LAS FAMILIAS QUÍMICAS II

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE SANTO DOMINGO

(INTEC)

Presentación

Integrantes: 

Pomelina Carrasco,  Samuel Herrera,

 Michael Maldonado, Jose Anibal Gomez,

 Nathalia Varela, Diego Gil 

Id:

Sección:

0

Profesor:

David Montalvo Francisco

   Fecha : 17/09/18 

INTRODUCCIÓN

A continuación se podrá apreciar un trabajo de una intensa investigación de los temas asignados como la segunda parte de las familias químicas, la metalurgia y  la electrólisis en nuestro país.

Conjuntamente con los tipos y sus subdivisiones que estos experimentan, tomando cada punto y cada definición llevándolo a lo experimentar con ejemplo e imágenes alusivos a dichos temas de cada tema a presentar dando así una idea más acabada, completa y con lujos de detalles.

LAS FAMILIAS QUÍMICAS II

Carbono

El Carbono es un elemento químico abundante en la naturaleza. Es único en la química porque forma un número de compuestos mayor que la suma total de todos los otros elementos combinados, por lo que es uno de los elementos más conocidos de la tabla periódica. Dentro de dicha tabla, el carbono es representado por la letra C, ocupa el lugar número seis y tiene una masa atómica de 12 con su estado sólido (no metálico, no magnético). Este material completamente orgánico presenta características alotrópicas muy poco comunes, lo que permite que el uso del carbono sea variado y muy útil.

Las propiedades físicas y químicas del carbono dependen de la estructura cristalina del elemento. La densidad fluctúa entre 2.25 g/cm³ (1.30 onzas/in³) para el grafito y 3.51 g/cm³ (2.03 onzas/in³) para el diamante. El punto de fusión del grafito es de 3500ºC (6332ºF) y el de ebullición extrapolado es de 4830ºC (8726ºF).

El carbono es un elemento sólido cuando este se halla en temperatura ambiente, aunque puede ser encontrado en la naturaleza en otras formas, dependiendo de las condiciones de formación. Ha sido encontrado en formas alotrópicas, tales como el caso del carbono amorfo y del cristalino, que suele ser visto comúnmente como grafito y diamante.

El Diamante, es tal vez uno de los más controversiales de los usos que se le da a este mineral, pues, a diferencia de los diamantes que se consiguen en la naturaleza de forma natural, los diamantes a base de grafito son sometidos a una rigurosa y complicada transformación en la que juegan un papel fundamental la temperatura, la presión y los estados de la materia, al final, se logran resultados increíbles de durabilidad, calidad y resistencia.

Dentro de la química orgánica, una rama de la ciencia que se dedica a estudiar solo los compuestos que forma el carbono, el carbono es el pilar principal y se conocen unos 16 millones de compuestos de carbono, aunque este número aumenta en medio millón cada año.

Además de esto, el carbono está presente en todos los seres vivos conocidos y compone el 0.2% de la superficie del planeta. Así mismo, si este se enlaza con el oxígeno, forma dióxido de carbono, el cual es vital para el desarrollo y crecimiento de las plantas.

Las propiedades químicas del carbono le permiten a este elemento unirse con una gran cantidad de átomos distintos para formar moléculas enormes y complejas. De hecho, la química del carbono es tan variada que es capaz de formar más compuestos químicos que el resto de los elementos de la tabla periódica juntos. Por eso no es de extrañar que exista la química orgánica.

El carbono tiene la peculiaridad de formar compuestos en su mayoría orgánicos, y es que, en conjunto con sustancias como el nitrógeno, el oxígeno. De los muchos compuestos que se derivan del carbono, tenemos los más importantes como:

Alcanos: tiene como su miembro más importante al metano, este compuesto es común encontrarlo en materias de uso común, entre ellas el gas natural, el petróleo y sus derivados.

Alquinos y alquenos: ambos compuestos son empleados mayormente a niveles industriales, el alqueno funge principalmente como ácido.

Etanol: también conocido popularmente como alcohol, este compuesto puede ser encontrado de diversas formas, desde las que son empleadas con propósitos alimenticios, pasando por los que tienen un fin cosmético hasta llegar a los de orden industrial.

Cetonas: este compuesto es empleado con varios propósitos, principalmente a nivel industrial, pero desde hace mucho tiempo es común poder encontrar presentaciones de esta sustancia, adecuadas a las labores cosméticas. Es altamente inflamable, incoloro y su olor tiende a ser muy fuerte. 

Lípidos: con el carbono como uno de sus principales elementos, los lípidos tienen un rol muy importante en la alimentación, y es que estos proveen gran cantidad de energía al cuerpo de quien lo consume, aunque el abuso de esto puede tener consecuencias lamentables. 

Proteínas: otro compuesto importante del carbono para la alimentación, pero para lograr su condición de proteína, es necesario que haya enlaces peptídicos (varios aminoácidos).

