UNIVERSIDAD DEL NORTE
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA
CIENCIA DE LOS MATERIALES MATERIALES IME 1205
TALLER NUMERO 2 TEMA I Entrega y sustentac!n" Se#ana $e% 1& a% 22 $e Ag'st' E(UIPO NUMERO")))))))
APELLIDOS * NOM+RES
NOTA INDIVIDU AL
NOTA E(UIPO
NOTA DE-INIT IVA
50, 50,
100,
PRO-ESOR" Ing. /a#e T'rres S
PERIODO ACADEMICO: 2015 30
PARA TODOS LOS TALLERES: En todas las preguntas justifique la selección de las ecuaciones utilizadas para resolver los ejercicios. En la sustentación de todos los talleres ustedes tendrán que poner en evidencia y tener en cuenta: La importancia y pertinencia de cada una de las preguntas tanto teóricas como las que requieren solución numérica en términos de Ciencia de los Materiales. !ntes de mostrar la solución usted de"erá primero interpretar el enunciado del pro"lema#. Las relaciones de tra"ajo efectivo en grupo: liderazgo$ negociación y comunicación de"erán tra"ajar en forma coordinada$ tanto en el tra"ajo escrito como en la sustentación#. %ue la no asistencia a la sustentación se evaluará como nota cero para el estudiantes# que incurran# en ella. La evaluación se &ará so"re el tra"ajo escrito entregado por cada grupo y por la sustentación individual de cada estudiante integrante del equipo. El tra"ajo escrito de"e incluir una e'presión gráfica del pro"lema. Las referencias "i"liográficas(fuentes de consulta. )odas las preguntas requieren justificación o"ligatoria. *tilice sólo este formato para responder las preguntas. El tiempo de sustentación para cada equipo será de +, minutos e'actos$ de manera que tendrán que ensayar "ien los tiempos de e'posición individuales para que no se perjudique ning-n integrante del equipo.
TEMA II ENLACES ATOMICOS Y MOLECULARES 1. El enlace en el compuesto intermetálico i/!l es predominantemente metálico. E'plique por qué será un componente con poco$ si no es que ning-n$ enlazamiento iónico. *tilice un párrafo de seis l0neas má'imo#.
1: El compuesto 2/!l es intermetalico$ esto quiere decir que la electronegatividad del n0quel$ es similar a la del aluminio$ lo cual da como resultado que am"os cedan electrones$ nadie reci"e o comparte los electrones$ por lo que se forma la caracter0stica nu"e de electrones del enlace metálico. Esto genera que no se forme ning-n enlace iónico de"ido que para que este ocurra es necesario que &aya una gran diferencia de electronegatividades$ lo cual no ocurre con este compuesto .
+. a# Calcule el n-mero total de átomos de n0quel que se requieren para recu"rir una superficie de +33 pulg + de una lámina de acero con un recu"rimiento de n0quel de 3.33+ pulg de espesor. 4ustifique el procedimiento y el resultado. b# *tilice un párrafo de seis l0neas para e'plicar el propósito de este recu"rimiento. R: Datos:
Área = 200pulg^2 Espesor = 0.002pulg Debido a que nos piden calcular el número de átomos total de níquel para recubrir este material con las anteriores dimensiones lo primero que tenemos que hacer es multiplicar el área con el espesor para hallar el olumen. 200pul^2!0.002pulg=0."pulg^# $eniendo este resultado pasamos a conertir del pulg^# a cm^# 0." pulg^#! %&.#'cm^#(%pulg^# = &.))cm^# *hora que tenemos el olumen en cm^# pasamos a buscar la densidad del níquel en g(cm^# Densidad del níquel = '.+g(cm^# *hora de la ,-rmula de densidad D=(/ despeamos 1 para hallar la masa de este elemento en gramos. =D!/ = 3'.+g(cm^#43&.))cm^#4=)'.2+g =)'.2+g *hora que tenemos la masa necesaria de níquel en gramos pasamos a buscar la masa at-mica del níquel. asa at-mica del níquel = )'.5%g(mol 6asamos a hallar el número de moles con una ,ormula mu7 usada en estequiometria 8umero de moles =peso en gramos( peso molecular 8umero de moles= 3)'.2+g4()'.5%g(mol4 =0.++moles 9 por último para hallar el número de átomos del elemento basta con multiplicar el número de moles por el número de *ogadro 0.++!&.0022%0^2#= ).+"2%5'%0^2# átomos.
