La ciencia de materiales implica investigar la relación entre la estructura y las propiedades de los materiales. Por el contrario, la ingeniería de materiales se fundamenta en las relaciones propiedades-estructura y diseña o proyecta la estructura de un material para conseguir un conjunto predeterminado de propiedades. Conviene matizar esta diferencia, puesto que a menudo se presta a confusión.

La ciencia de materiales es un campo multidisciplinario que estudia conocimientos fundamentales sobre las propiedades físicas macroscópicas de los materiales y los aplica en varias areas de la ciencia y la ingeniería, consiguiendo que éstos puedan ser utilizados en obras, maquinas y herramientas diversas, o convertidos en productos necesarios o requeridos por la sociedad.

Incluye elementos de la química y física, así como las ingenierías química, mecanica, civil y eléctrica,todo gracias al conocimiento de los polímeros. Con la atención puesta de los medios en la nanociencia y la nanotecnología en los últimos años, la ciencia de los materiales ha sido impulsada en muchas universidades.

Estructura de los atomos

El electrón : comúnmente representado por el símbolo: e−, es una partícula subatómica o partícula elemental de tipo fermiónico. En un atomo los electrones rodean el núcleo, compuesto únicamente de protones y neutrones.

El protón: es una partícula subatómica con una carga eléctrica elemental positiva (1,602 × 10–19 culombios) y una masa de938,3 MeV/c2 (1,6726 × 10–27 kg) o, del mismo modo, unas 1836 veces la masa de un electrón. Experimentalmente, se observa el protón como estable, con un límite inferior en su vida media de unos 1035 años, aunque algunas teorías predicen que el protón puede desintegrarse, es decir el que sus partículas pierdan la consistencia que poseen y como tal el atomo. El protón y el neutrón, en conjunto, se conocen como nucleones, ya que conforman el núcleo de los atomos.

El neutrón: es un barión neutro formado por dos quarks down y un quark up. Forma, junto con los protones, los núcleos atómicos. Fuera del núcleo atómico es inestable y tiene una vida media de unos 15 minutos emitiendo un electrón y un antineutrino para convertirse en un protón. Su masa es muy similar a la del protón.

El neutrón es necesario para la estabilidad de casi todos los núcleos atómicos (la única excepción es el hidrógeno), ya que interactúa fuertemente atrayéndose con los protones, pero sin repulsión electrostatica.

Núcleo atomico

El núcleo atómico es la parte central de un atomo, donde se concentra aproximadamente el 99.99% de la masa total y tiene carga positiva.
Esta formado por protones y neutrones (denominados nucleones) que se mantienen unidos por medio de la interacción nuclear fuerte. La cantidad de protones en el mismo determina el elemento químico al que pertenece. Los núcleos atómicos con el mismo número de protones pero distinto número de neutrones se denominan isótopos. Los núcleos atómicos con el mismonúmero de neutrones se denominan isótopos.

Numero atomico

En química, el número atómico es el número entero positivo que es igual al número total de protones en el núcleo del atomo. Se suele representar con la letra Z (del aleman Zahl, que quiere decir número). Es característico de cada elemento químico y representa una propiedad fundamental del atomo: su carga nuclear.
En un atomo eléctricamente neutro (sin carga eléctrica neta) el número de electrones ha de ser igual al de protones. De este modo, el número atómico también indica el número de electrones y define la configuración electrónica de los atomos.

Peso atomico o masa atomica

La masa atómica es la masa de un atomo en reposo, la unidad SI en la que se suele expresar es la unidad de masa atómica unificada. La masa atómica puede ser considerada como la masa total de los protones y neutrones en un atomo único en estado de reposo.

La masa atómica, también se ha denominado peso atómico, aunque esta denominación es incorrecta, ya que la masa es propiedad del cuerpo y el peso depende de la gravedad.

Distribución y niveles de energia de los electrones alrededor del núcleo atomico

Es la distribución de los electrones en los subniveles y orbitales de un atomo. La configuración electrónica de los elementos se rige según el diagrama de Moeller
1s/ 2s 2p/ 3s 3p 4s/ 3d 4p 5s/ 4d 5p 6s/ 4f 5d 6p 7s/ 5f 6d 7p/
Este principio de construcción (denominado principio de Aufbau, del Aleman Aufbau que significa 'construcción') fue unaparte importante del concepto original de Bohr de configuración electrónica. Puede formularse como 6]
sólo se pueden ocupar los orbitales con un maximo de dos electrones, en orden creciente de energía orbital: los orbitales de menor energía se llenan antes que los de mayor energía.

