y el fallo.

Falla de metal

Cuando se aplican determinadas fuerzas a los materiales, estos pueden sufrir diferentes grados de falla. Existen 5 tipos principales de condiciones que aplican fuerza a los materiales: tensión, compresión, flexión, corte y torsión. Estas fuerzas sumadas a las fuerzas del medio ambiente (exposición al agua), pueden causar cambios físicos simples o fallas estructurales más importantes. Cuando se aplica fuerza suficiente a un metal o algún otro tipo de material, el metal tendrá un cambio en la forma (deformación), o aun fallar completamente y sufrir una fractura (quebrarse).

Deformación

Deformación es un cambio en la forma debido a una fuerza aplicada. Hay dos tipos principales de deformación: elástica y plástica.

Deformación elástica

La deformación elástica es reversible. Cuando se aplica una fuerza, el metal se va a deformar, sin embargo, cuando la fuerza se retira, el metal va a regresar a su forma original. Los enlaces del metal se estiran pero no se rompen.

La fatiga de metal es un tipo de deformación elástica. Después de deformaciones repetidas, se pueden formar en el metal pequeñas grietas, más allá de las deformaciones, estas pequeñas grietas pueden convertirse en fracturas mayores.

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Deformación plástica

La deformación plástica no es reversible. Consiste en la deformación permanente que sufre un metal fruto de la aplicación de una fuerza lo suficientemente fuerte. En este tipo de deformación los enlaces del metal están rotos y, por lo tanto, la forma cambia definitivamente.

Fractura

Si se aplica una fuerza después de haber pasado la etapa de deformación plastica, las fuerzas se van a acumular hasta que produzcan una fractura por la cual el material se rompe en pedazos. Los dos principales tipos de fractura son: dúctil y frágil.

Fractura dúctil

La fractura dúctil sucede cuando se produce una deformación plástica de alto grado antes de la fractura. Como existe una aparente deformación plástica, las etapas de fractura que se acumulan también son aparentes.

Fractura frágil

La fractura frágil sucede cuando no se produce una deformación plástica antes de la fractura. Como no existe una aparente deformación del material, la fractura parece crecer rápidamente.

Fuerzas medioambientales afectan la falla del metal

Actividad 2-9

Esta es una mini actividad de laboratorio que tu profesor puede usar para demostrar la corrosión de un metal.

Materiales:

De 2.5 a 5.0 g de CuSO4•5H2O

NaCl (dos veces más volumen que del sulfato de cobre (II) o sulfato cúprico)

Dos círculos de papel de filtro o de toalla de papel

2 o 3 clavos pequeños

Tubos de ensayo

Gradilla para tubos de ensayo

1 varilla de agitación

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La persona que va a desarrollar esta actividad debe usar gafas de seguridad y tener mucho cuidado cuando esté manejando los productos químicos.

Utiliza el tubo de ensayo como modelo para cortar dos discos pequeños de papel de filtro.

Pesa de 2.5 a 5.0 g de sulfato de cobre (II) pentahidrato y colócalo dentro del tubo de ensayo.

Coloca uno de los discos de papel en el tubo de ensayo y usa la varilla de agitación para empujarlo hasta que quede cerca del sulfato de cobre (II).

Agrega cloruro de sodio hasta que tenga el doble de la profundidad que tiene el sulfato de cobre (II).

Coloca el segundo disco de papel encima de la capa de cloruro de sodio.

Coloca dos o tres clavos encima del disco de papel y poco a poco agrega agua hasta cubrir todas las sustancias.

Dibuja e identifica el contenido del tubo de ensayo todos los dias. Anota todas tus observaciones en tu cuaderno.

Corrosión

Corrosión es el deterioro de un material debido a las reacciones químicas o electroquímicas por su medioambiente. La corrosión produce destrucción del material, el deterioro de sus propiedades y puede ocasionar la falla estructural del mismo. La fatiga por corrosión es la falla de un metal debida al continuo estrés en un medioambiente corrosivo. Un medioambiente corrosivo reduce la cantidad de estrés que se puede aplicar a un metal.

La corrosión se produce cuando se pierden los electrones de un metal al reaccionar con el agua o el oxígeno en un sistema electroquímico. Una célula electroquímica está formada por un ánodo y un cátodo en una superficie metálica que está en contacto con un electrolito. Cuando desde una célula migran electrones se dice que la misma (que pierde electrones) se comporta como un ánodo y sucede la oxidación. Aquella célula que recibe esos electrones (gana electrones) se comporta como un cátodo y sucede la reducción.

Tipos de corrosión

Corrosión electroquímica—Este tipo de corrosión se produce por una reacción de oxidación-reducción en la superficie de un metal. Cada una de las células que sufren la corrosión electroquímica en la superficie de un metal tiene un ánodo (donde ocurre la oxidación), y un cátodo (donde ocurre la reducción).

Corrosión galvánica—Este tipo de corrosión es la más común de todas, y se produce entre dos diferentes metales, cuando uno de ellos actúa como ánodo y el otro como cátodo. El metal con potencial de reducción más negativo se oxidará (pierde

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electrones), y aquel con potencial de reducción más positivo se reducirá (gana electrones). Estos dos metales reaccionan eléctricamente entre ellos al estar conectados por un electrolito.A este par de metales se los suele llamar pila galvánica.

Control y prevención

La corrosión de un metal es un proceso común, y por lo tanto, en contadas ocasiones se puede evitar completamente. Existe una variedad de métodos de control y prevención, entre los que podemos mencionar: la selección de materiales adecuados, recubrimientos o capas especiales y el control de determinadas variables en el medio ambiente.

