Metalurgia

Industriales. Materiales, átomos y enlaces. Cobre. Hierro. Aluminio. Teoría atómica. Estructuras cristalinas. Tabla periódica

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1.1 Introducción

Una rudimentaria metalurgia del hierro se conocía hacia el año 3000 A. de C.; probablemente, en algunas civilizaciones el uso del hierro procedió incluso al del bronce u del cobre. La primera producción del hierro esponjoso puede situarse, pues en el citado milenio, en tanto las primeras técnicas para obtener el hierro batido se remontan a los años 1600 y 1000 A.C. las primeras fusiones en fundición parecen haberse iniciado en china hacia el siglo I antes de cristo; unos 1500 años después, la fusión en fundición comenzó en europa a competir con la del bronce.

El lento perfeccionamiento de las técnicas correspondientes a la fusión, afinado y aligación de las aleaciones ferrosas, alcanzaron su máximo desarrollo en los siglos XVIII y XIX, periode en que se afirmaron nuevos métodos, algunos todavia utilizados en la antigüedad. Entre ellos el afinado por medio del convertidor (Bessemer & Thomas) y en horno Martin-Siemens; la fabricación de fundición maleable; la producción por horno electrico; la desoxidación mediante aluminiosilicio y manganeso; las técnicas de aligación que permiten fabricar aceros al niquel, cromo, cobalto, volframio, etc.; las técnicas de estampación en caliente y las de laminación.

Metalurgia extractiva

Es la tecnología de la extracción de metales a partir de sus menas y la refinación de los mismos para su posterior tratamiento

Metelurgia física

Esta ciencia estudia las propiedades, estructura, comportamiento y composición de los metales asi como su transformación para hacer productos útiles.

1.2 Metalurgia del cobre

El tratamiento metalurgico para la extracción del cobre, depende del mineral de procedencia, los distintos procesos son:

  • Cobre procedente de minerales que contienen el metal puro enestado nativo. El tratamiento de estos minerales, actualmente escasos, es muy sencillo, debiendo solamente a la separación del metal más pesado, englobado en una masa inerte en forma de granos o pajas, mediante procesos mecánicos capaces de separar las masas, previamente machacadas, según las diferentes densidades. Después el metal obtenido y se limpia de impurezas mediante un tratamiento metalúrgico normal.

  • Cobre procedente de minerales que lo contienen en forma de óxidos. Si los minerales son ricos, puede ser rentable el tratamiento pirometalurgico, que se efectua en un horno de fusión con adición de carbon como elemento reductor.

  • El cobre bruto así obtenido a continuos tratamientos de purificación, para alcanzar el nivel de calidad comercial; stos tratamientos son comunes a los cobres brutos obtenidos por cualquier procedimiento inicial de extracción del metal.

    Si se trata de minerales muy pobres en CuO, la metalurgía moderna procede a procesos hidrometalurgicos que excluyen la fusión, obteniendo el metal mediante reactivos capaces de arrastrar el óxido de cobre en forma de metal soluble; el más efectivo de estos reactivos es el ácido sulfúrico.

    Lixiviando los minerales que contienen óxido de cobre, previamente triturados, se obtienene una solución de sulfato de cobre (la lixibiación consiste en atravesar una sustancia pulverizada por un líqiudo a fin de extraer de esta todos sus componentes solubles), de esta solución se recupera facilmente el cobre, mediante dos procedimientos: a) proceso electrolítico, por el que el cobre de la solución se deposita en el cátodo y se recupera el ácido sulfúrico (aspecto economíco importante en este proceso, que vuelve al ciclo para reaccionar con nuevo mineral; b) cementación haciendo pasar la solución de CuSO4 entre chatarra de hierro, con lo cual, en virtud de las caracteristicas electroquímicas del cobre respecto a hierro se desarrolla la reacción:

    Cu² + SO²4 + Fe

    Cu + Fe² SO²4

    El cobre se precipita en forma pulverulenta y la solución del hierro en forma de sulfato.

  • Cobre procedentes de minerales que lo contienen como sulfuro. En este caso, un proceso fisicoquímico preliminar de flotación permite el enrriquecimiento del metal, separando las particulas del sulfuro de las de la ganga.

  • El mineral así enrriquecido, con la adicción de escorificantes adecuados, a fin de eliminar la ganga contenido, se carga en un horno de fusión en el cual a unos 1000°C, tras una serie de reacciones químicas, se forma una escoria fluida y ligera (densida aprox. 3.5) a base de silicatos, que sobrenada y se retira continuamente del horno; además de esta se forma otra capa fundida y más pesada (densidad aproximada 5) compuesta de sulfuros de cobre y de hierro, denominada mata ó metalina , que se recoge en el fondo.

    La metalina, todavía fundida y mantenida a unos 1000°C, se vierte directamente a un horno convertidor en el que tiene lugar la reacción exotermica fundamental de oxidación del sulfuro de hierro:

    2 FeS + 3 O2 2 FeO + 2 SO2 + 223980 cal

    El FeO formado reacciona con las paredes del horno si éste es de paredes ácidas o con la añadidura durente el proceso si las paredes son básocas; en cualquier caso, el FeO se escorifica en forma de silicato de hierro, que flota y se elimina. La masa fundida residual, sobrecalentada por la propia reacción, está formada esencialmente por CuS.

