Ciencia materiales. Ejercicios introducción y enlaces.

1. Ejercicios TEMA 1
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2. 1. A menudo el Fe (acero) se recubre con una delgada capa de
Zn cuando se va a utilizar en el exterior.
¿Qué características le da el Zn a este material recubierto?
¿Cómo se afectará la capacidad de reciclaje del producto?
Es un recubrimiento protector de material de base. Protege contra la corrosión.
El Zn debe ser recolectado
2. Los muelles deben ser muy resistentes y rígidos. El Si3 N4 es
un material resistente y rígido.
¿Se podría seleccionar este material para un resorte?
El Nitruro de silicio es un elemento cerámico. Las características de estos materiales son la
elevada resistencia unidad a la fragilidad. Un resorte está asociado a la deformación elástica y
repetitiva.
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3. 3. Para el diseño de una aeronave que pueda tener una
autonomía de vuelo de 30 Km, mediante energía humana, ¿qué
tipo de propiedades son recomendables en los materiales que
se empleen?¿Qué materiales podrían ser apropiados?
Los materiales a emplear deben tener un peso reducido y presentar buena resistencia. Debe ser
capaz de soportar cargas alternativas.
Los materiales compuestos, especialmente los basados en matriz de polímero, pueden
comprender la mayor parte del a aeronave.
Los polímeros tienen un peso ligero (tienen densidades de menos de la mitad que la del aluminio)
y puede reforzarse mediante la introducción de fibras de vidrio, de carbono u otros polímeros
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4. 4. ¿Qué propiedades debe tener la cabeza de
martillo?¿Cómo se fabricaría la cabeza de la herramienta?
un
Debe tener propiedades de tenacidad y resistencia al impacto. Se fabrica mediante forja y se
aplica un tratamiento térmico.
La forja es un proceso de deformación plástica que puede aplicarse tanto en frío como en caliente.
5. Calcular el número de átomos contenido en 100 g de Ag.
6. Calcular el número de electrones capaces de conducir una
carga eléctrica en 10 cm3 de Ag.
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Lo que nos piden que determinemos es el número de electrones de valencia contenidos en 10cm de Ag.
Sabemos que la valencia de la plata es 1, con lo que determinado el número de átomos contenidos en la
cantidad de plata dada tendremos el número de electrones capaces de conducir la carga eléctrica.
5,8627x1023
Considerando que tenemos 1 electrón de valencia por átomo, resulta que tendremos 5,5835x1023
electrones de valencia en 10 cm3 de plata.
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5. 7. Un álabe de turbina fabricado en níquel se puede corroer en
un turbocompresor.
¿Qué parámetros de diseño se deben tomar en consideración al
considerar un recubrimiento que no sólo deba proteger de las
altas temperaturas, de operación, sino que no deba romperse
cuando el álabe se enfríe a temperatura ambiente?
¿Qué problemas podrían presentarse?¿Qué tipos de materiales
se deben seleccionar para dicho recubrimiento?
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6. Funcionamiento:
El aire es forzado a pasar al motor a través de la turbina, suministrando empuje aerodinámico. El
aire se comprime en los álabes del compresor, se mezcla con el combustible y se quema en la
cámara de combustión. Al expansionarse los gases mueven y empujan los álabes de la turbina
generando el giro de esta.
Los álabes de la turbina pueden ser de una aleación de titanio. Tienen suficiente resistencia y
tenacidad para no fracturarse.
También tienen que ser resistentes a la fatiga (causada por cargas alternativas rápidas), debe
tener buena resistencia al desgaste superficial (provocado por el golpeteo de elementos que
puedan entrar) y ser resistente a la corrosión (importante en ambientes próximos al mar).
La densidad es importante, por varias razones:, cuanto más pesado sea el motor, menos carga
podrá llevar el avión.
Se han realizado pruebas con álabes de polímero reforzado con fibra de carbono (CFRP), con
densidad la mitad que el titanio. Pero son frágiles y no aguantarían los golpes de posibles
elementos que entraran.
La solución podría ser recubrir con metal un álabe de CFRP.
En la zona de combustión, los álabes deben soportar altas temperaturas (1700˚C). Cuanto más
alta sea la temperatura mejor rendimiento tendrá la turbina. Estos tienen que tener buena
resistencia a la fluencia y a la oxidación.
Para esta aplicación se utilizan superaleaciones a base de níquel.
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7. 8. Calcule la energía en julios (J) y electrón-voltios (eV) del fotón
cuya longitud de onda es de 123,6 nanómetros (nm). (1.00 eV =
1.60 × 10−19 J; h = 6.63 × 10−34 J· s; 1 nm = 10−9 m.)
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8. 9. Un átomo de hidrógeno existe con su electrón en el estado
n = 3. El electrón pasa a un estado n = 2. Calcule a) la energía
del fotón emitido, b) su frecuencia y c) su longitud de onda.