La prevención con recubrimientos o capas en la superficie incluye los siguientes métodos:

Capas aplicadas: como el esmalte se hace con materiales resistentes a la corrosión, la aplicación de una capa de esmalte proporciona una barrera contra la corrosión.

Capas reactivas: existen ciertos productos químicos que eliminan las reacciones electroquímicas, y por lo tanto suprimen la corrosión. Por ello se aplican capas de este tipo de productos químicos a la superficie de un metal.

Anodizado: es el tratamiento con un baño químico que proporciona una capa superficial protectora.

La protección catódica es otro método de prevención de la corrosión. En este tipo de protección se polariza la superficie del metal, haciéndola trabajar como cátodo de una celda o pila electroquímica. Esto se logra al poner en contacto con el metal a proteger, otro metal con menor resistencia a la corrosión que va a actuar como ánodo de “sacrificio” de la celda antes mencionada. Por esto es que este metal se debe reemplazar regularmente.

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Laboratorio 8: Corrosión de metales

ASPECTOS

GENERALES Introducción Pablo es un contratista de plomería. Lo llamamos un día

reciéntemente para preguntarle sobre las causas de la corrosión de los metales en los materiales para instalaciones sanitarias. Su respuesta se centró en dos puntos principales: 1) la electrólisis y 2) el uso de químicos líquidos para limpiar los desagües.

Pablo explicó que la electrólisis ocurre cuando se juntan dos metales disímiles de un elemento de plomería, al correr agua por ellos. “Si yo junto dos metales diferentes, como el cobre y el acero”, nos dijo, “tendría las mismas condiciones que en una batería. El acero empezaría a perder iones y, como resultado, se corroería eventualmente”. Para prevenir que ocurra la electrólisis, Pablo conecta metales disímiles por medio de un acoplamiento no conductivo, usualmente un montaje en la cañería hecho de nilón.

“Otra causa de la corrosión es el uso de algunos productos líquidos para limpiar instalaciones sanitarias”, dice Pablo. “Estos solían contener hidróxido de sodio; ahora generalmente contienen hipoclorito de sodio. Muchos trituradores de desperdicios son de un metal construido de una aleación barata y se corroen fácilmente con los productos químicos que se compran en el supermercado”.

Pablo dice que su conocimiento de Química, sobre todo de Metalurgia, y de Biología lo ayuda en su trabajo como plomero. Tiene un diploma de la escuela secundaria y estudió un año de Informática en la universidad. Llegar a ser un plomero, le requirió trabajar como aprendiz por tres años, pasar a ser técnico plomero, trabajar un año más y pasar la prueba de Maestro Plomero. Este título certificado se le pide a quienes quieren trabajar como contratistas en forma independiente.

Propósito

En esta actividad de laboratorio observarás el potencial eléctrico generado entre dos metales sumergidos en una solución electrolítica.

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Objetivos


Identificar cambios químicos en un pedazo de metal.

Predecir el resultado de unir dos pedazos de metal.



Medir voltaje con un voltímetro digital.

Hacer conexiones eléctricas entre dos pedazos de metal.

Observar pedazos de metal buscando evidencias de cambios químicos.


Probeta Voltímetro digital Lana de acero 1 vaso de precipitados de 600 ml Delantal de laboratorio Gafas de protección y seguridad 2 cables de cobre con conectores tipo cocodrilo Solución al 3% de cloruro de sodio (NaCl) Un pedazo de 3 pulgadas de cinta de magnesio (Mg) Una lámina de papel de aluminio (AL) 1 3 pulgadas Una lámina de cobre (Cu) de 1 3 pulgadas


Algunos metales se oxidan (pierden electrones) más fácilmente que otros. Los metales que se oxidan con más facilidad pueden proteger a otros metales de la oxidación cuando se exponen a otros agentes oxidantes a su alrededor.

Hay también situaciones donde juntar o unir metales disímiles puede causar problemas. Por ejemplo, si juntamos caños de cobre y aluminio en un sistema de tubería, uno de los metales protegerá al otro de la corrosión. De cualquier forma, la junta empezará a gotear tan pronto como el metal protector se oxide.

Cuando se sumergen dos metales diferentes en una solución electrolítica, como cloruro de sodio, un potencial eléctrico se genera entre los dos metales. Si los metales son conectados por un conductor eléctrico, fluirá corriente entre ellos y el metal

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cargado negativamente se oxidará. Un voltímetro medirá el potencial eléctrico (voltaje) entre los dos metales y te dirá qué metal es positivo (se redujo) y qué metal es negativo (se oxidó). Se pueden organizar estos datos en una lista desde los más fácilmente oxidables a los menos fácilmente oxidables. Esta lista se llama serie electroquímica.

Instrucciones de seguridad El magnesio (metal) reacciona con el agua. Usa cinta de

magnesio solamente. No uses polvo de magnesio.

PROCEDIMIENTO

DE TRABAJO Método


1. Vierte 400 ml de la solución al 3% de NaCl en el vaso de precipitados de 600 ml.

2. Coloca los cuatro metales en el vaso con un extremo dentro de la solución de NaCl y el otro sobre la superficie como vemos en la figura L8-1.

Figura L8-1 Disposición de los metales en el vaso de precipitados

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3. Mide el potencial eléctrico entre dos metales diferentes con el voltímetro digital fijado a 2 volts. Pon en contacto el cable común (negro) con la cinta de magnesio y el positivo (rojo) con cada uno de los otros metales. Deja que pase algún tiempo para que la lectura se estabilice y registra la misma para cada par de metales, en la tabla de datos 1. Luego, mueve el cable común a la lámina de aluminio y toma las lecturas del voltaje con los pedazos de cobre y hierro. Registra estas lecturas en la tabla 1. Finalmente, pon en contacto el cable común con la lana de acero y mide el voltaje entre la lana y el cobre.

