UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE TABASCO.
QUÍMICA DE MATERIALES: ÁREA DE FLUIDOS DE PERFORACIÓN.



INTRODUCCION A LA FISICOQUIMICA


TRABAJO DE INVESTIGACIÓN UNIDAD III
-Metales ferrosos y no ferrosos
-Polímeros
-Cerámicos
-Materiales compuestos
-Materiales semiconductores


Cuatrimestre: Grupo: Turno:

METALES FERROSOS Y NO FERROSOS
Características, propiedades y aplicaciones.
Metales ferrosos
Los metales ferrosos como su nombre lo indica su principal componente es el fierro, sus principales características son su gran resistencia a la tensión y dureza. Las principales aleaciones se logran con el estaño, plata, platino, manganeso, vanadio y titanio.
Los principales productos representantes de los materiales metálicos son:

Fundición de hierro gris
Hierro maleable
Aceros
Fundición de hierro blanco
Su temperatura de fusión va desde los 1360sC hasta los 1425SC y uno de sus principales problemas es la corrosión.
El acero, metal ferroso por excelencia, presenta características particulares que lo hacen muy utilizado en diversas áreas. Se trata de un material maleable, resistente, lustroso así como conductor de calor y electricidad.
Los minerales de hierro (elemento principal del acero) constituyen el cuarto elemento más común en la corteza terrestre. La abundancia de las materias primas para la fabricación de acero como los bajos costos de producción ha llevado a su extendido uso a todo nivel.
Proceso de fabricación
Elacero es principalmente una aleación de hierro y carbón. Contiene muy bajos porcentajes de manganeso, sílice, fósforo, azufre y oxígeno.
Se fabrica mediante la fundición de minerales de hierro en un horno para producir lingotes de hierro que son añadidos con hierro de rechazo (o proveniente de reciclaje) antes de someterse a purificación.
Existen dos técnicas principales para la fabricación de acero
Hornos a base de oxígeno: para producción de acero laminado.
Hornos de arco eléctrico: utilizan un 100% de acero de descarte.
Las propiedades mecánicas del acero, varían según sus componentes y el tratamiento al calor al que fue sometido.
Anteriormente, los hornos de oxígeno eran hornos abiertos pero hoy en día se realiza un proceso de oxigenación soplando oxígeno casi puro sobre la superficie de hierro fundido.
Existen distintos tipos de aceros
Acero blando: contiene menos de 0,15% de carbono
Acero intermedio: contiene entre 0,15% y 0,3% de carbono
Acero duro: contiene más de 0,3% de carbono
Acero inoxidable: es un aleación de acero que contiene más de 8% de elementos de aleación como cromo, níquel y sílice.
Acero galvanizado: acero recubierto de zinc para protegerlo de corrosión atmosférica.
Acero para latas utilizado para almacenar alimentos: cuenta con una pequeña capa de estaño que lo hace resistente a los ataques de ácidos orgánicos y a la oxidación.

Metales no Ferrosos
Por lo regular tienen menor resistencia a la tensión y dureza que los metales ferrosos, sin embargo su resistencia a la corrosión es superior. Su costo es alto en comparación a losmateriales ferrosos pero con el aumento de su demanda y las nuevas técnicas de extracción y refinamiento se han logrado abatir considerablemente los costos, con lo que su competitividad ha crecido notablemente en los últimos años.
Los principales metales no ferrosos utilizados en la manufactura son
Aluminio
Cobre
Magnesio
Níquel
Plomo
Titanio
Zinc
Los metales no ferrosos son utilizados en la manufactura como elementos complementarios de los metales ferrosos, también son muy útiles como materiales puros o aleados los que por sus propiedades físicas y de ingeniería cubren determinadas exigencias o condiciones de trabajo, por ejemplo el bronce (cobre, plomo, estaño) y el latón (cobre zinc).




