Materiales de Construcción, desde la ciencia hasta su aplicación.

MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN Desde la ciencia hasta su aplicación

CIENCIA DE LOS MATERIALES

CIENCIA DE LOS MATERIALES CCL2412 01 Introducción

Generalidades de los materiales de Construcción Estructura atómica Átomo La Tabla Periódica Enlaces Químicos: primarios, secundarios y mixtos, fuerza y energía de enlace Enlaces Químicos Primarios Enlaces Químicos Secundarios Enlaces Mixtos Fuerza y Energía de Enlace Correlación entre Tipo de Enlaces y Materiales de Construcción Enlaces Covalentes Enlaces Iónicos Enlaces Metálicos Enlaces de Hidrógeno y Enlaces de Van der Waals

02 Estructura de los sólidos cristalinos Materiales cristalinos y amorfos Materiales Cristalinos Materiales Amorfos

Estructuras cristalinas de sólidos metálicos, iónicos y covalentes Sólidos Metálicos Sólidos Iónicos Sólidos Covalentes Defectos en sólidos cristalinos: puntuales, lineales e interfaciales Defectos Puntuales Defectos Lineales Defectos Interfaciales

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03 Diagramas de fase

Conceptos básicos de diagrama de fases Componentes y fases Eje de temperatura y presión Puntos y Líneas de Equilibrio Puntos Críticos y Triple Punto Aplicaciones en Construcción Términos relacionados con los diagramas de fase

04 Metales

Introducción a las propiedades mecánicas de los metales Método de obtención Aleaciones Metálicas: Una Mezcla de Metales para Mejorar Propiedades Propósito de las Aleaciones Fabricación de las Aleaciones Componentes de Aleación en Estado Sólido: Soluciones Sólidas Diagramas de fase binarios La Regla de la Palanca Sistemas eutécticos binarios Sistemas binarios con varias reacciones invariantes El Diagrama Hierro-Carbono Fundamentos corrosión en metales Factores que Influyen en la Corrosión Tipos de Corrosión Reacciones Redox en la Corrosión de Metales Implicaciones en la Corrosión Prevención de la Corrosión Ecuación de Nernst en Corrosión de Metales Aplicación en la corrosión de Metales Diagramas de Pourbaix en Corrosión de Metales Componentes de un Diagrama de Pourbaix Prevención de la corrosión del Acero en el Interior del Hormigón

Corrosión Galvánica: Una Reacción Electroquímica Los Componentes Clave de la Corrosión Galvánica Prevención de la Corrosión Galvánica

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CIENCIA DE LOS MATERIALES CCL2412 05 Hormigón

Aspectos fundamentales de la química del cemento Proceso de Hidratación del Cemento Proceso en el cemento

1. Fraguado en el Cemento 2. Curado en el Cemento

06 Polímeros

Estructuras, clasificación y propiedades físico-químicas Estructuras en Materiales Polimérico s Clasificación de Materiales Poliméricos Propiedades Físico-Químicas de Materiales Polimérico s Comportamiento Mecánico de Materiales Poliméricos Termoplásticos, Elastómeros y Termoestables Degradación de polímeros y métodos de protección Métodos de Protección de Materiales Poliméricos s s

Bibliografía

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01 INTRODUCCIÓN Generalidades de los materiales de Construcción Estructura atómica Átomo La Tabla Periódica Enlaces Químicos: primarios, secundarios y mixtos, fuerza y energía de enlace Enlaces Químicos Primarios Enlaces Químicos Secundarios Enlaces Mixtos Fuerza y Energía de Enlace Correlación entre Tipo de Enlaces y Materiales de Construcción Enlaces Covalentes Enlaces Iónicos Enlaces Metálicos Enlaces de Hidrógeno y Enlaces de Van der Waals

01- INTRODUCCIÓN

Generalidades de los Materiales de Construcción

• Propiedades Clave: Las propiedades químicas y físicas de los materiales de construcción son fundamen tales. Algunas de las propiedades clave incluyen la resistencia a la compresión, la resistencia a la tracción, la densidad, la du rabilidad, la conductividad térmica y eléc trica, la capacidad de aislamiento y la reac tividad química. La elección de un material específico se basa en cómo estas propieda des se alinean con los requisitos de la es tructura. • Reacciones Químicas: En la construcción, es esencial comprender las reacciones químicas que pueden ocurrir en los materiales. Por ejemplo, en la fabrica ción de concreto, la reacción química entre el cemento, el agua y los agregados es cru cial para su endurecimiento y adquisición de resistencia. • Durabilidad y Corrosión: La durabilidad de las estructuras de cons trucción se ve afectada por reacciones quí micas, como la corrosión de metales, que puede debilitar las estructuras con el tiem po. La elección de materiales resistentes a la corrosión y la implementación de técnicas de protección son aspectos clave. • Sostenibilidad y Medio Ambiente: Los materiales de construcción también se evalúan desde una perspectiva ambiental. La extracción y producción de materiales pueden tener un impacto ambiental sig 07

Los materiales de construcción son sus tancias que se utilizan para formar estruc turas, edificios y obras de ingeniería. Estos materiales deben cumplir con una serie de propiedades específicas para garantizar la seguridad, durabilidad y funcionalidad de las construcciones. Desde una perspectiva química, podemos resaltar los siguientes puntos clave: • Clasificación de los Materiales: Los materiales de construcción se pueden clasificar en varias categorías según su na turaleza química y sus propiedades. Algu nas de las categorías comunes incluyen: -Materiales pétreos: Incluyen materiales como la piedra, la grava y la arena. Estos materiales son inorgánicos y a menudo se utilizan como agregados en la fabricación de concreto y asfalto. -Metales: Los metales como el acero y el aluminio son esenciales en la construcción debido a su resistencia mecánica y durabi lidad. -Materiales cerámicos: Esto abarca ladri llos, bloques de cerámica y tejas. Estos ma teriales se obtienen a partir de procesos de cocción a altas temperaturas de arcilla u otros minerales. -Polímeros y compuestos poliméricos: Los polímeros, como el plástico y el caucho, se utilizan en aplicaciones de construcción, como aislamientos y revestimientos.