    Termina da la reacción que elimina el Fe y continuando con la insulfación de aire a la masa se inicia la oxidación del CuS según la reacción:

    Cu2S + O2 Cu + SO2 + 52000 cal

    Esta reacción tambien exotermica, separa el cobre metalico, que, debido al calor aportado por la propia reacción, permanece fundido a una temperatura de unos 1300°c.

    El metal obtenido en el convertidor se solidifica en forma de “panes”, porosos y de color oscuro, denominados blister. El blister procedente del convertidor posee una riqueza del 98 al 99 % y para llegar al porcentaje comercial, ha de someterse a procesos de depuración y enrriquecimiento. Para ello el blister se carga en un horno tipo rotativo de 10 a 20 tm de capacidad, o un tipo estático (o de reververo), cuya capacida puede llegar a los 200 tm, en el cual vuelve afundirse y se oxida mediante el aire introducido en el baño a traves de tubos de hiero sumergidos en el mismo.

    Este tratamiento hace pasar gradualmente todos los metales (impurezas) oxidables y, por tanto, menos nobles que el cobre que posteriormente se eliminan escorificados en forma de silicatos, ya que han reaccionado con las paredes del horno si son de masa silicea o con la silice añadida al metal fundido en el curso del proceso.

    El tratamiento de afinado por oxidación implica evidentemente una oxidación parcial del cobre por lo cual, determinada dicha fase y separada la escoria de silicatos que se ha producido, es necesario un tratamiento reductor de óxido de cobre formado en la masa del metal para convertirlo en cobre metalico.

    El cobre afinado con este proceso es una materia prima comercial directamente utilizable para fundiciones, semifabricados, aleaciones etc. Se denomina cobre afinado térmicamente y su riqueza mínima es del 99.8% de Cu.

    Para obtener el cobre totalmente exento de impurezas residuales, algunas de ellas perjudiciales para el metal y otras de importancia económica por tratarse de metales preciosos, se recurre a ulteriores afinaciones electroliticas.

    Metalurgia DEL HIERRO. -

    En la antigüedad, el único método conocido para separar e¡ hierro de su mineral fue el proceso de la reducción directa. Éste se hacia en una forja u horno con carbón vegetal. A diferencia de los minerales de cobre, los cuales producen cobre fundido en éstos hornos, el hierro en su minera! no funde a temperaturas menores de 1537 °C (2799 °F) y !a temperatura más alla que se podía alcanzar en esas fundiciones primitivas parece haber sido de alrededor de 1200 °C (2192 °F). El . mineral de hierro sometido a esta temperatura no se transforma en una masa fundida de meta!, sino en una masa esponjosa mezclada con óxido de hierro y silicato de hierro quizá con otras impurezas que Juntas constituyen la escoria.

    El hierro dulce (trabajado) de la antigüedad tenia algunas ventajas sobre el acero. Tenia menos tendencia a corroerse (oxidarse) y poseía una calidad fibrosa (por las fibras de escoria) que le daban cierta tenacidad.

    Alrededor del año 1350 de ¡a era cristiana, todo el hierro que se producía en el mundo occidental conocido se preparaba por e! proceso de reducción directa. Fue el avance del alto horno u horno de soplo que ocurrió en ese tiempo (aunque pudo haber sido creado previamente en China) el que hizo posible la alta producción de hierro que necesitó la Revolución Industrial. El alto homo hizo posible ¡a obtención de un producto fundido de hierro listo para el vaciado el cual contiene alrededor de 4 por ciento de carbono y algo de impurezas El alto contenido de Carbono le hacía ser un tanto frágil y por lo tanto tener poca utilidad para herramienta e instrumentos de corte u otros productos. Cuando al hierro se le refina en hornos de cubilote, se convierte en un metal excelente para algunas partes de maquinaria, utensilios para cocinar y otros productos de hierro vaciado. Sin embargo, la mayor utilidad del alto horno radica en ser un paso intermedio en el proceso de fabricación del acero.

    Antes de que se agotaran los grandes depósitos de minerales ricos en hematita y magnetita de Mesabi Range en el Lago Superior, como lo están ahora, resultaba provechoso extraer del 60 a! 70 por ciento del hierro contenido en esos minerales. Existen todavía vastos depósitos de mineral de hierro en estas regiones, pero está diseminado en una formación rocosa muy dura que es difícil de explotar y procesar que tiene un porcentaje relativamente bajo de hierro.

    A la operación del alto horno se le llama reducción. Este es un proceso en el cual se separa el oxígeno de un compuesto, en este caso el mineral de hierro. El oxígeno se combina con el carbono para formar bióxido de carbono (CO2), y el hierro metálico ya no está en su estado oxidado, quedando hierro fundido con aproximadamente 4% de carbono.

    metalurgía del aluminio.

    El aluminioe se encuentra en las arcillas en cantidades importantes, sin embargo no sería redituable procesar este material para extraer los metales.