Tabla de datos 1

Mg Al Fe Cu

Mg 0.0 V

Al 0.0 V

Fe 0.0 V

Cu 0.0 V

4. Usa los cables y pon en contacto la cinta de magnesio con la lana de acero y la lámina de aluminio con el cobre. Observa los metales durante 25 minutos. Registra tus observaciones en la tabla de datos 2.

Tabla de datos 2

Metal Observación

Mg

Al

Fe

Cu


Coloca los metales en los recipientes proporcionados por el profesor.

Vacía, lava y seca los vasos de precipitados. Llévalos a su lugar de almacenamiento.

Guarda los cables de cobre y pon el voltímetro en el lugar de almacenamiento adecuado.

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Cálculos

A. Con los datos de este laboratorio, ordena los metales aluminio, cobre, hierro y magnesio de mayor a menor reactividad en las condiciones de esta actividad de laboratorio.


1. Basado en tus datos, predice qué observarías si un pedazo de cobre y de magnesio se ponen en una solución al 3% de NaCl y se conectan con un cable de cobre.

2. Basado en tus datos, predice qué observarías si un pedazo de lana de acero y una lámina de aluminio se ponen en una solución al 3% de NaCl y se conectan con un cable de cobre.

Desafío

3. Sugiere cómo podrías usar magnesio o zinc (zinc es un poco menos reactivo que el magnesio) para proteger el hierro en una plataforma de perforación de petróleo en alta mar.

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Capítulo 6: Reciclaje de metal

Tanto los metales ferrosos como los no ferrosos se reciclan. El hierro y el acero son los metales ferrosos que comúnmente se reciclan al fundirlos nuevamente. El aluminio es el metal no ferroso que más se recicla.

Aluminio

Anualmente se producen una gran cantidad de latas de aluminio para satisfacer la demanda de la industria de las bebidas. Para darte una idea, el aluminio que se utiliza para producir latas, supera el aluminio que se usa en la industria militar, de aviones y de automóviles juntas. Afortunadamente, el reprocesamiento de latas de aluminio usadas es la forma de reciclaje más lucrativa y más utilizada.

¿Qué es aluminio?

El aluminio es un elemento muy común en la corteza de la Tierra, pero debe extraerse del mineral llamado bauxita. Éste es una roca de color caoba que se extrae principalmente en Australia, Brasil y Jamaica, y se la envía a países que tienen instalaciones y capacidad de refinación. El proceso de refinado elimina el óxido de hierro y el óxido de aluminio (alúmina) de la bauxita.

Se necesitan alrededor de cinco toneladas de bauxita y casi 2 mil millones de Btu (aproximandamente 2 billones de joules) de energía para extraer una tonelada de alúmina. (Btu es el símbolo de la unidad térmica británica. Ésta es la unidad estándar de medición de la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una libra de agua a nivel del mar de 60 F a 61 F.) Además, por cada tonelada de alúmina extraída de la bauxita, se abandonan cuatro toneladas de roca y 2900 libras de dióxido de carbono.

Para reducir la alúmina en aluminio, ella se debe exponer a gran cantidad de energía eléctrica. Después de la reducción, se agregan pequeñas cantidades de otros metales al aluminio fundido para fortalecerlo y darle resistencia a la corrosión.

Este proceso de reducción, como vemos en la figura 2-6, involucra los siguientes pasos:

Se disuelve el óxido de aluminio (alúmina) en criolita, fundida en una caja de hierro forrada de bloques de carbono. La caja actúa como un cátodo. (Un cátodo es un conductor en el cual se produce una reacción química. Durante esta reacción, se ganan electrones, así que el cátodo se carga negativamente.)

Las varillas de grafito, insertadas en la criolita fundida, funcionan como ánodos. (Un ánodo es un conductor en el cual se produce una reacción química. Durante esta reacción, se pierden los electrones, así que el ánodo se carga positivamente.)

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En el ánodo, los electrones provienentes del cátodo reducen el Al3+, y forman aluminio.

4Al3+ (fundida) + 12e 4Al (fundida)

(iones de aluminio provenientes de la

alúmina)

(electrones) (átomos de aluminio)

Ecuación 2-8

En el cátodo, la siguiente reacción oxida al carbono y forma dióxido de carbono.

3C (s) + 6O2 (fundida) 3CO2 (g) + 12e

(varillas de grafito)

(iones de óxido provenientes de

la alúmina)

(dioxido decarbono)

(electrones)

Ecuación 2-9

En la figura 2-6 vemos el proceso para reducir la alúmina en aluminio.

Figura 2-6 Proceso para separar aluminio del óxido de aluminio (alúmina)

El proceso de fabricación de aluminio descrito anteriormente requiere grandes cantidades de electricidad. El proceso completo de producir aluminio desde el mineral bauxita—extracción y reducción juntas—requiere de aproximadamente 20 veces más energía que el reciclaje de una cantidad igual de aluminio. Receurda que para producir una tonelada de aluminio se utilizan 3981 kg de bauxita.