Generalidades de los materiales de Construcción

01- INTRODUCCIÓN

nificativo. Por lo tanto, la sostenibilidad y la consideración de alternativas más amiga bles con el medio ambiente son cada vez más importantes en la ingeniería civil. En resumen, los materiales de construcción son esenciales en la ingeniería civil y están estrechamente relacionados con la quími ca. Comprender las propiedades químicas, las reacciones y la selección adecuada de materiales es crucial para diseñar y cons truir estructuras seguras y duraderas (Es guerra y Esguerra, 2021). La estructura atómica es fundamental en química, ya que determina las propiedades químicas de un elemento y cómo se relacio na con otros elementos en reacciones quí micas. La interacción de los electrones en la capa más externa de un átomo, conocida como capa de valencia, es particularmen te importante en la formación de enlaces químicos y en la determinación de las pro piedades químicas y reactividad de los ele mentos. Átomo: Un átomo es la unidad básica de la materia y la estructura fundamental de los elemen tos químicos. Está compuesto por un núcleo central que contiene protones (cargados Estructura atómica

positivamente) y neutrones (sin carga eléc trica), rodeado por electrones (cargados negativamente) que orbitan alrededor del núcleo en niveles de energía. Los electrones son responsables de las propiedades quí micas de un átomo y de cómo se combina con otros átomos para formar compuestos químicos. • Núcleo: El núcleo atómico se encuentra en el centro del átomo y contiene partículas subatómi cas llamadas protones y neutrones. Los pro tones tienen una carga eléctrica positiva, mientras que los neutrones no tienen carga. La interacción entre los protones y neutro nes en el núcleo es lo que mantiene unido al átomo y le proporciona la mayor parte de su masa. • Electrones: Los electrones son partículas subatómicas que orbitan alrededor del núcleo en niveles de energía o capas electrónicas. Estos elec trones tienen una carga eléctrica negativa. La cantidad de electrones y su distribución en estas capas electrónicas son respon sables de las propiedades químicas de un átomo y de cómo interactúa con otros áto mos. • Órbitas y Subniveles de Energía: Las capas electrónicas se dividen en órbitas o niveles de energía. Cada nivel de energía puede contener un número específico de electrones. Además, cada nivel se subdivide

Estructura Atómica

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01- INTRODUCCIÓN

en subniveles de energía, que se represen tan con letras (s, p, d, f) y tienen una capaci dad de electrones diferente. • Distribución Electrónica: La distribución electrónica se refiere a la dis posición específica de los electrones en los niveles y subniveles de energía. Sigue reglas como el Principio de Exclusión de Pauli, el Principio de Aufbau y la Regla de Hund, que rigen cómo los electrones llenan estos nive les y subniveles.

crea patrones de red tridimensional que le dan al material propiedades específicas, como resistencia mecánica y conductivi dad eléctrica. Los materiales metálicos, ce rámicos y algunos polímeros pueden tener estructuras cristalinas. • Sólidos Amorfos: En contraste, en los sólidos amorfos, los áto mos carecen de un patrón de ordenación definido. Esto da como resultado propieda des como la transparencia y la fragilidad, y se observa en materiales como el vidrio. • Polímeros y Compuestos Moleculares: En estos materiales, los átomos están unidos por enlaces covalentes para formar molé culas o cadenas largas. La organización de estas moléculas afecta las propiedades del material. Por ejemplo, el plástico es un po límero que tiene una estructura molecular que le otorga flexibilidad y resistencia a la deformación. En ingeniería civil, comprender la estructu ra atómica es fundamental, ya que influye en las propiedades mecánicas y térmicas de los materiales de construcción, como el concreto, el acero, la madera y otros. La elección de materiales con la estructura atómica adecuada es esencial para garan tizar la seguridad y durabilidad de las es tructuras y edificios (Brown,1993).

El átomo (Modelo 1-1-1)

La estructura atómica de los materiales se refiere a cómo los átomos están dispuestos y organizados en un material específico. En un material sólido, los átomos pueden estar dispuestos de tres maneras principales: • Sólidos Cristalinos: En un sólido cristalino, los átomos están dis puestos en una estructura altamente orde nada y repetitiva. Esta disposición regular

Estructura Atómica

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01- INTRODUCCIÓN

La Tabla Periódica

La tabla periódica (Figura 1) es una herramienta fundamental en la química y la ingeniería civil. Es una disposición gráfica de todos los elementos químicos conocidos, organizados de acuerdo con sus propiedades químicas y su estructura atómica. Aquí hay algunos aspec tos clave de la tabla periódica:

Figura 1. Tabla periódica (Fuente. Dianelys Ondarse Álvarez)

• Organización de Elementos: La tabla periódica organiza los elementos en filas horizontales llamadas “periodos” y co lumnas verticales llamadas “grupos” o “fa milias”. Los elementos en la misma columna tienen propiedades químicas similares de bido a su estructura electrónica común. En la Figura 2 se puede ver un ejemplo.

Figura 2. Símbolo del Hierro (Fuente: Dianelys Ondarse Álvarez)

La Tabla Periódica

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01- INTRODUCCIÓN

• Periodos y Propiedades Electrónicas: Cada período de la tabla periódica repre senta un nuevo nivel de energía en la es tructura electrónica de los átomos. A medi da que avanzas de izquierda a derecha en un período, el número de protones y elec trones en el núcleo y la distribución electró nica cambian, lo que afecta las propieda des químicas. Por ejemplo, en el período 2, los elementos tienen dos niveles de energía y propiedades químicas similares. • Grupos y Valencia Electrónica: Los elementos en la misma columna (gru po) tienen la misma cantidad de electrones en su capa de valencia, que es la capa más externa de electrones. La valencia electróni ca determina la capacidad de un elemento para formar enlaces químicos y su reactivi dad. Por ejemplo, los elementos del Grupo 1 (por ejemplo, el sodio) tienen un electrón en su capa de valencia y tienden a formar io nes positivos. • Metales y No Metales: La tabla periódica se divide en metales (a la izquierda y en la parte inferior) y no meta les (a la derecha y en la parte superior). Los metales tienden a ser buenos conductores de calor y electricidad, mientras que los no metales tienden a ser malos conductores. • Transición y Lantánidos Actínidos: En el centro de la tabla periódica, hay dos series de elementos llamadas las series de transición y las series de lantánidos-actí

nidos. Los elementos de las series de tran sición son conocidos por sus propiedades metálicas, y los de las series de lantáni dos-actínidos son elementos pesados y en muchos casos radiactivos. • Aplicaciones en Ingeniería Civil: La tabla periódica es relevante en ingenie ría civil porque los elementos químicos se utilizan en la fabricación de materiales de construcción. Por ejemplo, el acero, que es esencial en la construcción, contiene hierro y otros elementos como carbono y manga neso. La elección de materiales en la inge niería civil depende de las propiedades quí micas de los elementos presentes. En resumen, la tabla periódica es una he rramienta esencial para comprender la quí mica de los elementos y su aplicación en la ingeniería civil. Permite a los ingenieros civi les seleccionar los materiales adecuados y diseñar estructuras teniendo en cuenta las propiedades químicas de los elementos in volucrados (Askeland, 2012).

