Ejercicios: Estructura interna y propiedades

Explica en qué consisten los tres tipos principales de enlace atómico (iónico, covalente y metálico) y pon un ejemplo de material representativo de cada uno, indicando una propiedad suya que se explique por su enlace.

El cobre conduce la corriente eléctrica y el polietileno no. Explica esta diferencia a partir del modelo del «mar de electrones» del enlace metálico y de la estructura de los polímeros.

La figura muestra la celda unidad de un metal cristalino: hay átomos en los ocho vértices del cubo y un átomo adicional en su interior. Indica cómo se llama esta red cristalina y explica, a partir de ella, por qué los metales suelen ser densos y deformables.

Explica qué es un material compuesto (o compósito) y en qué se diferencia de una aleación: en el primero se distinguen dos fases a simple vista o al microscopio y en la segunda los átomos se mezclan en una misma red. Pon un ejemplo de cada uno.

Los materiales cerámicos (porcelana, alúmina, ladrillo) combinan enlaces iónicos y covalentes. Indica tres propiedades típicas de los cerámicos relacionadas con esos enlaces y una aplicación que aproveche cada una.

Explica con el modelo de la red cristalina por qué un metal puede laminarse en chapas finas sin romperse mientras que un cristal iónico (como la sal) se parte al golpearlo: qué ocurre con los planos de átomos y con las cargas en cada caso.

Compara cualitativamente las redes cúbica centrada en el cuerpo (BCC) y cúbica centrada en las caras (FCC): cuántos átomos toca cada átomo (coordinación) y qué metales típicos cristalizan en cada una (hierro a temperatura ambiente frente a aluminio o cobre).

Explica la diferencia de estructura interna entre un polímero termoplástico (cadenas independientes) y uno termoestable (cadenas entrecruzadas), y razona por qué el primero se puede reciclar fundiéndolo y el segundo no.

El diamante y el grafito están formados únicamente por átomos de carbono, pero el primero es el material natural más duro y el segundo se usa como lubricante y en minas de lápiz. Explica esta diferencia a partir de cómo se enlazan y ordenan los átomos de carbono en cada estructura.

Una botella de vidrio y un cristal de cuarzo tienen composiciones químicas muy parecidas (ambas basadas en sílice), pero el vidrio es amorfo y el cuarzo es cristalino. Explica qué significan estos dos términos y razona por qué el vidrio se rompe en fragmentos irregulares mientras que el cuarzo presenta caras planas.

Predice, razonándolo a partir del tipo de enlace, el comportamiento de estos tres materiales: sal común (NaCl), cobre (Cu) y cuarzo (SiO₂). Para cada uno, indica si esperas que conduzca la corriente en estado sólido, si tendrá punto de fusión alto o bajo y si será frágil o dúctil.

Distingue entre aleación de sustitución y aleación intersticial a nivel atómico: qué tamaño relativo deben tener los átomos añadidos en cada caso y un ejemplo real de cada tipo (bronce con estaño frente a acero con carbono).

El acero es hierro con hasta un $2\,\%$ de carbono. Explica cualitativamente qué son la ferrita y la cementita (carburo de hierro) en su microestructura y razona por qué el acero con más carbono es más duro pero menos soldable.

Una pala de aerogenerador se fabrica con fibra de carbono en resina epoxi. Explica qué aporta cada componente (resistencia y rigidez las fibras; forma, protección y transmisión de cargas la matriz) y por qué la orientación de las fibras se diseña según los esfuerzos dominantes.

Relaciona la conductividad térmica con la estructura interna: por qué los metales transmiten bien el calor (electrones libres), por qué el diamante lo transmite aún mejor sin conducir la electricidad (vibraciones de red en una estructura covalente perfecta) y por qué los polímeros son aislantes térmicos.

Explica qué es la temperatura de transición vítrea de un polímero amorfo y qué le ocurre al material por encima y por debajo de ella. Razona por qué una goma elástica se vuelve rígida y frágil si se enfría con nitrógeno líquido.

Los cables de alta tensión de las torres eléctricas suelen tener un núcleo de acero rodeado de hilos de aluminio. Justifica esta estructura combinada razonando a nivel de enlace y estructura interna: qué aporta el aluminio, qué aporta el acero y por qué no se usa un único material.

El silicio puro tiene enlace covalente, pero conduce la corriente mucho mejor que el cuarzo, también covalente, sobre todo si se le añaden trazas de fósforo o de boro (dopado). Explica con el modelo de bandas por qué los semiconductores tienen este comportamiento intermedio y por qué la electrónica moderna se basa en ellos.

El cobre puro es blando y se deforma con facilidad; el bronce (cobre con un 10 % de estaño) es notablemente más duro. Explica el fenómeno a nivel de la red cristalina: qué son las dislocaciones, cómo se mueven en un metal puro y por qué los átomos de otro tamaño de la aleación dificultan su movimiento.

Hay que elegir el material de una prótesis de cadera. Analiza los requisitos (biocompatibilidad, resistencia a la fatiga, módulo elástico parecido al hueso, resistencia a la corrosión corporal) y justifica qué familia de materiales (titanio, cerámicos, polímeros, acero inoxidable) encaja mejor en cada componente de la prótesis.

El hormigón armado funciona porque el acero y el hormigón tienen coeficientes de dilatación térmica casi iguales. Explica qué tensión interna aparecería en cada material si difirieran mucho al cambiar la temperatura, qué patología produciría en la estructura y por qué la compatibilidad de dilataciones es un criterio de diseño en todo material compuesto.

Los nanomateriales tienen propiedades distintas del mismo material en masa. Explica el papel de la relación superficie/volumen (un cubo de $1\ \text{cm}$ de lado partido en cubos de $10\ \text{nm}$ multiplica su superficie por un millón) y razona por qué un catalizador es más eficaz en nanopartículas y qué nuevos riesgos de salud plantea esa misma superficie.

Analiza la corrosión del hierro como un problema de estructura y enlace: qué ocurre en la superficie del metal (oxidación, capa porosa que no protege), por qué el aluminio se «autoprotege» con su capa de óxido compacta y qué estrategias de protección (galvanizado, pintura, ánodo de sacrificio) actúan sobre cada mecanismo.

Diseña la «carta de requisitos de material» para la carcasa de un dron ligero: enumera cinco propiedades exigidas (densidad, rigidez, tenacidad ante choques, coste, reciclabilidad), razona qué estructura interna las proporciona y compara dos candidatos (polímero con fibra corta frente a aleación de magnesio), decidiendo uno con justificación.