Aplicaciones y aleaciones:

ALEACION
CARACTERISTICAS Y APLICACIONES
En forma de aleación
Latones: Cu + Zn
Por ser más barato el Zn que el Sn está sustituyendo el latón al cobre


Alpaca: Cu + Zn + Ni
Atizada en cubertería, joyería barata y fabricación de estuches
En estado puro
Chapas de diferentes espesores
Recubrimiento de tejados, canalones y cornisas, tubos de bajada de agua y depósitos y recubrimiento de pilas


Recubrimiento de piezas
Galvanizado electrolítico: consiste en recubrir, mediante electrolisis, un metal con una capa muy fina de cinc


Galvanizado en caliente: se introduce la pieza en un baño de Zn fundido, enfriado el Zn queda adherido y la pieza protegida


Metalizado: se proyectan partículas diminutas de Zn, mezcladas con pinturas sobre la superficie a proteger

Otras formas
Óxidos de Zn
Bronceadores, desodorantes




Colorantes,pegamentos y conservantes
 Plomo (Pb):
Características: se obtiene de la galena, su densidad es 11,34 kg/dm³; su punto de fusión 327sC; su resistencia a la tracción de 2 kg/mm²; es muy maleable y blando; es de color grisáceo-blanco muy brillante recién cortado, se oxida fácilmente, formando una capa de carbonato básico que lo protege; resiste a los ácidos clorhídrico y sulfúrico, pero es atacado por el ácido nítrico y el vapor de azufre.
Aleaciones y aplicaciones:
En estado puro:
Oxido de plomo: pinturas antioxidantes (minio)
Tuberías: en desuso
Recubrimiento de baterías, protección de radiaciones nucleares (rayos X)
Formando aleación:
Soldadura blanda: Pb + Sn empleado como material de aportación
 Cromo (Cr):
Características: su densidad es de 6,8 kg/dm³; su punto de fusión es de 1900sC; tiene un color grisáceo acerado, muy duro y con una gran acritud, resiste muy bien la oxidación y la corrosión.
Aleaciones y aplicaciones
Cromado brillante: para objetos decorativos
Cromado duro: para la fabricación de aceros inoxidables y aceros para herramientas.
 Níquel (Ni):
Características: su densidad es 8,85 kg/dm³; su punto de fusión es de 1450sC; tiene un color plateado brillante y se puede pulir fácilmente, es magnético, es muy resistente a la oxidación y a la corrosión.
Aplicaciones y aleaciones
Ni + Cr + acero: se emplea para aceros inoxidables
En aparatos de la industria química
En recubrimiento de metales por electrolisis
 Wolframio (W):
Características: su densidad es 19 kg/dm³; su punto de fusión de 3370sC
Aplicaciones y aleaciones:Filamentos de bombillas incandescentes y fabricación de herramientas de corte para maquinas.
 Cobalto (Co):
Características: su densidad es de 8,6 kg/dm³, su punto de fusión 1490sC; tiene propiedades análogas al níquel pero no es magnético
Aleaciones y aplicaciones:
Re emplea para endurecer aceros para herramientas (aceros rápidos) y como elemento para la fabricación de metales duros (sintonización) empleados en herramientas de corte.
Metales no ferrosos ligeros
 Aluminio (Al):
Características: se obtiene de la bauxita, su densidad es de 2,7 kg/dm³; su punto de fusión de 660sC; y su resistencia a la tracción de 10 kg/mm² (el doble si esta laminado o forjado); es muy ligero e inoxidable; es buen conductor de la electricidad y del calor, pesa poco y es muy maleable y dúctil.
Aleaciones y aplicaciones:
Tipo
Aleación
Características y aplicaciones
Aleación
Al + Mg
Se emplea en aeronáutica y en automoción


Al + Ni + Co (Alnico)
Potentes imanes permanentes
 Titanio (Ti):
Características: se obtiene del rulito y de la limeñita; su densidad es de 4,45 kg/dm³; su punto de fusión 1800sC; y su resistencia a la tracción de 100kg/mm²; es un metal blanco plateado que resiste mejor la corrosión y la oxidación que el acero; sus propiedades son análogas a las del acero con la propiedad que las conserva hasta los 400sC
Aleaciones y aplicaciones:
Se emplea en la fabricación de estructuras y elementos de máquinas aeronáuticas (aleado con el 8% de aluminio); en la fabricación de herramientas de corte, aletas para turbinas y en forma de óxido y pulverizado para lafabricación de pinturas antioxidantes y para el recubrimientos de edificios.
Metales no ferrosos ultraligeros:
 Magnesio (Mg):
Características: se obtiene de la carnalita, dolomita y magnesita; su densidad es de 1,74 kg/dm³; su punto de fusión de 650sC; y su resistencia a la tracción de 18 kg/mm²; en estado líquido o polvo es muy inflamable, tiene un color blanco parecido al de la plata, es maleable y poco dúctil, es más resistente que el aluminio
Aplicaciones y aleaciones:
Se emplea en estado puro, tiene pocas utilidades, excepto en la fabricación de productos pirotécnico y como desoxidante en los talleres de fundición de acero, también en aeronáutica.

