Las formas naturales artificiales más útiles del carbono.
Aunque sólo constituye 0.09% en masa de la corteza terrestre, el carbono es un elemento esencial para la materia viva. Se encuentra libre en forma de diamante y grafito, también es un componente del gas natural, del petróleo y del carbón. (El carbón es un sólido de origen natural, café oscuro o negro, que se utiliza como combustible; se forma a partir de las plantas fósiles y está constituido por carbono amorfo y diversos compuestos orgánicos e inorgánicos.) En la atmósfera, el carbono se combina con el oxígeno para formar dióxido de carbono; también existe como carbonato en la piedra caliza y en la tiza.
Las propiedades fisiológicas, físicas y químicas más importantes de los óxidos del carbono.
Entre los diversos óxidos de carbono, los más importantes son el monóxido de carbono, CO, y el dióxido de carbono, CO2. El monóxido de carbono es un gas incoloro e inodoro que se forma por la combustión incompleta del carbono o de compuestos que contienen carbono:
2C(s) + O2(g) ⎯→ 2CO(g)
El monóxido de carbono se utiliza en procesos metalúrgicos para la extracción de níquel, en síntesis orgánicas y, con el hidrógeno, en la producción de hidrocarburos combustibles.
En la industria se prepara pasando vapor de agua sobre coque caliente. El monóxido de carbono se quema con rapidez en presencia de oxígeno para formar dióxido de carbono:
2CO(g) + O2(g) ⎯→ 2CO2(g) ΔH° = –566 kJ/mol
El monóxido de carbono no es un óxido ácido (en este aspecto es diferente del dióxido de carbono) y sólo es ligeramente soluble en agua.
El dióxido de carbono es un gas incoloro e inodoro. A diferencia del monóxido de carbono, el CO2 no es tóxico. El dióxido de carbono se utiliza en bebidas gaseosas, en extintores de incendios y en la fabricación del polvo para hornear, NaHCO3, y sosa comercial, Na2CO3. El dióxido de carbono sólido, conocido como hielo seco.
los principales compuestos del carbono
El diamante y el grafito son alótropos del carbono. En la figura 21.4 se presenta el diagrama de fases del carbono. A pesar de que el grafito es la forma estable del carbono a 1 atm y 25°C, los propietarios de joyas con diamantes no tienen por qué alarmarse, ya que la velocidad del proceso espontáneo es muy pequeña. Por tanto, podrían transcurrir millones de años antes de que el diamante se convirtiera en grafito.
El diamante sintético se prepara a partir de grafito, al aplicar presión y temperatura muy altas. Por lo general los diamantes sintéticos carecen de las propiedades ópticas de los diamantes naturales. Sin embargo, son muy útiles como abrasivos y para cortar el concreto y otras sustancias duras, incluso los metales y las aleaciones.
El carbono tiene la capacidad única de formar largas cadenas (algunas constituidas hasta por más de 50 átomos de C) y anillos estables con cinco o seis miembros. Este fenómeno se denomina concatenación, la unión de átomos iguales. La versatilidad del carbono es responsable de los millones de compuestos orgánicos (formados con carbono, hidrógeno y otros elementos como oxígeno, nitrógeno y los halógenos) que se encuentran en la Tierra.
Carburos y cianuros
El carbono se combina con metales para formar compuestos iónicos denominados carburos, como CaC2 y Be2C, en los cuales el carbono está en forma de iones C2 2– o C4–.
El carborundo también se forma por el calentamiento del silicio con carbono a 1 500°C. El carborundo es casi tan duro como el diamante y tiene la estructura de éste; cada átomo de carbono está unido, en forma tetraédrica, con cuatro átomos de Si, y viceversa. Se utiliza principalmente para cortar, moler o pulir metales y vidrios. Otra clase importante de compuestos del carbono son los cianuros, que contienen el grupo aniónico: C ≡ N:-. Los iones cianuro son muy tóxicos porque se unen de manera casi irreversible al ion Fe(III) de la citocromo oxidasa, una enzima clave en los procesos metabólicos.