Por igual, aparte de las ya mencionadas, le podemos encontrar diversas aplicaciones al carbono, de las cuales son las siguientes:

Carbono-14: se trata de un isótopo radiactivo que es utilizado para averiguar la edad de ciertos animales.

El carbono puede ser combinado con arcilla para formar las minas que son utilizadas por los lápices.

En los lubricantes puede ser añadido como un aditivo.

Las pinturas anti-radar que se usan en algunos vehículos militares también contienen carbono.

El carbono en reactores nucleares, como parte de las varillas de protección.

En la medicina se usan las pastillas de carbón, las cuales son capaces de absorber toxinas que estén presentes en el sistema digestivo, y además pueden funcionar como un remedio para las flatulencias.

Hay sistemas de filtración y purificación de agua que utilizan carbón activo.

El hollín, un derivado del carbono, se incorporó a la goma para mejorar algunas de sus propiedades, aunque también se puede utilizar en electrodos.

Nitrógeno

Se conoce como nitrógeno al elemento químico que se caracteriza por tener como número atómico al siete y que se simboliza con la letra N. Es de apariencia incolora, su forma natural es gaseosa y pertenece a la familia de los no metales. Es un elemento que, por ser parte de los no metales, son malos conductores de electricidad.

El nitrógeno, consta de dos isótopos, 14N y 15N, en abundancia relativa de 99.635 a 0.365.

La atmósfera se encuentra compuesta en un 78,1% de su volumen por nitrógeno. Esta condensación es producto del balanceo de la fijación del nitrógeno atmosférico por la fuerza bacteriana, química y eléctrica, además de la fuga a través de la descomposición de material inorgánico por bacterias o por combustión. Además, forma parte del 3% de la composición elemental del cuerpo humano y aparece en los restos de animales. Los científicos han detectado algunos compuestos del espacio exterior que contienen nitrógeno.

El nitrógeno elemental tiene una reactividad baja hacia la mayor parte de las sustancias comunes, a temperaturas ordinarias. A altas temperaturas, reacciona con cromo, silicio, titanio, aluminio, boro, berilio, magnesio, bario, estroncio, calcio y litio para formar nitruros; con O2, para formar NO, y en presencia de un catalizador, con hidrógeno a temperaturas y presión bastante altas, para formar cianuro de hidrógeno.

El nitrógeno en su versión líquida se mantiene a una temperatura idéntica o inferior a su temperatura de ebullición (de acuerdo a las mediciones a -195,8 ºC). Es posible generarlo a escala industrial a partir de una destilación fraccionada y suele usarse para sellar las vías de agua en las obras públicas. El nitrógeno es una de las moléculas esenciales para la vida, ya que forma parte de la estructura de moléculas tan importantes como las proteínas, el ADN, el ARN, o de las vitaminas del grupo B. Por lo tanto, sin nitrógeno no existiría la vida y, de hecho, este elemento ha sido uno de los factores que más han limitado el crecimiento de la población durante siglos.

Uno de los usos principales es la fabricación de fertilizantes, aunque también se utiliza para preparar explosivos, algunos colorantes y para la fabricación del amoniaco.

También se usa para inflar los paquetes que contienen alimentos, como patatas fritas, y mantenerlos frescos más tiempo ya que se evita su descomposición por el oxígeno y otras sustancias.

El nitrógeno líquido se usa en la investigación para reducir y en algunos tratamientos dermatológicos. Con el descubrimiento reciente de materiales cerámicos que llegan a ser superconductores en el punto de ebullición del nitrógeno, su uso como refrigerante ha aumentado considerablemente. Debido a su inercia se utiliza en algunos procesos para producir una atmósfera protectora que impida la evolución de reacciones deseadas. Mezclado con el oxígeno, el óxido nitroso se usa como anestésico para algunos tipos de cirugía.

Fósforo

Símbolo P, número atómico 15, peso atómico 30.9738. El fósforo forma la base de gran número de compuestos, de los cuales los más importantes son los fosfatos. En todas las formas de vida, los fosfatos desempeñan un papel esencial en los procesos de transferencia de energía, como el metabolismo, la fotosíntesis, la función nerviosa y la acción muscular.

Esto también puede hacerse en la química de los compuestos de fósforo, aunque muchas familias están incompletas. La familia mejor conocida de estos compuestos es el grupo de cadenas de fosfatos. Las sales de fosfatos constan de cationes, como el sodio, junto con cadenas de aniones, como (PnO3n+1)(n+2)-, que pueden tener de 1 a 1 000 000 de átomos de fósforo por anión.

El fósforo es un elemento que estimula el desarrollo del sistema radicular y el establecimiento temprano de las plantas. Es muy importante en la función reproductiva, por lo que es abundante en flores y frutos. Las plantas deben contar con este elemento para completar su ciclo normal de producción ya que no existe otro nutriente que pueda sustituirlo.