POLIMEROS
Características, propiedades y aplicaciones.
Termoplástico
Un termoplástico es un plástico que, a temperatura caliente, es plástico o deformable, se derrite cuando se calienta y se endurece en un estado vítreo cuando se enfría lo suficiente. La mayor parte de los termoplásticos son polímeros de alto peso molecular, los cuales poseen cadenas asociadas por medio de débiles fuerzas Van der Waals (polietileno); fuertes interacciones dipolo-dipolo y enlace, o incluso anillos aromáticos apilados (poliestireno). Los polímeros termoplásticos difieren de los polímeros termoestables en que después de calentarse y moldearse pueden recalentarse y formar otros objetos, mientras que en el caso de los termoestables o termoduros, después de enfriarse la forma no cambia y arden.
Sus propiedades físicas cambian gradualmente si se funden y se moldean varias veces (historial térmico), generalmente disminuyen estas propiedades.Los más usados son: el polietileno (PE), el polipropileno (PP), el poliestireno (PS), el polimetilmetacrilato (PMMA), el policloruro de vinilo (PVC), el politereftalato de etileno (PET), el teflón (politetraflouroetileno, PTFE) y el nylon (un tipo de poliamida).
Se diferencian de los termoestables (baquelita, goma vulcanizada) en que éstos últimos no funden al elevarlos a altas temperaturas, sino que se queman, siendo imposible volver a moldearlos.
Muchos de los termoplásticos conocidos pueden ser resultado de la suma de varios polímeros, como es el caso del vinilo, que es una mezcla de polietileno y polipropileno.
Termofijos
La definición más clara para un plástico Termofijos es que son materiales rígidos que tienen una estructura molecular compleja del tipo red, la cual tiene lugar en el proceso de moldeo. Los plásticos llamados Termofijos o termoestables son plásticos que una vez moldeados no pueden modificar su forma, y por lo tanto no pueden ser reciclados.

Existen distintos tipos de sistemas de Resinas Termofijas, que están orientadas a las industrias del adhesivo, pinturas y recubrimientos. Los más comunes son la baquelita de los enchufes hogareños. Su clasificación es la siguiente: ·Sistemas Formaldehido ·Sistemas de Poliéster Insaturado (UP). ·Sistemas Epóxidos ·Poliuretanos ·Silicones.

Elastómeros
Elastómero es una elegante palabra que significa simplemente 'caucho'. Entre los polímeros que son elastómeros se encuentran el polispermo o caucho natural, el polibutadieno, el polisbutileno, y los poliuretanos. La particularidad que destaca a loselastómeros es su facilidad para rebotar. Pero decir 'que rebotan' es poco preciso. Seamos más específicos. Lo particular de los elastómeros es que pueden ser estirados hasta muchas veces sus propias longitudes, para luego recuperar su forma original sin una deformación permanente.