Reciclaje de aluminio

El reciclaje del alumnio tiene muchas ventajas, algunas de ellas son técnicas, otras medioambientales y otras económicas. Desde el punto de vista técnico, es 100% reciclable, sin perder sus cualidades físicas. El proceso de reciclaje del alumnio consume sólo el 5 % de la energía que se consumiría en el proceso de producción

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inicial del aluminio. Hoy en día una faceta muy importante en la industria del aluminio es el reciclaje. Desde el punto de vista de la protección del medio ambiente, el reciclaje de latas de aluminio puede ahorrar grandes cantidades de mineral y energía, y también evitar una mayor emisión de gases de efecto invernadero. Desde el punto de vista económico la materia prima del reciclaje es más barata que el proceso de producción a partir del mineral, además que el 95% de ahorro de energía hace al proceso menos costoso. Como datos estadísticos de interés, mencionaremos los siguientes: 1) en 1990, el reciclaje de aluminio ahorró el equivalente a 20 millones de barriles de petróleo, o 12 mil millones de kilowatt-horas (4.32 1016 joules) de electricidad; 2) en el 2000, el reciclaje resultó en ahorros anuales de energía de al menos 660 millones de millones de BTUs; y 3) en el 2005, se estima que el reciclaje ahorró 900 millones de millones de BTUs.

La mayoría de las latas de aluminio para bebidas están hechas de aluminio casi puro, así que son fáciles de separar y reprocesar. Como el mercado para el aluminio es constante y fuerte, el reciclaje del mismo ayuda a mantener los programas de reciclaje de otros materiales. Aunque el aluminio constituye sólo el 2 % del material recolectado de un programa de reciclaje, con éste se obtiene aproximadamente la mitad de los ingresos.

El aluminio reciclado recibe el nombre de aluminio secundario, pero como ya se dijo anteriormente, mantiene las propiedades del aluminio primario. El proceso de reciclaje comienza a partir de una revisión y selección de la chatarra. Por ejemplo, como no todas las latas son de aluminio puro, algunas de ellas tienen algo de acero, por lo cual es necesario un imán, para separar el acero del aluminio. A continuación se compacta la chatarra en cubos o briquetas, o se la corta en tiras y se la embala, para después ser enviada a un centro de reciclaje. Ahí se les retiran las impurezas y se deja fundir el aluminio alrededor de 18 horas. Luego se vierte en moldes, para que se enfríe y se entrega a una fabrica de latas. Por otro lado el residuo de aluminio es fácil de manejar (ligero, no arde, no se oxida) y de transportar. El aluminio reciclado es un material cotizado y rentable y proporciona una fuente de empleos.

Existen otros productos de aluminio que las personas también desechan, entre los que están electrodomésticos pequeños, platos y bandejas de aluminio desechables, láminas para paredes de casas, pero estos están hechos de aleaciones de aluminio un poco diferentes. Por lo tanto, éstas deben separarse antes de que puedan ser reprocesadas en otra cosa. Esto hace al reciclaje de estos productos de aluminio un poco más caro que el reciclaje de latas.

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Actividad 2-10

Coloca unas bolsas en tu casa para recolectar latas de aluminio. Haz esta recolección por un par de días y enjuaga los recipientes recolectados.

Trae las latas de aluminio de tu casa para compartirlas con la clase.

Llena una bolsa del supermercado con latas de aluminio. Pesa cada bolsa en una blanaza.

¿Cuántas latas hay en una libra de aluminio?

¿Cómo puedes maximizar el número de latas que caben en dicha bolsa?

Ponte en contacto con una empresa de transporte para averiguar cuánto cuesta transportar aluminio por libra.

Acero, cobre, zinc y plomo

Aunque el aluminio es el metal reciclado de costo más eficiente, otros metales reciclables son el acero, cobre, zinc y plomo.

El acero constituye más del 90 % de todas las latas de alimentos en conservas. Algunas latas de bebidas tienen partes laterales de acero y tapas de aluminio, las latas de jugos concentrados usualmente tienen los extremos de acero. Las latas de pintura y muchos recipientes de aerosoles también están elaborados con acero. Estos recipientes son fáciles de separar para su reciclado. Hay otros objetos tradicionalmente hechos de acero, como los utensilios de cocina, los materiales de construcción y los chasis de automóviles, que también son reciclables. En los Estados Unidos aproximadamente el 66 % de todos los productos de acero son reciclados; lo que representa la tasa más alta entre todos los materiales. En la actualidad las latas de acero contienen aproximadamente el 25 % de metal reciclado.

El acero se hace de mineral de hierro. En la producción del acero es necesaria la energía, por lo cual al reciclar la chatarra de acero, se puede ahorrar aproximadamente un 74 % de la energía que sería necesaria para hacerlo del mineral primario. Cuando se recicla el acero también se reduce el agotamiento de los recursos naturales, del agua utilizada y de los contaminantes del aire.

El cobre es otro material comúnmente reciclado. El cobre de cables, radiadores, tuberías, serpentines de refrigeradores y accesorios de plomería, pueden reciclarse en otros productos de cobre, ahorrando aproximadamente un 85 % de la energía usada en su producción inicial. El zinc se usa en partes automotrices fundidas en troquel. El uso de zinc reciclado ahorra aproximadamente un 60 % de la energía que se usaría en su producción inicial. El plomo reciclado, usado en baterías y municiones, puede ahorrar aproximadamente el 65 % de la energía necesaria para producir plomo si se tuviera que producir desde su materia prima.

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Glosario

Ácido: es una sustancia que incrementa la concentración del ion hidrógeno de una solución.

Aislante: es un material con pobre conducción del calor, sonido o electricidad.

Alcalino: es una familia de metales ubicada en el grupo 1 de la tabla periódica. Estos metales se llaman así porque con sus óxidos e hidróxidos se forman bases fuertes.

Aleación: es un material sintético formado por la combinación de un metal con otro metal o un no metal.