Asi, vemos que se puede utilizar el orden de energías de los orbitales para describir la estructura electrónica de los atomos de los elementos. Un subnivel s se puede llenar con 1 ó 2 electrones. El subnivel p, puede contener de 1 a 6 electrones; el subnivel d de 1 a 10 electrones y el subnivel f de 1 a 14 electrones. Ahora es posible describir la estructura electrónica de los atomos estableciendo el subnivel o distribución orbital de los electrones. Los electrones se colocan, primero, en los subniveles de menor energía, y cuando estos estan completamente ocupados, se usa el siguiente subnivel de energía mas alto.
Para determinar la configuración electrónica de un elemento, solo hay que decidir cuantos electrones hay que acomodar y entonces distribuirlos en los subniveles empezando con los de menor energía e ir llenando hasta que todos los electrones estén distribuidos. Un elemento con número atómico mas grande tiene un electrón mas que el elemento que lo precede. El subnivel de energía aumenta de esta manera
• Subnivel S, P, D ó F: Aumenta el nivel de energía.
Sin embargo, existen excepciones como ocurre en los elementos de transición al ubicarnos en los grupos del cromo y del cobre, en los que se promueveel electrón dando así una configuración fuera de lo común.















Tabla periodica

La tabla periódica de los elementos es la organización que, atendiendo a diversos criterios, distribuye los distintos elementos químicos conforme a ciertas características.
Suele atribuirse la tabla a Dimitri Mendeleiev, quien ordenó los elementos basandose en la variación manual de las propiedades químicas, si bien Julius Lothar Meyer, trabajando por separado, llevó a cabo un ordenamiento a partir de las propiedades físicas de los atomos.

Enlaces Quimicos

Enlace ionico
En química, el enlace iónico es la unión que resulta de la presencia de fuerzas de atracción electrostatica entre los iones de distinto signo. Se da cuando uno de los atomos capta electrones del otro.
El metal dona uno o mas electrones formando aniones que son iones con carga negativa o cationes con una carga positiva y configuración electrónica estable. Estos electrones luego ingresan en el no metal, originando un ion cargado negativamente o anión, que también tiene configuración electrónica estable. La atracción electrostatica entre los iones de carga opuesta causa que se unan y formen un enlace.

*Enlace ionico de NaCl




Enlace covalente
En química, las reacciones entre dos atomos no metales producen enlaces covalentes. Este tipo de enlace se produce cuando existe una electronegatividad polar, se forma cuando la diferencia de electronegatividad no es suficientemente grande como para que se efectúetransferencia de electrones, entonces los atomos comparten uno o mas pares electrónicos en un nuevo tipo de orbital denominado orbital molecular.
A diferencia de lo que pasa en un enlace iónico, en donde se produce la transferencia de electrones de un atomo a otro, en el enlace químico covalente, los electrones de enlace son compartidos por ambos atomos. Lo que hace el enlace covalente es que los dos atomos no metalicos compartan un electrón, es decir se unen por uno de sus electrones del último orbital el cual depende del número atómico del atomo del que estamos hablando.

Enlace metalico

Un enlace metalico es un enlace químico que mantiene unidos los atomos (unión entre cationes y los electrones de valencia) de los metales entre sí. Estos atomos se agrupan de forma muy cercana unos a otros, lo que produce estructuras muy compactas. Se trata de redes tridimensionales que adquieren la estructura típica de empaquetamiento compacto de esferas. En este tipo de estructura cada atomo metalico esta rodeado por otros doce atomos (seis en el mismo plano, tres por encima y tres por debajo). Ademas, debido a la baja electronegatividad que poseen los metales, los electrones de valencia son extraídos de sus orbitales y tienen la capacidad de moverse libremente a través del compuesto metalico, lo que otorga a éste las propiedades eléctricas y térmicas.

Fuerzas de van der waals
En química física, la fuerza de van der Waals (o interacción de van der Waals), denominada así en honor al científico holandésJohannes Diderik van der Waals, es la fuerza atractiva o repulsiva entre moléculas (o entre partes de una misma molécula) distintas a aquellas debidas al enlace covalente o a la interacción electrostatica de iones con otros o con moléculas neutras.[1] El término incluye:
• fuerzas dipolo permanente-dipolo permanente
• fuerzas dipolo permanente-dipolo inducido
• fuerzas dipolo inducido instantaneo-dipolo inducido (fuerzas de dispersión de London)
También se usa en ocasiones como un sinónimo para la totalidad de las fuerzas intermoleculares. Las fuerzas de van der Waals son relativamente débiles comparadas con los enlaces químicos normales, pero juegan un rol fundamental en campos tan diversos como química supramolecular, biología estructural, ciencia de polímeros, nanotecnología, ciencia de superficies, y física de materia condensada. Las fuerzas de van der Waals definen el caracter químico de muchos compuestos organicos. También definen la solubilidad de sustancias organicas en medios polares y no polares. En los alcoholes inferiores, las propiedades del grupo polar hidróxilo dominan a las débiles fuerzas intermoleculares de van der Waals. En los alcoholes superiores, las propiedades del radical alquílico apolar (R) dominan y definen la solubilidad. Las fuerzas de van der Waals crecen con la longitud de la parte no polar de la sustancia.