    El aluminio es el tercer elemento de mayor abundancia en la tierra, después del oxigeno y el silicio; sin embargo solo unos cuantos depósitos de estos minerales aluminiferos se consideran con un potencial tal, que su explotación sea redituable. Estos son la gibsita y la bohemita, los cuales estan formados por el óxido de aluminio (alumina, Al2O3) y agua mezclados con arena o arcilla y otros minerales que deben ser separados. A esta mezcla de minerales deben ser llamados bauxita, nombre que procede de la villa francesa, Les Baux,, en la que se encontró el primer depósito en 1821. La bauxita se explota generalmente por el método cielo abierto y se encuentra en todos los continentes, excepto en la antartida.

    1.3 Desarrollo de la teoría átomica

     

    Átomo, la unidad más pequeña posible de un elemento químico. En la filosofía de la antigua Grecia, la palabra “átomo” se empleaba para referirse a la parte de materia más pequeño que podía concebirse. Esa “partícula fundamental”, por emplear el término moderno para ese concepto, se consideraba indestructible. De hecho, átomo significa en griego “no divisible”. El conocimiento del tamaño y la naturaleza del átomo avanzó muy lentamente a lo largo de los siglos ya que la gente se limitaba a especular sobre él.

    Con la llegada de la ciencia experimental en los siglos XVI y XVII (véase química), los avances en la teoría atómica se hicieron más rápidos. Los químicos se dieron cuenta muy pronto de que todos los líquidos, gases y sólidos pueden descomponerse en sus constituyentes últimos, o elementos. Por ejemplo, se descubrió que la sal se componía de dos elementos diferentes, el sodio y el cloro, ligados en una unión íntima conocida como compuesto químico. El aire, en cambio, resultó ser una mezcla de los gases nitrógeno y oxígeno.

    Teoría de Dalton

    John Dalton, profesor y químico británico, estaba fascinado por el rompecabezas de los elementos. A principios del siglo XIX estudió la forma en que los diversos elementos se combinan entre sí para formar compuestos químicos. Aunque muchos otros científicos, empezando por los antiguos griegos, habían afirmado ya que las unidades más pequeñas de una sustancia eran los átomos, se considera a Dalton como una de las figuras más significativas de la teoría atómica porque la convirtió en algo cuantitativo. Dalton mostró que los átomos se unían entre sí en proporciones definidas. Las investigaciones demostraron que los átomos suelen formar grupos llamados moléculas. Cada molécula de agua, por ejemplo, está formada por un único átomo de oxígeno (O) y dos átomos de hidrógeno (H) unidos por una fuerza eléctrica denominada enlace químico, por lo que el agua se simboliza como HOH o H2O. Véase Reacción química.

    Todos los átomos de un determinado elemento tienen las mismas propiedades químicas. Por tanto, desde un punto de vista químico, el átomo es la entidad más pequeña que hay que considerar. Las propiedades químicas de los elementos son muy distintas entre sí; sus átomos se combinan de formas muy variadas para formar numerosísimos compuestos químicos diferentes. Algunos elementos, como los gases nobles helio y argón, son inertes; es decir, no reaccionan con otros elementos salvo en condiciones especiales. Al contrario que el oxígeno, cuyas moléculas son diatómicas (formadas por dos átomos), el helio y otros gases inertes son elementos monoatómicos, con un único átomo por molécula.

    Ley de Avogadro

    El estudio de los gases atrajo la atención del físico italiano Amedeo Avogadro, que en 1811 formuló una importante ley que lleva su nombre (véase ley de Avogadro). Esta ley afirma que dos volúmenes iguales de gases diferentes contienen el mismo número de moléculas si sus condiciones de temperatura y presión son las mismas. Si se dan esas condiciones, dos botellas idénticas, una llena de oxígeno y otra de helio, contendrán exactamente el mismo número de moléculas. Sin embargo, el número de átomos de oxígeno será dos veces mayor puesto que el oxígeno es diatómico.

    Masa atómica

    De la ley de Avogadro se desprende que las masas de un volumen patrón de diferentes gases (es decir, sus densidades) son proporcionales a la masa de cada molécula individual de gas. Si se toma el carbono como patrón y se le asigna al átomo de carbono un valor de 12,0000 unidades de masa atómica (u), resulta que el hidrógeno tiene una masa atómica de 1,0079u, el helio de 4,0026, el flúor de 18,9984 y el sodio de 22,9898. En ocasiones se habla de “peso atómico” aunque lo correcto es “masa atómica”. La masa es una propiedad del cuerpo, mientras que el peso es la fuerza ejercida sobre el cuerpo a causa de la gravedad.

    La observación de que muchas masas atómicas se aproximan a números enteros llevó al químico británico William Prout a sugerir, en 1816, que todos los elementos podrían estar compuestos por átomos de hidrógeno. No obstante, medidas posteriores de las masas atómicas demostraron que el cloro, por ejemplo, tiene una masa atómica de 35,453 (si se asigna al carbono el valor 12). El descubrimiento de estas masas atómicas fraccionarias pareció invalidar la hipótesis de Prout hasta un siglo después, cuando se descubrió que generalmente los átomos de un elemento dado no tienen todos la misma masa. Los átomos de un mismo elemento con diferente masa se conocen como isótopos. En el caso del cloro, existen dos isótopos en la naturaleza. Los átomos de uno de ellos (cloro 35) tienen una masa atómica cercana a 35, mientras que los del otro (cloro 37) tienen una masa atómica próxima a 37. Los experimentos demuestran que el cloro es una mezcla de tres partes de cloro 35 por cada parte de cloro 37. Esta proporción explica la masa atómica observada en el cloro.