Amorfo: es un sólido no cristalino sin forma o estructura definida.

Anión: es el átomo o grupo de átomos con carga negativa.

Ánodo: es típicamente la terminal positiva de una célula o acumulador eléctrico, hacia la cual se mueven los aniones cargados negativamente, y de la cual se alejan los cationes cargados positivamente.

Antioxidante: es un inhibidor que previene la oxidación por oxígeno molecular.

Artritis: es una enfermedad autoinmune que produce inflamación en las articulaciones.

Átomo: es la partícula más pequeña de un elemento compuesta de un núcleo con carga positiva, el cual está rodeado de electrones con carga negativa.

Base: es una sustancia que, cuando se la mezcla con agua, forma iones hidróxido. También se dice de una de las tres subunidades de un nucleótido que se encuentra en moléculas de ADN y ARN.

Bauxita: Es una roca color caoba que se utiliza como materia prima para obtener aluminio.

Biocompatible: se refiere a una sustancia que interactúa con el cuerpo en forma armónica.

Biomaterial: es la sustancia sin vida que se usa para que tome el lugar físico o reemplace en su función a tejidos vivos.

Calentamiento dieléctrico: es el calentamiento de un aislante mientras se opone al paso de una corriente eléctrica alterna.

Calor específico: es la cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura de un gramo de una sustancia en un grado Celsius.

Calor inducido: es el calentamiento de un conductor debido al cambio en la inducción electromagnética mientras conduce corriente eléctrica alterna.

Campo magnético: es el campo producido por un imán, que atrae y repele a otros materiales magnéticos.

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Cáncer: es un grupo grande de enfermedades caracterizadas por el crecimiento y diseminación descontrolada de células anormales del cuerpo.

Capacidad de calor específico: es una medida energía térmica (las calorías por unidad de masa de una sustancia), que se necesita para elevar la temperatura en un grado.

Característica: se trata de un aspecto, cualidad o propiedad propios de un objeto.

Características de vibración: es la capacidad de un objeto a resistir las vibraciones.

Carcinógeno: es el agente involucrado en la aparición del cáncer, por ejemplo, un cierto producto químico o una radiación.

Cartílago: es un tejido conectivo fibroso y duro, que se conecta a los huesos.

Catión: es cualquier átomo o grupo de átomos con carga positiva.

Cátodo: es típicamente el polo cargado negativamente de una célula o acumulador eléctrico, hacia el cual se mueven los cationes cargados positivamente, y del cual se alejan los aniones cargados negativamente.

Celulosa: es un carbohidrato complejo que se encuentra en el tallo, la corteza y las partes fibrosas de las plantas. Los animales no lo pueden digerir.

Cerámico: es un producto hecho mediante el horneado o cocción de elementos no metálicos.

Coagulación: es el cambio por el cual la sangre se convierte en una sustancia gelatinosa como consecuencia de reacciones químicas que pasan en ella.

Colágeno: es una proteína que le da la estructura a los tejidos conectivos del cuerpo.

Compuesto: se obtiene cuando dos o más elementos se unen mediante enlaces químicos.

Conductividad térmica: es la capacidad de un material para conducir calor.

Conductividad: es la capacidad de una sustancia para transferir energía, normalmente en la forma de calor o corriente eléctrica.

Congénito: es la condición que existe desde el momento del nacimiento.

Corriente eléctrica: es la transferencia neta de carga eléctrica por unidad de tiempo.

Corrosión: es la oxidación o destrucción de metales.

Cristal: es una estructura tridimensional, a nivel atómico, iónico o molecular, que consiste de células repetidas idénticas.

Cromatografía de gases: es la técnica de separación que involucra el pasaje de una fase móvil gaseosa a través de una columna que contiene una fase absorvente fija.

Cromatografía líquida de alta eficacia: es el proceso de separación de una mezcla llevada a través de una columna llena de un solvente, basado en la adsorción de moléculas por parte de un material sólido de relleno.

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Densidad: es una medida de la relación entre la masa y el volumen de una sustancia; es la masa por unidad de volumen de una sustancia.

Densificación: es el incremento de la densidad de un material.

Descomposición: es el desmenuzamiento de materia orgánica sin vida por la intervención de organismos (especialmente microorganismos).

Desfloculante: es un agente que quita los flóculos o grumos, los cuales son una masa formada por partículas apelmazadas.

Destilación: es el proceso de producción de vapores a partir de líquidos, mediante el calentamiento de los mismos en un alambique, para luego recolectar y condensar esos vapores en líquidos.

Desvitrificado: es un material al que se le quitó la textura vítrea para darle una textura cristalina.

Detrito o detritus: se trata de un material orgánico en descomposición.

Diamagnético: son los materiales que tienen una permeabilidad magnética menor que 1; estos materiales son repelidos por un imán.

Diámetro atómico: es el diámetro de un átomo. El cálculo se realiza en función de las distancias entre los núcleos de una variedad de compuestos que contengan dicho átomo.

Dieléctrico: es un material aislante eléctrico.

Difusión: es el movimiento aleatorio de moléculas debido a la energía propia de éstas, que hace que los solutos y los solventes (en soluciones) se muevan desde áreas de mayor concentración a áreas de menor concentración.

Ductilidad: es la capacidad de un material para ser convertido en alambre, o laminado o fácilmente moldeado, sin que se rompa.

Ecuación química: es una expresión que usa números y símbolos para representar una reacción química; el primer miembro contiene los elementos que reaccionan y el segundo miembro muestra el producto obtenido.

Elastómero: es un material que, con poca tensión, puede ser estirado por lo menos hasta dos veces su longitud original, para luego recuperar su forma original cuando se lo suelta.

