Este folleto cubre temas seleccionados del SL para el curso evaluado por primera vez en 2025; no constituye el programa completo.
Prerrequisitos: los modelos iónico, covalente y metálico de Estructura 2.1–2.3, y densidad de física anterior.
Los ejemplos son originales y ficticios: no son mediciones reales ni investigaciones estudiantiles reales.
9.2
De modelos a materiales
¿Qué explicaría esta observación?
Un alambre de cobre se dobla sin romperse y conduce corriente; una placa de cerámica se quiebra pero nunca conduce; una bolsa de plástico se estira y se funde sobre una vela. ¿Por qué estos materiales se comportan tan diferente?
Construya el modelo
El modelo de enlace predice las propiedades macroscópicas: un material metálico tiene iones positivos en un mar de electrones deslocalizados, por lo que conduce y es maleable. Una red iónica es dura pero frágil y solo conduce cuando está fundida o disuelta. Una red covalente gigante tiene un punto de fusión muy alto. Las sustancias moleculares simples y los polímeros tienen bajo punto de fusión, y las cadenas poliméricas pueden deslizarse y flexionarse.
Un material compuesto combina materiales para que el producto tenga propiedades que ninguna parte posee por sí sola, como fibras de carbono en una resina. Elegir un material implica adaptar sus propiedades derivadas del modelo a un requisito de diseño, luego verificar cantidades medibles como resistencia, densidad y conductividad.
Propiedad macroscópica: Una propiedad medible de una muestra de material, como la resistencia o la conductividad; material compuesto: Un material formado por dos o más componentes cuyas propiedades combinadas superan a las de cada parte; material metálico: Un material de iones metálicos mantenidos por electrones deslocalizados.
El modelo de enlace predice las propiedades; la resistencia por unidad de densidad determina diseños ligeros y fuertes
Elija evidencias que puedan probarlo
Ponga a prueba el modelo midiendo lo que predice: doble y estire muestras de un metal, un sólido iónico y un polímero bajo las mismas condiciones y compare la conductividad en estado sólido y fundido donde lo permita la escuela. El modelo se respalda solo si las propiedades observadas coinciden con el enlace en la estructura.
Compare materiales candidatos para una aplicación usando propiedades medidas, no nombres: un cuadro de bicicleta necesita alta resistencia por unidad de masa, una ventana necesita transparencia y resistencia a rayaduras.
Trabaje desde cantidades conocidas
Conocido: una aleación de aluminio tiene resistencia 300 MPa y densidad 2.7 g/cm³; un acero tiene resistencia 500 MPa y densidad 7.8 g/cm³. El diseño requiere resistencia por unidad de masa, así que calcula la relación: aleación 300/2.7 ≈ 111 MPa por g/cm³; acero 500/7.8 ≈ 64 MPa por g/cm³. La aleación ofrece mayor resistencia para la misma masa, por lo que es adecuada para un chasis ligero aunque el acero sea más fuerte en términos absolutos.
Ejemplo:
Un compuesto de fibra de carbono tiene resistencia 1,100 MPa a densidad 1.4 g/cm³. Encuentre su relación resistencia-densidad y compárela con la aleación anterior, usando la misma secuencia: cantidades conocidas → modelo → relación → sustitución → unidad e interpretación. (Respuesta: 1,100/1.4 ≈ 786 MPa por g/cm³ — aproximadamente siete veces la aleación, por eso los cuadros de carreras lo usan a pesar del costo.)
Verifique la conclusión y sus límites
Una sola relación nunca resuelve una elección de diseño: tenacidad, costo, resistencia a la corrosión, manufacturabilidad y fin de vida útil son importantes. Los modelos de enlace describen estructuras ideales; los materiales reales contienen defectos que reducen la resistencia medida por debajo de la predicción del modelo.
Advertencia:
El material más fuerte en términos absolutos siempre es la mejor opción para un diseño. Esta afirmación es falsa: la mejor opción depende del requisito; por unidad de masa, la aleación que parece más débil supera al acero, y otros criterios como el costo y la corrosión pueden superar totalmente a la resistencia.
Clave:
De modelos a materiales: los modelos de enlace predicen propiedades macroscópicas — el metálico conduce y se dobla, el iónico es duro y frágil, el covalente gigante resiste el calor, los materiales moleculares y poliméricos tienen bajo punto de fusión y se flexionan. La selección de materiales compara propiedades medidas contra un requisito declarado, a menudo como una relación como resistencia por densidad.