    Durante la primera mitad del siglo XX era corriente utilizar el oxígeno natural como patrón para expresar las masas atómicas, asignándole una masa atómica entera de 16. A principios de la década de 1960, las asociaciones internacionales de química y física acordaron un nuevo patrón y asignaron una masa atómica exactamente igual a 12 a un isótopo de carbono abundante, el carbono 12. Este nuevo patrón es especialmente apropiado porque el carbono 12 se emplea con frecuencia como patrón de referencia para calcular masas atómicas mediante el espectrómetro de masas. Además, la tabla de masas atómicas basada en el carbono 12 se aproxima bastante a la tabla antigua basada en el oxígeno natural.

    El átomo nuclear de Rutherford

    El descubrimiento de la naturaleza de las emisiones radiactivas permitió a los físicos profundizar en el átomo, que según se vio consistía principalmente en espacio vacío. En el centro de ese espacio se encuentra el núcleo, que sólo mide, aproximadamente, una diezmilésima parte del diámetro del átomo. Rutherford dedujo que la masa del átomo está concentrada en su núcleo. También postuló que los electrones, de los que ya se sabía que formaban parte del átomo, viajaban en órbitas alrededor del núcleo. El núcleo tiene una carga eléctrica positiva; los electrones tienen carga negativa. La suma de las cargas de los electrones es igual en magnitud a la carga del núcleo, por lo que el estado eléctrico normal del átomo es neutro.

    El átomo de Bohr

    Para explicar la estructura del átomo, el físico danés Niels Bohr desarrolló en 1913 una hipótesis conocida como teoría atómica de Bohr (véase teoría cuántica). Bohr supuso que los electrones están dispuestos en capas definidas, o niveles cuánticos, a una distancia considerable del núcleo. La disposición de los electrones se denomina configuración electrónica. El número de electrones es igual al número atómico del átomo: el hidrógeno tiene un único electrón orbital, el helio dos y el uranio 92. Las capas electrónicas se superponen de forma regular hasta un máximo de siete, y cada una de ellas puede albergar un determinado número de electrones. La primera capa está completa cuando contiene dos electrones, en la segunda caben un máximo de ocho, y las capas sucesivas pueden contener cantidades cada vez mayores. Ningún átomo existente en la naturaleza tiene la séptima capa llena. Los “últimos” electrones, los más externos o los últimos en añadirse a la estructura del átomo, determinan el comportamiento químico del átomo.

    Todos los gases inertes o nobles (helio, neón, argón, criptón, xenón y radón) tienen llena su capa electrónica externa. No se combinan químicamente en la naturaleza, aunque los tres gases nobles más pesados (criptón, xenón y radón) pueden formar compuestos químicos en el laboratorio. Por otra parte, las capas exteriores de los elementos como litio, sodio o potasio sólo contienen un electrón. Estos elementos se combinan con facilidad con otros elementos (transfiriéndoles su electrón más externo) para formar numerosos compuestos químicos. De forma equivalente, a los elementos como el flúor, el cloro o el bromo sólo les falta un electrón para que su capa exterior esté completa. También se combinan con facilidad con otros elementos de los que obtienen electrones.

    Las capas atómicas no se llenan necesariamente de electrones de forma consecutiva. Los electrones de los primeros 18 elementos de la tabla periódica se añaden de forma regular, llenando cada capa al máximo antes de iniciar una nueva capa. A partir del elemento decimonoveno, el electrón más externo comienza una nueva capa antes de que se llene por completo la capa anterior. No obstante, se sigue manteniendo una regularidad, ya que los electrones llenan las capas sucesivas con una alternancia que se repite. El resultado es la repetición regular de las propiedades químicas de los átomos, que se corresponde con el orden de los elementos en la tabla periódica.

    Resulta cómodo visualizar los electrones que se desplazan alrededor del núcleo como si fueran planetas que giran en torno al Sol. No obstante, esta visión es mucho más sencilla que la que se mantiene actualmente. Ahora se sabe que es imposible determinar exactamente la posición de un electrón en el átomo sin perturbar su posición. Esta incertidumbre se expresa atribuyendo al átomo una forma de nube en la que la posición de un electrón se define según la probabilidad de encontrarlo a una distancia determinada del núcleo. Esta visión del átomo como “nube de probabilidad” ha sustituido al modelo de sistema solar.

    TEORÍA CUÁNTICA  
    El desarrollo de la teoría cuántica y su aplicación a la estructura atómica, enunciada por el físico danés Niels Bohr y otros científicos, ha aportado una explicación fácil a la mayoría de las características detalladas del sistema periódico. Cada electrón se caracteriza por cuatro números cuánticos que designan su movimiento orbital en el espacio. Por medio de las reglas de selección que gobiernan esos números cuánticos, y del principio de exclusión de Wolfgang Pauli, que establece que dos electrones del mismo átomo no pueden tener los mismos números cuánticos, los físicos pueden determinar teóricamente el número máximo de electrones necesario para completar cada capa, confirmando las conclusiones que se infieren del sistema periódico.