El cianuro de hidrógeno, que tiene el aroma de las almendras amargas, es todavía más peligroso como consecuencia de su volatilidad (p.e. 26°C). Unas cuantas décimas de 1% en volumen de HCN en el aire pueden causar la muerte en unos cuantos minutos. El cianuro de hidrógeno se prepara al mezclar cianuro de sodio o cianuro de potasio con ácido.
Los iones cianuro se utilizan para extraer el oro y la plata. Aunque por lo general estos metales se presentan en estado libre en la naturaleza, se encuentran en cantidades relativamente pequeñas en las menas de otros metales, de las que es más difícil extraerlos. En un proceso común, la mena pulverizada se trata con una disolución acuosa de un cianuro en presencia de aire para disolver el oro mediante la formación de un ion complejo soluble
las fuentes principales del nitrógeno
Aproximadamente 78% en volumen del aire es nitrógeno. Las fuentes minerales más importantes de nitrógeno son el salitre (KNO3) y el salitre de Chile (NaNO3). El nitrógeno es un elemento esencial para la vida, es un componente de las proteínas y los ácidos nucleicos.
El nitrógeno molecular se obtiene por destilación fraccionada del aire (los puntos de ebullición del nitrógeno líquido y del oxígeno líquido son –196°C y –183°C, respectivamente). En el laboratorio se puede preparar nitrógeno gaseoso muy puro por la descomposición térmica del nitrito de amonio:
NH4NO2(s) ⎯→ 2H2O(g) + N2(g)
La molécula de N2 contiene un enlace triple y es muy estable respecto de la disociación en las especies atómicas. Sin embargo, el nitrógeno forma un gran número de compuestos con el hidrógeno y el oxígeno, en los cuales su número de oxidación varía de –3 a +5. La mayor parte de los compuestos de nitrógeno son covalentes; sin embargo, cuando el nitrógeno se calienta con ciertos metales, forma nitruros iónicos que contienen el ion N3–:
6Li(s) + N2(g) ⎯→ 2Li3N(s)
El ion nitruro es una base fuerte de Brønsted y reacciona con el agua para producir amoniaco y iones oxhidrilo:
N3–(ac) + 3H2O(l) ⎯→ NH3(g) + 3OH–(ac)
los principales compuestos del fosforo
ü El tributilfosfato, un compuesto de fósforo, se utiliza para extraer uranio. Esto se llama el proceso Purex.
ü El hidruro de fósforo más importante es la fosfina, PH3, un gas incoloro, muy venenoso que se forma por calentamiento de fósforo blanco en disolución concentrada de hidróxido de sodio.
Propiedades
El estado del fósforo en su forma natural es sólido (diamagnético). El fósforo es un elemento químico de aspecto incoloro, rojo o blanco plateado y pertenece al grupo de los no metales. El número atómico del fósforo es 15. El símbolo químico del fósforo es P. El punto de fusión del fósforo es de 317,3 grados Kelvin o de 45,15 grados Celsius o grados centígrados. El punto de ebullición del fósforo es de 550 grados Kelvin o de 277,85 grados Celsius o grados centígrados.
El fósforo es un mineral que nuestro organismo necesita para su correcto funcionamiento y se puede encontrar en los alimentos. A través del siguiente enlace, podrás encontrar una lista de alimentos con fósforo.
Algunas propiedades distintivas del oxígeno.
El hidrógeno es el más sencillo de los elementos conocidos; su forma atómica más común sólo contiene un protón y un electrón. Sin embargo, el hidrógeno sólo existe en estado atómico a temperaturas muy elevadas. Por lo general, el hidrógeno elemental es una molécula diatómica, producto de una reacción exotérmica entre átomos de H:
H(g) + H(g) ⎯→ H2(g) ΔH° = – 436.4 kJ/mol
El hidrógeno molecular es un gas incoloro, inodoro y no es tóxico. Tiene un punto de ebullición de –252.9°C (20.3 K) a 1 atm. El hidrógeno es el elemento más abundante en el universo; constituye aproximadamente 70% de la masa total del mismo.
Es el décimo elemento en abundancia en la corteza terrestre, donde se encuentra combinado con otros elementos. A diferencia de Júpiter y Saturno, la Tierra no tiene una fuerza gravitacional tan grande como para retener las ligeras moléculas de H2, por lo que el hidrógeno no forma parte de la atmósfera terrestre.
