Cuestionario Unidad2 Ciencia De Materiales 314p1j

Problemas Capitulo II (Askeland) 2.1 ¿Qué significa el término composición de un material? - Indica cuál es la composición química de un material. 2.2 ¿Qué significa el término estructura de un material? - El arreglo atómico visto con distintos grados de detalle 2.3 ¿Cuáles son los diferentes niveles de estructura de un material?     

Macroestructura Microestructura Nanoestructura Arreglos atómicos de largo y corto alcance Estructura atómica

2.4 ¿Por qué es importante tener en cuenta la estructura de un material cuando se diseña y se fabrican componentes? -Porque así es posible controlar las propiedades de los materiales y adaptarlos a las necesidades de cierta aplicación mediante el control de su estructura y composición. 2.5 ¿Cuál es la diferencia entre la microestructura y la macroestructura de un material? -Difiere en el tamaño de estudio de cada material ya que la microestructura comprende tamaños de 10 a 1000nm y la macroestructura comprende valores de estudio de los 1000nm en adelante. 2.6 a) El papel aluminio que se usa para almacenar alimentos pesa unos 0.3 g por in 2 ¿Cuántos átomos de aluminio contiene una in2 de ese papel? á𝑡𝑜𝑚𝑜𝑠 =

(0.3𝑔)(6.02𝑥1023 𝑎𝑡𝑚/𝑚𝑜𝑙) = 6.69𝑥1021 á𝑡𝑜𝑚𝑜𝑠 26.9981𝑔/𝑚𝑜𝑙

b) Con las densidades y los pesos atómicos que se encuentran en el apéndice A, calcule y compare la cantidad de átomos por cm3 en i) el plomo y ii) el litio. 23 11.36𝑔 3 ) 6.02𝑥10 𝑎𝑡𝑚 (1𝑐𝑚 ) ( ) 𝑎𝑡𝑜𝑚𝑜𝑠 𝑚𝑜𝑙 𝑐𝑚3 𝑖) = = = 3.3𝑥1022 á𝑡𝑜𝑚𝑜𝑠/𝑐𝑚3 207.19𝑔 𝑐𝑚3 𝑚𝑜𝑙 𝑎𝑡𝑜𝑚𝑜𝑠 (0.534𝑔/𝑐𝑚3 )(1𝑐𝑚3 )(6.02𝑥1023 𝑎𝑡𝑚/𝑚𝑜𝑙) 𝑖𝑖) = = 𝑐𝑚3 207.19𝑔/𝑚𝑜𝑙 22 3 = 4.63𝑥10 á𝑡𝑜𝑚𝑜𝑠/𝑐𝑚

(

2.7 a) Con los datos del apéndice A, calcule la cantidad de átomos de hierro en una tonelada corta (2000 libras) de hierro. 454 𝑔 6.02𝑥1023 𝑎𝑡𝑚 (2000𝑙𝑏) ( ) ( ) á𝑡𝑜𝑚𝑜𝑠 𝑙𝑏 𝑚𝑜𝑙 = = 9.79𝑥1027 á𝑡𝑜𝑚𝑜𝑠/𝑡𝑜𝑛 55847𝑔 𝑡𝑜𝑛 𝑚𝑜𝑙 b) Use los datos del apéndice A para calcular el volumen, en cm 3, que ocupa un mol de boro. 10.81𝑔 ( ) (1𝑚𝑜𝑙) 𝑚𝑜𝑙 𝑐𝑚 = = 4.7𝑐𝑚3 2.3𝑔 𝑐𝑚3 3

2.8 Para niquelar una parte de acero con 200in2 de superficie, con una capa de 0.002 in de espesor de níquel a) ¿Cuántos átomos de níquel se requieren? 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 = (200𝑖𝑛2 )(0.002𝑖𝑛) ( á𝑡𝑜𝑚𝑜𝑠 =