    Posteriores desarrollos de la teoría cuántica revelaron por qué algunos elementos sólo tienen una capa incompleta (en concreto la capa exterior, o de valencia), mientras que otros también tienen incompletas las capas subyacentes. En esta última categoría se encuentra el grupo de elementos conocido como lantánidos, que son tan similares en sus propiedades que Mendeléiev llegó a asignarle a los 14 elementos un único lugar en su sistema.

    1.4 Tabla Periódica y Enlace químico

     

     Antecedentes

    El descubrimiento de un gran número de elementos y el estudio de sus propiedades puso de manifiesto entre algunos de ellos ciertas semejanzas. Esto indujo a los químicos a buscar una clasificación de los elementos no solo con objeto de facilitar su conocimiento y su descripción, sino, más importante, para las investigaciones que conducen a nuevos avances en el conocimiento de la materia.

     

     

  •   Primera tentativa de clasificación: Triadas de Döbereiner. Entre 1817 y 1829, J. W. Döbereiner, profesor de Química de la Universidad de Jena, expuso su ley de las triadas, agrupando elementos con propiedades semejantes.

  •      Segunda tentativa de clasificación: Ley de las octavas de Newlands. En 1864, el químico inglés J. A. R. Newlands observó que dispuestos los elementos en orden crecientes a sus pesos atómicos, después de cada siete elementos, en el octavo se repetían las propiedades del primero y por analogía con la escala musical enunciaba su ley de las octavas.

  •      Tercera tentativa de clasificación: Sistema periódico de Mendelejeff. Fue el químico ruso Dimitri I. Mendelejeff el que estableció la tabla periódica de los elementos comprendiendo el alcance de la ley periódica

  • Tabla Periódica

     

    Los primeros trabajos de Mendelejeff datan de 1860 y sus conclusiones fueron leídas 1869 en la sociedad Química Rusa. El mismo resumió su trabajo en los siguientes postulados:

     

  • 1.     Si se ordenan los elementos según sus pesos atómicos, muestran una evidente periodicidad.

  • 2.     Los elementos semejantes en sus propiedades químicas poseen pesos atómicos semejantes (K, Rb, Cs).

  • 3.     La colocación de los elementos en orden a sus pesos atómicos corresponde a su valencia.

  • 4.     Los elementos más difundidos en la Naturaleza son los de peso atómico pequeño. Estos elementos poseen propiedades bien definidas. Son elementos típicos.

  • 5.     El valor del peso atómico caracteriza un elemento y permite predecir sus propiedades.

  • 6.     Se puede esperar el descubrimiento de elementos aún desconocidos.

  • 7.     En determinados elementos puede corregirse el peso atómico si se conoce el de los elementos adyacentes.

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    He aquí una síntesis clara y muy completa no solo de la construcción de la tabla, sino también de su importancia química.

     

    La tabla periódica moderna consta de siete períodos y ocho grupos.

     

    Ventajas del sistema de Mendelejeff

     

     

  • 1.     Corrigió los pesos atómicos y las valencias de algunos elementos por no tener sitio en su tabla de la forma en que eran considerado hasta entonces.

  • 2.     Señaló las propiedades de algunos elementos desconocidos, entre ellos, tres a los que llamó eka-boro, eka-aluminio, y eka-silicio.

  • 3.     En 1894 Ramsy descubrió un gas el que denominó argón. Es monoatómico, no presenta reacciones químicas y carecía de un lugar en la tabla. Inmediatamente supuso que debían existir otros gases de propiedades similares y que todos juntos formarían un grupo. En efecto, poco después se descubrieron los otros gases nobles y se les asignó el grupo cero.

  • 4.     Todos los huecos que dejó en blanco se fueron llenando al descubrirse los elementos correspondientes. Estos presentaban propiedades similares a las asignadas por Mendelejeff.

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    Defectos de la tabla de Mendelejeff

     

     

  • 1.     No tiene un lugar fijo para el hidrógeno.

  • 2.     Destaca una sola valencia.

  • 3.     El conjunto de elementos con el nombre de tierras raras o escasas (lantánidos) no tiene ubicación en la tabla o es necesario ponerlos todos juntos en un mismo lugar, como si fueran un solo elemento, lo cual no es cierto.

  • 4.     No había explicación posible al hecho de que unos períodos contarán de 8 elementos: otros de 18, otros de 32, etc.

  • 5.     La distribución de los elementos no está siempre en orden creciente de sus pesos atómicos.

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    Tabla periódica moderna

     

    En el presente siglo se descubrió que las propiedades de los elementos no son función periódica de los pesos atómicos, sino que varían periódicamente con sus números atómicos o carga nuclear. He aquí la verdadera Ley periódica moderna por la cual se rige el nuevo sistema: “Las propiedades de los elementos son función periódica de sus números atómicos”

     

    Modernamente, el sistema periódico se representa alargándolo en sentido horizontal lo suficiente para que los períodos de 18 elementos formen una sola serie. Con ello desaparecen las perturbaciones producidas por los grupos secundarios. El sistema periódico largo es el más aceptado; la clasificación de Werner, permite apreciar con más facilidad la periodicidad de las propiedades de los elementos.

