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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