En la industria: En escala industrial se prepara mediante la reacción entre propano (del gas natural y también como subproducto de la refinación del petróleo) y vapor de agua en presencia de un catalizador, a 900°C:
C3H8(g) + 3H2O(g) ⎯→ 3CO(g) + 7H2(g)
En otro proceso, el vapor de agua se pasa sobre un lecho de coque calentado al rojo:
C(s) + H2O(g) ⎯→ CO(g) + H2(g)
La mezcla de monóxido de carbono e hidrógeno gaseosos producida en esta reacción se co- noce por lo regular como gas de agua. Durante muchos años se utilizó el gas de agua como combustible, ya que tanto el CO como el H2 se queman en el aire, pero debido a que el CO es venenoso, el gas de agua se sustituyó por gases naturales, como metano y propano.
Zn(s) + 2HCl(ac) ⎯→ ZnCl2(ac) + H2(g)
El hidrógeno gaseoso también se puede producir por la reacción entre un metal alcalino o un metal alcalinotérreo (Ca o Ba) y agua, pero estas reacciones son demasiado violentas para utilizarse en la preparación de hidrógeno gaseoso en el laboratorio. La electrólisis del agua es un método simple de producir hidrógeno. Una corriente eléctrica de bajo voltaje fluye a través del agua, y el oxígeno gaseoso se forma en el ánodo, mientras que el gas hidrógeno se forma en el cátodo. Típicamente, el cátodo está hecho de platino u otro metal inerte (generalmente platino o grafito), cuando se produce hidrógeno para el almacenamiento
Zn(s) + 2HCl(ac) ⎯→ ZnCl2(ac) + H2(g)
Estado natural del azufre y su abundancia
El estado del azufre en su forma natural es sólido. A pesar de que el azufre no es un elemento muy abundante (constituye sólo alrededor de 0.06% en masa de la corteza terrestre), resulta muy accesible porque es común encontrarlo en la naturaleza en forma elemental.
Las reservas más grandes de azufre que se conocen se encuentran en depósitos sedimentarios. Además, el azufre se presenta de manera abundante en el yeso (CaSO4 · 2H2O) y en diversos sulfuros minerales, como la pirita (FeS2). El azufre también está presente en el gas natural, como H2S, SO2 y otros compuestos de azufre.
Método Frasch. El azufre se extrae de los depósitos subterráneos mediante el proceso de Frasch. En este proceso se bombea agua sobrecalentada (agua líquida calentada a 160°C aproximadamente, sometida a alta presión para evitar la ebullición) por el tubo externo para fundir el azufre.
En nombre de este método es en honor a Herman Frasch (1851-1914) ingeniero químico alemán quien además de inventar el proceso para la obtención del azufre puro desarrolló métodos para la refinación del petróleo.
Las principales compuestos de este elemento y en que se utilizan
· Ácido sulfúrico. El ácido sulfúrico es la sustancia más importante de la industria química mundial. En escala industrial se prepara quemando, primero, el azufre en aire:
S(s) + O2(g) ⎯→ SO2(g)
Se utiliza en la fabricación de fertilizantes, refinerías de petróleo, tratamiento de aguas residuales, baterías de plomo para automóviles, extracción de mineral, eliminación de óxido de hierro, fabricación de nylon y producción de ácido clorhídrico.
- El sulfato de magnesio, que contiene azufre, se utiliza como laxante, en sales de baño y como un suplemento de magnesio para las plantas.
Mg(s) + H2SO4(ac) ⎯→ MgSO4(ac) + H2(g)
- El disulfuro de carbono, un compuesto de azufre, se puede utilizar para hacer celofán y rayón (un material utilizado en la ropa).
C(s) + 2S(l) ⎯→ CS2(l)
- Otros compuestos de azufre (sulfitos) se utilizan para blanquear el papel y preservar la fruta.
· Otro compuesto interesante del azufre es el hexafluoruro de azufre, SF6, que se prepara por calentamiento de azufre en una atmósfera de flúor. El hexafluoruro de azufre es un gas no tóxico, incoloro (p.e. –63.8°C). Es el más inerte de todos los compuestos de azufre.