Tabla Periódica Interactiva

La Tabla Periódica

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01- INTRODUCCIÓN

Enlaces Químicos: primarios, secundarios y mixtos, fuerza y energía de enlace

Los enlaces químicos son las fuerzas que mantienen unidos a los átomos en las moléculas y las sustancias químicas. Desde la perspectiva de la ingeniería civil, es esencial compren der estos enlaces ya que determinan las propiedades de los materiales de construcción. En la Figura 3 se describen tres tipos principales de enlaces químicos:

Figura 3. Tipos de enlaces (Fuente: Físico Química)

Enlaces Químicos Primarios:

- Enlaces Covalentes: Los enlaces covalen tes se forman cuando dos átomos compar ten electrones en sus capas de valencia. Esto ocurre en la mayoría de los compues tos orgánicos y en muchas sustancias inor gánicas, como el agua (H2O). Los enlaces covalentes son fuertes y dan lugar a molé culas estables. - Enlaces Iónicos: Los enlaces iónicos se es tablecen entre átomos con fuertes diferen

cias en electronegatividad, lo que resulta en la transferencia de electrones. Uno de los átomos se convierte en un ion cargado po sitivamente (catión) y el otro en un ion car gado negativamente (anión). Estos iones se atraen mutuamente debido a sus cargas opuestas, creando enlaces ióni cos. Los compuestos iónicos, como el cloru ro de sodio (NaCl), son ejemplos de enlaces iónicos.

Enlaces Químicos: primarios, secundarios y mixtos, fuerza y energía de enlace

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01- INTRODUCCIÓN

- Enlaces Metálicos: Los enlaces metálicos se producen en metales, donde los electro nes se comparten libremente entre los áto mos en una “nube” electrónica. Esto crea una estructura en la que los núcleos atómicos están rodeados por una nube de electrones en movimiento. Los enlaces metálicos son responsables de las propiedades únicas de los metales, como la conductividad eléctri ca y térmica, la maleabilidad y la ductilidad.

drógeno son un tipo especial de enlace de Van der Waals. Se forman cuando un átomo de hidrógeno está unido a un átomo muy electronegativo (como oxígeno, nitrógeno o flúor) y se atrae hacia los átomos electrone gativos cercanos. Los enlaces de hidrógeno son esenciales en la formación de estructu ras secundarias en proteínas y ácidos nu cleicos, así como en la estructura del agua.

Enlaces Químicos Secundarios: - Enlaces de Van der Waals: Los enlaces de Van der Waals son fuerzas débiles que sur gen debido a las fluctuaciones en la dis tribución electrónica de los átomos. Estas fuerzas pueden ser atractivas (dispersión de London) o repulsivas (interacciones de repulsión). Son responsables de las pro piedades físicas de las sustancias, como la densidad y el punto de ebullición. - Enlaces de Hidrógeno: Los enlaces de hi Enlaces Covalentes (Modelo-1-1-2)

Enlaces Polares (Modelo-1-1-3)

Contruye una Molécula

Enlaces Químicos: primarios, secundarios y mixtos, fuerza y energía de enlace

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01- INTRODUCCIÓN

Enlaces Mixtos:

construcción. Comprender la naturaleza y la fuerza de los enlaces en una sustancia es esencial para seleccionar y diseñar mate riales apropiados para proyectos de inge niería civil (Jones y Ashby, 2012).

Algunas sustancias pueden contener una combinación de enlaces primarios y secun darios. Por ejemplo, en el caso de algunos polímeros, se pueden formar enlaces cova lentes primarios entre átomos en una ca dena, mientras que las fuerzas de Van der Waals pueden mantener unidas diferentes cadenas. La fuerza de un enlace químico se relaciona con la cantidad de energía necesaria para romper ese enlace. Los enlaces covalentes tienden a ser más fuertes que los enlaces iónicos, y los enlaces de hidrógeno son más débiles en comparación. La energía de enlace es la energía liberada cuando los átomos se unen para formar una molécula o compuesto. Se mide en julios por mol (J/mol) o en electronvoltios (eV). La cantidad de energía de enlace está relacio nada con la estabilidad y la reactividad de una sustancia. En general, cuanto más fuer tes son los enlaces, mayor es la energía de enlace. En resumen, los enlaces químicos son fun damentales en la química y la ingeniería civil, ya que determinan las propiedades y el comportamiento de los materiales de Fuerza y Energía de Enlace:

Enlaces Químicos: primarios, secundarios y mixtos, fuerza y energía de enlace

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01- INTRODUCCIÓN

Correlación entre Tipo de Enlaces y Materiales de Construcción

La correlación entre el tipo de enlaces químicos y los materiales en ingeniería civil es esen cial para seleccionar los materiales adecuados para aplicaciones específicas. La elección de materiales depende de sus propiedades químicas y enlaces, que influyen en la resis tencia, la durabilidad, la conductividad y otras características importantes para la cons trucción y diseño de estructuras. La Figura 4 ayuda a entender mejor lo anterior y la Tabla 1 sintetizará lo expuesto a continuación (Jones y Ashby, 2012).

Figura 4. Correlación entre enlaces (Fuente: Shackelford J.F. (2004))

Enlaces Covalentes:

- Características: Los enlaces covalentes involucran la compartición de electrones entre átomos. Los materiales con enlaces covalentes suelen formar moléculas o redes covalentes, donde los átomos se mantienen unidos por fuertes enlaces covalentes. - Ejemplos: Compuestos covalentes como el agua (H2O) y el dióxido de carbono (CO2). Los enlaces covalentes son típicos en mate riales orgánicos y algunos materiales cerá micos, como el diamante (estructura de red covalente). - Aplicaciones en Ingeniería Civil: Los mate riales con enlaces covalentes fuertes, como el diamante, son extremadamente duros y resistentes y se utilizan en herramientas de corte y pulido en la construcción. También se utilizan en aislamientos eléctri cos y térmicos debido a su falta de conduc tividad.