Entre las aplicaciones cerca de tres cuartas partes del fósforo total (en todas sus formas químicas) se emplean en Estados Unidos como fertilizantes. Otras aplicaciones importantes son como relleno de detergentes, nutrientes suplementarios en alimentos para animales, ablandadores de agua, aditivos para alimentos y fármacos, agentes de revestimiento en el tratamiento de superficies metálicas, aditivos en metalurgia, plastificantes, insecticidas y aditivos de productos petroleros.

Casi todo el fósforo utilizado en el comercio está en forma de fosfatos. La mayor parte de los fertilizantes fosfatados constan de ortofosfato diácido de calcio u otofosfato ácido de calcio muy impuros, Ca(H2PO4)2 y CaHPO4. Estos fosfatos son sales del ácido ortofosfórico.

Debido a su reactividad, el fósforo no se encuentra nativo en la naturaleza, pero forma parte de numerosos minerales. La apatita es una importante fuente de fósforo, existiendo importantes yacimientos en Marruecos, Rusia, Estados Unidos y otros países. La forma alotrópica blanca se puede obtener por distintos procedimientos; en uno de ellos, el fosfato tricálcico, obtenido de las rocas, se calienta en un horno a 1450 °C en presencia de sílice y carbono reduciendo el fósforo que se libera en forma de vapor.

Características del fósforo

Una característica estructural interesante de muchos de los compuestos del fósforo conocidos es la formación de estructuras tipo jaula. Ejemplos de estas moléculas son el fósforo blanco, P4, y uno de los pentóxidos de fósforo, P4O10. Las estructuras tipo red son comunes; por ejemplo, los cristales de fósforo negro en que los átomos están enlazados unos con otros.

El fósforo es un componente esencial de los organismos.

Forma parte de los ácidos nucleicos (ADN y ARN).

Forma parte de los huesos y dientes de los animales.

En las plantas en una porción de 0,2 % y en los animales hasta el 1 % de su masa es fósforo.

El fósforo común es un sólido.

De color blanco, pero puro es incoloro.

Un característico olor desagradable.

Es un no metal.

Emite luz por fosforescencia.

Oxígeno

Elemento químico gaseoso, símbolo O, número atómico 8 y peso atómico 15.9994. Es de gran interés por ser el elemento esencial en los procesos de respiración de la mayor parte de las células vivas y en los procesos de combustión. Es el elemento más abundante en la corteza terrestre. Cerca de una quinta parte (en volumen) del aire es oxígeno. El oxígeno es el elemento químico más abundante, por masa, en la biosfera, el aire, el mar y el suelo terrestres. Es, asimismo, el tercero más abundante en el universo, tras el hidrógeno y el helio.

El oxígeno es un gas incoloro e inodoro con fórmula molecular O2, en el que dos átomos de oxígeno se enlazan con una configuración electrónica en estado triplete. Este enlace tiene un orden de enlace de dos y se suele simplificar en las descripciones como un enlace doble​ o como una combinación de un enlace de dos electrones y dos enlaces de tres electrones

Como gas, es más pesado que el aire, y constituye una quinta parte de este en su forma molecular O2. También forma parte del agua, de los óxidos, de casi todos los ácidos y sustancias orgánicas, y está presente en nuestro cuerpo y en todos los seres vivos. Resulta esencial para la respiración de especies animales y vegetales (fotosíntesis), y en la generación del dióxido de carbono (CO2). Es muy reactivo, y activa los procesos de combustión. Reunido en una composición de tres átomos (O3) es conocido como ozono, el gas que constituye la ozonósfera, capa atmosférica vital para protegernos de las radiaciones ultravioletas del Sol.

El oxígeno se separa del aire por licuefacción y destilación fraccionada. Las principales aplicaciones del oxígeno en orden de importancia son:

Fundición, refinación y fabricación de acero y otros metales.

Manufactura de productos químicos por oxidación controlada.

Propulsión de cohetes.

Apoyo a la vida biológica y medicina.

Minería, producción y fabricación de productos de piedra y vidrio.

El oxígeno es ampliamente utilizado por el ser humano: industrialmente es empleado para la producción de acero, la soldadura y el corte de materiales de hierro; para la obtención de una gran variedad de sustancias, importantes en la fabricación de textiles y plásticos; para la purificación de aguas residuales y la fabricación de explosivos. En su estado líquido, es utilizado como combustible en cohetes, así como para la generación de aire artificial en aeronaves, submarinos, naves espaciales y submarinismo.

La fundición de mena de hierro en acero consume el 55 % del oxígeno producido comercialmente.En este proceso, el O2 es inyectado mediante una lanza de alta presión en el molde de hierro, que expulsa las impurezas de Azufre y el exceso de Carbono, en forma de sus respectivos óxidos, SO2 y CO2. Las reacciones son exotérmicas y la temperatura asciende hasta los 1700 Cº.

El oxígeno es un gas incoloro e inodoro con fórmula molecular O2, en el que dos átomos de oxígeno se enlazan con una configuración electrónica en estado triplete. Este enlace tiene un orden de enlace de dos y se suele simplificar en las descripciones como un enlace doble o como una combinación de un enlace de dos electrones y dos enlaces de tres electrones.

