importante : leer atentamente la clase 6 y completar

Escuela Técnica RaggioEspecialidad de Construcciones

Materia: Química Aplicada

Trabajo Práctico 6

MATERIALES: FUNDAMENTOS Y CLASIFICACIÓN

IMPORTANTE: Responder únicamente a las consignas que se piden en cada caso,atendiendo a la redacción, la ortografía y la prolijidad (independientemente de si seentrega manuscrito o digital). Si se envían las respuestas en foto, por favor numerar laspáginas para poder seguir un orden en la corrección. No olvidar aclarar nombrecompleto, materia y curso. No enviar las consignas.

Leer atentamente la CLASE 6 y completar:

Parte A: Fundamentos y clasificación de los materiales

1. ¿Cuáles son las dos características fundamentales que mantienen los materiales?Explicar brevemente cada una.

2. ¿Cuál es la diferencia entre material y sustancia?3. Describir la clasificación general de los materiales.4. ¿Cuáles son las características que debe cumplir un material, según el INTI

(Centro de Desarrollo de Materiales)?5. Marcar con una X cuáles de las siguientes opciones pueden considerarse

materiales, según el INTI:a. ___ agua líquidab. ___ hieloc. ___ piedra calizad. ___ PVC

e. ___ yeso de Parísf. ___ magnetitag. ___ acero inoxidableh. ___ arena

6. ¿Qué debe ocurrir para que se forme un enlace químico? Describir brevementelas características de los enlaces químicos que se conocen.

7. ¿Qué son las interacciones intermoleculares? ¿Cuáles se conocen en laactualidad?

Parte B: Materiales de unión

8. ¿Para qué se utiliza el yeso?9. ¿Para qué se emplea el mortero?10. ¿Qué ventajas presenta el hormigón armado en comparación con el hormigón

corriente?11. ¿Qué diferencia hay entre los materiales aglomerantes y los materiales

conglomerantes? Pon un ejemplo de cada uno de ellos.12. ¿Qué es un material compuesto? Cita al menos tres ejemplos de materiales

compuestos.13. ¿Para qué se utiliza la cal hidráulica en la actualidad? Investigue.

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CLASE 6

MATERIALES

1. GENERALIDADES

Para dar una definición de lo que es un material, primero debe entenderse cómo es queestá conformado. Lo primero es que un material está compuesto por elementos,generalmente los elementos químicos encontrados en la naturaleza y representados en latabla periódica de elementos químicos. Sin embargo, esto no es todo, en los materialesestos elementos están relacionados por una composición química definida. Un ejemplomuy sencillo es la sal común, su fórmula química es NaCl, lo que significa que hay unátomo de sodio (Na) por cada átomo de cloro (Cl) y es la única forma de obtener estecompuesto.El último factor importante de un material es la disposición de estos elementos, es decir,su estructura. Los materiales están caracterizados por tener una estructura, determinaday única, si esta cambia, cambiarán las características del material y por lo tanto sehablará de este como una variación o como otro material distinto.En ciencia e ingeniería de materiales, existe además otra distinción para los materiales,y es que deben tener un uso específico, si no es así, entonces se les denominaúnicamente sustancia. Por ejemplo, el agua (H2O) en estado líquido es una sustancia,pero al enfriarse y convertirse en hielo, se puede usar como un material de construcción,por lo tanto, esta misma agua solidificada, al tener un uso práctico, se le considera unmaterial.En resumen, los materiales están formados por elementos, con una composición yestructura única y que, además, pueden ser usados con algún fin específico.

Los materiales se clasifican de forma muy general en:

METÁLICOS: incluyen los metales puros y sus aleaciones

CERÁMICOS: sólidos, inorgánicos y no metálicos

POLÍMEROS: sólidos fundamentalmente orgánicos

MATERIALES COMPUESTOS: mezclas de los anteriores en forma sólidaconsolidada

Sin embargo, esta clasificación no es única, pues los materiales se pueden dividir por suestructura, por sus propiedades físicas y químicas, por sus usos en industrias específicas,etc.Para complementar esta información, el Centro de Investigación de Desarrollo deMateriales del INTI (Instituto Nacional de Tecnología Industrial) complementa lainformación así:

MATERIAL es la sustancia o mezcla de sustancias de que está constituido cualquierobjeto. Desde el punto de vista tecnológico debe cumplir con las siguientescaracterísticas:

a. Ser generalmente sólido a la temperatura de utilización

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b. De origen natural o sintético; y de naturaleza inorgánica, orgánica o mixtac. Con frecuencia es un producto industrial que responde a determinadas

especificaciones, con una caracterización específica de su estructura y de suspropiedades.

d. A veces se fabrica el material y en una segunda etapa el producto final (ej:aluminio); otras veces el proceso es único y no puede desglosarse (ej: ladrillos).

e. Con él se elaboran objetos destinados a toda clase de aplicaciones, tantoproductos finales como intermedios o componentes destinados a integrar todotipo de sistemas.

f. Su comportamiento en servicio debe ser tal que en períodos de tiemporelativamente largos no sufra alteraciones importantes en su composición, suestructura y sus propiedades.

2. MATERIALES PUROS

Existen muchos materiales que pueden encontrarse en la naturaleza en su estado puro.Estos se encuentran clasificados y ordenados en la Tabla Periódica.La distribución de los elementos en la tabla periódica proviene del hecho de que loselementos de un mismo grupo poseen la misma configuración electrónica en su capamás externa. Como el comportamiento químico está principalmente dictado por lasinteracciones de estos electrones de la última capa, de aquí el hecho de que loselementos de un mismo grupo tengan propiedades físicas y químicas similares. Cabeseñalar, además de los elementos naturales, se han agregado elementos sintéticosproducidos en laboratorio.En los materiales, el tipo de enlace químico determina una gran cantidad de suspropiedades. El orbital más externo llamado capa de valencia, determina cuántosenlaces puede formar un átomo. Para que se forme un enlace se requiere:

Que las capas de valencia se pongan en contacto; por esto debe ser el orbital másexterno.Que haya transferencia o compartición de electrones en las capas de valencia deambos átomos.

Existen tres diferentes tipos de enlace considerados energéticamente fuertes: el enlaceiónico, el covalente y el metálico. Existen además las llamadas fuerzas de atraccióndébiles o interacciones intermoleculares.

ENLACE IÓNICOPara que pueda darse este enlace, uno de los átomos debe ceder electrones y, por elcontrario, el otro debe ganar electrones, es decir, se produce la unión entre átomos quepasan a ser cationes y aniones. El ejemplo típico es el cloruro de sodio, en donde paraformarse, el sodio debe ceder un electrón al cloro, quedando un sodio con carga netapositiva y un cloro con carga neta negativa (Figura 2.1).

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ENLACE COVALENTEEn este enlace cada uno de los átomos aporta un electrón. Los orbitales de las capas devalencia de ambos átomos se combinan para formar uno solo que contiene a los 2electrones (Figura 3.1.).

Tanto el enlace iónico como el covalente son los enlaces que caracterizan a losmateriales duros, como lo son las cerámicas y las piedras preciosas. El enlace covalentetambién es característico del agua y el dióxido de carbono, por eso es que se requiereuna gran cantidad de energía para romper estas moléculas en sus componentes básicos.

ENLACE METÁLICOLos átomos de los metales tienen pocos electrones en su última capa, por lo general 1, 2ó 3. Estos átomos pierden fácilmente esos electrones y se convierten en iones positivos,por ejemplo Na+, Cu2+, Mg2+. Los iones positivos resultantes se ordenan en el espacioformando la red metálica.Los electrones de valencia desprendidos de los átomos forman una nube de electronesque puede desplazarse a través de toda la red. De este modo todo el conjunto de losiones positivos del metal queda unido mediante la nube de electrones con carga negativaque los envuelve (Figura 4.1.).

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Este tipo de enlace es el que permite a los metales ser materiales, por lo que pueden serrelativamente de fácil maquinado, logrando piezas de muy diversas formas y tamaños.Además, es el que permite a muchos de estos materiales ser buenos conductoreseléctricos.

INTERACCIONES INTERMOLECULARESEste tipo de enlaces se caracteriza por que la distancia entre los átomos es más grande,se encuentran las fuerzas de London, Van der Waals y los puentes de hidrógeno. Estasinteracciones es son las que permiten cierta cohesión en sustancias como el agua o quele dan a ciertos materiales propiedades eléctricas. A diferencia de los otros enlaces, estees más común observarlo en moléculas y no tanto para átomos. Por ejemplo, en el agualas interacciones más importantes son los puentes de hidrógeno (Figura 5.1), que sonlos responsables de propiedades como el estado de agregación, su punto de ebullición ysu capacidad para disolver una gran cantidad de sustancias.