Electricidad: es un fenómeno físico referido a cargas eléctricas y a sus efectos, tanto cuando están quietas o cuando están en movimiento.

Electrólito: es una sustancia que, cuando se la disuelve en agua, conduce una corriente eléctrica.

Electrón: es la partícula subatómica cargada negativamente, que se encuentra fuera del núcleo de un átomo.

Electronegatividad: es la capacidad relativa de un átomo para atraer a un electrón.

Electrones de valencia: son los electrones del orbital exterior de un átomo.

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Elemento: es una sustancia básica del mundo, que determina las características de los materiales, que no se lo puede subdividir en sustancias diferentes mediante procesos químicos, y que solo se lo puede convertir en otro elemento mediante radioactividad o reacción nuclear.

Embolia: es el bloqueo de un vaso sanguíneo por un coágulo anormal en el torrente circulatorio.

Energía cinética: es la energía involucrada en la producción de trabajo o movimiento.

Enlace covalente: es el enlace químico entre átomos, en el cual cada atomo contribuye con un electrón para formar un par de electrones.

Enlace iónico: es el tipo de enlace químico en el cual los electrones se transfieren completamente de un átomo a otro.

Enlace metálico: es el enlace químico entre metales, fruto de compartir los electrones de valencia entre los átomos de una estructura cristalina estable.

Enlace: es la fuerza de atracción que mantiene a los átomos y a los iones juntos en una molécula.

Equilibrio: es un estado de balance entre dos fuerzas opuestas; se trata de un estado en el que la tasa de partículas que entran en el sistema es igual a la de las partículas que salen del mismo.

Erosión: es la pérdida de suelo de un área como consecuencia de una inundación, del viento o de la lluvia.

Esterilización: es un procedimiento quirúrgico que deja a un organismo imposibilitado para producir o liberar esperma o huevos. También hace referencia al proceso de matar todos los microorganismos (incluidos virus y esporas).

Estructura molecular: se trata de la geometría y la disposición de los átomos de una molécula.

Evaporar: es el cambio por el cual una sustancia líquida se convierte en vapor por debajo del punto de ebullición.

Expansión térmica: es el cambio en el volumen de un material como resultado de un cambio de temperatura.

Extrusión: es el proceso en el cual un material sólido semiblando es forzado a través de un molde, para producir una pieza continua de material con la forma del producto deseado.

Ferromagnético: es un material o sustancia que es atraído fuertemente por un campo magnético.

Ferroso: es un compuesto de la forma iónica del Fe+2 de hierro y de otros elementos; también se dice de los compuestos relacionados al hierro.

Fisiología: es el estudio de los procesos vitales y de las funciones de los organismos.

Forja: es el proceso de usar una fuerza de compresión para darle forma a un metal mediante deformación plástica.

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Fórmula molecular: es la fórmula que da la cantidad de cada tipo de átomos de una molécula de un compuesto.

Fórmula química: es una descripción de una molécula que muestra el tipo y la cantidad de átomos que contiene.

Fuerza de gravedad: es la fuerza de atracción entre dos cuerpos debido a sus masas.

Fuerza o interacción de van der Waals: es la fuerza de atracción entre átomos, o entre moléculas no polares, causada por una separación de cargas inducidas.

Fundido: es un material hecho líquido mediante la aplicación de calor.

Gas inerte: es un gas que no reacciona, por ejemplo, el helio u otros gases del grupo 18 de la tabla periódica.

Hierro fundido: se trata de una aleación de hierro y carbono, colada para que tome forma; contiene entre 1.8 y 4.5 % de carbono.

Hipersensibilidad: es la reacción alérgica extrema frente a sustancias extrañas.

Homogeneidad: es la cualidad de tener las mismas propiedades a lo largo de todo el objeto.

Inflamable: se dice de una sustancia que se enciende con facilidad y se quema rápidamente.

Infraestructura: es la cimiento subyacente o el marco básico de trabajo.

Inorgánico: se dice de un compuesto químico en el cual el carbono no es su elemento principal.

Ion: es un átomo cargado que puede ser positivo (porque perdió electrones) o negativo (porque ganó electrones).

Isotrópico: se trata de un material que tiene las mismas propiedades en todas las direcciones.

Lingote: es una masa de metal colado con una forma que lo hace más fácil de manejar.

Maleabilidad: es la capacidad de un material para ser doblado, formado o torcido, mediante martillado.

Maquinado: es la realización de varias operaciones de corte y molienda en un objeto.

Masa atómica: es la masa de un átomo de cierto elemento.

Materia prima: es un material crudo, sin procesar o parcialmente procesado, que se usa para fabricar un producto.

Material compuesto: es un material formado por combinaciones de metales, aleaciones, cerámicos o polímeros, en el cual uno de los materiales sirve como matriz, dentro del cual otro material se incrusta.

Matriz o fase matriz: es un material en el cual insertamos o incrustamos algo.

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Metal: es un elemento electropositivo, normalmente dúctil y maleable, con una alta resistencia la tracción o tensión.

Metales de transición: son los elementos ubicados en la tabla periódica, entre los grupos 2 y 13, y en los períodos 4 y mayores.

Metalurgista: es el científico o ingeniero que estudia los metales y sus propiedades.

Microestructura: es la estructura de un objeto vista al microscopio.

Módulo de elasticidad: es la razón entre la tensión aplicada a un material y la deformación que la misma produce.

Moldeado por inyección: es el moldeado de formas metálicas, plásticas o cerámicas, mediante la inyección de ciertas cantidades del material fundido en troqueles (o moldes).