METALURGIA Y QUÍMICA DE LOS METALES

Procesos metalúrgicos: producción de metales

Obtención del metal a partir del mineral que lo contiene en estado natural, separándolo de la ganga; el afino, enriquecimiento o purificación: eliminación de las impurezas que quedan en el metal;Elaboración de aleaciones;Otros tratamientos del metal para facilitar su uso.

Operaciones básicas de obtención de metales:

- Operaciones físicas: triturado, molienda, filtrado (a presión o al vacío), centrifugado, decantado, flotación, disolución, destilación, secado, precipitación física.

- Operaciones químicas: tostación, oxidación, reducción, hidrometalurgia, electrólisis, hidrólisis, lixiviación mediante reacciones ácido-base, precipitación química, electrodeposición y cianuración.

Dependiendo el producto que se quiera obtener, se realizarán distintos métodos de tratamiento. Uno de los tratamientos más comunes es la mena, consiste en la separación de los materiales de desecho. Normalmente entre el metal está mezclado con otros materiales como arcilla y silicatos, a esto se le suele denominar ganga.

Uno de los métodos más usuales es el de la flotación que consiste en moler la mena y mezclarla con agua, aceite y detergente. Al batir esta mezcla líquida se produce una espuma que, con ayuda de la distinta densidad que proporciona el aceite va a ir arrastrando hacia la superficie las partículas de mineral y dejando en el fondo la ganga.

Otra forma de flotación puede emplearse en la separación de minerales ferromagnéticos, utilizando imanes que atraen las partículas de mineral y dejando intacta la ganga.

Otro sistema de extracción de la mena es la amalgama formada con la aleación de mercurio con otro metal o metales. Se disuelve la plata o el oro contenido en la mena para formar una amalgama líquida, que se separa con facilidad del resto. Después el metal de oro y plata se purifican eliminando el mercurio mediante la destilación.

Reducción química y reducción electrolítica 

La Reducción Química es el fenómeno en que un átomo recibe electrones cuando participa en una reacción química formando un nuevo enlace, con átomos diferentes. La Reducción se ve reflejada en el Estado de Oxidación o Valencia del Átomo, que es el número que expresa cuántos electrones puede ceder o recibir.

Se llama Reductor Químico a la sustancia química que actúa aportando electrones en una Reacción Química de tipo Oxidación-Reducción. Su opuesto es el Oxidante, que es la sustancia química que actúa retirando electrones de otras.

Oxidación-Reducción

Se ha definido la oxidación como la pérdida de electrones por un átomo; y la Reducción, como la ganancia de electrones. Cualquier reacción que comprenda uno de estos procesos tiene que implicar también por necesidad el otro, pues si un átomo pierde electrones, otro ha de ganarlos. Por eso se llaman estas reacciones de Oxidación-Reducción o REDOX.

Algunas veces la oxidación se define como un aumento del estado de oxidación de un elemento, que puede significar un mayor contenido de oxígeno en un compuesto, tal como sucede en los oxácidos de los halógenos. En estos casos no hay evidencia de que haya tenido lugar una transferencia de electrones; los enlaces entre el Oxígeno y los Halógenos son covalentes coordinados.

Pero en otros, cuando hay transferencia de electrones se produce un cambio en la Electrovalencia. Este cambio en la Valencia así como el número de electrones transferidos intervienen al igualar las ecuaciones de Oxidación-Reducción. Para simplificar la igualación de las ecuaciones de Oxidación-Reducción en que se consideran enlaces covalentes coordinados, se usará el concepto de Número de Valencia.

Reducción en las Ecuaciones REDOX

La igualación o balanceo de las ecuaciones Redox se hace mediante el Método del Número de Valencia. Se podrá comprender mejor qué especies químicas son las que se Reducen. No es difícil igualar las ecuaciones Redox si se observan las siguientes reglas:

- Para igualar la ecuación, deben incluirse todos los productos de la reacción en la ecuación indicada.

- El número de electrones perdidos por el agente Reductor debe ser igual al número de electrones ganados por el oxidante.

Reducción electrolítica 

La carga eléctrica es: Q = I · t ; la constante de Faraday es la cantidad de electricidad que es necesaria para producir un mol de electrones,vale: 1F  = 96.500 C/ mol de e-

Diferencias entre las pilas y la electrólisis

En una pila la energía química de una reacción redox espontánea da lugar a una corriente eléctrica.

En la electrólisis ocurre el proceso inverso se produce una reacción química no espontánea suministrando energía mediante una corriente eléctrica.

En las pilas: el ánodo es negativo y el cátodo es positivo.

En la electrólisis es al contrario: el ánodo es positivo y el cátodo es negativo.