S(l) + 3F2(g) ⎯→ SF6(g)
Las principales propiedades físicas y químicas del ácido sulfúrico.
El ácido sulfúrico puro es un líquido aceitoso incoloro, denso (d=1,834 g/cm3), que se congela a 10,37º C, dando un sólido cristalino incoloro que hierve a 317ºC, temp eratura a la que la composición del mismo es de 98,54% de H2SO4, pues durante el calentamiento desprenden vapores formados al descomponerse en H2O y SO3. También el oleum alcanza esta concentración cuando es calentado.
Propiedades químicas.
a) Propiedades ácidas: El ácido sulfúrico da todas las reacciones características de los ácidos: reacciona con los óxidos e hidróxidos de los metales formando la sal correspondiente, ataca a los metales que se encuentran por encima del hidrógeno en la serie de tenciones, etc.
CaO + H2SO4 ----- CaSO4 + H2O
2 NaOH + H2SO4 -- Na2SO4 + 2 H2O
Mg + H2SO4 ------- MgSO4 + H2
b) Acción deshidratante: El ácido sulfúrico, especialmente si es concentrado, tiene una fuerte apetencia por el agua, dando lugar a una serie de hidratos. Esta reacción con el agua es tan pronunciada que no solamente elimina agua de los materiales que la contienen, sino que en ocasiones elimina los dos elementos que la forman (hidrógeno y oxígeno), sobre todo si se encuentran en la misma reacción atómica que en el agua, como ocurre en muchos hidratos de carbono:
c) Acción oxidante: El ácido sulfúrico no tiene un poder oxidante particularmente notable. Este poder viene determinado por los valores de los diferentes potenciales redox:
H2SO3 + H2O ---- SO42- + 4H+ + 2e- Eº=-0.20V
H2SO3 + 4OH- ---- SO42- + 3 H2O + 2e- Eº=0.90V
Sólo concentrado y en caliente el potencial es suficiente para oxidar metales como el cobre, a los que disuelve.
H2SO3 + H2O ---- SO42- + 4H+ + 2e- Eº=-0.20V
H2SO3 + 4OH- ---- SO42- + 3 H2O + 2e- Eº=0.90V
Sólo concentrado y en caliente el potencial es suficiente para oxidar metales como el cobre, a los que disuelve.
d) Reacciones orgánicas: El ácido sulfúrico interviene también en numerosas reacciones orgánicas, bien como reactivo, bien como catalizador. Un ejemplo de ambas actuaciones puede ser la sulfonación de hidrocarburos aromáticos:
C6H6 + H2SO4 ---- C6H5.SO2.OH + H2O
C6H6 + H2SO4 ---- C6H5.SO2.OH + H2O
Obtención el ácido sulfúrico
El ácido sulfúrico se encuentra disponible comercialmente en un gran número de concentraciones y grados de pureza. Existen dos procesos principales para la producción de ácido sulfúrico, el método de cámaras de plomo y el proceso de contacto.
El proceso de cámaras de plomo es el más antiguo de los dos procesos y es utilizado actualmente para producir gran parte del ácido consumido en la fabricación de fertilizantes. Este método produce un ácido relativamente diluido (62%-78% H2SO4). En el proceso de cámaras de plomo el dióxido de azufre (SO2) gaseoso caliente entra por la parte inferior de un reactor llamado torre de Glover donde es lavado con vitriolo nitroso (ácido sulfúrico con óxido nítrico (NO) y dióxido de nitrógeno (NO2) disueltos en él), y mezclado con óxido de nitrógeno (NO) y óxido de nitrógeno (IV) (NO2) gaseosos.
El proceso de contacto produce un ácido más puro y concentrado, pero requiere de materias primas más puras y el uso de catalizadores costosos. El proceso se basa en el empleo de un catalizador para convertir el SO2 en SO3, del que se obtiene ácido sulfúrico por hidratación.
Defina los términos:
· Mineral: es una sustancia de origen natural, con una composición química característica dentro de cierto intervalo. Posee una disposición ordenada de átomos de los elementos de que está compuesto, y esto da como resultado el desarrollo de superficies planas, conocidas como caras.