2.54𝑐𝑚 3 𝑖𝑛

) = 6.555𝑐𝑚3

(8.902𝑔/𝑐𝑚3 )(6.555𝑐𝑚3 )(6.02𝑥1023 𝑎𝑡𝑚/𝑚𝑜𝑙) = 5.98𝑥1023 á𝑡𝑜𝑚𝑜𝑠 58.71𝑔/𝑚𝑜𝑙

a) ¿Cuántos moles de níquel se requieren? (6.555𝑐𝑚3 )(8.902𝑔/𝑐𝑚3 ) = 0.994 𝑚𝑜𝑙 58.71𝑔 𝑚𝑜𝑙 2.9 Suponiendo que un elemento tiene valencia 2 y numero atómico 27, y sólo con base en los números cuánticos ¿Cuántos electrones debe haber en el nivel de energía 3d? -Se hace una resta de los números de valencia para encontrar el número de electrones en el nivel 3d 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3dx 4s2 ∴ 27-2-2-6-2-6-2 = x = 7 2.10 El indio, con número atómico 49, no contiene electrones en sus niveles de energía 4f. Sólo con esta información, ¿Cuál debe ser la valencia del indio? -Se hace una resta de los números de valencia para encontrar el número de electrones en el nivel 5(sp) x y después distribuir los electrones en cada nivel

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 4f0 5(sp) x ∴ 49-2-2-6-2-6-10-2-6-10-0= x = 3 ∴ 5s2 5p1 2.11 Sin ver el apéndice C, describa los números cuánticos de cada uno de los 18 electrones de la capa M del cobre, con el formato semejante al de la figura 2-9. Para la capa M del cobre

2.12 En los metales, la carga eléctrica se transfiere con el movimiento de los electrones de valencia. ¿Cuántos portadores potenciales de carga hay en un alambre de aluminio de 1mm de diámetro y 100 m de longitud? 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 = (𝜋/4)𝑑 2 𝑙 = (𝜋/4)(10000𝑐𝑚)(0.1𝑐𝑚)2 = 78.54𝑐𝑚3 𝑛=

(2.699𝑔/𝑐𝑚3 )(78.54𝑐𝑚3 )(6.02𝑥1023 𝑎𝑡𝑚/𝑚𝑜𝑙)(3 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑜𝑛𝑒𝑠/𝑎𝑡𝑚) 26.981𝑔/𝑚𝑜𝑙 25 = 1.42𝑥10 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎𝑠

2.13 La tabla periódica de los elementos nos puede ayudar a racionalizar mejor las tendencias en las propiedades de los elementos y los compuestos, a partir de elementos de distintos grupos. Busque en la literatura publicada los coeficientes de expansión o dilatación térmica de los elementos del grupo 4B. Determine una tendencia y vea si se correlacionan con las temperaturas de fusión u otras propiedades –espacio entre bandasde estos elementos.

