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Prof. Ing. Ana Ettorre - Marzo 2014 Guía de Estudio U 1 – Introducción 
U 1 - INTRODUCCION 
 
 
Vivimos en un mundo de posesiones materiales que define en gran medida nuestra calidad de vida. 
Las posesiones materiales de nuestros primeros ancestros eran probablemente sus herramientas y 
armas. De hecho, el modo más común de designar cada era en las primeras organizaciones 
humanas es en término de los materiales con los que hacían esas herramientas y armas: la Edad 
de Piedra (hace unos 2 millones de años), la Edad del Cobre (de 4.000 a 2.000 años a.C.), la edad 
del Bronce ( de 2.000 a 1.000 años a.C.), la edad del Hierro (de 1.000 a 1 año a.C.). 
 
Algunas veces se denomina la cultura moderna en la segunda mitad del siglo XX como la edad del 
Plástico en referencia a los materiales poliméricos, de bajo peso y muy económicos, con los que se 
hacen innumerable cantidad y diversidad de productos. Algunos señalan, en cambio, que este 
mismo período de tiempo debería designarse como la “edad del silicio” dado el gran impacto de los 
equipos electrónicos modernos, basados fundamentalmente en la tecnología del silicio. 
 
Fig. 1: Aplicaciones, propiedades y ejemplos representativos para cada categoría de materiales. 
 
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Estas reflexiones no hacen sino, poner de manifiesto la importancia que tienen y tuvieron diversos 
materiales en la cultura y costumbres de cada etapa de la humanidad. En el presente, nos 
ocuparemos del estudio de los materiales modernos y el de los productos energéticos (petróleo y 
alternativos) con los cuales fabricamos los objetos que nos rodean y los que usamos para generar 
energía. 
 
1. Tipos de materiales 
Normalmente se aceptan las siguientes cinco categorías de materiales disponibles por los 
ingenieros en su práctica profesional: metales, cerámicos y vidrios, polímeros, materiales 
compuestos y semiconductores (Fig. 1). 
 
Metales 
Si existe un material “característico” que el público en general asocia con la ingeniería es el 
acero. Este versátil material de construcción posee varias propiedades consideradas típicas en 
los metales: tienen alta resistencia, gran rigidez estructural, ductilidad, conformado fácil y 
buena resistencia a los choques térmicos. Los metales tienen especial utilidad en aplicaciones 
estructurales o bajo cargas dinámicas. 
 
Fig. 2: Tabla periódica de los elementos en la que se ha sombreado aquellos elementos cuyas 
propiedades son inherentemente metálicas. 
 
Al analizar la estructura interna de los metales se sabe que poseen un gran número de 
electrones deslocalizados que no pertenecen a ningún átomo en particular; el conjunto de los 
electrones deslocalizados de todos los átomos del sólido conforman un mar de electrones que 
se desplaza libremente en él. Por esto, los metales conducen perfectamente el calor y la 
electricidad. La mayoría de las propiedades de los metales se atribuyen a la unión metálica. 
Son, además, opacos a la luz visible y poseen brillo metálico característico. 
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Aunque a veces se usan metales puros, las mezclas de metales llamadas aleaciones permiten 
mejorar determinadas propiedades de uno en particular o lograr mejores combinaciones de 
propiedades. 
 
Cerámicos y vidrios 
El aluminio es un metal común, pero el óxido de aluminio, Al2O3, es característico de una familia 
completamente distinta de materiales para ingeniería: los materiales cerámicos. El óxido de 
aluminio tiene dos ventajas muy importantes sobre el aluminio metálico. La primera es que el 
óxido de aluminio es químicamente estable en una gran variedad de ambientes severos en los 
que el aluminio se oxida. De hecho, un producto normal de reacción en la degradación química 
del aluminio es el óxido, con una mayor estabilidad química. La segunda ventaja es que el 
cerámico Al2O3 tiene una temperatura de fusión significativamente mayor (2020ºC) que el 
aluminio (660ºC). Esto hace del Al2O3 un refractario bastante común, esto es, un material 
resistente a altas temperaturas ampliamente utilizado en la construcción de hornos industriales. 
 