En la electrólisis sólo existe en el circuito externo un movimiento de electrones y en el interior de la cuba un movimiento de iones, es decir un transporte de carga y de materia. En la electrólisis las reacciones que ocurren tanto en el ánodo como en el cátodo quedan determinadas por la polaridad que genera la batería del circuito externo.

En una cuba electrolítica los dos electrodos normalmente se encuentran inmersos en un electrolito común en la cuba electrolítica. En este caso por medio de la corriente eléctrica se provoca un proceso inverso al de una pila Daniell. Proporcionando a la cuba electrolítica una corriente eléctrica externa, de una fem  mayor de 1,10 V se provoca el proceso no espontáneo de la reducción de los iones Zn2+ de la disolución del electrolito,  que ocurre en el cátodo.

El electrodo de cinc es el polo negativo (hace de cátodo en la electrólisis) debido al suministro de electrones por parte del circuito externo. Esta polaridad provoca la reacción que ocurre en este electrodo: la descarga o reducción de los iones cinc (II) que se depositan como cinc metálico, cuya lámina metálica aumenta de masa.

En el electrodo de cobre (electrodo positivo que hace de ánodo en la electrólisis) los electrones fluyen hacia el circuito externo. La reacción que ocurre en este electrodo es que los átomo de cobre de la lámina metálica se oxidan a Cobre (II) disminuyendo de masa la lámina.

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Metalurgia del hierro

El hierro es un elemento químico, de símbolo Fe y cuya densidad a 20°C es de 7,87 kg/dm3. El hierro puro tiene una alta temperatura de fusión, 1539°C. Los minerales más importantes de los que se extrae el hierro son:

Oligisto (Fe203), con un 60-70% de hierro.

Limonita (Fe2o3), con un 55% de hierro.

Magnetita (Feo), con un 70% de hierro.

Siderita (Co3Fe), con un 60% de hierro.

Residuos de tostación de piritas.

Para que la extracción de estos minerales sea rentable tienen que tener como mínimo un 25% o 30% de hierro y que la ganga, que es la parte desechable del mineral, tenga algo de contenido en azufre.

La metalurgia del hierro se llama siderurgia; el hierro se extrae principalmente de la hematita y en menor proporción de la magnetita. Se obtiene por medio de la fusión de los minerales en hornos especiales llamados altos hornos. Antes de introducir el mineral dentro del horno, las menas han de sufrir una serie de procesos:

Concentración: para eliminar la mayor parte de la ganga (parte que acompaña al mineral pero no es útil) se muele el mineral e incluso a veces se le somete a una selección magnética.

Calcinación: las menas (parte útil) se calientan en hornos sin aire para eliminar la humedad del proceso anterior.

Tostación: las menas se calientan, con lo que las impurezas de azufre se oxidan al circular aire a presión, y se pueden eliminar.

Sinterización: este proceso sirve para aprovechar las menas en forma de polvo. Consiste en aglomerar las partículas en polvo del metal en unos hornos rotativos.

El alto horno es un tipo de cuba que se divide en 2 partes, la parte superior llamada cuba y la parte inferior denominada etalajes. El interior del horno es de un material refractario, muy a menudo se usa la cerámica debido a su alto punto de fusión, y el exterior es de una chapa de acero. Estos materiales están separados por un circuito de refrigeración para que no se transmita todo el calor al acero.

Cuando están preparadas las menas se les añade unos componentes llamados fundentes. Estos fundentes, que pueden ser sílice o carbonatos, se echan por el tragante, que es la parte superior del alto horno, junto con el mineral de hierro y el carbón de coque, que es el combustible que normalmente se usa en este tipo de hornos. En el exterior del horno hay unas toberas, que son unas aberturas por donde entra el aire caliente a presión, a veces con oxígeno, y se consiguen temperaturas de 2000°C.

Con esta primera fusión del hierro se consigue el arrabio, que al ser más denso que el resto de los componentes, se deposita en la parte inferior de los etalajes, en el crisol. Cuando el proceso de fundición termina, el arrabio sale por una cavidad que se encuentra en el crisol, llamada piquera. Como las escorias son menos densas que el hierro fundido, se encuentran encima del arrabio y por lo tanto salen por un orificio que se encuentra algo más arriba, pero en los etalajes también, llamado bigotera. Los gases que se desprenden en este proceso salen por la parte superior del horno a unos 200°C o 300°C y después de ser depurados del polvo, se emplean como combustible, y las escorias se pueden utilizar para la fabricación de cementos o para la fabricación de aislantes térmicos y eléctricos.

Manufactura del acero

La mayor parte del hierro fundido de primera fusión fabricado en un alto horno, conocido como arrabio, se utiliza para fabricar acero. Las clases de fundiciones de hierro fundido principales son:

FUNDICIÓN DE HIERRO GRIS: Hechas con una mezcla de hierro de primera fusión y chatarra de acero, son las uso más común. Se transforman en una gran variedad de productos.

