Materiales cerámicos Flashcards
Se tiene que fabricar una lámpara que produzca luz ultravioleta. ¿Qué tipo de material elegiría de los abajo señalados para la ventana? MICA, CUARZO, BRONCE, VIDRIO SOLUBLE, VIDRIO DE CUARZO, POLICARBONATO, PVC. ¿Por qué?
- Vidrio de Cuarzo (Cuarzo Fundido): es altamente transparente a longitudes de onda ultravioleta y no absorbe ni bloquea significativamente esta luz, lo que lo hace adecuado para lámparas UV.
- Mica: no es transparente a la luz ultravioleta, por lo que no es una elección adecuada para una ventana de lámpara de luz ultravioleta.
- Vidrio Soluble: no es transparente a la luz ultravioleta y, además, se disolverá en presencia de ciertos productos químicos utilizados en lámparas de luz ultravioleta, lo que hace que no sea una opción viable.
- Cuarzo: es también una opción viable para la ventana de una lámpara de luz ultravioleta debido a su transparencia en el rango UV. Pero al modificarle la forma se convierte en vidrio de cuarzo.
- Policarbonato ó PVC: tanto el policarbonato como el PVC no son transparentes a la luz ultravioleta y no son adecuados para aplicaciones de luz UV.
- Bronce: no es transparente a la luz ultravioleta y, por lo tanto, no es adecuado para una ventana de lámpara de luz UV.
¿Qué propiedades especiales le otorga a los cerámicos el hecho de que no posean estructuralmente electrones libres?
Les otorga propiedades especiales, como alta resistencia a altas temperaturas, rigidez y baja conductividad eléctrica y térmica. La falta de electrones libres evita la conducción de electricidad y calor, lo que es beneficioso en aplicaciones de aislamiento y materiales refractarios.
¿Por qué el SiO2 no es una fórmula del todo correcta para simbolizar al cuarzo?
El SiO2 no representa fielmente al cuarzo porque en su forma más común, el enlace de silicio y oxígeno es covalente, pero la fórmula SiO2 sugiere un enlace iónico , lo cual no es representativo de la verdadera naturaleza del enlace en el cuarzo.
El cuarzo, que es una forma cristalina del dióxido de silicio (SiO2), está compuesto por átomos de silicio y oxígeno unidos mediante enlaces covalentes fuertes.
De acuerdo con la variedad de elementos constituyentes, tanto en su estructura molecular en algunos y en su estructura cristalina en otros, ordene de mayor a menor número de variedad de elementos a los siguientes materiales: ACERO, PVC, CUARZO, MICA , POLIETILENO, BRONCE.
- MICA: es un grupo de minerales que contiene múltiples elementos, como silicio (Si), oxígeno (O), hidrógeno (H), aluminio (Al), hierro (Fe), magnesio (Mg) y otros elementos en cantidades menores.
- PVC (Policloruro de vinilo): es un polímero que combina carbono (C), hidrógeno (H) y cloro (Cl) en su estructura química, lo que le proporciona una variedad de elementos constituyentes.
- ACERO: es una aleación de hierro (Fe) y carbono (C), lo que significa que está compuesto principalmente por dos elementos constituyentes principales.
- BRONCE: es una aleación que generalmente contiene cobre (Cu) y estaño (Sn) como elementos principales, aunque también puede incluir otros elementos en cantidades menores.
- POLIETILENO: es un polímero compuesto principalmente de átomos de carbono (C) e hidrógeno (H), lo que le da una estructura de dos elementos constituyentes.
- CUARZO: es un compuesto químico formado por átomos de silicio (Si) y oxígeno (O) en una relación estequiométrica de 1:2, lo que se traduce en dos elementos constituyentes principales.
El cuarzo y el vidrio de cuarzo ¿Son el mismo material ? ¿Por qué?
El cuarzo y el vidrio de cuarzo no son el mismo material, aunque ambos contienen silicio y oxígeno en su composición. La diferencia clave radica en su estructura.
- Cuarzo: es un cristal mineral natural compuesto principalmente por dióxido de silicio (SiO2) dispuesto en una estructura cristalina tridimensional altamente ordenada. Debido a su estructura cristalina, el cuarzo tiene una temperatura de fusión relativamente alta, que es de alrededor de 1710 °C.
