Química y Medio Ambiente

Efecto invernadero. Lluvia ácida. Producción de Energía a través de Fusión y Fisión Nuclear. Rayos X

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Proceso a través del cual se obtiene el aluminio por electrolisis

El aluminio se obtiene por la electrólisis de la alúmina disuelta en una criolita fundida. La criolita y la alúmina son sólo componentes principales del electrólito. Al electrólito se le agregan MgF2, CaF2 y NaCl que sirven, en lo fundamental, para disminuir la temperatura de fusión. La cantidad de estos aditivos contenidos en el electrólito no excede de 8 - 10 %.

Por criolita se entiende prácticamente no el compuesto químico Na3.AlF6 sino sus aleaciones con AlF3 y NaF. Para caracterizar la composición del electrólito se usa la relación de criolita que no es más que la relación molar de NaF: AlF3, para el compuesto químico Na3AlF6 (3NaF.AlF3) esta relación es igual a 3. Si el electrólito está enriquecido en el fluoruro de sodio, esta relación es más de 3 y si está enriquecido en el fluoruro de aluminio, la relación es menos de 3. En el primer caso el electrólito se llama alcalino y en el segundo, ácido. Esta relación se mantiene generalmente a un nivel de 2,6 a 2,9, empleando para la corrección de la composición el fluoruro de aluminio y el sodio.

El proceso de electrólisis se efectúa en una cuba electrolítica llamada también baño de aluminio. El tamaño de la celda depende en gran manera de la corriente de electrólisis que se haya de emplear. La celda electrolítica es una caja de acero revestida interiormente de carbono. El revestimiento de carbono, que se forma con una mezcla de coque, brea y alquitrán, se apisona en la caja de acero y luego se cuece a alta temperatura. La tensión que manejan las celdas es de 5V de los cuales 1.7 son útiles y el resto se consume por resistencia. Las celdas se colocan en serie, para que constituyan conjuntos de 200, 500 y hasta 1000 V. La caída de voltaje a través de una celda es de 5 a 6 V. Actualmente la intensidad llega a alcanzar valores del orden de 100 a 125,000 A.

El dispositivo de cátodo está dotado de una envoltura revestida interiormente de la capa de material refractario y de carbono. El cátodo sirve de superficie del aluminio líquido que se halla en contacto con el electrolito.

El revestimiento lateral de carbono junto con la solera forman un baño cuya profundidad es de 400 a 600 mm. En el baño se hallan el aluminio fundido y la criolita. La corriente eléctrica se suministra por las barras de acero a las barras conductoras dispuestas en un lado y cerca del nivel de la celda.

El dispositivo de ánodo consta del ánodo de carbón sumergido parcialmente en el electrólito. Los ánodos de carbono se hacen con una mezcla similar a la de la celda electrolítica y se cuecen para darles densidad, dureza y solidez. Por lo común, son de sección cuadrada o rectangular y de 30 a 50 cm de largo. Estos ánodos se suspenden de una barra colectora que se puede alzar o bajar según sea necesario. También se puede variar la altura de un solo ánodo. El carbono del ánodo se oxida en el curso de la electrólisis y se convierte en dióxido de carbono.

La alúmina se suministra al baño por arriba. Con ello, debido al enfriamiento por el aire del ambiente aparece la costra del electrólito. En la superficie lateral se forma una capa del electrólito solidificado, llamada guarnición, que protege el revestimiento contra la destrucción, protege el baño contra el frío y evita que la corriente se pierda a través del revestimiento de carbón lateral. El electrolito puede ser criolita, pero se acostumbra agregarle algo de fluoruro de calcio para reducir el punto de fusión y aumentar la fluidez del baño. Actualmente se emplean de ordinario los baños de aluminio monoanódicos con un ánodo de autococción y el suministro de corriente por la parte superior de éste.

El aluminio fundido es más pesado que el electrolito de criolita y se acumula en la solera del baño debajo de la capa del electrolito, donde sirve de cátodo. El aluminio se extrae de ordinario dentro de tres o cuatro días con ayuda del caldero de vacío o el sifón. A veces el aluminio se evacua una vez por día.

A causa de la oxidación electrolítica de los ánodos se consumen aproximadamente 2/3 de kilogramo de carbono por cada kilogramo de aluminio metálico que se produce. Las impurezas de los ánodos ( hierro o silicio) se disuelven en el baño, se reducen a la vez que la alúmina y contaminan el aluminio metálico; por tanto, es indispensable que sean muy puros los materiales con que se hacen los electrodos de carbono.