Aplicaciones
Los polímeros se utilizan en un número sorprendente de aplicaciones, incluyendo juguetes, aparatos domésticos, elementos estructurales y de decorativos, recubrimiento, adhesivos, llantas de automóvil y empaques
El polietileno se usa para producir películas para empaque, aislamiento de conductores, botellas blandas, recubrimiento de extrusión, cortinas, manteles, cubiertas para la construcción, estanques, invernaderos, bolsas de basura, tuberías y elementos caseros.
El cloruro de polivinilo o más conocido como el PVC se utiliza para fabricar tuberías, válvulas, coples, loseta de piso, aislamiento para conductores, y techos de vinil para automóviles.
El polipropileno se utiliza para la fabricación de tanques, aplicación en el moldeo por inyección de piezas de electrodomésticos, utensilios péquenos, piezas de automóviles, fibras para alfombras, cuerdas y empaques.
El poliestireno se utiliza para la fabricación de empaques y espumas aislantes, paneles de iluminación, copolímeros resistentes al calor y al impacto, piezas ópticas de plástico, juguetes, componentes de aparatos y rejas para huevos.
El poliacrilonitrilo (PAN) se utiliza para la fabricación de fibras textiles, precursor para fibras de carbón y recipientes de alimento.
El polimetilmetacrilato (PMMA), (acrilicoplesiglas) seutiliza para la fabricación de ventanas, parabrisas, recubrimientos, lentes de contacto rígidos, señalizaciones iluminadas internamente.
El policlorotriflouroetileno se utiliza para la fabricación de componentes para válvulas, juntas, tuberías y aislamiento eléctrico.
El politetraflouroetileno mas conocido como el teflón se utiliza para la producción de sellos, aislantes para cables, aislamientos de motores, aceites, transformadores, generadores, acondicionamiento de la estanqueidad de válvulas, válvulas y recubrimientos no adherentes.
El Polioximetileno ( acetal ) ( POM ) se utiliza en la fabricación de accesorios de plomería, plumas, engranes y aspas de ventilador.
La Poliamida (PA) mas conocido como nylon es utilizado en la fabricación de cojines, engranajes, fibras, cuerdas, componentes de automotores y componentes eléctricos. La Poliamida (PI) se utiliza en la fabricación de adhesivos, tableros de circuitos y fibras para transbordadores espaciales.
El poliéster es utilizado por la fabricación de fibras, películas fotográficas, cintas de grabación, contenedores de agua caliente y recipientes para bebidas. La cinta magnética para aplicaciones de video y audio se produce mediante evaporación, pulverización o recubrimiento de partículas de un material magnético como el Fe2O3 sobre la superficie de una cinta de poliéster.
El policarbonato se utiliza para la fabricación de carcazas eléctricas y aparatos, componentes automotrices, cascos de fútbol americano y botellas retornables.
La polietereterketona (PEEK) se utiliza para la fabricación de alimentos y recubrimientoseléctricos de alta temperatura.
El sulfuro de polifenileno (PPS) se utiliza para la fabricación de recubrimientos, componentes para manejos de fluidos, componentes electrónicos y componentes para secadores de pelo.
El sulfonal de poliéster (PES) se utiliza para la fabricación de componentes eléctricos, cafeteras, secadores eléctricos y componentes de hornos microondas.
La poliamidaimida (PAI) se utiliza para la fabricación de componentes electrónicos, aplicaciones aerospaciales y automotrices.
Los fenólicos se utilizan en la fabricación de adhesivos, y recubrimientos laminados. Las aminas se utilizan en la fabricación de adhesivos, utensilios de cocina, y moldes eléctricos. Los epóxidos se utilizan para la fabricación de adhesivos moldes eléctricos, y matrices para materiales compuestos.
Los uretanos se utilizan para la fabricación de fibras, recubrimientos y espumas.
La silicona se utiliza como adhesivo, y como selladores.
CERAMICOS
Características, propiedades y aplicaciones.
Los materiales cerámicos son compuestos químicos o soluciones complejas, que contienen elementos metálicos y no metálicos. Tienen amplias propiedades mecánicas y físicas. Debido a sus enlaces iónicos o covalentes, los cerámicos son duros, frágiles, con un alto punto de fusión, baja conductividad eléctrica y térmica, buena estabilidad química, resistencia a la compresión.
Conductividad eléctrica
La conductividad eléctrica es la capacidad de un medio o espacio físico de permitir el paso de la corriente eléctrica a su través. También es definida como la propiedad natural característica de cadacuerpo que representa la facilidad con la que los electrones pueden pasar por él. CONDUCTIMETRIA DE LOS MATERIALES.
Superconductividad
Bajo ciertas condiciones, tales como temperaturas extremadamente bajas, algunas cerámicas muestran superconductividad. La razón exacta de este fenómeno no es conocida, aunque se diferencian dos conjuntos de cerámica superconductora.
El compuesto estequimétrico YBa2Cu3O7-x, generalmente abreviado YBCO o 123, es particularmente muy conocido porque es fácil de hacer, su manufactura no requiere ningún material particularmente peligroso y tiene una transición de temperatura de 90 K (lo que es superior a la temperatura del nitrógeno líquido, 77 K). La x de la fórmula se refiere al hecho que debe ser ligeramente deficiente en oxígeno, con un x por lo general cercano a 0.3.
El otro conjunto de cerámicas superconductoras es el diboruro de magnesio. Sus propiedades no son particularmente destacables, pero son químicamente muy distintos a cualquier otro superconductor en que no es un complejo de óxido de cobre ni un metal. Debido a esta diferencia se espera que el estudio de este material conduzca a la interiorización del fenómeno de la superconductividad.
Semiconductividad
Hay cierto número de cerámicas que son semiconductivas. La mayoría de ellas son óxidos de metales de transición que son semiconductores de tipos II-IV, como el óxido de zinc.
La cerámica semiconductora es empleada como sensor de gas. Cuando varios gases son pasados a través de una cerámica policristalina, su resistencia eléctrica cambia. Ajustando las posibles mezclas de gas, sepueden construir sensores de gas sin demasiado costo.