Elemento Ti Zr Hf Rf

Punto de fusión

Punto de ebullición

1668

3287

1855

4409

2233

4603

-

-

Coeficiente de dilatación x10^-6*K^-1 8.6 5.7 5.9 -

Propiedades de elementos Coeficiente de dilatación x10^-6*K^-1 0 Punto de fusión

1855 0

4409 1668 2000

3287

4603

2233 4000

6000

8000

10000

12000

14000

Punto de fusión

Punto de ebullición

Zr

1855

4409

Coeficiente de dilatación x10^6*K^-1 0

Ti

1668

3287

0

Hf

2233

4603

0

Rf

0

0

0

2.14 El enlace del compuesto intermetálico Ni3Al es principalmente metálico. Explique por qué hay un poco componente iónico, si es que lo hay, en el enlace. La electronegatividad aproximada del Ni es 1.8 - La electronegatividad de Al es 1.5, mientras que la de Ni es 1.8. Estos valores son relativamente cercanos, por lo que no esperaríamos mucho el enlace iónico. También, ambos son metales y prefieren renunciar a sus electrones en lugar de compartirlos o donarlos. 2.15 Haga una gráfica de las temperaturas de fusión de los elementos de las columnas desde la 4ª hasta la 8 o 10 en la tabla periódica, en función del número atómico. Es decir, grafique las temperaturas de fusión de Ti hasta el Ni, del Zr hasta el Pd y del Hf hasta el Pt. Describa estas relaciones con base en el tipo de enlace atómico y en las energías de enlace: a) al aumentar el nuero atómico y b) al aumentar el número atómico en cada columna de la tabla periódica. Ti-Ni 1668 1900 1875 1244 1538 1495

Zr-Pd 1852 2468 2610 2200 2310 1963

Hf-Pt 2227 2996 3410 3180 2700 2447

1453

1552

1769

Punto de Fusion °C 4000 3500

3410

3000

2996

2500

2468

3180 2700

2610

2227 2000

1900

1852 1668

1500

2447

2310

2200

1963

1875 1538

1769 1552 1453

1495

1244 1000 500 0 1

2

3

4

Ti-Ni

5

Zr-Pd

6

7

Hf-Pt

2.16 Haga una gráfica de la temperatura de fusión de los elementos de la columna 1A, en función del número atómico. Es decir, grafique las temperaturas de fusión del Li hasta el Cs. Describa la relación, con base en el enlace atómico y la energía de enlace. Li Na K Rb Cs

T °C 180.7 97.8 63.2 38.9 28.44

Punto de Fusión 200 180 160 140

Grados °C

120 100 80 60 40 20

0

Li

Na

K

Rb

Cs

T °C

180.7

97.8

63.2

38.9

28.44

Punto de Fusion

180.7

97.8

63.2

38.9

28.44

2.17 Al aumentar la temperatura de un semiconductor se rompen los enlaces covalentes. Por cada enlace roto se liberan dos electrones, que se mueven y transfieren carga eléctrica a) ¿Qué fracción del total de los electrones de valencia tienen libertad de movimiento? 6.02𝑥1023 𝑎𝑡𝑚 ) 𝑚𝑜𝑙 = 1.072𝑥1024 á𝑡𝑜𝑚𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑆𝑖 28.08𝑔 𝑚𝑜𝑙 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑟𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑣𝑎𝑙𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 = (4 ) (1.072𝑥1024 á𝑡𝑜𝑚𝑜𝑠) 𝑎𝑡𝑚 = 4.288𝑥1024 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑜𝑛𝑒𝑠 5𝑥1015 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑙𝑖𝑏𝑟𝑒𝑠 = = 1.17𝑥10−9 4.288𝑥1024 (50𝑔) (

b) ¿Qué fracción de enlaces covalentes se deben romper para que 5x1015 electrones conduzcan carga eléctrica en 50g de silicio? Hay un enlace covalente por átomo de Si (cada átomo de Si está unido a otros cuatro). Hay un total de 1.072x1024. Cada enlace tiene 2 electrones, por lo que la cantidad de enlaces rotos necesarios para producir 5x1015 electrones es de 2.5x1015. La fracción de enlaces rotos es: 2.5x1015 𝑓𝑟𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛 = = 2.33𝑥10−9 1.072𝑥1024 c) ¿Qué fracción total de átomos de silicio debe sustituirse con átomos de arsénico para que haya un millón de electrones que se muevan con libertad en una libra de silicio?