Moldeado por soplado: es un método para producir un objeto hueco, al inflar una masa caliente derretida dentro de un molde.

Moldear por fundición: consiste en formar una sustancia plástica o líquida en una forma específica al dejarla enfriar en un molde.

Moldeo por compresión: es el proceso de fabricación de plásticos en un molde, usando calor y presión para formar el material.

Moldeo por transferencia: es un proceso similar al moldeo por compresión, con la diferencia que la materia prima se precalienta y se transfiere hidráulicamente al molde. Elimina la turbulencia y las asperezas causadas por el moldeo por compresión.

Molécula polar: es una molécula que tiene una separación de cargas, generando una región positiva y una negativa en la molécula.

Molécula: es la forma más pequeña posible de un compuesto, que está formada por de átomos enlazados entre sí.

Momento magnético del espín: es el momento magnético causado por el espín del electrón.

Momento magnético del orbital: es el momento magnético dipolar asociado con el movimiento de una partícula cargada alrededor de un origen.

Monómero: es una molécula que puede ser combinada con otra para formar un polímero.

Neutralización ácido-base: se trata de una reacción química en la cual un ácido y una base reaccionan formando agua (y sal) y no queda excedente de iones de H3O

+ u OH-.

Neutralizar: es hacer que el pH de una solución sea neutra.

Neutrón: es una partícula no cargada del núcleo de un átomo.

No ferroso: es cualquier metal que no sea hierro y sus aleaciones.

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No metal: es un elemento formado por iones o radicales normalmente cargados negativamente, capaz de combinarse con el oxígeno para formar óxidos.

Núcleo: es la región de un átomo con carga positiva, compuesta de protones y neutrones y tiene casi toda la masa del mismo. También se dice que es el centro de control de una célula rodeado por sus propias membranas.

Número atómico: es la cantidad de protones del núcleo de un átomo (igual a la cantidad de electrones del átomo neutro).

Oferta y demanda: Es un principio económico que establece que si la oferta de un material es mayor que su demanda, el material pierde valor; si la demanda es mayor que la oferta disponible, el material gana valor.

Orbital: es el espacio alrededor del núcleo de un átomo que puede ser ocupado por uno o dos electrones.

Oxidabilidad: es una medida de la capacidad de los materiales para perder fácilmente uno o más electrones.

Oxidación: es el proceso en el cual una sustancia se combina con el oxígeno, por ejemplo, en el caso de la combustión, herrumbre y la quema de calorías del cuerpo. También es la pérdida de electrones de una sustancia, generalmente cuando se combina con el oxígeno.

Paramagnético: es un material que tiene mayor permeabilidad magnética que el vacío y es ligeramente atraído por un campo magnético.

Peso atómico: es la masa promedio del átomo de un elemento tal cual se da en la naturaleza.

Peso: es una medida de la fuerza que empuja un objeto de una cierta masa hacia el centro de la Tierra.

Petroquímico: es un derivado químico del petróleo y gas natural.

Piezoeléctrico: es un cuerpo que tiene la capacidad de generar un voltaje cuando se le aplica una fuerza mecánica, o producir una fuerza mecánica cuando se le aplica un voltaje.

Pirólisis: es el proceso de descomposición química de materia orgánica y todo tipo de materiales (excepto metales y vidrio) causado por el calentamiento en ausencia de oxígeno.

Plaqueta: es un fragmento de la membrana de la cólula sanguínea que funciona en el proceso de coagulación.

Polaridad de una molécula: es una propiedad de las moléculas que surge de la desigualdad de las cargas eléctricas en la misma.

Polarizar: consiste en separar una carga eléctrica positiva de una negativa y crear un dipolo eléctrico.

Polimerización: es una reacción química en la cual dos o más moléculas simples se combinan para formar una molécula más compleja, compuesta por la repetición de las moléculas simples.

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Polímero: es una macromolécula formada por muchos monómeros idénticos o similares, enlazados.

Porosidad: es la capacidad de un material de absorber líquidos o gases, y también es la cantidad de poros o huecos que hay en la masa de una material.

Potencial de ionización: es la energía por unidad de carga necesaria para desplazar un electrón desde un cierto tipo de átomo o molécula a una distancia infinita.

Proceso de sol-gel: es la técnica basada en una solución, por la cual se pueden hacer cerámicos a baja temperatura y con cortos períodos de cocción.

Producto: es el compuesto que se obtiene de una reacción química.

Propiedad física: es la característica que puede ser medida sin necesidad de cambio en la estructura química del material en estudio.

Propiedad química: se refiere a la capacidad de un elemento para ser parte de un cambio químico o para resistir a dicho cambio.

Propiedad: son las características que tiene un cierto material.

Protón: es una partícula del núcleo de un átomo, que está cargada positivamente.

Punto de ebullición: es la temperatura a la cual la presión del vapor de un líquido equivale a la presión por encima del líquido; por ejemplo, el punto en el cual el líquido pasa a su fase gaseosa.

Punto de fusión: es la temperatura a la cual un sólido se derrite para convertirse en líquido.

Radiación: es una forma de energía entre las que podemos mencionar la luz visible, la luz infrarroja, la luz ultravioleta, los rayos X y los rayos gamma. También es el medio por el cual el cuerpo pierde calor bajo la forma de rayos infrarrojos.

Radical libre: es un átomo altamente reactivo que tiene uno o más electrones libres.

Reacción de combinación: es una reacción por la cual dos o más elementos o compuestos se combinan para formar un nuevo compuesto.

Reacción de condensación: es una reacción que reune dos moléculas en una sola, con la eliminación de agua.