Distancias interatomicas

Enlaces a Distancia: Independientemente del tipo de sustancia, hay un factor limitante que impide que los atomoso moléculas se aproximen demasiado, esto es, la distancia entre el centro de un atomo y el de su vecino se limita al diametro de los atomos participantes. Aunque el atomo, por conveniencia es tratado como una partícula discreta con límites y volumen, sus límites son vagamente establecidos por los campos electrostaticos de los electrones. Si los atomos se aproximan demasiado, se repelen por sus cargas electrónicas. Por otra parte, las fuerzas de atracción y repulsión se vuelve igual en magnitud (pero opuesta en dirección) es la posición de equilibrio de los atomos mostrada en las figuras ya mencionadas.

Radio ionico
El radio iónico es, al igual que el radio atómico, la distancia entre el centro del núcleo del atomo y el electrón estable mas alejado del mismo, pero haciendo referencia no al atomo, sino al ion. Se suele medir en picómetros (1 pm=10-12m) o Angstroms (1 Å=10-10 m). Éste va aumentando en la tabla de derecha a izquierda por los grupos y de arriba hacia abajo por los periodos.
En el caso de cationes, la ausencia de uno o varios electrones diminuye la fuerza eléctrica de repulsión mutua entre los electrones restantes, provocando el acercamiento de los mismos entre sí y al núcleo positivo del atomo del que resulta un radio iónico menor que el atómico.
En el caso de los aniones, el fenómeno es el contrario, el exceso de carga eléctrica negativa obliga a los electrones a alejarse unos de otros para reestablecer el equilibrio de fuerzas eléctricas, de modo que el radio iónico es mayorque el atómico.

Radio atomico
En función del tipo de enlace químico se definen también otros radios como el covalente (generalmente para elementos no metalicos) y el iónico (para elementos metalicos). Situados ahora en la tabla periódica, una sencilla regla nemotécnica para recordar el modo en ómico es la siguiente
El radio atómico de un elemento aumenta de arriba a abajo y de derecha a izquierda en la tabla periódica.
Se define como la mitad de la distancia entre 2 núcleos de un mismo elemento unidos entre si. O si no se puede definir como la distancia que existe entre el núcleo del atomo de un elemento y el electrón de su última orbita; esa distancia es el radio atómico. En los períodos disminuye al aumentar el número atómico, hacia la derecha, debido a la atracción que ejerce el núcleo sobre los electrones de los orbitales mas externos, disminuyendo así la distancia núcleo-electrón. Paralelamente a esto, en cada grupo aumenta en una unidad el número de capas en el que se distribuyen los electrones del atomo, de manera que los atomos de los elementos de mayor grupo tienen mayor radio. Como conclusión a esto, el radio atómico de un elemento aumenta de arriba a abajo y de derecha a izquierda en la tabla periódica.
Numero de coordinacion
En ciencia de materiales y en química del estado sólido, el número de coordinación (NC) es el número de vecinos que estan en contacto directo con un atomo o ion en particular en una red o estructura cristalina.

Tomando por ejemplo en un cristal el atomocentral de una celda CC, éste claramente esta en contacto con 4 atomos vecinos en la cara superior y 4 atomos abajo, por lo tanto
• El número de coordinación para la estructura CC (Cúbica centrada en el cuerpo) es 8.
Recordando que un cristal CCC esta formado por planos hexagonales compactos en orden ABC entonces se puede apreciar que tomando un atomo cualquiera del cristal, éste tiene 6 vecinos en el mismo plano, 3 vecinos arriba y 3 abajo.
• El número de coordinación para la estructura CCC (Cúbica centrada en las caras) es 12.
Y por la misma razón anterior
• El número de coordinación para la estructura HC (Hexagonal compacta) es 12.
Metales

Metal se denomina a los elementos químicos caracterizados por ser buenos conductores del calor y la electricidad, poseen alta densidad, y ser sólidos a temperaturas normales (excepto el mercurio y el galio); sus sales forman iones electropositivos (cationes) en disolución.
La ciencia de materiales define un metal como un material en el que existe un solape entre la banda de valencia y la banda de conducción en su estructura electrónica (enlace metalico). Esto le da la capacidad de conducir facilmente calor y electricidad, y generalmente la capacidad de reflejar la luz, lo que le da su peculiar brillo.
El concepto de metal refiere tanto a elementos puros, así como aleaciones con características metalicas, como el acero y el bronce. Los metales comprenden la mayor parte de la tabla periódica de los elementos y se separan de los nometales por una línea diagonal entre el boro y el polonio. En comparación con los no metales tienen baja electronegatividad y baja energía de ionización, por lo que es mas facil que los metales cedan electrones y mas difícil que los ganen.