Correlación entre Tipo de Enlaces y Materiales de Construcción

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01- INTRODUCCIÓN

Enlaces Iónicos:

de conducción eléctrica, como cables y tu berías.

- Características: L os enlaces iónicos im plican la transferencia de electrones de un átomo a otro, formando iones cargados po sitiva y negativamente que se atraen entre sí. Los compuestos iónicos están compues tos por iones. - Ejemplos: Compuestos iónicos como el cloruro de sodio (NaCl) y el sulfato de calcio (CaSO4). - Aplicaciones en Ingeniería Civil: Los mate riales con enlaces iónicos pueden ser sóli dos duros y resistentes, lo que los hace útiles en la construcción de estructuras como la drillos y bloques de concreto. - Características: Los enlaces metálicos im plican una “nube” de electrones móviles que rodea los núcleos atómicos. Los electrones se comparten libremente, lo que permite una buena conductividad eléctrica y térmi ca. - Ejemplos: Metales como el hierro (Fe), el aluminio (Al) y el cobre (Cu). - Aplicaciones en Ingeniería Civil: Los ma teriales con enlaces metálicos se utilizan ampliamente en la construcción, especial mente en estructuras metálicas y sistemas Enlaces Metálicos:

Enlaces de Hidrógeno y Enlaces de Van der Waals: - Características: Los enlaces de hidróge no son una forma especial de enlace cova lente que involucra al hidrógeno y átomos electronegativos como oxígeno, nitrógeno y flúor. Los enlaces de Van der Waals son fuer zas de atracción o repulsión entre molécu las o átomos debido a fluctuaciones en la distribución de electrones. - Ejemplos: Los enlaces de hidrógeno son esenciales en la estructura del agua (H2O) y en la formación de estructuras secundarias en proteínas y ácidos nucleicos. Los enlaces de Van der Waals son responsables de las propiedades físicas de las sustancias, como la densidad y el punto de ebullición. - Aplicaciones en Ingeniería Civil: Los enla ces de hidrógeno pueden ser relevantes en la interacción de materiales con agua y hu medad, lo que puede afectar la durabilidad y la resistencia de los materiales de cons trucción.

Correlación entre Tipo de Enlaces y Materiales de Construcción

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01- INTRODUCCIÓN

Tabla 1. Tipos de enlaces

Aplicaciones en Ingeniería Civil

Tipo de Enlace

Características

Ejemplos

Enlace Covalente Enlaces Iónicos Enlaces Metálicos

Herramientas de corte, aislamientos eléctricos Herra mientas de corte, aislamientos el é ctricos

H2O, CO2

Comparten electrones C omparten

Ladrillos, bloques de concreto

NaCl, CaSO4

Transferencia de electrones

Estructuras metálicas, sistemas de conducción Interacción con la humedad, durabilidad Densidad, punto de ebullición, propiedades física s Estructuras metálicas , Dens idad, punto de ebullic ión, propiedades f í sicas

Fe, Al, C u

Electrones móvile s Implican al hidrógen o m óvile

Enlaces de Hidrógeno Enlaces de Van der Waals

Estructura del agua, proteínas

Influencia en propiedades físicas s

Fuerzas de atracción/repulsión F uerzas de atracción / repulsión

Correlación entre Tipo de Enlaces y Materiales de Construcción

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02 ESTRUCTURA DE LOS SÓLIDOS CRISTALINOS Materiales cristalinos y amorfos Materiales Cristalinos Materiales Amorfos Estructuras cristalinas de sólidos metálicos, iónicos y covalentes Sólidos Metálicos Sólidos Iónicos Sólidos Covalentes Defectos en sólidos cristalinos: puntuales, lineales e interfaciales Defectos Puntuales Defectos Lineales Defectos Interfaciales

02- ESTRUCTURA DE LOS SÓLIDOS CRISTALINOS

Materiales cristalinos y amorfos

- Aplicaciones en Ingeniería Civil: o Los materiales cristalinos se utilizan en la construcción, por ejemplo, en estructuras de acero, ladrillos y cerámica, debido a su re sistencia y durabilidad. o También se utilizan en dispositivos elec trónicos y semiconductores debido a sus propiedades de conductividad eléctrica y óptica. - Definición: Los materiales amorfos, tam bién llamados materiales no cristalinos, ca recen de una estructura de red ordenada. En lugar de átomos organizados en patrones repetitivos, los átomos en materiales amor fos están dispuestos de manera desorde nada y aleatoria. - Características: o Los materiales amorfos no tienen puntos de fusión definidos y tienden a ablandarse gradualmente a medida que se calientan. o Suelen ser más frágiles y menos resisten tes que los materiales cristalinos. - Ejemplos comunes de materiales amorfos incluyen el vidrio, plásticos amorfos y mate riales asfálticos. Materiales Amorfos:

La distinción entre materiales cristalinos y amorfos se basa en la estructura de orde nación de los átomos. Los materiales crista linos tienen una estructura altamente orde nada, mientras que los materiales amorfos carecen de esta ordenación y tienen una estructura desordenada. Esta diferencia en la estructura se traduce en diferentes pro piedades y aplicaciones en la ingeniería civil (Callister, 2016). - Definición: Los materiales cristalinos son sólidos en los que los átomos, iones o mo léculas están dispuestos en una estructura tridimensional altamente ordenada y repe titiva llamada red cristalina. En una estruc tura cristalina, los átomos ocupan posicio nes específicas y bien definidas en patrones regulares. - Características: o Los materiales cristalinos exhiben propie dades físicas y químicas bien definidas y repetitivas debido a la ordenación de la es tructura cristalina. o Tienen puntos de fusión y ebullición clara mente definidos. - Ejemplos comunes de materiales cristali nos incluyen el diamante, el silicio, el cloruro de sodio (NaCl) y muchos metales. Materiales Cristalinos:

- Aplicaciones en construcción:

o El vidrio es un material amorfo amplia 19

Materiales cristalinos y amorfos

02- ESTRUCTURA DE LOS SÓLIDOS CRISTALINOS

mente utilizado en la construcción para ventanas, fachadas y elementos decorati vos debido a su transparencia y versatilidad. o Los polímeros amorfos, como el plástico, se emplean en aislamiento térmico y eléctrico, así como en materiales de revestimiento.

ca que los metales pueden deformarse sin romperse. o Puntos de fusión y ebullición altos debido a las fuerzas de enlace metálico fuertes. - Ejemplos: El hierro (Fe), el cobre (Cu) y el aluminio (Al) son ejemplos de sólidos me tálicos.

