La materia se transforma mediante procesos químicos para dar origen a diversos materiales útiles para la vida diaria.
Descubre las propiedades, definición y clasificación de los materiales para comprender mejor el mundo que nos rodea.
¿Qué son los materiales?
Los materiales están constituidos por elementos que se combinan para generar una composición química definida.
Antes de estudiar el concepto de los materiales debes saber que la química ha estado íntimamente relacionada a la ciencia e ingeniería de los materiales.
Ambas se originaron cuando el hombre adquirió la conciencia de que podía fabricar nuevos materiales, al utilizar y modificar los naturales, a través de procesos que necesitaban del fuego; con ellos, el hombre se transformó, sin saberlo, en el primer químico de materiales.
La curiosidad humana como norte de todo experimento hizo que, entre los 50,000 y 10,000 años a.C, el fuego se utilizará en todos los elementos al alcance, entre ellos las piedras y los metales.
El hombre, al observar que calentando algunas piedras se lascaban más fácilmente, perfeccionó la fabricación de las herramientas líticas; y al notar que el calor hacía más maleables a los metales nativos, facilitó su martillado.
Resulta evidente que martillar en frío hacía que los metales se endurecieran y fracturaran mientras que, al someterlos al calor se volvían más maleables.
De esta manera, los materiales que conoces hoy en día para cualquier fin provienen de la curiosidad del hombre sobre la materia.
Concepto de materiales
Poseen una estructura única y determinada para fines específicos, que puede ser transformada cuando se somete a cambios de energía.
La química se basa en el estudio de los cambios de la materia, por ello es imprescindible conocer sus bases teóricas.
Propiedades de los materiales químicos
Las propiedades de los materiales son ampliamente utilizadas en el mundo de la ingeniería porque a través de ellas se pueden seleccionar los elementos con las características adecuadas para cada aplicación industrial, médico o alimenticia.
Pueden ser físicas, químicas y ecológicas.
Propiedades físicas de los materiales
Las propiedades físicas de los materiales definen el comportamiento que tendrán los mismos ante condiciones de presión, calor, radiación y corriente. Entre ellas están:
Estos son algunos elementos comunes que poseen conductividad eléctrica:
- Aluminio.
- Berilio.
- Cobre.
- Oro.
- Níquel.
- Platino.
- Tungsteno.
- Zinc.
- Estaño.
Son aquellas variantes que afectan la resistencia mecánica y la capacidad de un material para ser moldeado en forma adecuada.
Es decir, que la materia se adaptará a una nueva estructura cuando es sometida a una fuerza externa.
Entre ellas están:
- Fuerza: Es la cualidad de un material para oponerse a la deformación o ruptura cuando se le aplican cargas externas.
- Maleabilidad: Es una cualidad que depende de la temperatura, con el aumento de la misma incrementa la maleabilidad del material. Se define como la propiedad que presentan los materiales sólidos para formar láminas delgadas bajo fuerzas de compresión.
- Ductilidad: Es la capacidad que poseen los materiales sólidos para estirarse y originar alambres cuando son sometidos a tensión de tracción. Dependen de la plasticidad del elemento y la temperatura, con el aumento de la misma mayor ductilidad.
- Fragilidad: Indica la disposición del material al fracturarse cuando se somete a una fuerza externa. Es una propiedad inversa a la ductilidad, algunos materiales metálicos que son dúctiles a temperatura ambiente, se vuelven quebradizos cuando la temperatura disminuye.
- Dureza: Es la cualidad que le brinda al material la capacidad de resistir el cambio de forma permanente cuando se aplican fuerzas externas sobre él. Puede ser: dureza al rayado, dureza ante abolladuras; dureza dinámica o de rebote (altura de rebote de un martillo que golpea el material).
- Tenacidad: Es la propiedad de un material para absorber energía, deformarse y no fracturarse. Para que un material tenga buena tenacidad debe tener ductilidad y resistencia.
- Templabilidad: Es la capacidad del material de alcanzar la dureza o rigidez mediante procesos de enfriamiento térmico.
Define el comportamiento del material frente al calor.
La propiedad térmica que posee decidirá su actuación cuando es sometido a fluctuaciones de calor. Entre ellas están:
- Capacidad calorífica: Es la cantidad de calor que se requiere para cambiar la temperatura del material en un grado.
- Expansión térmica: Es el cambio en el área, forma y volumen del material cuando se calienta.
- Conductividad térmica: Es la propiedad del material para conducir el calor a través de sí mismos. Por ejemplo, una barra de hierro conduce más calor que el vidrio común; mientras que algunos materiales no conducen el calor en absoluto por sus características aislantes.
- Estrés termal: Es la tensión que experimenta un cuerpo gracias a la expansión o contracción térmica. Por ejemplo, las grietas en las aceras son productos del estrés térmico del material.
La propiedad óptica de un material se define como su interacción con la radiación electromagnética en la región visible.