Polimeros
Los polímeros son macromoléculas (generalmente organicas) formadas por la unión de moléculas mas pequeñas llamadas monómeros.
La reacción por la cual se sintetiza un polímero a partir de sus monómeros se denomina polimerización. Según el mecanismo por el cual se produce la reacción de polimerización para dar lugar al polímero, ésta se clasifica como polimerización por pasos o como polimerización en cadena. En cualquier caso, el tamaño de la cadena dependera de parametros como la temperatura o el tiempo de reacción, teniendo cada cadena un tamaño distinto y, por tanto, una masa molecular distinta, por lo que se habla de masa promedio para el polímero.

Ceramicas
La palabra ceramica deriva del vocablo griego keramos, cuya raíz sanscrita significa 'quemar'. En su sentido estricto se refiere a la arcilla en todas sus formas. Sin embargo, el uso moderno de este término incluye a todos los materiales inorganicos no metalicos que se forman por acción del calor.

Tipos de enlace


Si los atomos enlazados son elementos metalicos, el enlace se llama metalico. Los electrones son compartidos por los atomos, pero pueden moverse a través del sólido proporcionando conductividad térmica y eléctrica, brillo, maleabilidad y ductilidad. Véase Metales.


Silos atomos enlazados son no metales e idénticos (como en N2 o en O2), los electrones son compartidos por igual por los dos atomos, y el enlace se llama covalente apolar. Si los atomos son no metales pero distintos (como en el óxido nítrico, NO), los electrones son compartidos en forma desigual y el enlace se llama covalente polar -polar porque la molécula tiene un polo eléctrico positivo y otro negativo, y covalente porque los atomos comparten los electrones, aunque sea en forma desigual. Estas sustancias no conducen la electricidad, ni tienen brillo, ductilidad o maleabilidad.


Cuando una molécula de una sustancia contiene atomos de metales y no metales, los electrones son atraídos con mas fuerza por los no metales, que se transforman en iones con carga negativa; los metales, a su vez, se convierten en iones con carga positiva. Entonces, los iones de diferente signo se atraen electrostaticamente, formando enlaces iónicos. Las sustancias iónicas conducen la electricidad cuando estan en estado líquido o en disoluciones acuosas, pero no en estado cristalino, porque los iones individuales son demasiado grandes para moverse libremente a través del cristal.
Cuando los electrones son compartidos simétricamente, el enlace puede ser metalico o covalente apolar; si son compartidos asimétricamente, el enlace es covalente polar; la transferencia de electrones proporciona enlace iónico. Generalmente, la tendencia a una distribución desigual de los electrones entre un par de atomos aumenta cuanto masseparados estan en la tabla periódica.


Para la formación de iones estables y enlace covalente, la norma mas común es que cada atomo consiga tener el mismo número de electrones que el elemento de los gases nobles -grupo 18- mas cercano a él en la tabla periódica. Los metales de los grupos 1 (o IA) y 11 (o IB) de la tabla periódica tienden a perder un electrón para formar iones con una carga positiva; los de los grupos 2 (o IIA) y 12 (o IIB) tienden a perder dos electrones para formar iones con dos cargas positivas, y de la misma forma los de los grupos 3 (o IIIB) y 13 (o IIIA) tienden a formar iones con tres cargas positivas. Por la misma razón, los halógenos, grupo 17 (o VIIA), tienden a ganar un electrón para formar iones con una carga negativa, y los elementos del grupo 16 (o VIA) a formar iones con dos cargas negativas. Sin embargo, conforme aumenta la carga neta de un ion, éste tiene menos estabilidad, así que las cargas aparentemente mayores serían minimizadas compartiendo los electrones covalentemente.


El enlace covalente se forma cuando ambos atomos carecen del número de electrones del gas noble mas cercano. El atomo de cloro, por ejemplo, tiene un electrón menos que el atomo de argón (17 frente a 18). Cuando dos atomos de cloro forman un enlace covalente compartiendo dos electrones (uno de cada atomo), ambos consiguen el número 18 del argón (Cl~~Cl). Es común representar un par de electrones compartido por medio de un guión entre Cl los atomos individuales: Cl~~Cl se escribe Cl