    1.5 Tipos de enlace

     

    En la unión o enlace de los átomos pueden presentarse los siguientes casos:

     

  • 1.     Enlace iónico, si hay atracción electrostática.

  • 2.     Enlace covalente, si comparten los electrones.

  • 3.     Enlace covalente coordinado, cuando el par de electrones es aportado solamente por uno de ellos.

  • 4.     Enlace metálico, so los electrones de valencia pertenece en común a todos los átomos.

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    Enlace iónico o electrovalente

    Fue propuesto por W Kossel en 1916 y se basa en la transferencia de electrones de un átomo a otro. La definición es la siguiente: “Electrovalencia es la capacidad que tienen los átomos para ceder o captar electrones hasta adquirir una configuración estable, formándose así combinaciones donde aparecen dos iones opuestos”.

     

    Exceptuando solamente los gases nobles todos los elementos al combinarse tienden a adquirir la misma estructura electrónica que el gas noble más cercano. El átomo que cede electrones se transforma en ion positivo (catión), en tanto que el que los gana origina el ion negativo (anión).

     

    Propiedades generales de los compuestos iónicos

     

    En general, los compuestos con enlace iónico presentan puntos de ebullición y fusión muy altos, pues para separarlos en moléculas hay que deshacer todo el edificio cristalino, el cual presenta una elevada energía reticular.

     

     

     Enlace covalente normal

     

    Se define de la siguiente manera: “Es el fenómeno químico mediante el cual dos átomos se unen compartiendo una o varias parejas de electrones; por lo tanto, no pierden ni ganan electrones, sino que los comparten”.

     

    Un átomo puede completar su capa externa compartiendo electrones con otro átomo.

     

    Cada par de electrones comunes a dos átomos se llama doblete electrónico. Esta clase de enlace químico se llama covalente, y se encuentra en todas las moléculas constituidas por elementos no metálicos, combinaciones binarias que estos elementos forman entre sí, tales como hidruros gaseosos y en la mayoría de compuestos de carbono.

     

    Cada doblete de electrones (representado por el signo :) Intercalado entre los símbolos de los átomos, indica un enlace covalente sencillo y equivale al guión de las fórmulas de estructura.

     

    En enlace covalente puede ser: sencillo, doble o triple, según se compartan uno, dos o tres pares de electrones.

     

     Enlace covalente coordinado

     

    Se define de la siguiente forma: “Es el enlace que se produce cuando dos átomos comparten una pareja de electrones, pero dicha pareja procede solamente de uno de los átomos combinados.

     

    En este caso el enlace se llama covalente dativo o coordinado. El átomo que aporta la pareja de electrones recibe el nombre de donante, y el que los recibe, aceptor. Cuando queremos simplificar la formula electrónica se pone una flecha que va del donante al aceptor.

     

    Enlace metálico

     

    La estructura cristalina de los metales y aleaciones explica bastante una de sus propiedades físicas.

     

      La red cristalina de los metales está formada por átomos (red atómica) que ocupan los nudos de la red de forma muy compacta con otros varios.

     

    En la mayoría de los casos los átomos se ordenan en red cúbica, retenido por fuerzas provenientes de los electrones de valencia; pero los electrones de valencia no están muy sujetos, sino que forman una nube electrónica que se mueve con facilidad cuando es impulsada por la acción de un campo eléctrico.

     Enlace de Van der Waals

    Las energías caracteristicas de enlazamiento primario van de 200 a 700 kJ/mol (aprox. 50 a 170 Kcal/mol). Es posible obtener cierto enlazamiento con energías bastante menores sin transferencia o distribución compartida de electrones. A esto se le llama enlazamiento secundario o de van der waals. El mecanismo de enlazamiento secundario es algo semejente al ionico, esto es, por la atracción de cargas opuestas. La diferencia clave es que no se transfieren electrones. La atarcción depende de distribuciones asimetricas de carga positiva dentro de cada unida atómica o molecular que se elnlaza. Esa asimetria de carga se llama dipolo. El enlazamiento secundario puede ser de dos tipos, según lod dipolos sean (1) temporales, o (2) permanentes.

    Como ejemplo dos atomos neutros pueden desarrollar una fuerza debil de enlazamiento entre ellos, un ejemplo de ello es el Argon un elemento que no tiende a formar enlaces primarios por tener un orbital lleno y estable. Un átomo de Argon tiene una distribución de electrones perfectamente esferica, carga negativa que rodea a su nucleo positivo, sin embargo cuando se le acerca un átomo de argon, la carga se aparta ligeramente hacia el átomo positivo del átomo adyacente. Como resultado se tiene un “dipolo inducido”, la magnitud del dipolo resultante espequeño y roduce una energia de enlazamiento relativamente pequeña, 0.99 Kj/mol, o 0.24 Kcal/mol.

    Las energías de enlazamiento secundario son algo mayores cuando se trata de unidades moleculares que contienen dipolos permanentes. La mayor separación de carga en una de esas moleculas polares produce un momento dipolar mayor. El momento dipolar es el producto de la carga por la distancia entre centros de cargas opuestas. La carga es por consiguiente mayor, en este caso de 21 Kj/mol o 5 Kcal/mol. El enlazamiento secundario entre las cadenas polimericas adyacentes en plasticos como el polietileno es de este tipo.