Aplicaciones
Hace un par de décadas atrás, Toyota investigó la producción de un motor cerámico el cual puede funcionar a temperaturas superiores a 3300 °C. Los motores cerámicos no requieren sistemas de ventilación y por lo tanto permiten una mayor reducción en el peso, y con esto, una mayor eficiencia en el uso de combustible. La eficiencia en el uso de combustible de un motor es también superior a más alta temperatura. En un motor metálico convencional, mucha de la energía generada desde la combustión debe ser derrochada como calor para prevenir la fundición de las partes metálicas.
A pesar de todas estas propiedades deseables, tales motores no están en producción porque la manufactura de partes cerámicas es muy dificultosa. Las imperfecciones en la cerámica conducen a quiebras y rompimientos. Dichos motores son factibles en investigaciones de laboratorio, pero las dificultades actuales sobre la manufactura impiden su producción en masa.













MATERIALES COMPUESTOS
Características, propiedades y aplicaciones.
Dureza
La dureza es la propiedad que tienen los materiales de resistir el rayado y el corte de su superficie. Por ejemplo: la madera puede rayarse con facilidad, esto significa que no tiene mucha dureza, mientras que el vidrio es mucho más difícil de rayar.
Otras propiedades relacionadas con la resistencia son la resiliencia, la tenacidad o la ductilidad. Técnicamente la dureza se asocia sólo a las propiedades de la superficie.

Usos y aplicaciones
En metalurgia la dureza semide utilizando un durómetro para el ensayo de penetración. Dependiendo del tipo de punta empleada y del rango de cargas aplicadas, existen diferentes escalas, adecuadas para distintos rangos de dureza.
El interés de la determinación de la dureza en los aceros estriba en la correlación existente entre la dureza y la resistencia mecánica, siendo un método de ensayo más económico y rápido que el ensayo de tracción, por lo que su uso está muy extendido.
Hasta la aparición de la primera máquina Brinell para la determinación de la dureza, ésta se medía de forma cualitativa empleando una lima de acero templado que era el material más duro que se empleaba en los talleres.
Las escalas de uso industrial actuales son las siguientes


Durómetro.
Dureza Brinell: Emplea como punta una bola de acero templado o carburo de W. Para materiales duros, es poco exacta pero fácil de aplicar. Poco precisa con chapas de menos de 6mm de espesor. Estima resistencia a tracción.
Dureza Knoop: Mide la dureza en valores de escala absolutas, y se valoran con la profundidad de señales grabadas sobre un mineral mediante un utensilio con una punta de diamante al que se le ejerce una fuerza estándar.
Dureza Rockwell: Se utiliza como punta un cono de diamante (en algunos casos bola de acero). Es la más extendida, ya que la dureza se obtiene por medición directa y es apto para todo tipo de materiales. Se suele considerar un ensayo no destructivo por el pequeño tamaño de la huella.
Rockwell superficial: Existe una variante del ensayo, llamada Rockwell superficial, para la caracterización de piezas muydelgadas, como cuchillas de afeitar o capas de materiales que han recibido algún tratamiento de endurecimiento superficial.
Dureza Rosiwal: Mide en escalas absoluta de durezas, se expresa como la resistencia a la abrasión medias en pruebas de laboratorio y tomando como base el corindón con un valor de 1000.
Dureza Shore: Emplea un escleroscopio. Se deja caer un indentador en la superficie del material y se ve el rebote. Es adimensional, pero consta de varias escalas. A mayor rebote -> mayor dureza. Aplicable para control de calidad superficial. Es un método elástico, no de penetración como los otros.
Dureza Vickers: Emplea como penetrador un diamante con forma de pirámide cuadrangular. Para materiales blandos, los valores Vickers coinciden con los de la escala Brinell. Mejora del ensayo Brinell para efectuar ensayos de dureza con chapas de hasta 2mm de espesor.
Dureza Webster: Emplea máquinas manuales en la medición, siendo apto para piezas de difícil manejo como perfiles largos extruidos. El valor obtenido se suele convertir a valores Rockwell.