Es posible que las cerámicas sean los materiales más “naturales” que existen; la arena de las 
playas y las rocas son ejemplos de cerámicos naturales. Por lo general, se trata de materiales 
que son aislantes eléctricos y térmicos y a elevada temperatura y en ambientes agresivos son 
más resistentes que los metales y los polímeros. Desde el punto de vista mecánico, son 
materiales muy duros. Su principal desventaja es la fragilidad. 
 
Fig. 3 Tabla periódica de los elementos en la que se indican los elementos metálicos (color claro) y los 
cinco elementos no metálicos (color oscuro) que forman los materiales cerámicos. Nótese que el silicio y 
el germanio se incluyen como elementos metálicos aunque son semiconductores y que el estaño puede 
comportarse como metal o como semiconductor, en función de su estructura cristalina. 
 
 
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La mayor parte de los cerámicos de importancia comercial son compuestos químicos 
constituidos por al menos un elemento metálico y uno de los cinco elementos no metálicos 
siguientes: C, N, O, P y S. En la fig. 3 se muestra la enorme variedad de materiales cerámicos 
que es posible producir combinando metales (en color claro) con uno de los cinco elementos no 
metálicos (en color oscuro). 
 
Los metales y los cerámicos tienen una característica estructural similar a escala atómica: son 
cristalinos , lo que significa que los átomos que los constituyen están dispuestos según una 
distribución regular repetitiva. Una diferencia entre los materiales metálicos y los cerámicos es 
que, mediante técnicas de procesado bastante simples, muchos cerámicos pueden fabricarse 
en forma no cristalina , es decir, con los átomos dispuestos de forma irregular y aleatoria. El 
término general para denominar a los sólidos no cristalinos con composiciones comparables a 
las de los cerámicos cristalinos es vidrio . La mayoría de los vidrios comunes son silicatos; el 
vidrio común de una ventana está compuesto por aproximadamente un 72% en peso de sílice 
(SiO2), siendo el resto principalmente óxido de sodio (Na2O) y de calcio (CaO). Los vidrios y los 
cerámicos tienen en común la fragilidad. La importancia de los vidrios en la ingeniería reside en 
su capacidad para transmitir la luz visible, así como la ultravioleta y la infrarroja, y su inercia 
química. 
 
Algunas formulaciones de vidrio (como los aluminosilicatos de litio) se pueden desvitrificar 
totalmente; esto es, experimentan una transformación desde el estado vítreo al estado cristalino 
mediante un tratamiento térmico adecuado obteniéndose una tercera categoría, los 
vitrocerámicos. La estructura microscópica de alta calidad (con un tamaño de grano muy fino y 
sin porosidad) proporciona un producto con una resistencia mecánica superior a la de muchos 
cerámicos cristalinos tradicionales. 
 
Polímeros 
Comprenden materiales que van desde los plásticos hasta el caucho utilizado en la fabricación 
de neumáticos para vehículos, incluyen además, sustancias utilizadas como adhesivos 
sintéticos. Se trata de compuestos orgánicos con gran abundancia de átomos de carbono, 
hidrógeno y oxígeno y presencia en menor cantidad deotros elementos como nitrógeno, cloro y 
flúor. Todos estos elementos no metálicos están unidos entre sí por enlaces covalentes. Los 
polímeros poseen baja densidad y extraordinaria flexibilidad. Muchos polímeros tienen buena 
resistividad eléctrica y buen comportamiento como aislante térmico. Normalmente no pueden 
ser usados a elevadas temperaturas. Muchos polímeros suelen tener gran resistencia química 
al ataque de sustancias corrosivas. Tienen miles de aplicaciones, desde chalecos antibalas, 
discos compactos (CD), cuerdas super resistentes y pantallas de cristal líquido (LCD), hasta 
ropa y vajilla doméstica. Se trata de materiales sintéticos obtenidos a partir de moléculas 
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presentes en el petróleo generalmente modificadas y unidas y secuenciadas en procesos 
llamados de “polimerización”. Durante la polimerización se obtienen largas moléculas unidas 
entre sí por enlaces secundarios (fuerzas de van der Waals). 
 
 
Fig. 4 La polimerización se produce cuando las pequeñas moléculas, representadas por esferas, se 
combinan formando largas moléculas o polímeros. Las moléculas de polímero pueden tener una 
estructura de muchas cadenas paralelas o enredadas (termoplásticos) o pueden estar formando redes 
tridimensionales cuyas cadenas tienen en laces cruzados (termofijos). 
 
