Fundamentos de la Química de Materiales

1. ¿En qué se diferencia un compuesto químico de una aleación?

Un compuesto químico es una sustancia pura que puede separarse en sus componentes elementales únicamente por **métodos químicos**. Sus componentes están unidos mediante enlaces químicos en proporciones fijas y definidas.

Una aleación es una **mezcla homogénea** de dos o más elementos, donde al menos uno de ellos es un metal. Generalmente, se forma al fundir los componentes y mezclarlos en estado líquido, solidificándose posteriormente. Sus componentes no están unidos químicamente y pueden separarse por **métodos físicos**.

2. Componentes de aleaciones comunes: oro nórdico, latón y nitinol

• Oro nórdico: 89% cobre, 5% aluminio, 1% estaño, 5% zinc.
• Latón: Cobre y zinc.
• Nitinol: Níquel y titanio.

3. Clasificación de materiales

• Elementos: Oro.
• Compuestos (naturales): Algodón y corcho.
• Mezclas: Hormigón y mármol.
• Aleación: Latón.
• Composites: Nailon, PVC, corcho blanco.

4. Justificación del uso de materiales en productos específicos

• Fibra de vidrio: Telecomunicaciones

  Justificación: Es un material **aislante**, soporta **altas temperaturas**, es **duradera** y **más económica** en comparación con otras alternativas para la transmisión de datos.

• Aluminio: Latas de refresco

  Justificación: Es **ligero**, presenta **facilidad de reciclaje**, posee buena **conducción térmica** (para enfriar la bebida), **no se oxida** fácilmente y **protege contra la luz**, preservando la calidad del producto.

• Nailon: Cuerdas de raquetas de tenis

  Justificación: Posee alta **resistencia**, **rigidez**, **tenacidad** y sus propiedades **no varían significativamente con la temperatura**, lo que asegura un rendimiento constante.

• Plásticos: Vasos y platos desechables

  Justificación: Ofrecen **facilidad de reciclaje** (en algunos tipos), **ligereza**, son **económicos** de producir, actúan como **aislantes térmicos** y presentan buena **resistencia** al uso.

5. Definición y relación entre mineral, mena y materia prima

Un **mineral** es una sustancia natural, generalmente **sólida e inorgánica**, con una composición química definida y una estructura cristalina característica, que se encuentra en la corteza terrestre.

Una **mena** es un mineral (o una roca) que contiene uno o más metales (o compuestos de interés) en una concentración suficiente para que su extracción sea **económicamente viable**.

La **materia prima** es cualquier material extraído de la naturaleza (como minerales, menas, madera, agua) o producido por el hombre (como plásticos reciclados) que se utiliza como base para fabricar otros productos.

La relación es secuencial: los **minerales** son la base, de los cuales se identifican las **menas** con valor económico, y estas menas, una vez extraídas y procesadas, se convierten en **materias primas** para la industria.

6. ¿Cómo se obtiene un metal a partir de un mineral en un alto horno?

El proceso de obtención de un metal (como el hierro) a partir de su mineral en un alto horno implica varias etapas:

1. Primero, el **mineral** (generalmente óxido de hierro) se **calienta** y se **tritura**.
2. Luego, se introduce en el **alto horno** junto con coque (combustible y agente reductor) y fundente (como la caliza).
3. Dentro del horno, a altas temperaturas, el **hierro** se **separa del oxígeno** (reducción) y pasa a **estado líquido** (arrabio).
4. Posteriormente, el arrabio líquido se somete a un proceso de **afino** (eliminación de impurezas).
5. Finalmente, el hierro afinado se convierte en **acero** mediante la adición controlada de carbono y otros elementos.

7. ¿Qué función cumple la electricidad en el proceso de la electrólisis?

En la **electrólisis**, la **corriente eléctrica** es la fuerza impulsora que permite la **separación de los componentes** de una sustancia (generalmente un compuesto iónico fundido o disuelto). Facilita la **transferencia de electrones** (reacciones redox no espontáneas), lo que provoca la formación de **iones** que se mueven hacia los electrodos y se depositan en ellos, permitiendo la obtención de metales puros o la separación de elementos.

8. ¿De qué dependen las buenas propiedades eléctricas y térmicas de los metales?