- Vidrio de cuarzo:es un material amorfo compuesto principalmente por dióxido de silicio (SiO2) y, en ocasiones, otros aditivos para mejorar sus propiedades. A diferencia del cuarzo, el vidrio de cuarzo carece de una estructura cristalina ordenada. Debido a esta falta de orden a nivel atómico, el vidrio de cuarzo se considera un material amorfo.
El cuarzo funde a los 1710 °C. Cuando se lo enfría ¿Solidifica a la misma temperatura ? ¿Por qué?
Cuando el cuarzo se enfría,no solidifica a la misma temperatura a la que se funde. La razón es que la fusión y la solidificación son procesos que dependen de la estructura y la organización atómica del material. El cuarzo funde a una temperatura específica debido a la ruptura de los enlaces en su estructura cristalina ordenada. Sin embargo, cuando se enfría, la reorganización de los átomos en una estructura cristalina ordenada no ocurre y se obtiene un Vidrio de cuarzo.
Un vidrio se puede definir como un producto
inorgánico de fusión que se ha enfriado a una condición rígida, sin cristalización.
Proceso de enfriamiento de cuarzo fundido:
1. La temperatura descenderá pasando por el valor Tm (temperatura de fusión de un material cristalino).
2. Se irá volviendo más viscoso a medida que su temperatura va disminuyendo (se encuentra en un estado blando y elástico).
3. Atravesará la temperatura Tg (temperatura de transición de un material vítreo) donde obtiene su estado final: vidrioso, quebradizo y rígido.
¿Cuál es la razón de que los metales sean conductores de la electricidad y los plásticos y los cerámicos no lo sean ?
Los metales son buenos conductores de electricidad debido a la estructura atómica que les permite compartir electrones en una nube electrónica, lo que facilita la movilidad electrónica. En contraste, los plásticos y cerámicos tienen enlaces covalentes fuertes que mantienen a los electrones en sus átomos, lo que limita su movilidad electrónica. Esto explica por qué los metales conducen la electricidad, mientras que los plásticos y cerámicos no lo hacen.
Indique el tipo de enlace de los siguientes compuestos:
PVC
Bronce
CO2
Polietileno
Acero
Cuarzo
Diamante
NaCl
- PVC: Uniones covalentes
- Bronce: Unión metálica
- CO2: Uniones covalentes
- Polietileno: Uniones covalentes
- Acero: Unión metálica
- Cuarzo: Uniones covalentes
- Diamante: Uniones covalentes
- NaCl: Unión iónica
Haga un listado de las condiciones necesarias para que un material cerámico pueda ser usado como material refractario.
- Alta resistencia a temperaturas bajas y elevadas: deben tener puntos de fusión muy altos y baja expansión térmica para mantener la integridad a altas temperaturas.
- Baja conductividad térmica: actúan como aislantes térmicos para prevenir la transferencia de calor no deseada.
- Resistencia química: deben resistir la corrosión por sustancias agresivas a altas temperaturas.
- Buena resistencia mecánica: a pesar de las condiciones extremas, deben soportar cargas y tensiones.
- Baja porosidad: para resistir la penetración de líquidos y gases en aplicaciones a alta temperatura.
Señale el tipo de estructura que tiene cada material a temperatura ambiente.
Plástico
NaCl (cloruro de sodio)
Vidrio
Cuarzo
Bronce
Widia
- Plástico: Estructura vítrea + cristalina (principalmente estructura vítrea pero puede haber regiones cristalinas en algunos plásticos).
- NaCl (cloruro de sodio): Estructura cristalina.
- Vidrio: Estructura vítrea.
- Cuarzo: Estructura cristalina.
- Bronce: Estructura cristalina (los metales tienen estructura cristalina).
- Widia: Estructura vítrea + cristalina (puede contener regiones vítreas y cristalinas dependiendo de su fabricación).
El ZrO2 (dióxido de Zirconio ó circonia) es utilizado para detener el avance de las grietas en un material cerámico, ¿Cómo lo hace ?
Cuando se somete a tensiones, el ZrO2 puede cambiar su estructura cristalina de tetragonal a monoclínica. Esta transformación de fase es acompañada por un aumento en el volumen del material. Esta expansión en el área de la grieta actúa como una barrera que ejerce una presión de cierre sobre la grieta, lo que evita que se propague más.