    1.6 Estructuras cristalinas y sus consecuencias en las propiedades fisico-químicas de los materiales.

    Cuando los metales se enfrían desde el estado líquido y se solidifican, forman una estructura cristalina llamada celda o estructura espacial. Si se trazan líneas imaginarias para unir los centros de los átomos, ésta recibe e! nombre de red cristalina. Las investigaciones recientes han dado origen a una excepción del enunciado anterior. En la actualidad los metales pueden enfriarse rápidamente desde el estado liquido a! estado sólido en forma tal que no hay oportunidad para que se forme !a estructura cristalina. A éstos se les llama con toda propiedad vidrios metálicos o metales amorfos.

    Cuerpos amorfos y cristalinos: cada cuerpo está compuesto de moléculas y las moléculas de átomos, en los cuales los átomos están agrupados de una manera desordenada, sin ningún sistema, éstos se llaman amorfos tales como el vidrio , la cera, la resina, etc.

    Sustancias amorfas son aquellas cuya estructura no está definida, es isótropa, es decir, que sus' propiedades físicas son iguales en todas direcciones. Por el contrario, en el cuerpo cristalino, donde los átomos están agrupados en un orden definido se pueden encontrar propiedades físicas muy distintas en diversas direcciones, es decir, el cuerpo cristalino es anisotropo.

    Actualmente sólo se produce una pequeña cantidad de vidrios metálicos . Debido a sus buenas propiedades eléctricas y magnéticas, resulta útil para fabricar núcleos de transformadores. Sin embargo, cuando los metales se enfrían a velocidades normales, siempre se crea una estructura cristalina formada por filas ordenadas de átomos.

    Distancias interatómicas: como las cargas eléctricas similares tienden a repelerse y las cargas diferentes se atraen, las capas exteriores cargadas de electrones en los iones metálicos tienden a poseer una fuerza repulsiva. Si no fuera por los electrones de valencia libres que vibran entre los átomos para producir fuerzas de atracción, los átomos de los metales quedarían libres. Sin embargo, existe un equilibrio distintivo de fuerzas que da lugar al enlace de los metales. Estos átomos mantienen una distancia en la que éstas dos fuerzas están en equilibrio. Las distancias interatómicas pueden ser modificadas por fuerzas externas como la energía térmica y las fuerzas eléctricas o mecánicas. Esta es la razón por la que los materiales se dilatan al ser calentados y se contraen al enfriarse. La distancia entre átomos no es la misma para los diferentes materiales debido a que está relacionada con e! número de capas u órbitas y el número de electrones de valencia. Los átomos de los distintos elementos tienen tamaños diferentes. Por ejemplo, un átomo de hierro es mucho más grande que un átomo de carbono. La separación de electrones de la capa exterior, como la que se hace en un ion metálico, reduce el tamaño del átomo.

    1.7 Estado sólido cristalino, estructuras cristalinas básicas

    El metal está compuesto de muchos cristales y es un cuerpo policristalino La orientación arbitraria de cada cristal en el metal conduce a que las propiedades del meta! policristalino resulten ser prácticamente iguales en todas direcciones. Este fenómeno se denomina cuasisotropía (fa!sa isotropia) Es natural que cuanto más finos sean los granos, mayor es la isotropía de! metal Sin embargo, como consecuencia de algunas deformaciones en frió, surge una orientación predominante de los granos, los ejes se sitúan a lo largo de la línea de deformación o sea a lo largo del laminado o estirado.

    Mecanismo del proceso de cristalización. Se compone de dos procesos elementales

    1.- Formación de los núcleos de cristalización o gérmenes.

    2.- Crecimiento de les cristales desde estos núcleos - gérmenes.

    Al principio estando el metal líquido a la temperatura de cristalización se forman los núcleos de cristalización alrededor de los cuales se agrupan los átomos formando cristales de forma geométrica regular. Aparecen muchos gérmenes, el crecimiento de los cristales se extienden en todas direcciones -> impiden el crecimiento independiente. El crecimiento más rápido de los cristales se observa en dirección del flujo térmico. Todo esto conduce a que ios cristales adquieran una forma externa irregular, suelen denominarse cristalinos, poliedros o granos.

    Estructuras cristalinas unitarias.

    Se puede describir una red cristalina como una formación repetitiva de bloques unitarios en toda la estructura. A estos bloques se les llama estructuras unitarias. Los metales se solidifican en 14 estructuras cristalinas conocidas, pero la mayoría de los metales de importancia comercial se solidifican sólo en tres tipos de estructuras cristalinas. Estas son: la cúbica centrada en el cuerpo (CC), la cúbica centrada en las caras (CCCa) y la hexagonal compacta (HC).

    En enlace metálico, la maleabilidad máxima y otras propiedades necesarias, son mejores cuando los átomos están estrechamente distribuidos como en las estructuras cúbicas centradas en el cuerpo las cuales forman un cubo con su átomo en su centro. La estructura cúbica centrada en las caras es aún superior para la deformación. La estructura unitaria hexagonal compacta tiene algunos planos entre los cuáles el espacio es muy reducido, pero en otra dirección los átomos están separados por distancias aún mayores que en la CCC y la CCCa, ocasionando que estos metales tengan una conformación deficiente.