FUNDICIONES ALEADAS: Se fabrican vaciando el metal fundido en moldes de metal, de manera que la superficie se enfríe rápidamente. Las fundiciones se utilizan para rodillos de trituración u otros productos que requieran una superficie dura y resistente al desgaste.

FUNDICIONES MALEABLES: Se fabrican a partir de un grado especial de hierro de primera fusión y chatarra de fundición. Ya que estas fundiciones se han solidificado, se recocen en hornos especiales. Esto hace a hierro maleable y resistente al impacto.

Antes de convertir en acero el hierro de primera fusión fundido en acero, deben quemarse la mayoría de las impurezas. Esto puede llevarse a cabo con dos clases de horno básico de oxígeno o el horno de arco eléctrico de corriente directa o alterna.

Proceso básico del oxígeno

El horno básico de oxígeno se parece al convertidor Bessemer, pero no tiene la cámara de aire y las toberas en el fondo para admitir aire a través de carga

• Combustible primario: Carbón pulverizado, aceite, oxigeno.

• Metal predominante: Arrabio sólido o fundido (65-80%), chatarra (30%), cal, oxígeno.

• Producto: Fundición gris, fundición blanca acero.

Horno eléctrico

El horno eléctrico se utiliza principalmente para fabricar aceros de aleación y de herramientas finos.

Combustible primario: Electricidad

Metal predominante: Chatarra de acero bien seleccionada.

Atmósfera especial disponible: Vacío o con gas inerte

Producto: Acero, hierro gris.

No contamina la atmósfera como otros.

Se alimentan por gravedad oxígeno, mineral de hierro prerreducido, carbón y fundente en baño de escoria de hierro fundido. El oxígeno quema el carbón para producir parte del calor necesario para llevar a cabo el proceso. El óxido de hierro se funde con la escoria y es reducido a hierro fundido por el carbono del carbón. El resto de la energía necesaria viene de la combustión parcial del monóxido de carbono que se produce durante la reducción del óxido de hierro

Ya que se ha refinado el acero en cualquiera de los hornos, se vacía en ollas, donde pueden agregarse elementos de aleación y desoxidantes. El acero fundido entonces puede vaciarse en lingotes, que pueden pesar hasta 20 toneladas , y los lingotes calientes se colocan en pozos de recalentamiento a 2 200º F por 1.5 hr. para que tengan una temperatura uniforme.

Teoría de la banda de conductividad: conductores y semiconductores

Existen dos enfoques, basados en la teoría de bandas, que nos permiten entender los fenómenos de conductividad eléctrica y térmica en los materiales sólidos. Estos enfoques son capaces de explicar, por ejemplo, las diferencias tan enormes en las resistividades eléctricas de tales materiales. Uno de ellos es la teoría de F. Bloch (1928), la cual establece que los electrones de valencia en un metal se encuentran sujetos a un potencial no constante (periódico) y cuya periodicidad es impuesta por la estructura cristalina. El otro, la teoría de W. Heitler y F. London, considera los efectos sobre los niveles energéticos de átomos aislados, cuando dichos átomos se encuentran agrupados en un cristal (átomos inter-actuantes). Un tratamiento riguroso de la teoría de bandas, requiere de la aplicación de la mecánica cuántica, en cualquiera de los dos enfoques. El de Heitler y London, sin embargo, permite una explicación cualitativa más clara de los fenómenos involucrados en la teoría de bandas, por lo cual nos centraremos en esta teoría. Los materiales pueden clasificarse, de acuerdo con su resistividad, en conductores, semiconductores y aislantes. 

Conductores

Los conductores son materiales (generalmente metales), cuya estructura electrónica les permite conducir la corriente eléctrica a bajas temperaturas o temperatura ambiente; su resistividad al paso de la corriente eléctrica es muy baja.

De acuerdo con la teoría de bandas, son aquellas materiales cuyas bandas de valencia y de conducción, se encuentran muy próximas entre sí, al grado de que, en algunos casos, estas bandas se encuentran sobrepuestas. Los electrones de valencia en un átomo, son los que se encuentran en el nivel energético más externo y ellos permiten los enlaces entre los átomos en los compuestos o entre átomos del mismo tipo en una molécula o un cristal. Por su parte, los electrones de conducción son los que se han promovido a niveles energéticos vacíos, lo que da lugar a su mayor movilidad y, eventualmente, da origen a las corrientes eléctricas. Veamos lo que sucede, tanto con los electrones en estados energéticos de átomos aislados, como los que se encuentran en estados energéticos en un cristal.

Semiconductores

Los semiconductores se encuentran situados, por lo que hace a su resistencia, entre los conductores y los aislantes, ya que a temperaturas muy bajas difícilmente conducen la corriente eléctrica y más bien se comportan como aislantes, pero al elevar su temperatura o al ser sometidos a un campo eléctrico externo, su comportamiento cambia al de los conductores. Estos semiconductores son conocidos como intrínsecos y, en ellos, las bandas de conducción y valencia se encuentran separadas por una barrera de energía (banda prohibida) más pequeña (comparada con la del diamante), de aproximadamente 1 eV.