En muchos casos, se habla de un material puro cuando este no tiene impurezas de otranaturaleza en su estructura. Sin embargo, en realidad no existen materiales totalmentepuros, por eso se les debe asignar un porcentaje de pureza, que, por ejemplo, en metalespreciosos, les da su valor comercial.

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MATERIALES DE UNIÓN

MATERIALES AGLUTINANTES Y MATERIALES COMPUESTOS

Los aglutinantes son materiales capaces de unir fragmentos de uno o más materialespara formar un conjunto compacto. Según la forma en que llevan a cabo la unión, sedenominan aglomerantes o conglomerantes.

● En los aglomerantes la unión tiene lugar por procesos físicos. Entre ellostenemos el barro, la cola, el betún, etc.

● En los conglomerantes la unión ocurre mediante transformaciones químicas.Entre ellos tenemos el yeso, la cal y cemento.

● Los materiales compuestos son materiales que resultan de la mezcla de dos omás materiales, con lo que se consigue que combinen sus propiedades, ademásde obtener otras propiedades nuevas que no tenían los materiales por separado.

Entre ellos tenemos el hormigón, el fibrocemento, el asfalto, los plásticos reforzadoscon fibra de vidrio, etc.

El yesoSe presenta en la Naturaleza en grandes masas granulares o compactas y, en ocasiones,en cristales en forma de flecha. Es muy blando (2 en la escala de Mohs) y muy pocoresistente a los agentes atmosféricos, por lo que su empleo queda prácticamenterestringido al interior de los edificios. El yeso proviene del mineral del mismo nombre,y se obtiene por medio de un proceso que elimina la mayor parte de la humedad, dandocomo resultado un polvo blanco y suave que se endurece o fragua al mezclado con elagua. El yeso se suele emplear para recibir los ladrillos de los muros internos de lasconstrucciones, así como para recubrir los tabiques y las techumbres (operación querecibe el nombre de enlucido). Este material proporciona unas superficies suaves y lisassobre las que se puede pintar y empapelar con facilidad, y se utiliza como aislamientotérmico y acústico. También se utiliza para construir elementos prefabricados, comoplanchas, paneles, molduras, etc.

El cementoEl cemento es una mezcla de yeso, piedra caliza y arcilla, que se tritura y calcina en unhorno y después se enfría y se muele para formar un polvo de color gris. Parapreparado, se añade agua al polvo de cemento y se amasa hasta conseguir una pastadensa. La cantidad de agua que se debe añadir al cemento para conseguir la mezclaidónea es aproximadamente la mitad del peso del cemento. A diferencia del yeso y de lacal, el cemento raras veces se usa solo, lo habitual es utilizado en combinación con otrosmateriales como arena o cal, formando aglomerados; especialmente, morteros yhormigón. Hay distintas variedades de cemento, que pueden dividirse en naturales yartificiales. El cemento más utilizado en la elaboración del hormigón es el cementoPortland.

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El morteroEs una mezcla de uno o más conglomerantes (generalmente, yeso, cal o cemento), arenay agua. Cuando el conglomerante y la arena se amasan con agua, la mezcla da lugar auna pasta que, después, fragua y se endurece, como consecuencia de unos procesosquímicos que se producen en ella. Según los conglomerantes empleados, el morterotiene diferentes propiedades y recibe distintos usos. Se emplea para unir elementos deconstrucción, como piedras y ladrillos, fijar baldosas y baldosines y recubrirexteriormente las construcciones. Los morteros de cemento pueden mejorarseañadiéndoles otro conglomerante como la cal, o aditivos plastificantes. Con ello seconsigue que sean más trabajables, endurezcan más o menos rápidamente.

El hormigónEl hormigón está formado por una mezcla de un 55% a un 75% de materiales inertes,como la arena y la grava; de un 25% a un 40% de un aglomerante, como el cemento, yagua. La mezcla se hace directamente con palas o bien en hormigoneras. La proporciónentre los distintos componentes de la mezcla se elige teniendo en cuenta las propiedadesque esperan conseguirse: facilidad con la que se trabaja la mezcla, durabilidad, coste,resistencia, etc. Se emplea tanto para construir cimientos, pilares, aceras, etc., comotambién en la elaboración de prefabricados.