Estructuras cristalinas de sólidos metálicos, iónicos y covalentes

En la ingeniería civil, es importante com prender las estructuras cristalinas de dife rentes tipos de sólidos, ya que estas estruc turas afectan las propiedades mecánicas y térmicas de los materiales de construcción.

Celdas Cristalinas

Sólidos Metálicos:

Sólidos Iónicos:

- Estructura Cristalina: Los sólidos metáli cos tienen una estructura cristalina cono cida como estructura de red metálica. En esta estructura, los átomos metálicos se disponen en una red tridimensional en la que los electrones se comparten libremente entre los átomos. Esto da lugar a una nube de electrones móviles que rodea los núcleos atómicos. - Características: o Buena conductividad eléctrica y térmica debido a la movilidad de los electrones. o Ductilidad y maleabilidad, lo que signifi

- Estructura Cristalina: Los sólidos iónicos tienen una estructura cristalina en la que los iones positivos (cationes) y los iones ne gativos (aniones) se organizan en una red tridimensional. Los iones opuestos se atraen eléctricamente y se mantienen unidos por enlaces iónicos. - Características: o Puntos de fusión y ebullición altos debido a las fuerzas electrostáticas fuertes entre los iones. o Conductividad eléctrica baja en estado sólido, pero pueden conducir electricidad en

Estructuras cirstalinas de sólidos metálicos, iónicos y covalentes

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02- ESTRUCTURA DE LOS SÓLIDOS CRISTALINOS

o Generalmente dureza y fragilidad debido a los enlaces covalentes fuertes. o Algunos sólidos covalentes pueden ser aislantes eléctricos, mientras que otros pue den ser semiconductores. - Ejemplos: El diamante (estructura de red covalente de carbono), el silicio (Si) y el cuarzo (SiO2) son ejemplos de sólidos cova lentes. En resumen, las estructuras cristalinas de los sólidos metálicos, iónicos y covalentes varían en la disposición de los átomos y las fuerzas intermoleculares que los mantienen unidos. Estas diferencias en la estructura se traducen en propiedades mecánicas, tér micas y eléctricas distintas, lo que es fun damental para la selección y el diseño de materiales en proyectos de ingeniería civil. La Tabla 2 sintetiza lo anterior.

estado fundido o en solución acuosa. o Fragilidad y dureza en estado sólido. - Ejemplos: El cloruro de sodio (NaCl), el sul fato de calcio (CaSO4) y el óxido de magne sio (MgO) son ejemplos de sólidos iónicos.

Sólidos Covalentes:

- Estructura Cristalina: Los sólidos covalen tes tienen una estructura cristalina en la que los átomos comparten electrones a través de enlaces covalentes. Los átomos se orga nizan en una red tridimensional en la que los electrones se comparten entre los átomos. - Características: o Puntos de fusión y ebullición variables se gún el tipo de enlace covalente y la estruc tura.

Tabla 2. Tipos de sólidos

Tipo de Sólido Estructura Cristalina

Características

Ejemplos

Buena conductividad eléctrica y térmica, ductilidad, puntos de fusión y ebullición alto s Puntos de fusión y ebullición altos, baja conductividad en estado sólido, fragilidad Puntos de fusión y ebullición variables, dureza y fragilidad, algunos pueden ser aislantes eléctrico s

Hierro (Fe), Cobre (Cu), Aluminio (Al)

Sólidos Metálicos

Estructura de Red Metálic a

Cloruro de Sodio (NaCl), Sulfato de Calcio (CaSO4), Óxido de Magnesio (MgO)

Sólidos Iónicos

Red de Iones Cargados (Cationes y Aniones)

Red Covalente de Átomos unidos por Enlaces Covalentes

Diamante (Carbono), Silicio (Si), Cuarzo (SiO2)

Sólidos Covalentes

Estructuras cirstalinas de sólidos metálicos, iónicos y covalentes

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02- ESTRUCTURA DE LOS SÓLIDOS CRISTALINOS

Defectos en sólidos cristalinos: puntuales, lineales e interfaciales

En los sólidos cristalinos, los defectos son imperfecciones en la disposición regular de los átomos, iones o moléculas en la estruc tura cristalina. Estos defectos pueden tener un impacto significativo en las propieda des de los materiales, incluyendo su dureza, conductividad y capacidad para deformar se. Aquí se describen los principales tipos de defectos: Los defectos puntuales en los sólidos cris talinos son imperfecciones en la estructu ra cristalina que involucran átomos, iones o vacancias individuales. Estos defectos se consideran “puntuales” porque afectan solo a una posición puntual o sitio en la estructu ra cristalina en lugar de perturbar la estruc tura en su totalidad. Los defectos puntuales pueden ser clasificados en varios tipos: • Defectos de Vacancia: En un defecto de vacancia, un átomo o ion falta en su posición regular en la red cris talina. Esto crea un hueco o vacancia en el lugar donde debería estar el átomo. Los de fectos de vacancia son comunes en sólidos iónicos y metálicos. Estos defectos pueden afectar las propiedades eléctricas y térmi cas del material y su capacidad para difun dir iones o electrones. • Defectos de Intersticial: En un defecto de intersticial, un átomo o ion Defectos Puntuales:

adicional se encuentra en un lugar adicio nal o intersticial entre los átomos regulares de la red cristalina. Esto puede aumentar la densidad del material y afectar su dureza y capacidad de deformación. Los átomos in tersticiales pueden ser átomos extrínsecos o impurezas que se incorporan en la estruc tura. • Defectos de Sustitución: En un defecto de sustitución, un átomo o ion en la red cristalina es reemplazado por un átomo o ion diferente. Esto puede ocurrir cuando se incorporan impurezas en el ma terial, lo que puede afectar sus propiedades químicas y físicas. Los defectos de susti tución también pueden ser intencionados para modificar las propiedades del material. • Defectos de Autointersticial: En un defecto de autointersticial, un átomo de la propia especie se coloca en un sitio in tersticial adicional en la red cristalina. Estos defectos pueden influir en la deformación y la plasticidad del material. - Aplicaciones en Ingeniería Civil: Los de fectos puntuales pueden influir en la resis tencia y la durabilidad de los materiales de construcción, como metales y cerámicas. Estos defectos puntuales son fundamenta les para comprender y controlar las propie dades de los materiales sólidos cristalinos. Pueden ser introducidos deliberadamente en materiales durante procesos de fabri