    Algunos materiales tienen dos o más de éstas estructuras bajo diferentes condiciones como el cambio de temperatura. A este tipo de material se le llama alotrópico. Por ejemplo, las tres formas alotrópicas de! carbono son la amorfa (carbón de madera, negro de humo y carbón mineral), el grafito y el diamante. El hierro existe también en tres formas alotrópicas que dependen de ia temperatura. (El término hierro se refiere al hierro elemental o puro a no ser que se especifique como forjado o vaciado), abajo de 704 °C (1300 °F) el hierro es CCC, y se !e llama ferrita o hierro alfa, el cual es ferromagnético. Se transforma en no magnético a la temperatura de Curie 782 °C (1440 °F), llamado a veces hierro beta Entre 908 °C (1666 °F) y 1401 °C (2554 °F) el hierro es CCCa y se le llama austenita o hierro gama. Entre 1401 °C (2554 °F) y 1538 °C (2800 °F) el hierro es también CCC, y se le llama hierro delta, el cual tiene poca importancia en la manufactura. A estos tres estados del hierro se les llama fases, siendo las fases de ferrita y austenita de gran importancia en el tratamiento térmico y la manufactura.

    1,8 Defectos en estructuras cristalinas básicas

    Defectos puntuales.

    Son discontinuidades de la red que involucran uno o varios átomos, defecto intersticial se forma

    cuando se inserta un átomo adicional en la estructura de la red en un lugar que es un nodo modo

    normal.

    Defectos de punto

    Los defectos de punto son discontinuidades de átomos, esto ocurre cuando se enfría poco a poco.

    Defectos sustitucionales

    Un defecto sustitucional se introduce cuando un átomo de la red es reemplazado por un tipo

    diferente de átomo.

    Defectos puntuales.

    Un defecto puntual distorsiona el acomodamiento perfecto de los átomos circundantes. Cuando se

    tiene una vacante o un pequeño átomo sustitucional, los átomos circundantes se colapsan hacia el

    defecto puntual, estirando los enlaces entre los átomos y produciendo un campo de esfuerzos de

    atracción.

    Defectos de superficie.

    Los defectos de superficie son los limites que separan a un material en regiones, cada una de ellas

    teniendo la misma estructura cristalina pero diferentes orientaciones.

    1.9 Clasificación moderna de los materiales

    METALES.

    Aproximadamente las tres cuartas partes de todos los elementos se consideran como metales. Los elementos químicos pueden clasificarse de manera preliminar en tres grupos: metales, no metales y gases inertes. Algunos no metales, como el carbono, el germanio y el silicio, se asemejan a los metales en una u otra forma, por le que a veces se les llama metales. Estos pueden tener brillo metálico y micro estructura cristalina, y pueden ser semiconductores de la electricidad, sin embargo no pueden ser deformados sin fracturarse por ser frágiles, como son todos los metales. Algunas de las propiedades que debe tener un elemento para ser considerado como meta!, son:

    1.- Capacidad de donar electrones para formar un ion positivo.

    2.- Estructura cristalina.

    3.- Alta conductividad térmica y eléctrica.

    4.- La capacidad de ser maleables para dejarse deformar.

    5.- Brillo metálico o reflectividad.

    Los metales son los elementos más importantes desde el punto de vista metalúrgico, pero los plásticos, los cauchos o hules y demás productos sintéticos se producen a partir de no metales.

    POLÍMEROS.

    Los mater¡ales orgánicos naturales como el cuero, la madera, el algodón y el caucho o hule natural típicamente son polímeros, formados por moléculas de cadena larga. Los primeros descubrimientos logrados en química orgánica para producir substitutos de los materiales orgánicos no fueron muy aceptados, y se les consideró como substitutos deficientes. Por ejemplo, en 1866 John Wesley Hyatí produjo por primera vez un material sintético al que llamó celuloide, combinando alcanfor con nitrocelulosa (algodón pólvora) preparado con un poco menos de ácido nítrico que lo usual. Este nuevo producto se utilizó como substituto del marfil.

    Una gran gama de plásticos, cauchos sintéticos, fibras textiles, adhesivos y pinturas han sido obtenidas por los químicos. Éstas sustancias, a las que a menudo se les llama plímeros de alto orden, tienen pesos moleculares que son con frecuencia centenares de veces mayores que ios materiales ordinarios.

    La polimerización es un proceso químico en el cual se unen muchas moléculas para formar una molécula grande. El primer polímero de alto orden que fue sintetizado a partir de materias primas formadas por moléculas pequeñas; fue un plástico resistente y duro llamado baquelita, e! cual fue obtenido por el químico belga Leo Baekeland en 1908.

    CERAMICOS.

    El término cerámica comprende una extensa gama de productos. Los ladrillos de arcilla, los tubos de drenaje, los aisladores, loas bujías para motores, los diamantes sintéticos, los abrasivos, el vidrio, los materiales pétreos para construcción y el concreto se encuentran entre los diversos materiales cerámicos que se utilizan en la actualidad.