Fundamentos de Enlace Químico y Propiedades Físicas de Materiales

El Enlace Químico: Fundamentos y Tipos

El enlace químico se define como la unión entre átomos para formar sustancias químicas con características definidas, las cuales son energéticamente más estables que los átomos de partida.

Tipos de Enlaces Químicos

• Enlace Covalente

  Se forma cuando los átomos alcanzan su estabilidad compartiendo electrones con otros átomos. Este tipo de enlace es común en compuestos formados por no metales. Por ejemplo, el oxígeno (O) tiene seis electrones de valencia y tiende a formar enlaces covalentes para completar su octeto.

• Enlace en los Elementos Metálicos (Enlace Metálico)

  En los elementos metálicos, los núcleos de los átomos se atraen y los electrones de valencia se deslocalizan, formando una "nube electrónica" que rodea a todos los núcleos. Esta deslocalización es responsable de las propiedades características de los metales.

• Enlace Iónico

  Los átomos de algunos elementos pueden alcanzar capas electrónicas completas ganando o perdiendo electrones al unirse con otros átomos. Este proceso de transferencia de electrones da lugar a la formación de iones (cationes y aniones) que se atraen electrostáticamente, formando el enlace iónico.

Energía y Formación del Enlace Químico

La formación de un enlace químico implica un equilibrio de fuerzas y una disminución de la energía del sistema. Al aproximarse dos átomos, se presentan las siguientes interacciones:

1. Fuerzas de Repulsión: Existen fuerzas de repulsión entre los electrones de ambos átomos y entre sus núcleos, que tienden a evitar la formación del enlace.
2. Fuerzas de Atracción: Se generan fuerzas de atracción entre el núcleo de un átomo y los electrones del otro, y viceversa. A medida que los átomos se aproximan, la energía potencial del sistema disminuye hasta alcanzar una distancia óptima (distancia de enlace) donde se forma el enlace, liberando energía.
3. Energía de Disociación: Para separar los átomos unidos por un enlace, es necesario suministrar una cantidad de energía igual o mayor que la energía de dicho enlace (conocida como energía de disociación).

Propiedades de los Materiales

Propiedades de los Compuestos Iónicos

Los compuestos con enlaces iónicos presentan las siguientes propiedades características:

• Son sólidos cristalinos a temperatura ambiente.
• Tienen elevados puntos de fusión y ebullición.
• Presentan gran dureza o resistencia a ser rallados.
• Son frágiles y quebradizos.
• Son buenos conductores de la electricidad cuando están fundidos o disueltos en agua.
• Son malos conductores de la electricidad en estado sólido.
• La mayoría son solubles en agua.

Aceros Especiales

Acero para Moldes

El acero para moldes se caracteriza por poseer:

• Buenas propiedades mecánicas.
• Buenas condiciones de elaboración.
• Estabilidad dimensional en el tratamiento térmico.
• Aptitud para ser pulido.
• Aceptable conductividad térmica.

Acero Bonificado

El acero bonificado es especialmente adecuado para moldes grandes con dificultad para el tratamiento térmico o para la fabricación de pequeñas series. Su principal ventaja es que no presenta peligro de deformación, cambios de medida o tensiones internas. Estos aceros son mecanizados previamente antes de someterse a los procesos de temple y revenido.

Reología y Comportamiento Viscoelástico

Viscosidad en Cizalla

La viscosidad en cizalla se refiere a la fuerza por unidad de área necesaria para mover una lámina de fluido, la cual es proporcional al gradiente de velocidades creado en el fluido. La constante de proporcionalidad es una función de la capacidad de deslizamiento del fluido.

Variación de la Viscosidad con la Temperatura

Generalmente, la viscosidad de un fluido disminuye al aumentar la temperatura. Un ejemplo claro de esto es el PVC (Policloruro de Vinilo), cuya viscosidad se reduce significativamente con el incremento de la temperatura.

Variación de la Viscosidad con la Presión

La viscosidad de un fundido se ve afectada por la presión. La compresión de un fundido reduce su volumen libre, lo que conlleva un aumento de la viscosidad.

Comportamiento Viscoelástico

Una sustancia presenta comportamiento viscoelástico cuando posee componentes tanto viscosos como elásticos. Los polímeros, en particular, exhiben un comportamiento mecánico dominado por su carácter viscoelástico. Los sólidos viscoelásticos muestran características intermedias entre un líquido y un sólido ideal, con fuertes desviaciones del comportamiento elástico ideal (Ley de Hooke) o viscoso ideal (Ley de Newton).

Temperaturas Críticas en Polímeros

Temperatura de Transición Vítrea (Tg) y Temperatura de Fusión (Tm)

La temperatura de transición vítrea (Tg) es un punto clave en el comportamiento de los polímeros amorfos:

• Por encima de la Tg: Los segmentos poliméricos grandes pueden moverse con mayor libertad, permitiendo que el material modifique su conformación. En este estado, los polímeros amorfos se comportan como cauchos.
• Por debajo de la Tg: Los movimientos moleculares quedan restringidos a segmentos muy pequeños, impidiendo una reorganización significativa. En este estado, los polímeros amorfos presentan propiedades como rigidez, fragilidad y transparencia, similares a las de los vidrios.

La temperatura de fusión (Tm), por otro lado, es una propiedad que solo se observa en los polímeros cristalinos, marcando la temperatura a la cual las regiones cristalinas del polímero se funden y pasan a un estado amorfo.