Defectos en sólidos cristalinos: puntuales, lineales e interfaciales

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02- ESTRUCTURA DE LOS SÓLIDOS CRISTALINOS

• Dislocaciones de Tornillo: Las dislocaciones de tornillo ocurren cuan do las filas de átomos o iones giran alrede dor de un eje en lugar de estar alineadas de manera rectilínea. Estas dislocaciones pue den afectar la deformación y la plasticidad de un material. Las dislocaciones de tornillo a menudo se asocian con fuerzas de corte y deformación por torsión. • Dislocaciones Mixtas: Las dislocaciones mixtas son una combina ción de dislocaciones de borde y de tornillo. Tienen características tanto de las disloca ciones de borde como de las de tornillo y pueden tener efectos variados en las pro piedades del material. - Aplicaciones en Ingeniería Civil: Las dis locaciones son importantes en la deforma ción y el flujo de materiales en respuesta a fuerzas externas, lo que es relevante en la ingeniería de materiales y la construcción. Las dislocaciones son especialmente re levantes en materiales metálicos, aunque también pueden encontrarse en otros tipos de materiales cristalinos. Su presencia y mo vimiento son responsables de la deforma ción plástica de metales y pueden afectar la resistencia, la ductilidad y la tenacidad de los materiales. Los ingenieros y científicos de materiales estudian y controlan estas dislo caciones para diseñar materiales con pro piedades específicas.

cación para modificar sus propiedades de manera controlada. Por ejemplo, la adición controlada de ciertas impurezas puede me jorar la conductividad eléctrica de un ma terial semiconductor o alterar sus propieda des ópticas.

Defectos Lineales:

Los defectos lineales en los sólidos crista linos son imperfecciones en la estructura cristalina que afectan a líneas o alineacio nes de átomos, iones o moléculas dentro del cristal en lugar de perturbar toda la es tructura tridimensional. Estos defectos pue den tener un impacto significativo en las propiedades mecánicas y eléctricas de los materiales sólidos. Hay varios tipos de de fectos lineales, siendo los más comunes las dislocaciones. Las dislocaciones se dividen en tres categorías principales: •Dislocaciones de Borde: Estas dislocaciones ocurren cuando una fila de átomos o iones en la red cristalina está desalineada o mal emparejada con respec to a las filas adyacentes. En otras palabras, hay un “borde” donde los átomos no están en su posición regular. Las dislocaciones de borde pueden influir en la deformación y la dureza de un material. Son especialmente importantes en la plasticidad de materiales cristalinos, ya que pueden facilitar el desli zamiento de átomos o iones en respuesta a tensiones.

Defectos en sólidos cristalinos: puntuales, lineales e interfaciales

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02- ESTRUCTURA DE LOS SÓLIDOS CRISTALINOS

Defectos Interfaciales:

sujetos a tensiones o distorsiones significa tivas, lo que afecta las propiedades mecá nicas y químicas. • Dislocaciones de Borde de Grano: Las dislocaciones también pueden encon trarse en los bordes de grano, lo que se conoce como dislocaciones de borde de grano. Estas dislocaciones son defectos li neales que afectan la estructura en el borde de grano y pueden facilitar la deformación y el deslizamiento de átomos en respuesta a tensiones. • Dislocaciones en Límites de Fase: Al igual que en los bordes de grano, las dislo caciones pueden encontrarse en los límites de fase, lo que se conoce como dislocacio nes en límites de fase. Estas dislocaciones pueden influir en la plasticidad y la defor mación en la región de la interfaz. - Aplicaciones en Ingeniería Civil: Los de fectos interfaciales pueden influir en la re sistencia de los materiales y su capacidad para soportar cargas, lo que es esencial en la construcción y el diseño de estructuras. Los defectos interfaciales son de gran im portancia en la ciencia de materiales, ya que afectan las propiedades y el compor tamiento de los materiales. Los ingenieros y científicos de materiales estudian estos defectos para comprender y controlar las propiedades de los materiales, y pueden manipularlos para diseñar materiales con

Los defectos interfaciales en los sólidos cris talinos son imperfecciones que ocurren en o cerca de las interfaces o límites entre di ferentes regiones cristalinas en un material. Estas imperfecciones pueden tener un im pacto significativo en las propiedades de los materiales y son especialmente relevantes en situaciones donde hay una transición de una estructura cristalina a otra, como en los bordes de grano o en los límites de fase. Los tipos más comunes de defectos interfacia les incluyen: • Bordes de Grano: Los bordes de grano son interfaces donde dos cristales o granos con orientaciones cristalinas ligeramente diferentes se en cuentran. Los átomos en los bordes de gra no pueden tener una disposición menos re gular o estar desalineados en comparación con los átomos en el interior de cada cristal. Estos bordes pueden influir en la dureza, la conductividad eléctrica y la deformabilidad del material. También son sitios donde pue den ocurrir reacciones químicas o corrosión. • Límites de Fase: Los límites de fase son interfaces donde dos fases distintas se encuentran. Estas fases pueden tener composiciones químicas di ferentes o estructuras cristalinas diferentes. Los límites de fase son comunes en mate riales compuestos, aleaciones y cerámicas. Los átomos en estos límites pueden estar

Defectos en sólidos cristalinos: puntuales, lineales e interfaciales

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02- ESTRUCTURA DE LOS SÓLIDOS CRISTALINOS

propiedades específicas para aplicaciones particulares. La mejora de la resistencia de los materiales y la optimización de su rendi miento son ejemplos de áreas donde el con trol de los defectos interfaciales es esencial (Callister, 2016).