· Mena: es un depósito mineral cuya concentración es económicamente factible para extraer el metal deseado Así, se dice que un mineral es mena de un elemento químico, o más concretamente de un metal, cuando mediante un proceso de extracción a base de minería se puede conseguir ese mineral a partir de un yacimiento y luego, mediante metalurgia, obtener el metal a partir de ese mineral.
· Metalurgia: La metalurgia es la ciencia y tecnología de la separación de los metales a partir de sus menas y de la preparación de aleaciones. La metalúrgica es la rama que aprovecha la ciencia, la tecnología y el arte de obtener metales y minerales industriales, partiendo de sus menas, de una manera eficiente, económica y con resguardo del ambiente, a fin de adaptar dichos recursos en beneficio del desarrollo y bienestar de la humanidad.
Las principales etapas en la preparación de la mena.
En este proceso, la mena se muele finamente y se vierte en agua que contiene aceite y detergente. La mezcla líquida se bate o se le introduce aire para formar una espuma. El aceite moja las partículas de mineral de manera selectiva y las arrastra hacia la superficie de la espuma, en tanto que la ganga se deposita en el fondo.
La espuma se recoge, se rompe y se seca para recuperar las partículas minerales. Otro proceso de separación física emplea las propiedades magnéticas de ciertos minera- les. Los metales ferromagnéticos son fuertemente atraídos por los imanes. En particular, el mineral magnetita (Fe3o4) se puede separar de la ganga mediante un electroimán fuerte.
Los significados en la metalurgia de los términos: Tostar y Dopar.
El Tostado es un paso en la transformación de ciertas menas. Más específicamente, el tostado es un proceso metalúrgico que implica reacciones sólido-gas a temperaturas elevadas con el fin de purificar el componente metálico. A menudo antes del tostado, el mineral ya ha sido parcialmente purificado, por ejemplo, por flotación en espuma. El concentrado se mezcla con otros materiales para facilitar el proceso. La tecnología es útil, pero también es una grave fuente de contaminación atmosférica.
El tostado consta de reacciones térmicas de sólido-gas, que pueden incluir oxidación, reducción, cloración, sulfatación, y prehidrólisis. En la tostación, el concentrado de mineral o se trata con aire muy caliente. Este proceso se aplica generalmente a los minerales de sulfuro. Durante la tostación, el sulfuro se convierte en un óxido, y el azufre se libera como dióxido de azufre, un gas
Se denomina Dopaje al proceso intencional de agregar impurezas en un semiconductor extremadamente puro (también referido como intrínseco) con el fin de cambiar sus propiedades eléctricas. Las impurezas utilizadas dependen del tipo de semiconductores a dopar. A los semiconductores con dopajes ligeros y moderados se los conoce como extrínsecos. Un semiconductor altamente dopado, que actúa más como un conductor que como un semiconductor, es llamado degenerado.
El número de átomos dopantes necesitados para crear una diferencia en las capacidades conductoras de un semiconductor es muy pequeño. Cuando se agregan un pequeño número de átomos dopantes (en el orden de 1 cada 100.000.000 de átomos) entonces se dice que el dopaje es bajo o ligero. Cuando se agregan muchos más átomos (en el orden de 1 cada 10.000 átomos) entonces se dice que el dopaje es alto o pesado. Este dopaje pesado se representa con la nomenclatura N+ para material de tipo N, o P+ para material de tipo P.
Los procesos de reducción química y electrolítica.
Reducción química
Es posible utilizar como agente reductor un metal más electropositivo que otro para separar este último a partir de sus compuestos a altas temperaturas:
V2o5(s) + 5Ca(l) ⎯→ 2V(l) + 5Cao(s)
TiCl4(g) + 2Mg(l) ⎯→ Ti(s) + 2MgCl2(l)
Cr2o3(s) + 2Al(s) ⎯→ 2Cr(l) + Al2o3(s)
3Mn3o4(s) + 8Al(s) ⎯→ 9Mn(l) + 4Al2o3(s)
En algunos casos, incluso el hidrógeno molecular se emplea como agente reductor, como en la preparación del tungsteno (que se utiliza en los filamentos de las bombillas) a partir del óxido de tungsteno (VI):
WO3(s) + 3H2(g) ⎯→ W(s) + 3H2O(g)
Reducción electrolítica
La reducción electrolítica se aplica a los metales muy electropositivos, como sodio, magnesio y aluminio. Por lo general, el proceso se lleva a cabo con el óxido o el halogenuro del metal, anhidro y fundido:
2Mo(l) ⎯→ 2M (en el cátodo) + o2 (en el ánodo)
2MCl(l) ⎯→ 2M (en el cátodo) + Cl2 (en el ánodo)
Los procedimientos específicos los describiremos más adelante.