El número total de átomos de níquel necesarios para cubrir una lámina de acero con super;cie de 200pulg^2 7 0.002pulg de espesor es ).+"2%5'%0^2# átomos b4 el prop-sito de los recubrimientos metálicos< es proteger a otros metales de la corrosi-n< el níquel gracias a sus propiedades< se utilia en la industria con ;nes anticorrosios< en este caso< notamos que se a a cubrir una lámina de acero con cierta cantidad de níquel< a esto tambi>n se le conoce como proceso de galaniado< el cual básicamente consiste en proteger a un metal< de los distintos ,actores ambientales< que lo degradarían hasta proocar la destrucci-n del mismo.
Las siguientes preguntas consisten de una afirmación seguida por un motivo. Elija el inciso correcto marcando a$ b$ c$ d ó e seg-n corresponda: a b
5i$ la proposición es verdadera pero el motivo contiene datos falsos. 5i$ tanto la proposición como el motivo son falsos c 5i$ tanto la proposición como el motivo son verdaderos y el motivo es una e'plicación correcta de la proposición. d 5i$ la proposición es falsa aunque el motivo contiene datos verdaderos. e 5i$ tanto la proposición como el motivo son verdaderos pero el motivo no es una e'plicación correcta de la proposición.
2. El acero !252 6337 tiene un coeficiente de e'pansión térmica de 6+.7'63 87(9 mientras que el de la al-mina !l+;/ es de <.='6387(9 porque las fuerzas y energ0as de enlaces atómicos del cerámico !l+;/ o son mayores que las del acero !252 6337. 1: es la opción a de"ido a que los datos so"re el coeficiente de e'pansión térmica de los materiales en la primera proposición es correcto y además la razón por la cual el material cerámico tiene menos coeficiente de dilatación es por la fuerzas y energ0as de los enlaces atómicos que por ser iónicos son muc&o más fuertes que el del acero . 3. Los materiales cerámicos$ como el car"uro de tungsteno C># $ tienen temperaturas de fusión más alta que los materiales poliméricos como el !?5 porque los materiales poliméricos tienen "aja densidad. 4. El origen de los materiales parte de los elementos de la ta"la periódica. E'plique cómo var0an las propiedades de los materiales a lo largo de la ta"la periódica:
a# "# c# d#
La densidad con el n-mero atómico. El módulo de @oung con el n-mero atómico. El módulo de @oung con la temperatura de fusión. El coeficiente de dilatación térmica con la temperatura de fusión.
e# La conductividad térmica con la resistividad eléctrica. f# La esta"ilidad qu0mica del átomo de acuerdo a su tamaAo radio atómico#.
A) a. A lo largo de la tabla periódica se observa, como tendencia general, que a medida que aumenta el número atómico, aumenta la densidad; esto se debe, parcialmente, a que el número atómico de un elemento determina la cantidad de protones que este posee. ?4 Con respeceto a la relación del módulo de Young con respecto a el número atómico dentro de la tabla periódica, se puede observar una tendencia que apunta que el modulo de Young es mayor en un sector partícular de la tabla de los elementos químicos, los metales de transición.
C) Al igual que como sucede con la relación módulo de Young-úmero atómico, se observa que, en los metales de transición, en donde el módulo de Young tiende a ser mayor con respecto a los dem!s elementos, e"isten mayores temperaturas de #usión. B# En cuanto a la variación de el coeficiente de dilatación térmica respecto a la temperatura de fusión$ se puede o"servar que$ la temperatura de fusión tiene que ver además que con la masa de los elementos$ tam"ién con las magnitudes de las fuerzas interatómicas al depender la dilatación térmica de que tan fuerte es el enlace entre dos moléculas$ siendo este menor cuando e'iste un enlazamiento fuerte$ la temperatura de fusión será inversamente proporcional a la dilatación térmica$ y por tanto$ los elementos de transición tenderán a tener menor coeficiente de dilatación térmica con respecto a los demás elementos qu0micos. $) %anto la conductividad t&rmica como la resistividad el&ctrica dependen de las #uer'as interatómicas, de este modo, la conductividad t&rmica es mayor cuando la distancia interatómica es menor, es decir, (ay mayor #uer'a entre estos; por otra parte la resistividad el&ctrica es mayor cuando la distancia entre estructuras moleculares es muy grande; por tanto, es posible a#irmar que la conductividad t&rmica es inversamente proporcional a la resistividad el&ctrica en la mayoría de los casos. or tanto, dentro de la tabla periódica, los metales de transición, particularmente, son los que mayor conductividad t&rmica y menor resistividad el&ctrica poseen. @4 $n el caso de la variación de estabilidad química y tama*o atómico podemos decir que, entendiendo la estabilidad química como la tendencia a completar oc(o electrones en su último nivel de energía, y anali'ando la tendencia a crecer, de derec(a a i'quierda en los grupos
y de arriba a aba+o en los períodos, del radio atómico; es posible a#irmar que, en la tabla periódica, dado que los !tomos m!s estables son los que est!n m!s cercanos a tener oc(o electrones en su último orbital, entre menor sea el tama*o de los !tomos, mayor ser! su estabilidad química.