Defectos en sólidos cristalinos: puntuales, lineales e interfaciales

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03 DIAGRAMAS DE FASE Conceptos básicos de diagrama de fases Componentes y fases Eje de temperatura y presión Puntos y Líneas de Equilibrio Puntos Críticos y Triple Punto Aplicaciones en Construcción Términos relacionados con los diagramas de fase

03- DIAGRAMAS DE FASE

Conceptos básicos de diagrama de fases

Los diagramas de fase son representaciones gráficas que muestran cómo las diferentes sustancias cambian de estado (sólido, líqui do y gaseoso) en función de la temperatura y la presión. Estos diagramas son esenciales para comprender y predecir el comporta miento de los materiales en una variedad de situaciones, desde la fabricación de ma teriales de construcción hasta la planifica ción de procesos de fundición. La Figura 5 es un ejemplo de lo anterior.

tintas de un sistema. En el sistema agua-hie lo, hay dos fases: agua líquida y hielo sólido.

Eje de Temperatura y Presión:

Los diagramas de fase tienen ejes que re presentan la temperatura y la presión. Al va riar la temperatura y la presión, se pueden observar los cambios en el estado de la ma teria de un componente o sustancia.

Puntos y Líneas de Equilibrio:

• Puntos de Equilibrio: Estos son puntos en el diagrama donde dos fases coexisten en equilibrio, como el punto en el que el hielo y el agua líquida coexis ten a una cierta temperatura y presión. Este punto se llama punto de fusión. • Líneas de Equilibrio: Estas son líneas que separan regiones en el diagrama donde una fase es termodinámi camente estable de otra. Por ejemplo, una línea de equilibrio puede separar la región donde el agua es líquida de la región donde es sólida (hielo).

Figura 5. Diagrama de fase (Fuente: Castro et al. 2016)

Componentes y Fases:

• Componentes: En la química, los componentes son las sus tancias puras que están involucradas en un sistema. En un sistema de agua y hielo, por ejemplo, los componentes son agua líquida y hielo sólido. • Fases: Las fases son las partes homogéneas y dis

Puntos Críticos y Triple Punto:

• Punto Crítico: Es el punto en el diagrama de fase donde las fases líquida y gaseosa se vuelven indistin 27

Conceptos básicos de diagrama de fases

03- DIAGRAMAS DE FASE

• Componente: En el contexto de los diagramas de fase, un componente se refiere a una sustancia química pura que está presente en un sis tema o una mezcla. Cada componente es independiente y se puede cambiar o variar sin afectar la identidad de los demás com ponentes en el sistema. Por ejemplo, en el sistema agua y sal (NaCl), hay dos compo nentes: agua (H2O) y sal (NaCl). • Soluto: El soluto es una sustancia que se disuelve en un solvente para formar una solución. En una solución, el soluto es la sustancia que está presente en menor cantidad. Por ejem plo, cuando se disuelve sal (NaCl) en agua, el NaCl es el soluto y el agua es el solvente. • Solvente: El solvente es la sustancia en la que se di suelve un soluto para formar una solución. En una solución, el solvente es la sustancia presente en mayor cantidad. En el ejemplo anterior, el agua es el solvente que disuelve la sal (NaCl) para crear una solución salina. • Sistema: En el contexto de los diagramas de fase, un sistema se refiere a una porción específica de materia o una mezcla de componentes que se encuentra bajo observación o estu dio. Un sistema puede estar compuesto por uno o más componentes y puede ser abier to (intercambio de materia y energía con su entorno), cerrado (intercambio de energía, pero no de materia con su entorno) o ais lado (sin intercambio de materia ni energía

guibles y las propiedades se vuelven únicas. En ingeniería civil, esto podría ser relevante en aplicaciones de fluidos como la planifi cación de sistemas de climatización. • Triple Punto: Es el punto en el diagrama donde las tres fa ses (sólido, líquido y gaseoso) coexisten en equilibrio. Es un punto importante para cali brar termómetros. Aplicaciones en Construcción: Los diagramas de fase son útiles en la inge niería civil para comprender cómo los ma teriales como el agua, el hormigón y otros materiales de construcción se comportan bajo diferentes condiciones de temperatu ra y presión. Por ejemplo, conocer los puntos de congelación y fusión del agua es esen cial para el diseño de sistemas de tuberías en climas fríos, mientras que la comprensión de los diagramas de fase de los materiales de construcción puede ser crucial para ga rantizar la durabilidad de las estructuras. En resumen, los diagramas de fase son he rramientas esenciales para representar y comprender cómo las sustancias cambian de estado en función de la temperatura y la presión. Estos diagramas son fundamen tales para la planificación y el diseño en la ingeniería civil, especialmente en aplica ciones que involucran materiales y fluidos (Castro et al, 2016). Términos relacionados con los diagramas de fase:

Conceptos básicos de diagrama de fases

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03- DIAGRAMAS DE FASE

con su entorno). Los sistemas son el enfo que de estudio en la termodinámica y en la construcción de diagramas de fase. • Solución Solida: Una solución sólida es una fase homogénea en un sólido que consiste en la mezcla de dos o más componentes a nivel atómico o molecular. En una solución sólida, los áto mos, iones o moléculas de diferentes ele mentos se mezclan uniformemente en la estructura cristalina del sólido, sin formar fases separadas o regiones distintas. Este tipo de mezcla se produce en el nivel mi croscópico y no es visible a simple vista, ya que los diferentes átomos o iones se distri buyen de manera uniforme en la red crista lina del sólido. Las soluciones sólidas son comunes en aleaciones metálicas, donde diferentes metales se mezclan para crear materiales con propiedades específicas. Por ejemplo, en la aleación de bronce, el cobre y el es taño forman una solución sólida en la que los átomos de cobre y estaño se mezclan en la estructura cristalina. La formación de soluciones sólidas puede alterar significati vamente las propiedades mecánicas, eléc tricas y térmicas de los materiales, lo que las hace valiosas en aplicaciones de ingeniería y manufactura. • Microestructura: La microestructura se refiere a la organiza ción y disposición de los granos, fases, partí culas y defectos en un material a una escala microscópica. Es una característica funda

mental de los materiales y juega un papel crucial en la determinación de sus propie dades mecánicas, eléctricas, térmicas y químicas. La microestructura se observa mediante técnicas de microscopía, como la microscopía óptica, electrónica o de fuerza atómica, y proporciona información deta llada sobre cómo los átomos o moléculas se organizan y distribuyen en el material. La microestructura puede variar amplia mente entre diferentes materiales y pue de estar compuesta por granos cristalinos en materiales metálicos, fases en mate riales compuestos, cristales en materiales cerámicos o incluso áreas amorfas en po límeros. Los aspectos específicos de la mi croestructura, como el tamaño, la forma, la orientación y la distribución de las fases o los granos tienen un impacto directo en las propiedades del material. El estudio de la microestructura es esencial en la ciencia de materiales y la ingeniería, ya que permite comprender cómo los pro cesos de fabricación, el tratamiento térmico y otros factores influyen en las propiedades finales de un material. La manipulación y control de la microestructura son importan tes para diseñar materiales con propieda des específicas y para garantizar la calidad y el rendimiento de los productos en diver sas aplicaciones, desde la construcción hasta la fabricación de dispositivos electró nicos (Castro et al, 2016).