La fuente principal del Fe
Estas reacciones son muy exotérmicas, y a medida que se elevan los gases calientes Co y Co2, reaccionan con los óxidos de hierro en diferentes zonas de temperatura Las etapas cruciales en la extracción del hierro son:
3Fe2O3(s) + CO(g) ⎯→ 2Fe3O4(s) + CO2(g)
Fe3O4(s) + CO(g) ⎯→ 3FeO(s) + CO2(g)
FeO(s) + CO(g) ⎯→ Fe(l) + CO2(g)
La piedra caliza se descompone en el horno como sigue:
CaCO3(s) ⎯→ CaO(s) + CO2(g)
El óxido de calcio reacciona con las impurezas del hierro, que son principalmente arena (Sio2) y óxido de aluminio (Al2o3):
CaO(s) + SiO2(s) ⎯→ CaSiO3(l)
CaO(s) + Al2O3(s) ⎯→ Ca(AlO2)2(l)
La mezcla de silicato de calcio y aluminato de calcio que se mantiene fundida a la temperatura del horno se conoce como escoria. Conforme transcurre el tiempo, la mena desciende hacia la parte inferior del horno; para entonces, la mayor parte ha sido reducida a hierro. La temperatura de la parte baja del horno es superior al punto de fusión del hierro impuro, por lo que el hierro fundido que se encuentra en la parte baja del horno se puede drenar hacia un recipiente. Debido a que la escoria es menos densa, forma una capa sobre el hierro fundido y es posible separarla en ese momento.
El hierro colado es uno de los materiales ferrosos más empleados y su nombre se debe a la apariencia de su superficie al romperse. Esta aleación ferrosa contiene en general más de 2% de carbono y más de 1% de silicio, además de manganeso, fósforo y azufre. Una característica distintiva del hierro gris es que el carbono se encuentra en general como grafito, adoptando formas irregulares descritas como “hojuelas”. Este grafito es el que da la coloración gris a las superficies de ruptura de las piezas elaboradas con este material.
El alto horno y que es la pirometalurgia
Un alto horno es un horno especial en el que tienen lugar la fusión de los minerales de hierro y la transformación química en un metal rico en hierro llamado arrabio. Está constituido por dos troncos en forma de cono unidos por sus bases mayores. Mide de 20 a 30 metros de alto y de 4 a 9 metros de diámetro; su capacidad de producción puede variar entre 500 y 1500 toneladas diarias.
La pirometalurgia es la técnica más tradicional de extracción de metales, a partir de los minerales, eliminando la ganga, que se trata de silicatos u otros minerales sin interés, que se desechan para obtener el metal a partir del mineral.
En pirometalurgia, una vez se consigue eliminar la ganga, o al menos su mayor parte, empieza el proceso de obtención del metal. Dicho proceso consiste básicamente en una reducción química, pues es preciso convertir el metal desde su número de oxidación positivo (con el que aparece en el mineral en estado libre), a número de oxidación cero.
Las etapas de purificación de los metales
Los metales preparados por reducción casi siempre requieren un tratamiento posterior para eliminar algunas impurezas. Por supuesto, el grado de purificación depende del uso al que se destinará el metal. Tres procedimientos comunes de purificación son la destilación, la electrólisis y la refinación por zonas.
Destilación
Los metales que tienen bajos puntos de ebullición, como el mercurio, el magnesio y el zinc, se pueden separar de otros metales mediante destilación fraccionada. Un método de destilación fraccionada muy conocido es el proceso de Mond1 para la purificación del níquel. Se pasa monóxido de carbono gaseoso sobre el níquel metálico impuro a 70°C aproximadamente, para formar el tetra carbonilo de níquel, que es volátil (su punto de ebullición es 43°C) y es una sustancia muy tóxica que se separa de las impurezas menos volátiles por destilación.