5. *tilice los datos de la siguiente ta"la para que clasifique$ seg-n su enlace$ cada uno de los materiales contenidos en la misma.
Material
Co!o"ici#$ %&'ica e$ !orce$ta(e !or !e"o.
M#d&lo de ela"ticidad )*a
Te!erat&ra de +&"i#$ ,C
+33
+7,398+,39
Enlace primario
Enlace covalente
/338=33
+3<+9
Enlace primario
Enlace metálico
+33
6639
Enlace secundario
C:73D ;:/+D F:JD
/./
6739
Enlace secundario
Guerza de van der Haals Iuente de &idrogeno
)i:<./D !l: +=.JD ": +J.,D )a: +<.
3.//83./7
677J9
Enlace primario
Enlace metálico
6/<3986=339
Enlace primario
Enlace metálico
=<,987/39
Enlace primario
Enlace metálico
Car"uro de silicio
!l-mina
Fule de "utadieno8 estireno Iolimetilmetacrilato
!leación )i87!l8+"8 6)a83.JMo
!cero !252 /678L
D car"ono:/3D Dsilicio:<3D !l: ,+.=D ;: =<.37D "utadieno:<,D estireno: +,D
!luminio !!<3<,8 )7
638+63
<+ !leacion de aluminio n: ,.63D8 7.63D
Ti!o de e$lace
Cla"i+icaci# $ "e-$ ti!o de e$lace
Mg: +.63D8 +.3D Cu: +.63D8 +.33D Cr: 3.6JD8 3.+JD Gi"ra de car"ono Iolietilenterefstalato IE)# no ref.
C:633D 8 *cido
tere,tálico: )0A onoetil>n glicol:)0A
,/6
6,3398+3339
+.<
+,,9
Enlace primario Enlace secundario
Enlace covalente Guerza de van der Haals
/. Escri"a la configuración electrónica para a# el átomo de fósforo y para el ion de fósforo. "# el átomo de aluminio y el ion de aluminio$ c# seAale las valencias en cada caso. 4ustifique su respuesta utilizando para la misma un párrafo de seis l0neas má'imo#.
!# s, s, p/, 0s, 0p0 01 s, s, p/, 0s, 0p/
2) Al s s p/ 0s 0p Al03 s s p/
B4 4a con#iguración electrónica indica cómo se estructuran los electrones en un !tomo. 5n !tomo busca siempre su posición m!s estable, ya sea cediendo u obteniendo electrones. 6egún la ley del octeto para que un !tomo sea químicamente estable, debe tener oc(o electrones en su último orbital. $n el caso del #ós#oro y el aluminio podemos observar ambos casos7 el #ós#oro gana 0 electrones adicionales y su carga se vuelve predominantemente negativa mientras el aluminio pierde 0 electrones y su carga termina siendo positiva.
0.
Iara producir un material compuesto que se pueda someter a grandes fuerzas y grandes cam"ios de temperatura$ usted desea introducir fi"ras de cerámica en una matriz de metal. %ué parámetros de diseAo tendr0a en cuenta para asegurar
que las fi"ras permanezcan intactas y proporcionen resistencia a la matrizN. %ué pro"lemas podr0an presentarseO. 4ustifique su respuesta utilizando para la misma media página má'imo#.
. . Beterminada aplicación demanda un material que s ea no conductor de la corriente eléctrica$ e'tremadamente r0gido y ligero. a#qué clase de material proponen. 4ustifique su respuesta desde el punto de vista de los enlaces atómicos. "# qué clase de material de"erán seleccionar si la aplicación e'ige que sea liviano$ aislante eléctrico y algo fle'i"le. 4ustifique su respuesta desde el punto de vista de los enlaces atómicos.
.
El "oro tiene un coeficiente de dilatación térmica muc&o menor que el aluminio$ aun cuando am"os están en la columna /? de la ta"la periódica. E'plique por qué es de esperase esta diferencia$ con "ase en la energ0a de enlace$ tamaAo de átomos y el pozo de energ0a. *tilice una página má'imo#. 5ección +87 Energ0a de enlace y distancia interatómica Bonald 1. !sPeland. QCiencia e ingenier0a de los materialesQ.
1. El "erilio y el magnesio$ am"os de la columna +! de la ta"la periódica$ son metales ligeros. cuál esperar0a usted que tenga mayor módulo de elasticidadO E'pl0quelos con "ase en la energ0a de enlace y los radios atómicos$ con los esquemas correspondientes de fuerza en función de la distancia interatómica.