Los materiales se clasifican en función de su interacción con la luz visible en tres categorías.
- Los materiales que son capaces de transmitir luz con casi nada de absorción y reflexión se consideran transparentes, es decir, se puede ver a través de ellos.
- Un material translúcido, por su parte, es aquel en el que la luz se transmite de forma difusa. Es decir, no se distinguen con claridad los objetos cuando se mira a través de ellos.
- Los materiales que son impermeables a la transmisión de la luz visible se denominan opacos. Estos materiales absorben toda la energía de los fotones de luz.
Propiedades químicas de los materiales
Se relaciona con las propiedades físicas, porque según su estructura química el material tendrá dureza, ductilidad, fragilidad y más.
Entre ellas están:
- Resistencia a la corrosión: Capacidad de un material para resistir la oxidación frente a condiciones atmosféricas a las que están expuestos. La corrosión es un ataque químico o electroquímico progresivo sobre un metal que lo transforma en sal, óxido o algún otro compuesto.
- Acidez o alcalinidad: Indica cómo reacciona un material en combinación con otros.
- Enlace atómico: Representa cómo se unen los átomos entre sí para formar el material lo que le otorga las características específicas como punto de ebullición, punto de fusión, conductividad eléctrica y conductividad térmica.
| Material | Composición química |
|---|---|
| Acero | Cr, C, Fe y Ni |
| Latón | Cu (60%) y Zn (40%) |
| Bronce | Cu + Ni o Cu + Sn |
| Nicromo | Ni y Cr |
Propiedades ecológicas de los materiales
Se relaciona con la influencia, positiva o negativa, que tienen los materiales sobre el ambiente.
Son aquellos materiales que pueden servir de materia prima para elaborar nuevos productos una vez que fueron utilizados o acabaron con su vida útil.
Entre ellos están:
- Aluminio.
- Vidrio.
- Hierro.
- Papel.
- Madera.
- Ciertos tipos de polímeros.
Se trata de los materiales que tienen efectos nocivos sobre la salud de los individuos y el medio ambiente. Su manipulación debe ser controlada bajo estrictas normas de bioseguridad.
Se caracterizan por:
- Ausencia de degradación natural, permanecen en el medio ambiente durante largos periodos de tiempo alterando el ecosistema de la zona.
- Alteran la composición del ADN.
- Suelen ser neurotóxicas.
- Alteran la homeostasis endocrina.
- Son biocidas y bioacumulativas.
Entre ellos están:
- Plomo y sus derivados.
- Estireno.
- Cloruro de vinilo.
- Teflón.
- Tolueno.
- Tricloroetileno.
- Materiales ignífugos.
- Amianto.
- Plaguicidas: Organoclorados, organofosforados.
Clasificación de los materiales
- Sólidos: Son rígidos, tienen forma propia, volumen y bajo nivel de compresión.
- Líquidos: Se amoldan al recipiente que los contiene, tienen volumen y bajo nivel de compresión.
- Gaseosos: No tienen forma propia, el volumen depende de la presión, alta capacidad de compresión y se amoldan al recipiente que los contiene.
La materia tiene diferentes estados de agregación lo que le brinda diversas cualidades, puedes conocer más entrando a nuestro post: estados de agregación de la materia.
- Naturales: Son aquellos materiales que se originan en la naturaleza y se moldean sin pasar por procesos químicos. También pertenecen a este grupo los materiales que están constituidos por diferentes materiales de origen natural. Por ejemplo: madera, piedra, arena, entre otros.
- Artificiales: Son materiales creados por el hombre, utilizan materia prima natural la cual es sometida a procesos químicos para alterar su composición y estructura.
- Sintéticos: Son los materiales que resultan de reacciones químicas en las que se reordena la estructura del material original y da origen a una nueva composición con propiedades diferentes. La materia prima puede ser natural, artificial o ambas.
Tipos de materiales químicos
De forma general los materiales pueden ser:
Materiales metálicos
Se caracterizan por poseer alta conductividad térmica y eléctrica.
La mayoría se encuentra en estado sólido a temperatura ambiente, a excepción del mercurio que se halla en estado líquido.
La resistencia de los metales aumenta cuando aumenta la temperatura. Esto quiere decir, que disminuye la capacidad de conductividad eléctrica a través de ellos. Dicho fenómeno se denomina: coeficiente de temperatura de resistencia eléctrica positivo.Los metales se pueden dividir en dos grupos:
- Metales ferrosos: Poseen en común el elemento hierro. Son adecuados para la construcción de máquinas gracias a su elevada permeabilidad magnética. Entre ellos: hierro forjado, acero, acero para muelles, etc.
- Metales no ferrosos: La presencia de hierro en su estructura es nula o muy poca, tienen una permeabilidad magnética muy baja y entre ellos se encuentran los metales preciosos como el oro y la plata, zinc, estaño, plomo, etc.
Materiales cerámicos
Sin embargo, la tecnología ha dado paso a la refinación de dichos materiales lo que le ha brindado cualidades como, permitir el paso de la corriente.
