CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES
Para dar una definición de lo que es un material, primero
debe entenderse como es que está conformado. Lo primero es que un material está
compuesto por elementos, generalmente los elementos químicos encontrados en la
naturaleza y representados en la tabla periódica de elementos químicos.
En los materiales los elementos están relacionados por una
composición química definida. Un ejemplo muy sencillo es la sal común, su
fórmula química es NaCl, lo que significa que hay un átomo de Sodio (Na) por
cada átomo de Cloro (Cl) y es la única forma de obtener este compuesto.
El último factor importante de un material es el acomodo de
estos elementos, es decir, su estructura, los materiales están caracterizados
por tener una estructura, determinada y única, si este acomodo cambia,
cambiarán las características del material y por lo tanto se hablará de este
como una variación o como otro material distinto.
En ciencia existe además otra distinción para los materiales,
y es que deben tener un uso específico, si no es así, entonces se les denomina
únicamente sustancia. Por ejemplo, el agua (H2O) en estado líquido
es una sustancia, pero al enfriarse y convertirse en hielo, se puede usar como
un material de construcción, por lo tanto, esta misma agua solidificada, al
tener un uso práctico, se le considera un material. Los materiales están
formados por elementos, con una composición y estructura única y que además,
pueden ser usados con algún fin específico.
Los materiales se clasifican de forma muy general en: Metales,
Cerámicos, Polímeros y Materiales compuestos. Sin embargo, está clasificación
no es única, pues los materiales se pueden dividir por su estructura, por sus
propiedades físicas y químicas, por sus usos en industrias específicas, etc.
Materiales puros: El primer intento de hacer una
clasificación de los materiales encontrados en la naturaleza fue hecho por el
químico el químico J. W. Döbenreiner en 1829. Él organizó un sistema de
clasificación de elementos en el que éstos se agrupaban en conjuntos de tres
denominados tríadas. Las propiedades químicas de los elementos de una tríada
eran similares y sus propiedades físicas variaban de manera ordenada con su
masa atómica. La tríada del cloro, del bromo y del yodo es un ejemplo. En este
caso, la masa de uno de los tres elementos de la tríada es intermedia entre la
de los otros dos.
Para 1850 ya se podían contar con unas 20 tríadas para llegar
a una primera clasificación coherente.
En 1869, el químico ruso Dimitri Ivanovich Mendeleyev
desarrolló una tabla periódica de los elementos según el orden creciente de sus
masas atómicas. Colocó lo elementos en columnas verticales empezando por los
más livianos, cuando llegaba a un elemento que tenía propiedades semejantes a
las de otro elemento empezaba otra columna. Mendeleiev perfeccionó su tabla
acomodando los elementos en filas horizontales. Su sistema le permitió predecir
con bastante exactitud las propiedades de elementos no descubiertos hasta el
momento.
En 1914, el físico y químico inglés, Henry Moseley, descubrió
que los átomos de cada elemento tienen un número único de protones en sus
núcleos, siendo el número de protones igual al número atómico del átomo.
Moseley organizó los elementos en orden ascendente de número atómico y no en
orden ascendente solucionando los problemas de ordenamiento de los elementos en
la tabla periódica. La organización que hizo Moseley de los elementos por
número atómico generó un claro patrón periódico de propiedades.
En la actualidad, hay 18 grupos en la tabla periódica. El
hecho de que la mayoría de estos grupos correspondan directamente a una serie
química no es fruto del azar. La tabla ha sido estructurada para organizar las
series químicas conocidas dentro de un esquema coherente. La distribución de
los elementos en la tabla periódica proviene del hecho de que los elementos de
un mismo grupo poseen la misma configuración electrónica en su capa más
externa. Como el comportamiento químico está principalmente dictado por las
interacciones de estos electrones de la última capa, de aquí el hecho de que
los elementos de un mismo grupo tengan propiedades físicas y químicas
similares. Cabe señalar, además de los elementos naturales, se han agregado
elementos sintéticos producidos en laboratorio.
En los materiales, el tipo de enlace químico determina una
gran cantidad de sus propiedades. El orbital más externo llamado capa de
valencia, determina cuantos enlaces puede formar un átomo. Para que se forme un
enlace se requiere: Que las capas de valencia se toquen; por esto debe ser el
orbital más externo. Que haya transferencia de electrones en las capas de
valencia de ambos átomos.
Existen tres diferentes tipos de enlace considerados
energéticamente fuertes: el enlace iónico, el covalente y el metálico. Existen
además las llamadas fuerzas de atracción débiles o fuerzas intermoleculares.
Enlace iónico: Para que pueda darse este enlace, uno de los
átomos debe ceder electrones y, por el contrario, el otro debe ganar
electrones, es decir, se produce la unión entre átomos que pasan a ser cationes
y aniones. El ejemplo típico es el cloruro da sodio, en donde para formarse, el
sodio debe ceder un electrón al cloro, quedando un sodio con carga neta
positiva y un cloro con carga neta negativa.
Enlace covalente: En este enlace cada uno de los átomos
aporta un electrón. Los orbitales de las capas de valencia de ambos átomos se
combinan para formar uno solo que contiene a los 2 electrones. Ambos átomos
comparten electrones para formar un solo enlace. Tanto el enlace iónico como el
covalente son los enlaces que caracterizan a los materiales duros, como lo son
las cerámicas y las piedras preciosas. El enlace covalente también es
característico del agua y el dióxido de carbono, por eso es que es muy costoso,
energéticamente hablando, romper estas moléculas en sus componentes básicos.
Enlace metálico Los átomos de los metales tienen pocos
electrones en su última capa, por lo general 1, 2 ó 3. Estos átomos pierden
fácilmente esos electrones y se convierten en iones positivos, por ejemplo Na+
, Cu2+, Mg2+. Los iones positivos resultantes se ordenan
en el espacio formando la red metálica. Los electrones de valencia desprendidos
de los átomos forman una nube de electrones que puede desplazarse a través de
toda la red. De este modo todo el conjunto de los iones positivos del metal
queda unido mediante la nube de electrones con carga negativa que los envuelve.
Los iones positivos del metal forman una red que se mantiene unida gracias a la
nube de electrones que los envuelven. Este tipo de enlace es el que permite a
los metales ser materiales, por lo que pueden ser relativamente de fácil
maquinado, logrando piezas de muy diversas formas y tamaños. Además, es el que
permite a muchos de estos materiales ser buenos conductores eléctricos.
Enlaces intermoleculares: Este tipo de enlaces se caracteriza
por que la distancia entre los átomos es más grande, se encuentran las fuerzas
de London, Van der Waalls y los puentes de hidrógeno. Estos enlaces son los que
permiten cierta cohesión en sustancias como el agua o que le dan a ciertos materiales
propiedades eléctricas (electrostática). A diferencia de los otros enlaces,
este es más común moléculas y no tanto para átomos.