Reacción de desplazamiento doble: consiste en el intercambio de iones positivos y negativos entre dos compuestos.

Reacción de desplazamiento simple: es la que involucra al reemplazo de un elemento por otro en un compuesto, para producir un nuevo compuesto y un elemento diferente.

Reacción oxidación-reducción: es la reacción química en la cual se oxida un reactivo y se reduce otro reactivo. También se le llama reacción “redox”.

Reacción química: es el cambio por el cual una sustancia se transforma en otras sustancias mediante el rompimiento de los enlaces químicos existentes, y la formación de nuevos enlaces químicos.

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Reactante o reactivo: es una sustancia que cambia durante una reacción química, de la cual forma parte, para producir un producto.

Reactividad: es la capacidad de una sustancia para participar en reacciones químicas.

Recocido: es el proceso de calentamiento y enfriamiento de metales, aleaciones o vidrios, para quitarle la tensión y hacer que el material sea menos quebradizo.

Red cristalina: es un arreglo regular de átomos en un sólido cristalino.

Reducción: es la adquisición de electrones por parte de una sustancia, durante una reacción química.

Reductibilidad: es una medida de la capacidad de los materiales para ganar fácilmente uno o más electrones.

Refractario: es el cuerpo que resiste la acción de agentes químicos o físicos y, especialmente, altas temperaturas, sin descomponerse.

Resistencia: es la capacidad de un material para oponerse al flujo de una corriente eléctrica.

Resistencia a la carga: es la capacidad para resistir el rompimiento debido a un cambio súbito en la carga.

Resistencia a la compresión: es la capacidad que tiene un objeto para resistir al rompimiento por las fuerzas de compresión.

Resistencia a la fatiga: es la capacidad que tiene un material para resistir al rompimiento provocado por cargas y descargas repetidas o alternativas.

Resistencia a la tracción o a la tensión: es la capacidad que tiene un material para resistir al rompimiento por la acción de las fuerzas de tracción.

Resistencia al corte (al cizallamiento): es la capacidad de un material para resistir fuerzas que generan que algunas partes del mismo pasen a través de él. También se la define como la resistencia de un objeto al rompimiento por la acción de fuerzas de corte.

Resonancia magnética: es la técnica que da una imagen de computadora de los tejidos del cuerpo, induciendo a sus moléculas a emitir ondas de radio.

Reticulación: se refiere al enlace de las cadenas paralelas de una macromolécula, como la de un polímero.

Reutilizar: Consiste en usar nuevamente un producto que ha cumplido su propósito original, ya sea siendo el mismo producto o como un producto diferente.

Rotación: es el movimiento alrededor de un eje o de un centro.

Saturada: es una solución que está lo más concentrada posible. También se refiere a las grasas o a los ácidos grasos que no tienen enlaces dobles carbono-carbono.

Semiconductor: es un sólido cuya conductividad eléctrica está entre la de un conductor y la de un aislante.

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Sinterizar: consiste en calentar (pero no derretir) un polvo para formar una masa coherente.

Sintético: es todo material que no se produce de forma natual, sino que está hecho por el hombre.

Sistema cardiovascular: es el sistema formado por el corazón y los vasos sanguíneos que llevan la sangre a los tejidos de todo el cuerpo.

Soldadura por fusión: es el proceso de unión de partes metálicas mediante el calor, que permite que los metales fluyan juntos.

Solución: es una mezcla en la cual una sustancia (el soluto) se disuelve y la otra sustancia (el solvente) es el medio de disolución.

Solvente: es una sustancia que puede disolver a otra sustancia.

Superconductor: es una sustancia que no muestra resistencia a la corriente eléctrica a extremadamente bajas temperaturas (temperaturas cerca de los 0 grados K).

Tabla periódica: es la tabla que contiene todos los elementos conocidos, organizados de acuerdo a sus números atómicos, por lo que los elementos con propiedades similares están en la misma columna.

Templado o temple: es el proceso de hacer un metal más duro al calentarlo a determinada temperatura, y luego enfriarlo rápidamente en agua, aceite o algún otro método de enfriado rápido.

Termoestables: se dice de aquellos materiales que permanecen siendo sólidos cuando se los calienta; también se refiere a un polímero que cambia químicamente durante el procesamiento y se vuelve permanentemente sólido.

Termoplásticos: son los materiales que son capaces de ablandarse cuando se los calienta y luego se endurecen al enfriarse; también se refiere a un polímero que se derrite cuando se lo calienta.

Traslación: es el movimiento uniforme de un cuerpo en una línea recta. También es el proceso de ensamblar aminoácidos en proteínas en el ribosoma, de acuerdo a las instrucciones del ARN.

Troquel: es una herramienta o molde usado para dar forma o tomar impresiones en metales o cerámicos.

Unidad térmica británica (Btu): Es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una libra de agua en un grado Fahrenheit.

Vaporizar: es la acción de convertir un líquido en vapor.

Vibración: es el cambio periódico continuo en la posición de los átomos y moléculas y/o cristales en relación con ellos mismos.

Viscosidad: es la resistencia al flujo de un gas o de un líquido.

Vulcanización: es el proceso de tratamiento del caucho o materiales plásticos para darle propiedades útiles.

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Algunas referencias bibliográficas

CORD. Applications in Biology and Chemistry. Waco: CCI Publishing, 1999.

Hot Mix Asphalt Production and Testing. Construction Inspector’s Training Manual. Washington State Department of Transportation. January 2005.

http://www.ndt-ed.org/EducationResources/CommunityCollege/ Materials/cc_mat_index.htm

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