En este tipo de materiales, cuando se transfiere un electrón de la banda de valencia a la banda de conducción, se crea un “hueco” que actúa como un "transportador" de carga positiva, fenómeno que eventualmente puede crear una “corriente positiva”.

Para entender el movimiento relativo de los huecos, podemos imaginar a los electrones como esferas que se mueven por un tubo [Fig. 6, (a)]. Cuando una esfera (electrón) se disloca, deja un espacio vacío (hueco positivo), el cual es ocupado inmediatamente por la esfera (electrón) adyacente, (b) y (c). El desplazamiento se repite hasta que la última esfera (electrón) se mueve, dejando un último espacio vacío (hueco), (d). El movimiento de las esferas hacia la izquierda, genera un movimiento aparente de los espacios vacíos hacia la derecha. De la misma manera, puede entenderse el movimiento, en sentidos opuestos, de los electrones (negativos) y “huecos” positivos, en un semiconductor. En los semiconductores intrínsecos, el número de electrones disponibles para la conducción y los correspondientes huecos formados, se encuentran en igual número y los materiales de este tipo son de poca utilidad para la electrónica. 

Sin embargo, cuando se agregan ciertos átomos (impurezas) a estos materiales, sus propiedades eléctricas cambian notablemente. Así, cuando se agrega una impureza “donadora de electrones”, la proporción de electrones será mayor que la de huecos, y el material se comportará como un “portador de carga negativa” 1 (electrónica), aunque los huecos estarán presentes en menor proporción. De la misma forma, cuando se agrega una impureza “aceptora de electrones”, el material semiconductor se convertirá en un semiconductor “portador de carga positiva” (huecos), con electrones presentes en menor proporción. Al proceso de controlar la calidad y la cantidad de las impurezas, de una clase o de otra, se denomina “dopaje”. A los materiales semiconductores con impurezas de un tipo u otro, se conocen como semiconductores extrínsecos.

Aplicación de la electrólisis a nivel industrial

Obtención de elementos

Mediante la electrolisis podemos descomponer diferentes compuestos en sus elementos, la única condición es que estos compuestos fundidos o disueltos liberen iones. En el proceso catódico podemos obtener metales, hidrógeno...

Cátodo: Mn+ + ne- → M

De este modo se obtiene el sodio , el aluminio, el hidrógeno...

En el proceso anódico podemos obtener no metales como el cloro, el oxígeno...

Ánodo: X n-→ X + ne-

Purificación de metales

Para purificar un metal se usa como ánodo el metal impuro y como cátodo el mismo metal puro, ambos metales se sumergen en una cuba electrolítica con una disolución de una sal del metal en cuestión. Este método es muy usado en la purificación del cobre.

Galvanotecnia

La electrólisis es usada también para recubrir ciertos metales con otro metal con el fin de embellecerlo y/o evitar la corrosión. Los metales que habitualmente se depositan son el oro, la plata, el cromo, el estaño... A este proceso se le denomina galvanotecnia.

Electrolisis a nivel industrial

Es muy utilizada en soluciones acuosas de cloruro de sodio para la producción de cloro y soda cáustica.Semirreacción catódica: 2H2O(l) + 2e- = H2(g) + 2OH-(aq) 

Semirreacción anódica: 2Cl-(aq) = Cl2(g) + 2e- Reacción total: 2H2O(l) + 2Cl-(aq) = H2(g) + 2OH-(aq)+ Cl2(g)  Ecuación molecular:  2H2O(l) + 2NaCl(aq) = H2(g) + 2NaOH(aq)+ Cl2(g)

 Obtención electrolítica de aluminio: Alúmina Al2O3 (mezclada con criolita Na3AlF6 para bajar su punto de fusión) se electroliza en cubas con electrodos de carbono. El aluminio metálico obtenido se deposita en el fondo de la cuba, mientras que el oxígeno generado reacciona con el carbón del ánodo para dar dióxido de carbono. El aluminio obtenido en cada celda de electrólisis se drena del fondo de la celda

Semirreacción catódica: Al3+ + 3e- = Al(l)

Semirreacción anódica: C(s) + 2O2- = CO2 + 4e-

Conclusiones

MEDICINA

Muchos de los elementos químicos se presentan en nuestra vida como cosas imprescindibles para lo que hoy conocemos como la vida humana que, por lo tanto, la carrera de medicina propone muchos de estos elementos para su estudio, debido a que conociendo estos, se puede entender el funcionamiento del cuerpo humano, y no sólo comprenderlo, sino que también se pueden conocer los factores que afectan al mismo.

Entre estos elementos cabe destacar al carbono, quien está presente en todos los seres vivos conocidos del planeta tierra, el nitrógeno, fósforo y el oxígeno. El conocimiento de los elementos ya mencionados, junto con otros, hace posible que la medicina evolucione como tal, debido a que muchos de estos son los responsables de proporcionarnos energía, dar con nuestro código genético, ayudar con la homeostasis y la resistencia de nuestros huesos; también, se ha descubierto la anestesia, pastillas absorbentes de toxinas, etc. 