Tensión
La tensión, por su parte, es el estado de un cuerpo sometido a la acción de fuerzas opuestas que lo atraen.
Se conoce como fuerza de tensión a la fuerza que, aplicada a un cuerpo elástico, tiende a producirle una tensión. Existen diversas definiciones de tensión, de acuerdo a la rama del conocimiento.
Las cuerdas, por ejemplo, permiten transmitir fuerzas de un cuerpo a otro. Cuando en los extremos de una cuerda se aplican dos fuerzas iguales y contrarias, la cuerda se pone tensa. Las fuerzas detensión son, en definitiva, cada una de estas fuerzas que soporta la cuerda sin romperse.
La tensión también es una magnitud física que impulsa a los electrones a través de un conductor en un circuito eléctrico cerrado, lo que provoca el flujo de una corriente eléctrica. En este caso, la tensión puede recibir el nombre de voltaje o diferencia de potencial.
La tensión superficial de un líquido, por otra parte, es la cantidad de energía que se necesita para disminuir su superficie por unidad de área. El líquido, por lo tanto, ejerce una resistencia para aumentar su superficie.





Compresión
La fuerza de compresión, es la fuerza que comprime un cuerpo.
Por ejemplo una columna está sometida a esfuerzo de compresión, porque su peso comprime las secciones de esa columna.





MATERIALES SEMICONDUCTORES
Todos los cuerpos o elementos químicos existentes en la naturaleza poseen características diferentes, agrupadas todas en la denominada “Tabla de Elementos Químicos”. Desde el punto de vista eléctrico, todos los cuerpos simples o compuestos formados por esos elementos se pueden dividir en tres amplias categorías
Conductores
Aislantes
Semiconductores







Los materiales conductores ofrecen una baja resistencia al paso de la corriente eléctrica. Los semiconductores se encuentran a medio camino entre los conductores y los aislantes, pues en unos casos permiten la circulación de la corriente eléctrica y en otros no. Finalmente los cuerpos aislantes ofrecen una alta resistencia al paso de la corriente eléctrica. En la foto superior se muestran algunos deesos materiales: A) Conductor de alambre de cobre. B) Diodos y C) transistor (dispositivos semiconductores en ambos casos). D) Aislantes de porcelana instalados en un transformador distribuidor de energía eléctrica de bajo voltaje y E) Aislantes de vidrio soportando cables a la intemperie montados en un poste para distribución de energía eléctrica de media tensión. Los aislantes, al contrario de los conductores, constituyen materiales o cuerpos que ofrecen una alta resistencia al paso de la corriente eléctrica.



CONDUCTORES

En la categoría “conductores” se encuentran agrupados todos los metales que en mayor o menor medida conducen o permiten el paso de la corriente eléctrica por sus cuerpos. Entre los mejores conductores por orden de importancia para uso en la distribución de la energía eléctrica de alta, media y baja tensión, así como para la fabricación de componentes de todo tipo como dispositivos y equipos eléctricos y electrónicos, se encuentran el cobre (Cu), aluminio (Al), plata (Ag), mercurio (Hg) y oro (Au).





Los conductores de cobre son los materiales más utilizados en los circuitos eléctricos por la baja resistencia que presentan al paso de la corriente.



En general el núcleo de los átomos de cualquier elemento que forman todos los cuerpos sólidos, líquidos y gaseosos que conocemos se encuentran rodeados por una nube de electrones que giran su alrededor, distribuidos en una o en varias órbitas, capas o niveles de energía. Al átomo de cada elemento contemplado en la “Tabla de Elementos Químicos” le corresponde un número atómico que sirvepara diferenciar las propiedades de cada uno de ellos. Ese número coincide también con la cantidad total de electrones que giran alrededor del núcleo de cada átomo en particular. No obstante, independientemente de la cantidad total de electrones que le corresponda a cada elemento, en la última capa u órbita sólo pueden girar de uno a ocho electrones como máximo.