11. a# %ué espera usted que tenga mayor módulo de elasticidad: el Mg; o el magnesioO "# E'plique por qué es de esperarse que el módulo de elasticidad de los pol0meros termoplásticos sencillos como el polietileno y el poliestireno# sea muy pequeAo en comparación con los de los metales y los cerámicos. *tilice una página má'imo#. En am"os casos de"e justificar su respuesta. R: $l módulo de elasticidad, se relaciona con la pendiente de la curva #uer'a-distancia; una pendiente alta, se relaciona con alta energía de enlace, alto punto de #usión, mayor #uer'a necesaria para romper el enlace, alto módulo de elasticidad, material m!s rígido. Cuando el radio atómico es mayor, la energía requerida para crear enlaces es menor porque los electrones est!n m!s libres y es m!s #!cil que #ormen enlaces, al ser la energía requerida para romper los enlaces es menor, el módulo de elasticidad es menor en aquellos elementos con radio atómico mayor.
$l radio atómico del 2erilio es de 89 pico metros y el del magnesio es de 8 pico metros, por lo que el que tiene mayor módulo de elasticidad es el berilio, porque tiene menor radio atómico.
12. *n disco de acero de ,.3J cm de grosor con un diámetro de +3/ cm se &a recu"ierto electrol0ticamente con una pel0cula delgada de zinc de 3.3+/ mm. a# cuál es el área del recu"rimiento en pulgadasO b#cuál es peso de zinc necesario para estoO c# cuántos moles de zinc se requieren. a) $ntre el ó"ido de magnesio y el magnesio, el que posee mayor módulo de elasticidad es el magnesio. $l magnesio es un metal ligero, duro, su número atómico es , su peso atómico es :.0898, tiene puntos de #usión y ebullición altos, el punto de ebullición del ó"ido de magnesio es m!s alto que el del magnesio, el radio atómico del magnesio es menor al radio atómico del ó"ido de magnesio, por lo que la energía que necesita el ó"ido de magnesio para #ormar enlaces es menor que la del magnesio. $l módulo de elasticidad por ende es menor en el magnesio, tambi&n considerando las propiedades mec!nicas del magnesio, es un material considerablemente duro. b) 4os polímeros termopl!sticos tienen enlaces secundarios, como los enlaces de van der aals que se establecen entre mol&culas polares, #ormando enlaces permanentes, los polímeros se #orman cuando las mol&culas apolares #orman enlaces, los cuales son instant!neos por la asimetría en las mol&culas, a lo cual se le llama #uer'a de 4ondon, estos enlaces son muy d&biles, al aplicarles una #uer'a e"terna, se rompen con #acilidad, pero l os enlaces que se #orman en los metales son m!s #uertes ya que en su mayoría son enlaces met!licos y esto los (ace m!s el!sticos porque al aplicar una #uer'a se pueden de#ormar, pero di#ícilmente romperse.
c)
13. El car"ono puro e'iste como varios alótropos. cuáles son los alótropos del car"onoO Be"e redactar una descripción de cada uno de ellos en términos de sus propiedades y estructuras. Be"e mencionar una aplicación de cada uno de ellos. A)
14. E'plique cómo var0an: a# La densidad y la masa atómica de los materiales "# el módulo de @oung y la temperatura de fusión c# el coeficiente de e'pansión térmica y la temperatura de fusión. d# la conductividad térmica y la resistividad eléctrica. *tilice tres cuartos de página má'imo#. 15. a# BiseAe un párrafo de seis l0neas con el que pueda diferenciar los enlaces primarios de los secundarios$ en términos generales. "# *tilice las gráficas de los te'tos gu0as para esta"lecer las diferencias entre: enlaces metálicos y los covalentes enlaces iónicos y los de Ran der Haal enlaces mi'tos metálico8 covalente y metálicos. *tilice el espacio necesario para las gráficas.
1/. Considere un par de corrosión co"re K zinc. 5i la densidad de corriente en el cátodo de co"re es de 3.337 !(cm+ $ calcule la pérdida de peso del zinc por &ora si a# el área catódica del co"re es de 3cm+ y el área anódica del zinc es de 6cm+ . "# el área catódica del co"re es de 6 cm+ y el área anódica del zinc es de 3 cm+ . justifique la diferencia entre los dos resultados.. Be"e e'plicar el procedimiento y justificar el modelo de ecuación utilizado para resolver este ejercicio. Iuede consultar la sección +/87 SIrotección contra corrosión electroqu0micaQ del te'to Ciencia e ingenier0a de materiales$ por Bonald 1. !sPeland8 Iradeep I. Gulay. >endelin 4. >rig&t$ se'ta edición.
I1;GE5;1 2ng. 4aime )orres 5. 2nternational >elding Engineer.22>.Mann&eim$ +36/. Termany European >elding Engineer.E>G.?erl0n$ +36/.Termany. Feat& treatment and Gailure analyses Engineer. ?arranquilla !gosto < de +36,.