Conceptos básicos de diagrama de fases

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04 METALES Introducción a las propiedades mecánicas de los metales Método de obtención Aleaciones Metálicas: Una Mezcla de Metales para Mejorar Propiedades Propósito de las Aleaciones Fabricación de las Aleaciones Componentes de Aleación en Estado Sólido: Soluciones Sólidas Diagramas de fase binarios La Regla de la Palanca Sistemas eutécticos binarios Sistemas binarios con varias reacciones invariantes El Diagrama Hierro-Carbon o Fundamentos corrosión en metales Factores que Influyen en la Corrosión Tipos de Corrosión Reacciones Redox en la Corrosión de Metales Implicaciones en la Corrosión Prevención de la Corrosión Ecuación de Nernst en Corrosión de Metales Aplicación en la corrosión de Metales Diagramas de Pourbaix en Corrosión de Metales Componentes de un Diagrama de Pourbaix Prevención de la corrosión del Acero en el Interior del Hormigón Corrosión Galvánica: Una Reacción Electroquímica Los Componentes Clave de la Corrosión Galvánica Prevención de la Corrosión Galvánica

04- METALES

Introducción a las propiedades mecánicas de los metales.

Los metales son materiales ampliamen te utilizados en la ingeniería civil debido a sus propiedades mecánicas excepcionales, que incluyen resistencia, ductilidad, tenaci dad y maleabilidad. Estas propiedades son fundamentales para diseñar estructuras y componentes que puedan soportar cargas y fuerzas en diversas aplicaciones. • Resistencia: La resistencia de un material se refiere a su capacidad para soportar cargas sin defor marse permanentemente o romperse. Los metales son conocidos por su alta resisten cia, lo que los hace ideales para la construc ción de estructuras robustas, como puentes y edificios. • Ductilidad: La ductilidad se refiere a la capacidad de un material para deformarse plásticamente sin romperse. Los metales son generalmente altamente ductiles, lo que significa que pue den estirarse o doblarse sin fracturarse. Esto es esencial en aplicaciones de construcción, ya que permite la deformación controlada de los materiales sin fallos catastróficos. • Tenacidad: La tenacidad combina la resistencia y la ductilidad y se refiere a la capacidad de un material para absorber energía antes de romperse. Los metales tienden a ser mate riales tenaces y pueden absorber grandes cantidades de energía antes de fallar, lo que

es esencial en estructuras que pueden estar sujetas a impactos o cargas cíclicas. • Maleabilidad: La maleabilidad es la capacidad de un ma terial para ser deformado en formas especí ficas, como laminado o forjado, sin romper se. Los metales son maleables y se pueden transformar en láminas delgadas o formar en diversas geometrías, lo que es útil en aplicaciones de fabricación y construcción. • Dureza: La dureza es la resistencia de un material a la penetración, abrasión o rayado. Los me tales varían en dureza, y esta propiedad es importante en la selección de materiales para aplicaciones específicas. Por ejemplo, el acero endurecido se utiliza en herramien tas debido a su alta dureza. • Módulo de Elasticidad: El módulo de elasticidad se refiere a la ri gidez de un material y su capacidad para recuperar su forma original después de la deformación. Los metales tienden a tener un módulo de elasticidad alto, lo que significa que pueden mantener su forma bajo cargas y luego volver a su forma original cuando se retiran las cargas. • Conductividad Térmica y Eléctrica: Muchos metales son buenos conductores de calor y electricidad, lo que es importante en aplicaciones donde se necesita transfe rencia de calor o electricidad, como en sis

Introducción a las propiedades mecánicas de los metales

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04- METALES

• Trituración y Molienda: Una vez que se ha extraído el mineral, se tri tura y muele en partículas más pequeñas. Esto aumenta la superficie del mineral, lo que facilita la liberación de los componen tes metálicos. • Concentración: En esta etapa, se utiliza una variedad de técnicas para concentrar los componentes metálicos del mineral. La flotación por espu ma es un método común en el que se utiliza aire para separar los minerales metálicos de los minerales no metálicos. • Reducción: La mayoría de los metales se encuentran en forma de minerales en los que están com binados con otros elementos. Para obtener el metal puro, es necesario separarlo de estos compuestos. Esto se logra median te procesos de reducción, que implican la eliminación de los elementos no deseados. La reducción puede ser química, como en el caso de la obtención de aluminio, o me diante procesos físicos, como en la obten ción de hierro en un alto horno. • Refinación: Incluso después de la etapa de reducción, el metal obtenido puede contener impurezas. La refinación es el proceso de purificación adicional del metal. Pueden utilizarse varios métodos, como la electrólisis para obtener aluminio de alta pureza o el proceso de fun

temas de calefacción o conductores eléc tricos. Te invitamos a revisar la Unidad 2 del mó dulo de TECNOLOGÍA DE MATERIALES. En la ingeniería civil, la comprensión de es tas propiedades mecánicas es crucial para el diseño y la selección de materiales me tálicos adecuados para estructuras y com ponentes. La elección del metal correcto, considerando sus propiedades mecánicas, es esencial para garantizar la seguridad y la durabilidad de las construcciones. La obtención de metales es un proceso que implica la extracción y purificación de ele mentos metálicos a partir de sus fuentes naturales, que generalmente son minera les o menas. El método exacto de obtención puede variar según el metal y su origen, pero a grandes rasgos, el proceso de obtención de metales involucra los siguientes pasos: • Extracción: La primera etapa es la extracción del mine ral de la tierra. Los minerales pueden encon trarse en minas subterráneas o en minas a cielo abierto, dependiendo de la ubicación y la concentración del metal. La extracción implica la remoción de grandes cantidades de material estéril o inútil para llegar al mi neral deseado. Método de obtención

Introducción a las propiedades mecánicas de los metales

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