Todo esto y más es importante para que la medicina siga avanzando cada día, por eso no le podemos dar de baja al seguir investigando sobre estos elementos químicos que nos rodean, ya que todo lo que hace interacción con nuestro ambiente, nos involucra de alguna u otra manera.

Así como es significativo entender la “química de la medicina”, lo es por igual la metalurgia y química de los metales. Gracias a todos estos procedimientos para la separación y creación de metales, tenemos muchos de los instrumentos que nos sirven y nos ayudan con muchas de las actividades médicas que se realizaron en el pasado y que han ido evolucionando para hacer las que podemos hoy.

El entendimiento de estas máquinas que funcionan con estos elementos químicos metálicos, nos hace posible realizar, desde las cirugías más fáciles, a las más difíciles. En procedimientos que son necesarias la electricidad, tenemos ahí los metales que son buenos conductores de esta, y utilizados de la manera correcta, hace que todo el seguimiento sea un éxito, tanto para el paciente como para el personal médico.

Por más mínimo que parezca una cosa, siempre esta es necesaria para el área de las ciencias de la salud, porque, como ya se mencionó anteriormente, no se puede ignorar la relación que tiene el ser humano con el ambiente que lo rodea, ya que este siempre lo va a afectar para bien o para mal, y debido a esto, es mejor conocer todo lo que sea posible para prevenir o mejorar esta parte de la vida.

Pomelina Carrasco Féliz y Michael Maldonado Ventura.

INGENIERÍA ELÉCTRICA

Se puede notar que la química juega un papel esencial en el estudio y aplicación de la electricidad ya que los conductores son materiales (generalmente metales), cuya estructura electrónica les permite conducir la corriente eléctrica a bajas temperaturas o temperatura ambiente; su resistividad al paso de la corriente eléctrica es muy baja. 

De acuerdo con la teoría de bandas, son aquellas materiales cuyas bandas de valencia y de conducción, se encuentran muy próximas entre sí, al grado de que, en algunos casos, estas bandas se encuentran sobrepuestas. Los electrones de valencia en un átomo, son los que se encuentran en el nivel energético más externo y ellos permiten los enlaces entre los átomos en los compuestos o entre átomos del mismo tipo en una molécula o un cristal. 

Por su parte, los electrones de conducción son los que se han promovido a niveles energéticos vacíos, lo que da lugar a su mayor movilidad y, eventualmente, da origen a las corrientes eléctricas. Veamos lo que sucede, tanto con los electrones en estados energéticos de átomos aislados, como los que se encuentran en estados energéticos en un cristal.

Samuel Herrera

BIOTECNOLOGÍA

En los últimos tiempos, la Biotecnología se ha convertido en una alternativa viable para la extracción de los valores presentes en las menas, así como para la recuperación de metales presentes en soluciones acuosas contaminantes. En el sector minero metalúrgico, los procesos biotecnológicos han logrado ser aplicados con éxito para la extracción de cobre, uranio, cobalto, oro y plata y en la lixiviación de cobre y uranio.

Por mucho tiempo, se pensó que la disolución o lixiviación de metales era un proceso netamente químico, mediado por agua y oxígeno atmosférico. Recién en la década del 40 se descubrió la existencia de bacterias que revolucionaron la definición de lixiviación como un proceso catalizado biológicamente. La biolixiviación es una tecnología que usa bacterias específicas para extraer (lixiviar) metales de los minerales. Por lo tanto, se determinó que la tecnología debería llamarse “biohidrometalurgia” ya que, para que el proceso de recuperación de cobre fuera eficaz era necesaria además de agua, la presencia de ciertos microorganismos. 

Nathalia Varela

INGENIERÍA CIVIL

Para concluir esta parte del trabajo podemos reunir estos 2 grandes elementos que son el fósforo y el oxígeno los cuales aportan a la ingeniería civil de manera indirecta. En el caso del fósforo aporta de manera indirecta al a esta área profesional y es que se usa como fertilizante para los suelos lo cual a la larga fortalecen el sustrato y aportan a la resistencia y soporte de carga que transmiten los elementos estructurales de alguna edificación en particular.

El caso del oxígeno es más notorio su aporte y de manera directa ya que este es utilizado para enriquecer o reemplazar el aire e incrementar la eficiencia de la combustión en la producción de metales ferrosos y no-ferrosos. El oxígeno aporta de manera directa a la naturaleza y esto aporta a que ciertos elementos de la naturaleza sean utilizados en el área de la ingeniería como es el caso de la madera para realizar encofrados y también para utilizarlos como puntales, los cuales funcionan como elementos de soportes de las losas cuandos estas pasan del proceso de encofrado a vaciado.

 Jose Anibal Gómez y Diego Gil