En resumen, el ZrO2 detiene el avance de las grietas en materiales cerámicos debido a su capacidad de transformación de fase, que aumenta el volumen y ejerce presión de cierre sobre las grietas, lo que contribuye a su estabilidad y durabilidad.
Hemos visto que la materia orgánica con O2 y fuego dan reacciones de combustión viva (oxidación). Un metal como el hierro da una reacción con O2 , pero muchísimo más lenta, es decir también se oxida, o en este caso se herrumbra. En base a esto : ¿Cómo explicaría el hecho de que un cerámico no arda con O2 y fuego ?
El hecho de que un cerámico no arda con oxígeno (O2) y fuego se debe a sus diferencias fundamentales en estructura y enlace químico en comparación con la materia orgánica o los metales.
- Estructura y enlace químico: tienen enlaces químicos covalentes o iónicos fuertes, lo que significa que los átomos están unidos de manera muy firme en una estructura cristalina. Estos enlaces son altamente estables y no se rompen fácilmente.
- Ausencia de carbono: la combustión, como la quema de madera o plástico, implica una reacción química que libera energía al romper los enlaces de carbono e hidrógeno en presencia de oxígeno. Los cerámicos no contienen estos elementos orgánicos y, por lo tanto, no pueden participar en una combustión de este tipo.
En resumen, los cerámicos no arden con oxígeno y fuego debido a sus fuertes enlaces químicos, su estabilidad a altas temperaturas y la ausencia de elementos orgánicos en su composición.
Los cerámicos son materiales sólidos que contienen elementos metálicos y poliméricos. ¿Cómo se pueden clasificar y por qué?
Los cerámicos no se clasifican ni como poliméricos ni como metálicos. Aunque algunos cerámicos pueden contener elementos metálicos y otros pueden tener estructuras similares a polímeros, no son verdaderamente poliméricos ni metálicos. Los cerámicos tienen enlaces químicos covalentes o iónicos, lo que los diferencia de los metales y los polímeros que tienen enlaces metálicos o covalentes débiles respectivamente. Esta distinción en el tipo de enlace y estructura hace que los cerámicos sean una categoría única de materiales sólidos con propiedades distintivas.
¿Cómo se clasifican básicamente los materiales cerámicos?
Los materiales cerámicos se clasifican principalmente en dos categorías básicas:
-
Cerámicos tradicionales: Estos cerámicos son compuestos inorgánicos que incluyen: arcilla, sílice (pedernal) y feldespato. Suelen tener compuestos como: Al ,K ,Si ,C ,O.
Tienen enlaces iónicos o covalentes fuertes, y sus estructuras cristalinas son generalmente rígidas. Ejemplos de cerámicos tradicionales son los ladrillos y tejas utilizados en las industrias de la construcción. - Cerámicos de uso específico en ingeniería: están constituidos, típicamente, por compuestos puros o casi puros tales como óxido de aluminio (Al2O3), carburo de silicio (SiC), y nitruro de silicio (Si3N4). Ejemplo de aplicación de las cerámicas ingenieriles en tecnología es el carburo de silicio en las áreas de alta temperatura de la turbina del motor de gas experimental.
¿Qué significa el que un cerámico esté muy próximo a su densidad teórica?
Cuando un cerámico está muy próximo a su densidad teórica, significa que su densidad real ( la que se mide experimentalmente ) se acerca significativamente a la densidad calculada o teórica en función de la disposición de los átomos o iones en su estructura cristalina. En otras palabras, la estructura interna del cerámico está bien compacta y empaquetada, lo que indica que no hay muchos espacios vacíos o porosidad en su matriz. Esto es deseable en cerámicos porque una alta densidad está relacionada con una mayor resistencia mecánica y una mejor conductividad térmica.
Explique qué factores determinan en sólidos (cerámicas) iónicos el empaquetamiento de sus iones.
En sólidos (cerámicas) iónicos, el empaquetamiento de los iones está determinado principalmente por los siguientes factores:
- El tamaño relativo de los iones en el sólido iónico (considerando los iones como esferas compactas de radio definido).
- La necesidad de balancear las cargas electrostáticas para mantener la neutralidad eléctrica en el sólido iónico.
Cuando el enlace iónico entre los átomos tiene lugar en el estado sólido, las energías de los átomos disminuyen debido a la formación de los iones y sus enlaces dentro de un sólido iónico. Los sólidos iónicos tienden a tener sus iones empaquetados densamente para disminuir la energía total del sólido tanto como sea posible. Las limitaciones al empaquetamiento denso son los tamaños relativos de los iones y la necesidad de mantener la neutralidad de carga.