Los polímeros termoplásticos , cuyas largas cadenas moleculares no están unidas en forma 
rígida, tienen buena ductilidad y formabilidad. En cambio, los polímeros termofijos son más 
resistentes pero más frágiles porque las cadenas moleculares están estrechamente enlazadas. 
Los termoplásticos se fabrican conformándolos en estado fundido mientras que los termofijos 
se cuelan en moldes donde se terminan de curar, Fig.4. 
 
Materiales compuestos 
Existe un importante conjunto de materiales obtenidos por la combinación de materiales 
individuales pertenecientes a las categorías previas. Este cuarto grupo es el de los materiales 
compuestos . Quizás el mejor ejemplo lo constituye el plástico reforzado con fibra de vidrio . 
Este material compuesto, formado por una serie de fibras de vidrio embebidas en una matriz 
polimérica reúne lo mejor de sus componentes dando lugar a un producto superior a cualquiera 
de dichos componentes por separado. La alta resistencia mecánica de las fibras de vidrio de 
pequeño diámetro se combina con la ductilidad de la matriz polimérica para producir un material 
resistente, capaz de soportar la carga habitual requerida en un material estructural. 
 
El hormigón es otro ejemplo bastante común de un material compuesto granular. En él, la arena 
y la grava refuerzan la matriz compleja de cemento de silicato. 
 
Además de estos ejemplos relativamente comunes, el campo de los materiales compuestos 
incluye algunos de los materiales más avanzados que se utilizan en ingeniería: mediante el 
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moldeo de un material epoxy impregnado con fibras de carbono pueden fabricarse objetos 
(como palos de golf) sumamente resistentes y livianos. 
 
Semiconductores 
Mientras los polímeros son materiales técnicos visibles al público y con un gran impacto social, 
los semiconductores son relativamente invisibles, aunque su impacto social es comparable. La 
tecnología ha revolucionado claramente la sociedad, pero a su vez, la electrónica de estado 
sólido está revolucionando la propia tecnología. Un grupo relativamente pequeño de elementos 
y compuestos tiene una importante propiedad eléctrica, la semiconductividad, de manera que 
no son ni buenos conductores eléctricos ni buenos aislantes eléctricos. En lugar de ello, su 
capacidad para conducir la electricidad es intermedia. Estos materiales se denominan 
semiconductores y, en general, no entran dentro de alguna de las cuatro categorías de 
materiales estructurales basadas en el enlace atómico. Como se explicó anteriormente, los 
metales son inherentemente buenos conductores eléctricos. Los cerámicos y los polímeros son 
generalmente malos conductores pero buenos aislantes. 
 
 
Fig. 5. Tabla periódica de los elementos en la que se han sombreado en tono más oscuro los elementos 
semiconductores y en tono más claro los elementos que forman compuestos semiconductores. 
 
En la fig. 5 se muestra una Tabla Periódica de los Elementos en la que se localiza en color 
oscuro los elementos semiconductores Si, Ge y Sn; en color gris más claro se señalan aquellos 
elementos que forman compuestos semiconductores. El silicio y el germanio, usados con 
profusión como elementos semiconductores, son excelentes ejemplos de este tipo de 
materiales. El control preciso de su pureza química permite controlar exactamente sus 
propiedades electrónicas. A medida que se han ido desarrollando técnicas para producir 
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variaciones en la pureza química en zonas muy pequeñas, se han podido obtener complicados 
circuitos electrónicos en superficies excepcionalmente diminutas. Los microcircuitos son la 
base de la actual revolución de la tecnología. 
 
 
2. Tipos de cristales 
Las propiedades físicas de los sólidos cristalinos, como el punto de fusión, la densidad y la dureza, 
entre otros dependen tanto de los arreglos de las partículas (átomos, iones o moléculas) como de 
las fuerzas de atracción existentes entre éstas. En la tabla 2 se muestra una clasificación de sólidos 
de acuerdo con las fuerzas de atracción existentes entre las partículas. 
 
2.1 Cristales moleculares 
Los sólidos moleculares consisten en átomos o moléculas unidos por fuerzas de atracción tipo van 
der Waals (fuerzas dipolo-dipolo, fuerzas de dispersión y enlaces puente de hidrógeno). 
 