Hormigón armadoEl hormigón resiste bien los esfuerzos de compresión pero es poco resistente a latracción. Para evitar este inconveniente, los pilares y las vigas de hormigón se refuerzancon barras metálicas (denominadas armadura; la armadura de acero está compuesta porvarillas de acero corrugado de diámetros calculados previamente). Estas barras suelenser de acero, ya que el acero y el hormigón se dilatan y se contraen casi del mismomodo, lo que reduce el riesgo de que se produzcan grietas.

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CalLa cal aérea es un aglomerante aéreo, junto con el yeso. Son llamados aglomerantesaéreos por no contener arcilla y solo fraguan y endurecen en contacto con el aire. La calviva es el óxido de calcio (CaO), que procede de la calcinación de rocas calizas atemperaturas del orden de 900 °C:

CaCO3 CO2 + CaOEste óxido de calcio, por hidratación, se convierte en hidróxido de calcio (cal apagada):

CaO + H2O Ca(OH)2La cal apagada, en forma de pasta, endurece (fragua) lentamente en el aire, perdiendoprimero al agua y reaccionando a continuación con el dióxido de carbono existente en laatmósfera, dando lugar a cristales de carbonato de calcio:

Ca(OH)2 + CO2 CaCO3 + H2OEl endurecimiento y la eliminación del agua formada en la reacción comienzan a lasveinticuatro horas después de utilizada la pasta y termina al cabo de unos seis meses.Por lo tanto, cuando se emplea como material aglomerante en la construcción las obrastardan demasiado tiempo en adquirir la solidez definitiva. El fraguado de la cal aérea severifica solo en el aire seco o con muy poca humedad; si está muy húmedo lo hace conmucha dificultad, y dentro del agua no se realiza. Por este motivo no se puede emplear

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en obras hidráulicas. Además, durante el proceso de fraguado experimenta unacontracción, lo que da lugar a la aparición de asientos y grietas en los edificios. Todasestas circunstancias explican la escasa utilización que en la actualidad se hace de la calaérea. La cal aérea es la idónea para hacer un buen acabado de estuco. Las ventajas deeste tipo de cal pueden ser muchas, como por ejemplo, es poco conductora detemperatura comparada con el cemento por lo tanto más aislante, fungicida (no seforman hongos), no caduca nunca incluso mejora con los años, se puede pigmentar deuna gran gama de colores, el blanco es blanco puro, gana pureza con los años y sobretodo acabados de muy diferentes texturas, incluso brillante como mármol pulido.

La cal hidráulicaProviene de rocas calizas con cierta cantidad de arcilla. En el transcurso del proceso decalcinación de la caliza, al llegar a los 900 ºC se forman óxido de calcio (CaO), dióxidode silicio (SiO2) y alúmina (Al2O3), que a temperaturas más elevadas reaccionan dandolugar a silicatos y aluminatos que, junto con el hidróxido de calcio, constituyen elaglomerante llamado cal hidráulica. Las reacciones de fraguado de esta cal son bastantecomplejas y transcurren lentamente. Además, una vez fraguada, su resistencia mecánicaes pequeña. Se emplea en el enlucido de paredes, revoques y revestimientos. La calhidráulica es una cal que contiene impurezas de arcilla de más del 15%, endureceincluso dentro del agua. Es un tipo de cal que se empleaba antes de la aparición delcemento para morteros, cimentaciones y obras hidráulicas.

BIBLIOGRAFÍA CONSULTADA“MATERIALES. Introducción a su estudio desde un punto de vista funcional. ProgramaProciencia (CONICET, 1996)” (FERRÉ O., VINUÉ R.)Universidad de Guanajuato, México–División Ingenierías–CampusGuanajuatohttp://www.dicis.ugto.mx/profesores/balvantin/documentos/Ciencia%20de%20Materiales%20para%20Ingenieria/Tema%201%20-%20Conceptos%20Basicos.pdf

Docentes:

Construcciones 4to 1raChristian Rumi ([email protected])

Construcciones 4to 2daAri Juanicó ([email protected])

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