Las excelentes propiedades **eléctricas y térmicas** de los metales se deben a la presencia de **electrones libres** (o deslocalizados) en su estructura cristalina. Estos electrones pueden moverse con gran facilidad a través de la red metálica, transportando eficientemente la **carga eléctrica** (conductividad eléctrica) y la **energía térmica** (conductividad térmica).

9. ¿Cuál es la diferencia química clave entre materiales orgánicos e inorgánicos?

La diferencia química clave radica en que los **compuestos orgánicos** están fundamentalmente basados en el **carbono**, formando cadenas y anillos complejos, a menudo con hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y otros elementos. Por otro lado, los **compuestos inorgánicos** abarcan el resto de las sustancias químicas, no necesariamente basadas en el carbono, y suelen incluir metales, sales, óxidos, ácidos y bases.

10. ¿Qué es un biomaterial? Señala ejemplos.

Un **biomaterial** es un material de origen **natural o artificial** diseñado para interactuar con sistemas biológicos (tejidos, órganos, fluidos corporales) con fines médicos o biológicos. Se utiliza comúnmente en aplicaciones como la reparación, reemplazo o mejora de funciones biológicas.

Ejemplos: Materiales para **prótesis** (cadera, rodilla), implantes dentales, suturas quirúrgicas, lentes de contacto, válvulas cardíacas artificiales, andamios para ingeniería de tejidos.

11. ¿Qué es un polímero?

Un **polímero** es una **macromolécula** de gran tamaño y complejidad, formada por la **unión repetitiva de unidades más pequeñas** llamadas **monómeros**. Estas unidades se enlazan entre sí para formar largas cadenas. Existen **polímeros naturales** (como el almidón, la celulosa, las proteínas o el ADN) y **polímeros sintéticos** (como el polietileno, el PVC, el nailon o el poliestireno).

12. ¿Por qué decimos que los plásticos son versátiles? ¿Por qué la plastilina se puede deformar y estirar sin que se rompa?

Los **plásticos** son considerados **versátiles** debido a su amplia gama de aplicaciones y a la facilidad con la que pueden ser moldeados, teñidos, extruidos y adaptados a diversas necesidades, ofreciendo propiedades mecánicas, térmicas y químicas muy variadas.

La **plastilina** se puede deformar y estirar sin romperse gracias a su propiedad de **plasticidad**. Esta característica le permite cambiar de forma de manera permanente bajo la aplicación de una fuerza, sin fracturarse, y mantener su nueva forma una vez que la fuerza es retirada.

13. ¿Cuál ha sido el paso fundamental para manipular la materia a nivel atómico?

El paso fundamental para poder **manipular la materia a nivel atómico** ha sido el desarrollo de tecnologías que permiten la **visualización y el control individual de átomos y moléculas**. Esto incluye la invención y mejora de microscopios avanzados como la **microscopía de fuerza atómica (AFM)** y la **microscopía de efecto túnel (STM)**, que permiten no solo observar, sino también mover átomos de forma individual, sentando las bases de la nanotecnología.

14. ¿Qué ventajas ofrecen los siguientes materiales: composites, biomateriales, superconductores y nanocompuestos de carbono?

• Composites

  Ventajas: Combinan las propiedades de sus componentes para ofrecer **alta resistencia**, **rigidez**, **ligereza** y **cohesión**, superando a menudo las propiedades de los materiales individuales.

• Biomateriales

  Ventajas: Son **compatibles con sistemas biológicos** (biocompatibilidad), pueden ser **elásticos**, **fáciles de fabricar**, poseen **baja densidad** y, al **no interaccionar negativamente con la materia orgánica**, permiten **reemplazar o reparar tejidos y órganos**.

• Superconductores

  Ventajas: Permiten la conducción de electricidad con **pérdida de energía nula** (o muy baja) por debajo de una temperatura crítica, lo que posibilita la creación de campos magnéticos muy potentes y eficientes.

• Nanocompuestos de carbono

  Ventajas: Sus ventajas incluyen su **tamaño nanométrico**, lo que les confiere propiedades únicas; son **económicos** de producir a gran escala; y ofrecen **mejores prestaciones mecánicas, térmicas y eléctricas** (como alta resistencia, conductividad y ligereza) en comparación con materiales convencionales.