Tabla 2 – Tipos de sólidos cristalinos 
Tipo de 
sólido 
Partículas unitarias Fuerza atractiva 
entre las partículas 
Propiedades Ejemplos 
Molecular Moléculas y 
moléculas 
monoatómicas 
Furzas de van der 
Waals (dipolo-dipolo, 
disp. De London, 
puente de H) 
Sólidos blandos, puntos de fusión 
de bajo a moderadamente alto; 
baja conductividad térmica y 
eléctrica. 
Gases monoatómicos 
(He, Ar, Ne, Kr y Xe); 
sustancias que son 
gases o líquidos a 
PTN como metano 
CH4, agua, CO2, 
CCl4, naftaleno, 
benceno, glucosa. 
Red 
covalente 
Átomos (no 
metálicos) unidos 
en una red de 
enlaces covalentes 
Enlace covalente (par 
de electrones 
compartidos) 
Sólidos muy duros, puntos de 
fusión elevados, conductividad 
térmica y eléctrica variables. 
C (diamante y 
grafito), cuarzo, sílice. 
Iónico Aniones y cationes Atracción 
electrostática (unión 
iónica) 
Sólidos duros y quebradizos, 
puntos de fusión elevados, baja 
conductividad térmica y eléctrica, 
conducen la electricidad cuando 
líquidos o disueltos en agua. 
Sales simples (NaCl, 
CaS) y sales 
compuestas (KNO2, 
MgSO4) 
Metálico Átomos metálicos Atracción 
electrostática (Enlace 
metálico) 
Varían de blandos a muy duros, 
puntos de fusión que van de 
moderadamente altos a muy altos; 
excelente conductividad térmica y 
eléctrica; maleables y dúctiles. 
Todos los elementos 
metálicos: Cu, Au, 
Ag, Al, Mg, Cr, etc. 
 
Debido a que estas fuerzas son débiles, los sólidos moleculares son blandos. Normalmente, tienen 
puntos de fusión relativamente bajos (por lo general debajo de 200ºC). La mayoría de las 
sustancias que son gases o líquidos a temperatura ambiente, son sólidos moleculares a bajas 
temperaturas. Todos los gases nobles, el agua, el CO2 y el benceno (C6H6) pertenecena este 
grupo. 
 
 
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2.2 Cristales de redes covalentes 
Los sólidos de redes covalentes consisten en átomos que se mantienen unidos a lo largo de toda la 
muestra de material, en redes o cadenas largas mediante enlaces covalentes. Debido a que los 
enlaces covalentes son mucho más fuertes que las fuerzas de van der Waals, estos sólidos son 
mucho más duros y poseen puntos de fusión más elevados que los sólidos moleculares. El 
diamante y el grafito, dos alótropos del carbono, son sólidos de redes covalentes. También están 
incluidos el silicio, el germanio, el cuarzo - SiO2, el carburo de silicio - SiC y el nitruro de boro - BN. 
 
En el caso del diamante cada átomo de carbono está 
unido a otros cuatro átomos en forma tetraédrica, fig. 6. 
Este arreglo tridimensional interconectado de fuertes 
enlaces C-C, con hibridación sp3, contribuye a la 
excepcional dureza del diamante y a su elevado punto de 
fusión, 3550ºC. Los diamantes de grado industrial se 
utilizan en operaciones de cortes de diversos sólidos por 
su extremada dureza. 
Fig. 6 Estructura del diamante. Cada carbono está enlazado a otros cuatro átomos de carbono según un 
tetraedro regular. 
 
 
En el caso del grafito, los átomos de carbono se 
unen en una geometría trigonal plana a otros 
tres átomos de carbono para formar anillos 
hexagonales interconectados, como muestra la 
fig. 7. El C posee hibridación sp2. Los enlaces π 
deslocalizados se extienden sobre las capas. 
Los electrones se mueven con libertad a través 
de los orbitales deslocalizados, lo que hace al 
grafito un buen conductor de la electricidad; de 
hecho, el grafito se utiliza en la fabricación de 
electrodos para baterías. 
Fig. 7 Estructura del grafito 
 
Las capas paralelas se mantienen unidas por fuerzas de dispersión débiles. Este es el motivo por el 
cual, las capas de grafito deslizan muy fácilmente unas sobre otras, lo que le da una apariencia 
untuosa. El grafito se utiliza también como lubricante justamente por esta propiedad y como mina 
de lápices para escribir. Las enormes diferencias entre las propiedades físicas del diamante y del 
grafito quedan justificadas en función de sus estructuras tridimensionales y de sus enlaces. 
 