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9. 10. Describir el enlace covalente de los átomos de oxígeno y de
silicio, en la sílice SiO2
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10. 11. Describir el enlace iónico entre el Mg y el Cl.
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11. 12. La hoja de aluminio utilizada para guardar alimentos pesa
aproximadamente 0,05g por centímetro cuadrado, ¿cuántos
átomos de aluminio están contenidos en esta hoja?
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12. 13. a) ¿Cuál es la masa en gramos de un átomo de cobre?
b) ¿Cuántos átomos de cobre hay en 1 g de cobre?
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13. 14. Con el fin de recubrir una pieza de acero que tiene una
superficie de 1290cm2 con una capa de níquel de 0,0051cm de
espesor:
a) ¿cuántos átomos de Ni se requieren?
b) ¿cuántos moles de Ni se requieren?
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14. 15. El revestimiento (capa exterior) de la moneda está
formado por una aleación de 75% en peso de cobre y 25%
en peso de níquel. ¿Cuáles son los porcentajes atómicos de
Cu y Ni que contiene este material?
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15. 16. Una soldadura contiene 52% de peso en Sn y 48% en peso
de Pb, ¿Cuáles son los porcentajes atómicos de Sn y Pb en la
soldadura? (Resp.: Sn 65,4% y Pb 34,58%)
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16. 17. Un compuesto intermetálico tiene la fórmula química
general Nix Aly , donde x e y son números enteros simples y está
formado por 42,04% en peso de níquel y 57,96% en peso de
aluminio, ¿Cuál se la fórmula más sencilla de este compuesto
de níquel y aluminio?
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17. 18. En los metales la carga eléctrica se transfiere mediante el
movimiento de los electrones de valencia. ¿Cuántos portadores
de carga potenciales existen en un alambre de aluminio de
1mm de diámetro y 100m de longitud?
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18. 19. Utilizando los valores de los radios atómicos del Na y el Cl,
determinar la fuerza de atracción electrostática entre el Na+ y
el Cl- , en el NaCl.
¿Cuál es la fuerza de repulsión?
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19. Si consideramos los iones con los siguientes radios:
ion Na+ = 0.095 nm ; ion Cl− = 0.181 nm.
a0 = suma de los radios de los iones de Na + y Cl − = 0.095 nm + 0.181 nm =
=0.276 nm × 10 -9 m / nm = 2.76 × 10 -10 m
De este modo, la fuerza atractiva
entre los iones resulta +3.02 ×
10−9 N. La fuerza de repulsión
será igual y de signo opuesto y
por tanto su valor será de
−3.02 × 10−9 N.
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20. 21

21. 20. Calcular la fuerza de atracción entre el par de iones Ba2+ y
S2- . Considerar que el radio atómico del Ba2+ es 0,143nm y el
del S2- es 0,174nm.
F at t ract ive 
 Z 1Z 2 e
2
4 o a o
2
a o  rBa 2   rS 2   0 . 143 nm  0 . 174 nm  0 . 317 nm  3.17  10
F attractive 
 (  2 )(  2 )( 1 . 60  10
4 (8.85  10
-12
 19
C)
2
C / N  m )( 3 . 17  10
2
2
10
m)
2
 9.16  10
-10
9
m
N
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22. 21. Si la fuerza atractiva entre un par de iones Mg2+ y S2- es
1,49x10-8 N y si el ión S2- tiene un radio de 0,184nm, calcular el
valor del radio iónico del ión Mg2+ en nanómetros.
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23. 22. Si la fuerza atractiva entre el par de iones Sr2+ y O2- es
1,29x10-8 N y el radio iónico del ión O2- es 0,132nm, calcule el
radio iónico del Sr2+ en nanómetros. (Resp. : r Sr2+ = 0,1351 nm)
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24. 23. Calcule la energía potencial neta de un par iónico sencillo Na+
Cl− aplicando la Ecuación de la energía neta.
El término de la energía de atracción representa la energía
liberada cuando los iones se acercan y es negativa porque el
producto de (+Z1) (−Z2) es negativo.
El término de la energía de repulsión representa la energía
absorbida cuando los iones se aproximan y es positiva.
La suma de las energías asociadas con la atracción y
repulsión de los iones es igual a la energía neta, que es
mínima cuando los iones están separados a la distancia de
separación de equilibrio a0.
En la figura se muestra la relación entre estas tres energías e
indica la energía mínima Emín. En el mínimo de energía, la
fuerza entre los iones es cero.
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25. SOLUCIÓN :
Para determinar el valor de b para un par de iones NaCl se aplicará la ecuación:
El valor de la fuerza de repulsión entre un par de iones Na+ Cl− obtenido en un
problema anterior es −3.02 × 10−9 N y utilizando para n = 9 para el NaCl.
Entonces,
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