Clasificación y Propiedades de los Materiales: De Naturales a Sintéticos

1. Los Materiales

Un material es la materia que se utiliza para crear objetos. Según su procedencia pueden ser materiales naturales:

• Origen animal: directamente de animales (cuero, pelos, seda, lana, aceites).
• Origen vegetal: directamente de los árboles y plantas (madera, corcho, algodón, caucho, fibras).
• Origen mineral: minerales en la superficie o interior de la tierra (aluminio, cobre, oxígeno, azufre).

A los materiales creados en los laboratorios se les llama materiales sintéticos. Pueden ser puros, compuestos o mezclas, y para fabricarlos se explotan recursos naturales.

Materia prima: puede ser un material natural o transformado para crear un producto. Fuentes de materia prima:

• Hidrosfera: conjunto de aguas sobre la superficie terrestre (agua subterránea, nieve, océanos). Se obtiene bromo, magnesio, cloruro de sodio, peces, mariscos y algas para la industria pesquera.
• Atmósfera: de acuerdo con el punto de ebullición del aire, se obtienen gases como argón (lámparas eléctricas, metalurgia), nitrógeno (lámpara incandescente, fertilizantes, limpiador doméstico, refrigerante) y oxígeno (enfermedades respiratorias, soldar, propulsión).
• Litosfera: todos los minerales, los más abundantes silicatos y aluminosilicatos, son usados en la industria minera para obtener hierro y cobre, para fabricación de cerámicas, cemento, electricidad. Del pechblenda se obtiene el uranio, materia prima de las centrales nucleares.

2. Propiedades y Tipos de Materiales

Propiedades Térmicas y Eléctricas:

• Conductividad eléctrica: capacidad de conducir corriente.
• Conductividad térmica: facilidad de propagación de calor.

Propiedades Mecánicas:

• Dureza: resistencia a ser rayado, se determina por la escala de Mohs de 1 a 10 (de talco a diamante).
• Elasticidad: puede deformarse y volver a su forma original.
• Tenacidad: resistencia a la fractura.
• Transparencia: permite el paso de la luz.
• Flexibilidad: capacidad de deformarse sin romperse.
• Resistencia: capacidad de soportar grandes esfuerzos sin deteriorarse.

Clasificación de los Materiales según su Estructura Interna

• Metálicos: átomos de una o más clases, unidos por grandes fuerzas, dúctiles, maleables, buenos conductores eléctricos y térmicos, con brillo, duros y resistentes.
• Cerámicos: provienen de materiales extraídos del suelo, partículas unidas por fuerzas extremadamente fuertes, duros, resistentes a la penetración de su superficie, altos puntos de fusión, no se erosionan ni corroen, malos conductores, pero aislantes.
• Poliméricos: formados por polímeros, con partículas unidas por fuerzas moderadas, malos conductores a baja temperatura, utilizados para construir circuitos integrados, piezas de TV y computadoras.

3. Materiales Sintéticos

• Papel: laminación de una pasta llamada pulpa, que contiene fibras de celulosa, materia prima de la madera.
• Vidrio: la materia prima son los minerales que se encuentran en la arena y roca, mezcla de silicatos de sodio y calcio, constituidos de sílice y restos de óxidos, se funden a altas temperaturas.
• Plásticos: la materia prima es el petróleo, son seguros, higiénicos, resistentes, durables y reutilizables. Se funden a altas temperaturas y pueden ser moldeados.
• Cerámicas: materia prima arcilla o el caolín, calentamiento y posterior enfriamiento de la materia prima, utilizado en convertidores catalíticos.

4. Materiales Nuevos

• Semiconductores: empleados en transistores y celdas solares, generalmente no conducen electricidad, pero a altas temperaturas sí logran conducirla. Los del grupo IV-A son los más utilizados (silicio). La capacidad aumenta a través del dopaje, agregando una pequeña cantidad de otra sustancia.
• Superconductores: poseen cierta resistencia eléctrica, por lo que pierden energía en forma de calor cuando se calientan. En 1986 se descubrieron los superconductores que se enfrían a muy bajas temperaturas, perdiendo total resistencia. Esto permite la construcción de trenes super rápidos y silenciosos (levitación), computadoras super veloces y campos magnéticos que aceleran partículas, pero a un coste elevado.
• Polímeros conductores: malos conductores de la electricidad, utilizados como aislantes. En 1977 se descubrió el primer polímero conductor (poliacetileno). Pueden ser dopados y son utilizados en músculos artificiales electroquimiomecánicos.
• Biocompatibles: materiales que sustituyen una parte del cuerpo humano (huesos, piel, articulaciones). Son inertes, por lo que no causan rechazo al ser implantados.

5. Industria Química

Todas las industrias químicas aplican reacciones químicas para obtener productos de bajo costo, buena calidad y menor daño al ambiente.

Tipos de Industrias Químicas según la Materia

• De base: utilizan materias primas básicas y las transforman en intermedios para la fabricación de otros productos. En la inorgánica (metalurgia, azufre, amoniaco) y en la orgánica (carbón, metanol, celulosa).
• De transformación: química fina, elaboración de productos finales destinados al consumo directo. La materia prima son los productos elaborados por las químicas de base (fertilizantes, jabones, plásticos, vidrio, adhesivos, alimentos).

Clasificación de Productos Industriales

• Productos químicos básicos: materias primas básicas, sencillos, en gran cantidad.
• Productos químicos intermedios: se obtienen de los productos químicos básicos, no son de consumo directo, sino para la fabricación de productos finales.
• Productos químicos finales: características para el consumo directo.

Etapas del Proceso Productivo

• Tratamientos físicos iniciales: preparación de la materia para la transformación química, como la trituración, calentamiento y mezcla.
• Tratamiento químico: una vez procesada, se somete a reacciones químicas que la transforman en productos (simples o complejos).
• Tratamientos físicos finales: separación y purificación de los productos.

6. Optimización de un Producto

Se analizan los siguientes factores:

• Factor estequiométrico: se ocupa de las relaciones cuantitativas que se producen en una reacción. Se aplica el principio de Le Châtelier, ya que estudia cómo la presión, temperatura y concentración modifican el estado de equilibrio de una reacción.
• Factor cinético: se ocupa de la velocidad de las reacciones del proceso. La velocidad de reacción estará dada por la cantidad de reactivo en un tiempo determinado.
• Factor termodinámico: analiza la viabilidad de la reacción química, la posibilidad de que esta ocurra. La energía libre (ΔG) indicará si es factible o no. La entalpía (ΔH) indicará si necesita o libera calor. Si ΔH es menor que cero, es exotérmica. Cuando ΔG es menor que cero, la reacción es espontánea.