Electrolisis
La electrólisis es otra importante técnica de purificación. El cobre metálico obtenido por la tostación o calcinado del sulfuro de cobre, por lo general contiene impurezas como zinc, hierro, plata y oro. Los metales más electropositivos se eliminan por un proceso electrolítico en el cual el cobre impuro actúa como ánodo y el cobre puro actúa como cátodo, en una disolución de ácido sulfúrico que contiene iones Cu2+. .
Ánodo (oxidación): Cu(s) ⎯→ Cu2+(ac) + 2e–
Cátodo (reducción): Cu2+(ac) + 2e– ⎯→ Cu(s)
Los metales reactivos en el ánodo de cobre, como el hierro y el zinc, también se oxidan en el ánodo y pasan a la disolución en forma de iones Fe2+ y Zn2+. Sin embargo, no se reducen en el cátodo.
Refinación por zonas
En este proceso, una varilla metálica que contiene algunas impurezas se pasa a través de una bobina eléctrica de calentamiento que funde el metal. La mayoría de las impurezas se disuelve en el metal fundido. A medida que emerge la varilla de la bobina de calentamiento, se enfría y cristaliza el metal puro, dejando las impurezas en la porción metálica fundida que está todavía en el interior de la bobina de calentamiento. (Esto es semejante a la congelación de agua de mar, en la que el sólido que se separa es, sobre todo, disolvente puro: agua. En la refinación por zonas, el metal líquido actúa como disolvente, y las impurezas, como solutos.) Cuando la zona fundida que lleva las impurezas, ahora a mayor concentración, llega al final de la varilla, se deja enfriar y después se corta. La repetición de este procedimiento varias veces da como resultado un metal con una pureza superior a 99.99%.
El acero
El acero es una aleación del hierro que contiene entre 0.03 y 1.4% de carbono, además de diversas cantidades de otros elementos. La amplia gama de propiedades mecánicas útiles asociadas con el acero se debe esencialmente a su composición química y al tratamiento térmico de un tipo particular de acero.
Mientras que la producción del hierro es un proceso de reducción (transformación de los óxidos de hierro en hierro metálico), la conversión de hierro en acero es un proceso de oxidación en el que las impurezas indeseables se separan del hierro mediante su reacción con oxígeno gaseoso. Uno de los numerosos métodos utilizados en la manufactura del acero es el proceso básico con oxígeno. En la actualidad este proceso es el medio más común para producir acero, como consecuencia de la facilidad de operación y los tiempos relativamente cortos (alrededor de 20 minutos) que se requieren para cada conversión en gran escala (cientos de toneladas).
El hierro fundido proveniente del alto horno se vierte en un recipiente cilíndrico que se encuentra en posición vertical. Entonces se introduce oxígeno gaseoso a presión sobre el metal fundido, a través de un tubo enfriado con agua. En estas condiciones, el manganeso, el fósforo, el silicio, así como el exceso de carbono reaccionan con el oxígeno para formar óxidos. Estos óxidos reaccionan con los fundentes apropiados (por ejemplo, Cao o Sio2) para formar escoria.
Un conductor, un semiconductor (y los tipos), un aislante, las impurezas
Son las capacidades que tienen algunos elementos de conducir corriente eléctrica. Los metales se caracterizan por su alta conductividad eléctrica. Considere, por ejemplo, el magnesio. La configuración electrónica del Mg es [Ne]3s2, de manera que cada átomo tiene dos electrones de valencia en el orbital 3s. En un cristal metálico, los átomos están empaquetados muy cerca unos de otros, por lo que los niveles energéticos de cada átomo de magnesio se ven afectados por los de los átomos vecinos, lo que da como resultado el traslapo de orbitales.
En esencia, la conductividad eléctrica de un sólido depende del espaciamiento y del estado de ocupación de las bandas de energía. En el caso del magnesio y de otros metales, las bandas de valencia son adyacentes a las bandas de conducción, y por tanto estos metales actúan fácilmente como conductores. Por otra parte, en la madera y el vidrio la brecha entre la banda de valencia y la banda de conducción es mucho mayor que en un metal. Como consecuencia, se requiere mucha mayor energía para excitar un electrón hacia la banda de conducción. La ausencia de esta energía impide la libre movilidad de los electrones. Por ello, el vidrio y la madera son aislantes, incapaces de conducir la electricidad.