Describa brevemente el tipo de estructura que presentan los silicatos
Presentan una estructura cristalina característica en la que los átomos de silicio (Si) se combinan con átomos de oxígeno (O) para formar tetraedros de silicio y oxígeno (SiO4).
Estos tetraedros se enlazan entre sí y comparten átomos de oxígeno, creando una estructuras:
- Estructuras Aisladas: se producen cuando iones positivos se enlazan con oxígenos del tetraedro de (SiO4/-4).
- Estructura en Cadena: si dos vértices de cada tetraedro de (SiO4/-4) se enlazan con los vértices de otros tetraedros, con fórmula química unidad (SiO3/2-).
- ** Estructura Laminares**: se forman cuando tres vértices en el mismo plano de un tetraedro de silicato se enlazan a los
vértices de otros tres tetraedros de silicato, esta estructura tiene como fórmula unitaria (Si2O5/2-).
¿Qué le confiere al Silicio y al cuarzo la estructura de Cristobalita?
Esa distribución espacial, en la cual cada átomo de silicio está rodeado por cuatro átomos de oxígeno hace del Silicio y el Cuarzo algo tan especial, tan duro, con punto de fusión elevado, casi como el hierro.
¿Encuentra alguna similitud con respecto a Tg entre el vidrio y los polímeros?
Sí, existe una similitud con respecto a la transición vítrea (Tg) entre los vidrios y algunos polímeros. Tg es la temperatura a la que un material amorfo, como vidrio o ciertos polímeros, transita de un estado rígido y frágil a un estado más flexible y gomoso. Ambos vidrios y polímeros amorfos pueden exhibir una Tg.
La similitud radica en que tanto los vidrios como los polímeros experimentan un cambio en su comportamiento mecánico y térmico.
* por debajo de Tg, estos materiales son rígidos y frágiles.
* por encima de Tg, se vuelven más flexibles y viscosos.
En el caso de los polímeros, esto está relacionado con la movilidad molecular y la relajación de las cadenas poliméricas.
¿Cómo clasificaría a los distintos tipos de óxidos que pueden constituir a un vidrio?
Los óxidos que constituyen vidrios se pueden clasificar en tres categorías principales en función de su naturaleza química y su contribución a las propiedades del vidrio:
- Óxidos Fundentes: se utilizan para reducir la temperatura de fusión del vidrio, facilitando su procesamiento. Algunos ejemplos de óxidos fundentes son el óxido de sodio (Na2O) y el óxido de potasio (K2O). Estos óxidos ayudan a disminuir la viscosidad del vidrio fundido y permiten que fluya y se forme en piezas de vidrio.
- Óxidos Formadores de Red: son esenciales para establecer la estructura de red tridimensional del vidrio. El dióxido de silicio (SiO2) es el óxido formador de red más común en la mayoría de los vidrios. Este óxido se combina con otros óxidos para crear enlaces químicos fuertes que dan lugar a una estructura amorfa de vidrio. Otros óxidos formadores de red incluyen el dióxido de boro (B2O3) y el dióxido de germanio (GeO2), que se utilizan en vidrios especiales.
- Óxidos Modificadores: se incorporan en el vidrio para ajustar y controlar sus propiedades, como la expansión térmica, la resistencia química y las características ópticas. Algunos ejemplos de óxidos modificadores son el óxido de aluminio (Al2O3), el óxido de calcio (CaO) y el óxido de magnesio (MgO). La elección de óxidos modificadores específicos puede personalizar las propiedades del vidrio para aplicaciones específicas, como vidrios resistentes al calor o vidrios ópticos.
¿Qué es el mármol?
Es carbonato de calcio (CaCO3)
¿Qué es el granito?
Es feldespato mezclado con cuarzo y mica.
¿Qué propiedades le da el Borax al vidrio común desordenado?
El tetraborato de sodio modifica la estructura del vidrio para sujetarla, los átomos de boro sujetan a los átomos de oxígeno. Por lo tanto, evita las grandes expansiones y dilataciones del vidrio común.
¿Qué es el Carbordundum?
Es carburo de silicio (SiC). Uno de los abrasivos más duro que existe en el mercado (9 en Escala Mohs)