Características de materiales cerámicos:
- Elevados puntos de fusión.
- Por lo común, son aislantes térmicos.
- Su fabricación depende de tratamientos térmicos, lo que le brinda alta resistencia y fuerza de compresión.
- Alta durabilidad a través del tiempo, son resistentes a la corrosión.
Son utilizados, de forma amplia, en la construcción de edificaciones. Los materiales cerámicos desarrollados en la actualidad se pueden dividir en cerámicas constituidas por óxidos y basadas en carburos, nitruros y boruros.
Ejemplos de materiales cerámicos:
- Ladrillos.
- Porcelana.
- Arcilla.
- Carburos: tungsteno, carburo de silicio.
- Nitruros: nitruro de boro, nitruro de silicio.
- Alúmina.
- Zirconia o circonita.
Materiales poliméricos
Poseen una excelente resistencia mecánica gracias a las diferentes interacciones moleculares que establecen en su interior (dipolo-dipolo, puentes de hidrógeno, fuerzas de Van der Waals) y los enlaces de unión covalente.
La composición química de cada monómero puede variar, por lo tanto, las características del polímero son forjadas para un fin específico.
Existen biopolímeros naturales, como por ejemplo las proteínas las cuales son moléculas de gran tamaño formadas por la unión repetitiva de una unidad monomérica, los aminoácidos.
Estos últimos se encuentran unidos mediante enlaces peptídicos y las proteínas adquieren distintas estructuras por las interacciones moleculares de los aminoácidos en su interior.
Otros ejemplos de biopolímeros naturales:
- Almidón.
- Celulosa.
- Seda (natural).
- ADN.
Los polímeros sintéticos en su mayoría se derivan del petróleo, son utilizados de forma masiva en la industria para embalaje, pero tienen amplias aplicaciones. Entre ellos están:
- Polietileno: Fabricación de bolsas y juguetes.
- Nailon.
- Caucho sintético.
- Poliacrilonitrilo: Alfombras, tejidos para telas y carpas.
- Poliestireno: Material aislante y de embalaje.
Materiales Compuestos
Como el porcentaje de componente es diferente o se maneja según las características que se quieren conseguir en el material, se distingue una:
- Fase continua o matriz, es la fase de mayor proporción en el material. Define las propiedades químicas y físicas.
- Fase discontinúa o de refuerzo, es la fase de menor proporción en el material. Define las propiedades mecánicas.
Son de gran utilidad en la fabricación de máquinas pesadas, construcción y soporte de estructuras.
Las combinaciones pueden ser:
- Metal – metal
- Metal – cerámico
- Metal – polímero
- Polímero – cerámico
- Cerámico – cerámico
- Polímero – polímero
Ejemplos de materiales compuestos:
- Hormigón.
- Fibra de vidrio.
- Adobe.
- Multilaminado o contrachapado.
¿Qué es un nanomaterial?
Es importante conocer el avance de la química en la elaboración de materiales.
Los nanomateriales son compuestos de última tecnología en los que por lo menos una de sus dimensiones es inferior a 100 nm. Pueden ser:
- Películas delgadas.
- Multicapas.
- Nanotubos.
- Imanes moleculares.
Sus aplicaciones son múltiples:
- Se han utilizado con fines terapéuticos para tratar enfermedades como la artritis y otras patologías.
- Se utilizan en la industria de las pinturas para mejorar la resistencia a la radiación.
- En los productos cosméticos mejora la estabilidad de los ingredientes presentes en la fórmula.
- En los aparatos electrónicos se utiliza para mejorar la eficiencia energética, reducir el tamaño de los componentes y aumentar la velocidad de procesamiento.
Lista de materiales químicos más utilizados
De origen natural:
- Madera: Construcción de casas y mobiliario.
- Hierro: Estructural y para formar aleaciones resistentes.
- Piedras: Con fines de ingeniería para la construcción de edificaciones.
- Algodón: Como material médico-quirúrgico, aislante, relleno, textiles.
- Lana: Utilidad para fines textiles.
- Carbón: Combustible, generación de polímeros y más.
- Cobre: Conductor eléctrico ampliamente utilizado por la industria eléctrica y electrónica.
- Arena: Componente de construcción.
- Petróleo: Impermeabilización, combustible, generación de polímeros, asfaltado, multiplicidad de utilidades luego de su refinación.
Materiales elaborados por el hombre:
- Policloruro de vinilo (PVC): Termoplástico de amplia para la construcción de tuberías.
- Neopreno: Fabricación de guantes, materiales de laboratorio, mangueras de uso doméstico.
- Porcelana: Fabricación de materiales de laboratorio, vajillas, artesanía.
- Papel: Se utiliza para escribir, dibujar, fabricación de artículos de papelería.
- Caucho: Se utiliza en la industria automotriz, de calzado, de construcción y más.
- Nailon: Elaboración de fibras textiles.