(1 𝑙𝑏 𝑆𝑖) (

454𝑔 6.02𝑥1023 𝑎𝑡𝑚 )( ) á𝑡𝑜𝑚𝑜𝑠 𝑙𝑏 𝑚𝑜𝑙 = 9.733𝑥1024 28.08𝑔 𝑙𝑏 𝑚𝑜𝑙

Como tiene una valencia de 5; por lo tanto, para obtener 10 6 electrones, necesitamos reemplazar 106 átomos de Si. En una libra de Si, la fracción de As debe ser: 1x106 𝑓𝑟𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛 = = 1.03𝑥10−19 9.733𝑥1024 2.18 El metano tiene una estructura tetraédrica parecida a la de la SiO4, con un átomo de carbono de radio 0.77x10-8cm en el centro y átomos de hidrogeno de0.46x10-8 en cuatro de los 8 vértices. Calcule el tamaño del cubo tetraédrico del metano. 1 √3𝑎 = 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑜𝐶 + 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑜𝐻 2 1 √3𝑎 = 0.77𝑥10−8 + 0.46𝑥10−8 2 𝑎 = 1.42𝑥10−8 𝑐𝑚 2.19 El fosfuro de aluminio es un semiconductor compuesto que tiene enlaces iónicos y covalentes mezclados. Calcule la fracción de enlace que es iónica. 𝐸𝐴𝑙 = 1.5 𝐸𝑝 = 1.5 𝑓𝑟𝑎𝑐𝑐ó𝑛𝑐𝑜𝑣𝑎𝑙𝑒𝑛𝑡𝑒 = exp(−0.25∆𝐸 2 ) 𝑓𝑟𝑎𝑐𝑐ó𝑛𝑐𝑜𝑣𝑎𝑙𝑒𝑛𝑡𝑒 = exp(−0.25(2.1 − 1.5)2 ) = exp(−0.09) = 0.914 𝑓𝑟𝑎𝑐𝑐ó𝑛𝑖𝑜𝑛𝑖𝑐𝑎 = 1 − 0.914 = 0.086 ∴ 𝑒𝑙 𝑒𝑛𝑙𝑎𝑐𝑒 𝑒𝑠 𝑚á𝑠 𝑐𝑜𝑣𝑎𝑙𝑒𝑛𝑡𝑒 2.20 Calcule la fracción de los enlaces de MgO que es iónica. 𝐸𝑀𝑔 = 1.2 𝐸𝑂 = 3.5 𝑓𝑟𝑎𝑐𝑐ó𝑛𝑐𝑜𝑣𝑎𝑙𝑒𝑛𝑡𝑒 = exp(−0.25(3.5 − 1.52) = exp(−01.3225) = 0.266 𝑓𝑟𝑎𝑐𝑐ó𝑛𝑖𝑜𝑛𝑖𝑐𝑎 = 1 − 0.266 = 0.737 ∴ 𝑒𝑙 𝑒𝑛𝑙𝑎𝑐𝑒 𝑒𝑠 𝑚á𝑠 𝑖ó𝑛𝑖𝑐𝑜

2.21 ¿Cuál es el tipo de enlace en el diamante? ¿Concuerdan las propiedades del diamante con la naturaleza de sus enlaces? -Se dice que el diamante se basa en enlaces covalentes de C-C y se espera que por el tipo de enlace los materiales sean muy duros, pero en este caso al ser duro también lo vuelve vulnerable a la fragilidad de impacto 2.22 ¿Cuáles son algunas de las aplicaciones industriales del diamante? -Se usan películas delgadas de diamante para el recubrimiento de herramientas de corte y proporcionar un filo resistente al desgaste

2.23 Los materiales como el SiC y el Si3N4 se usan en aplicaciones de esmerilado y pulimiento, explique por qué se escogen estos materiales para estas aplicaciones. -Ya que tienen enlaces covalentes y un procesamiento de sinterización, sus puntos de fusión son alta y una ductilidad reducida, esto genera que en o con materiales más blandos hacen que el material blando pierda material por ser más duros. 2.24 ¿Qué clase de fuerzas de van der Waals actúan entre los átomos de argón? -Fuerzas de London 2.25 ¿Qué clase de fuerzas de van der Waals actúan entre las moléculas de agua? - Puente de Hidrógeno 2.26 Explique por qué la tensión superficial del agua es mayor que las de líquidos orgánicos no polares. -Por la fuerza de los enlaces iónicos, metálicos o covalentes entre los átomos que la forman.