Es algo limitada la solubilidad de la alúmina en el electrolito. El baño tiene normalmente 5% de alúmina en solución, y cuando se reduce bastante esta proporción, por ejemplo, a 3%, se produce el llamado efecto de ánodo, que se manifiesta en aumento súbito de la caída de voltaje a través de la celda, acrecentamiento del calor generado en la celda y formación de arco entre los ánodos de carbono y el electrolito. Añadiendo más alúmina al electrólito y agitándolo se suprime rápidamente dicho efecto del ánodo. Entonces el electrolito moja los ánodos como en la operación normal, y continúa rápidamente la electrólisis hasta que se vuelve a reducir considerablemente el contenido de alúmina y se produce otro efecto de ánodo.

Reacciones químicas que ocurren en una batería (acumulador) para la generación de electricidad

El acumulador o pila secundaria, que puede recargarse invirtiendo la reacción química, fue inventado en 1859 por el físico francés Gaston Planté. La pila de Planté era una batería de plomo y ácido, y es la que más se utiliza en la actualidad. Esta batería, que contiene de tres a seis pilas conectadas en serie, se usa en automóviles, camiones, aviones y otros vehículos. Su ventaja principal es que puede producir una corriente eléctrica suficiente para arrancar un motor; sin embargo, se agota rápidamente. El electrólito es una disolución diluida de ácido sulfúrico, el electrodo negativo es de plomo y el electrodo positivo de dióxido de plomo. En funcionamiento, el electrodo negativo de plomo se disocia en electrones libres e iones positivos de plomo. Los electrones se mueven por el circuito eléctrico externo y los iones positivos de plomo reaccionan con los iones sulfato del electrólito para formar sulfato de plomo. Cuando los electrones vuelven a entrar en la pila por el electrodo positivo de dióxido de plomo, se produce otra reacción química. El dióxido de plomo reacciona con los iones hidrógeno del electrólito y con los electrones formando agua e iones plomo; estos últimos se liberarán en el electrólito produciendo nuevamente sulfato de plomo.

Un acumulador de plomo y ácido se agota porque el ácido sulfúrico se transforma gradualmente en agua y en sulfato de plomo. Al recargar la pila, las reacciones químicas descritas anteriormente se invierten hasta que los productos químicos vuelven a su condición original. Una batería de plomo y ácido tiene una vida útil de unos cuatro años. Produce unos 2 V por pila. Recientemente, se han desarrollado baterías de plomo para aplicaciones especiales con una vida útil de 50 a 70 años.

Otra pila secundaria muy utilizada es la pila alcalina o batería de níquel y hierro, ideada por el inventor estadounidense Thomas Edison en torno a 1900. El principio de funcionamiento es el mismo que en la pila de ácido y plomo, pero aquí el electrodo negativo es de hierro, el electrodo positivo es de óxido de níquel y el electrólito es una disolución de hidróxido de potasio. La pila de níquel y hierro tiene la desventaja de desprender gas hidrógeno durante la carga. Esta batería se usa principalmente en la industria pesada. La batería de Edison tiene una vida útil de unos diez años y produce 1,15 V, aproximadamente.

Otra pila alcalina similar a la batería de Edison es la pila de níquel y cadmio o batería de cadmio, en la que el electrodo de hierro se sustituye por uno de cadmio. Produce también 1,15 V y su vida útil es de unos 25 años.

Mecanismo por el cual se pueden observar los huesos por el uso de rayos x

Tanto la luz visible como los rayos X se producen a raíz de las transiciones de los electrones atómicos de una órbita a otra. La luz visible corresponde a transiciones de electrones externos y los rayos X a transiciones de electrones internos.

En el caso de la radiación de frenado o bremsstrahlung , los rayos X se producen por el frenado o deflexión de electrones libres que atraviesan un campo eléctrico intenso

Los rayos X se producen siempre que se bombardea un objeto material con electrones de alta velocidad

Los rayos x son una forma de radiación electromagnética (como la luz visible) tienen una gran energía y por ello pueden penetrar a través del cuerpo humano y producir una imagen en una placa de fotografía.

Las estructuras densas (como los huesos) bloquearán la mayoría de los fotones y aparecerán de color blanco al revelar la película, las estructuras que contienen aire se verán negras y los músculos, la grasa y los líquidos aparecen en sombras grises. El metal y los medios de contraste (intravenosos u orales) bloquean casi todos los fotones y aparecen de un blanco brillante.

La ciencia básica de la generación y detección de rayos X es la clave tras las radiografías generales del cuerpo, de las mamografías, de las fluoroscopias (creación de imágenes en pantallas de video en tiempo real) y de las tomografías computarizadas (TC).