 
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2.3 Cristales iónicos 
Consisten en iones que se mantienen unidos por medio de enlaces iónicos (unión electrostática). 
La fuerza de un enlace iónico depende en gran medida de las cargas y de los tamaños de los 
iones. En el NaCl, donde los iones tienen cargas +1 y -1, el punto de fusión es 801ºC, mientras el 
MgO, con cargas de +2 y -2, funde a 2.852ºC. 
 
La mayor parte de los cristales iónicos tienen puntos de fusión y de ebullición elevados; esto refleja 
la gran fuerza de cohesión que mantiene juntos a los iones. La estabilidad de los cristales iónicos 
depende en parte de la energía reticular; cuanto mayor sea esta energía, más estable es el 
compuesto. 
 
 
Fig. 8 Estructuras cristalinas de. a) CsCl, b) ZnS y c) CaF2. En cada caso el catión es la esfera más 
pequeña. 
 
Estos sólidos no conducen la corriente eléctrica a causa de que los iones no tienen movilidad, 
ocupan posiciones fijas, en cambio en el estado líquido o disueltos en agua, donde los iones se 
mueven libremente, sí conducen la corriente eléctrica. 
 
Si bien son sólidos duros, a la vez, son frágiles, ante pequeñas vibraciones, si se enfrentan cargas 
del mismo signo se quiebra el cristal. 
 
4.4 Cristales metálicos 
En cierto sentido, la estructura de los cristales metálicos es la más simple porque cada punto 
reticular del cristal está ocupado por un átomo del mismo metal. Los cristales metálicos, por lo 
general, tienen una estructura cúbica centrada en el cuerpo o centrada en las caras; también 
suelen ser hexagonales de empaquetamiento compacto, fig. 9. En consecuencia, los metales 
suelen ser muy densos. 
 
 
 
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Los enlaces en estos cristales son diferentes de los otros 
tipos. Son de tipo metálico, o sea, los electrones de 
valencia están deslocalizados recorriendo todo el cristal 
entre los cationes. Se puede imaginar el cristal metálico 
como una matriz de iones positivos (núcleos de átomos 
metálicos rodeados de los niveles completos de electrones) 
rodeados de electrones de valencia (cationes inmersos en 
un mar de electrones), fig. 10. 
Fig. 10 Corte transversal de un cristal metálico. Cada carga positiva representa al núcleo y a los electrones 
internos. El área que rodea a los iones positivos representa el mar móvil de electrones. 
 
La movilidad de los electrones deslocalizados hace que los metales sean buenos conductores del 
calor y de la electricidad. 
Los altos puntos de fusión indican la elevada fuerza de la unión metálica y lo difícil que es separar 
(alejar) los átomos metálicos entre sí. A pesar de esto, no es difícil hacer que unos deslicen sobre 
los otros, por ejemplo, los metales son dúctiles y maleables; esto se debe a que la unión es fuerte 
pero no direccional. Los átomos pueden deslizar unos sobre otros sin que se rompa la unión. 
Los metales varían mucho en cuanto a la fuerza de sus enlaces, como lo evidencia su amplia 
variedad de propiedades físicas como la dureza y el punto de fusión. 
 
 
Bibliografía 
1. Smith, William F; Hashemi, Javad. Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de Materiales. Ed. Mc 
Graw Hill, 4º Edición. 2004. 
2. Askelamd, Donald y Pradeep Phulé. Ciencia e Ingeniería de los Materiales, Editorial Thomson 4º 
Edición, 2004 
3. Pero, José Antonio y Sanz Elorz. Ciencia e Ingeniería de los Materiales, 3º Edición Ed. DOSSAT 
2000 
4. Smith, William. Ciencia e Ingeniería de los Materiales, 3º Edición – Mc Graw Hill 2004 
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Edición Mc Graw Hill 2006 
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Pearson- Prentice Hall 2006