Diferentes formas de representar de forma gráfica un.mismo.átomo, en este caso de cobre (Cu):  A) Normal, en.la que. aparecen todos los electrones girando alrededor del núcleo   de   ese   elemento   en  sus  respectivas  órbitas. 
B) Representación plana en la que se pueden observar, de.forma parcial, las cuatro órbitas o  niveles  de  energía  que
le corresponden a ese átomo con la  distribución  numérica
de  todos los  electrones  que  posee en cada una de ellas.
  en  total ). C)  La  misma  representación  plana, pero. 
más simplificada, en la que se muestra solamente la última órbita o banda de valencia, identificada  con.el número “1”, o sea, el único electrón que posee en esa posición. D)  El  mismo átomo mostrado  ahora.en representación plana, con la última órbita y el único electrón que gira en la misma.


Banda de valencia

Como ya conocemos, todos átomos que integran cualquier cuerpo material poseen órbitas o capas, denominadas también niveles de energía, donde giran electrones alrededor de sus núcleos. La última de esas capas se denomina “banda de valencia” y es donde giran los electrones que en unos casos el átomo puede ser ceder, como ocurre con los metales y en otros casos puedeatraer o captar de la banda de valencia de otros átomos cercanos. La banda de valencia es el nivel de energía que determina que un cuerpo se comporte como conductor, aislante o semiconductor.

En el caso de los metales en la última órbita o “banda de valencia” de sus átomos sólo giran entre uno y tres electrones como máximo, por lo que su tendencia es cederlos cuando los excitamos empleando métodos físicos o químicos. Las respectivas valencias de trabajo (o números de valencia) de los metales son las siguientes: +1, +2 y +3.

Esos números con signo positivo (+) delante, corresponden a la cantidad de electrones que pueden ceder los átomos de los metales, de acuerdo con la cantidad que contiene cada uno en la última órbita.

En general la mayoría de los elementos metálicos poseen conductividad eléctrica, es decir, se comportan como conductores de la electricidad en mayor o menor medida. Los que poseen un solo electrón (a los que les corresponde el número de valencia +1, como el cobre), son los que conducen la corriente eléctrica con mayor facilidad.



En los conductores eléctricos las bandas de energía, formadas por la banda de conducción y la banda de valencia del elemento metálico, se superponen facilitando que los electrones puedan saltar desde la última órbita de un átomo a la de otro de los que integran también las moléculas del propio metal. Es por eso que cuando se aplica corriente eléctrica a un circuito formado por conductores de cobre, por ejemplo, los electrones fluyen con facilidad por todo el cuerpo metálico del alambre que integra el cable.Normalmente las bandas de energías se componen de: 1) una banda de valencia. 2) una banda de conducción y, 3) otra banda interpuesta entre las dos anteriores denominada “banda prohibida”. La función de esta última es impedir o dificultar que los electrones salten desde la banda de valencia hasta la banda de conducción. En el caso de los metales la banda prohíbida no existe, por lo que los electrones en ese caso necesitan poca energía para saltar de una banda a la otra.

Debido a que en los metales conductores de corriente eléctrica la banda de valencia o última órbita del átomo pose entre uno y tres electrones solamente (de acuerdo con el tipo de metal de que se trate), existe una gran cantidad de estados energéticos “vacíos” que permiten excitar los electrones, bien sea por medio de una reacción química, o una reacción física como la aplicación de calor o la aplicación de una diferencia de potencial (corriente eléctrica) que ponga en movimiento el flujo electrónico.

En general los metales mejores conductores de electricidad como el cobre, la plata y el oro poseen una alta densidad de electrones portadores de carga en la banda de valencia, así como una alta ocupación de niveles de energía en la banda de conducción. Hay que destacar que aunque la plata y el oro son mucho mejores conductores de la corriente eléctrica que el cobre, la mayoría de los cables se fabrican con este último metal o con aluminio en menor proporción, por ser ambos metales buenos conductores de la corriente eléctrica, pero mucho más baratos de producir y comercializar que la plata y el oro.