Semiconductores
Una gran cantidad de elementos son semiconductores, es decir, por lo general no son conductores, pero conducen la corriente eléctrica a elevadas temperaturas o cuando se combinan con una pequeña cantidad de algunos otros elementos. Los elementos del grupo 4A, como el silicio y el germanio, son especialmente útiles para este propósito. El uso de los semiconductores en transistores y en celdas solares, por mencionar dos aplicaciones, ha revolucionado la industria electrónica durante las últimas décadas, lo que ha permitido la fabricación de equipo electrónico en miniatura. La brecha energética entre las bandas llenas y las bandas vacías en estos sólidos es mucho menor que en el caso de los aislantes. Si se suministra la energía necesaria para excitar electrones desde la banda de valencia hacia la banda de conducción, el sólido se convierte en un conductor. La capacidad de un metal para conducir la electricidad disminuye al aumentar la temperatura, ya que, a mayores temperaturas, se acentúa la vibración de los átomos y esto tiende a romper el flujo de electrones.
La capacidad de un semiconductor para conducir la electricidad también se puede incrementar mediante la adición de pequeñas cantidades de ciertas impurezas al elemento, proceso que se denomina dopaje.
Aislante
Es un material con escasa capacidad de conducción de la electricidad, utilizado para separar conductores eléctricos evitando un cortocircuito y para mantener alejadas del usuario determinadas partes de los sistemas eléctricos que de tocarse accidentalmente cuando se encuentran en tensión pueden producir una descarga. Los más frecuentemente utilizados son los materiales plásticos y las cerámicas. Las piezas empleadas en torres de alta tensión empleadas para sostener o sujetar los cables eléctricos sin que éstos entren en contacto con la estructura metálica de las torres se denominan aisladores.
Impurezas
Las impurezas son cualquier elemento químico que entra en un mineral cuando este cristaliza que no corresponde a la composición química del mineral. Estas impurezas son responsables de la diversidad de colores en un mismo mineral, como es el ejemplo del cuarzo, que puede presentarse en cualquier color.
Los tipos de enlaces en los metales, en los conductores y en los aislantes
El enlace iónico, también llamado salino o electro covalente es el que se efectúa entre metales y no metales por transferencia de electrones. Siendo esta transferencia del átomo metálico al no metálico (o más electronegativo).
Enlace covalente no polar (homopolar) Este tipo de enlaces se presente en dos no metales de igual electronegatividad. Las propiedades de las sustancias con enlace covalente no polar son: Estado físico gaseoso, aunque pueden existir como sólido o líquidos. No son buenos conductores de la electricidad ni del calor.
Enlace covalente polar este tipo de enlace también llamado heteropolar está presente cuando dos átomos no metálicos de diferente electronegatividad se unen, comparten electrones pero la nube electrónica se deforma y se ve desplazada hacia el átomo mayor electronegatividad, originando polos en la molécula, uno con carga parcialmente positiva y otro con carga parcialmente negativa.
Enlace metálico este tipo de enlace está presente en los metales y aleaciones al construir cristales metálicos. En esta red cristalina de iones metálicos los electrones de valencia se intercambian rápidamente. Este tipo de enlace presenta propiedades como punto de fusión y ebullición generalmente elevados, brillo metálico, tenacidad, dureza, maleabilidad, ductilidad, alta conductividad eléctrica y térmica. El enlace metálico lo presenta todos los metales, aleaciones como los aceros, amalgamas de mercurio, aleaciones de cobre etc.
El magnetismo
El magnetismo o energía magnética es un fenómeno físico por el cual los objetos ejercen fuerzas de atracción o repulsión sobre otros materiales. Hay algunos materiales conocidos que han presentado propiedades magnéticas detectables fácilmente como el níquel, hierro, cobalto y sus aleaciones que comúnmente se llaman imanes. Sin embargo todos los materiales son influidos, de mayor o menor forma, por la presencia de un campo magnético.
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