INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA
INGENIERÍA EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA
APUNTES DE QUÍMICA BÁSICA
NOVIEMBRE 2011
INDICE
UNIDAD I ESTRUCTURA ELECTRÓNICA 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8
Configuración electrónica de los elementos Regla de Hund Tabla periódica Afinidad electrónica alencia electro!u"mica Enlace co#alente normal Enlace co#alente coordinado Enlace met$lico
UNIDAD II ESTADO SÓLIDO %&' Sólidos Amorfos %&% Sólidos Cristalinos %&( Le)es Cristalogr$ficas %&(&' Le) de la Constancia de $ngulos interfaciales %&(&% Le) de Racionalidad de los *ndices %&(&( Le) de Simetr"a %&(&(&' +lano de Simetr"a %&(&(&% L"nea de Simetr"a %&(&(&( Centro de Simetr"a %&, Sistemas Cristalinos %&,&' C-bico %&,&% Tetragonal %&,&( He.agonal %&,&, Rómbico u /rtorrómbico %&,&0 Rombo1drico o Trigonal %&,&2 3onocl"nico %&,&4 Tricl"nico Tricl"nico %&0 Tipos de cristales %&0&' Cristales iónicos %&0&% Cristales co#alentes %&0&( Cristales moleculares %&0&, Cristales met$licos %&2 Sistema c-bico %&4 Celda unitaria %&4&' Empa!uetamiento de esferas %&4&% Empa!uetamiento compacto %&5 6ifracción de los ra)os . por los cristales
INDICE
UNIDAD I ESTRUCTURA ELECTRÓNICA 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8
Configuración electrónica de los elementos Regla de Hund Tabla periódica Afinidad electrónica alencia electro!u"mica Enlace co#alente normal Enlace co#alente coordinado Enlace met$lico
UNIDAD II ESTADO SÓLIDO %&' Sólidos Amorfos %&% Sólidos Cristalinos %&( Le)es Cristalogr$ficas %&(&' Le) de la Constancia de $ngulos interfaciales %&(&% Le) de Racionalidad de los *ndices %&(&( Le) de Simetr"a %&(&(&' +lano de Simetr"a %&(&(&% L"nea de Simetr"a %&(&(&( Centro de Simetr"a %&, Sistemas Cristalinos %&,&' C-bico %&,&% Tetragonal %&,&( He.agonal %&,&, Rómbico u /rtorrómbico %&,&0 Rombo1drico o Trigonal %&,&2 3onocl"nico %&,&4 Tricl"nico Tricl"nico %&0 Tipos de cristales %&0&' Cristales iónicos %&0&% Cristales co#alentes %&0&( Cristales moleculares %&0&, Cristales met$licos %&2 Sistema c-bico %&4 Celda unitaria %&4&' Empa!uetamiento de esferas %&4&% Empa!uetamiento compacto %&5 6ifracción de los ra)os . por los cristales
%&5&' Ecuación de 7ragg %&8 Teor"a Teor"a de 7andas %&8&' Conductores %&8&% Aislantes %&8&( Semiconductores
UNIDAD III OXIDACIÓN – REDUCCIÓN (&' /.ido reducción (&% C$lculos este!uiom1tricos
UNIDAD IV ELECTROQUÍMICA ,&' Teor"a Teor"a $cido9base $cido9bas e ,&% Neutrali:ación ,&( +ropiedades !u"micas de los $cidos ,&, +ropiedades !u"micas de las bases ,&0Comportamiento !u"mico de las sustancias ,&2 Electrolitos d1biles ) fuertes ,&4 Clasificación de los conductores ,&5 Concepto determinación de +H ) +/H ,&8 3edición de +H ,&'; Concepto de +/H ,&''Corriente el1ctrica ) mo#imiento de iones ,&'% Le)es de
ibidores asociados a una pel"cula de fi?ación ,&%% +rocesos =al#$nicos ,&%( Utilidad ,&%, +roceso ,&%0 Serie electromotri: ,&%2 Celda =al#$nica@ +ilas ) acumuladores ,&%2&' =al#$nica ,&%2&% +ila
,&%2&( +ilas oltaicas ,&%2&, +ila de 6aniell ,&%2&0 +ila El1ctrica ,&%2&2 +ila de 6icromato ,&%4 +ilas primarias ,&%5 +ilas secundarias ,&%8 +ilas solares ,&(; +ila de combustible ,&(' Acumuladores ,&(% Aplicación a pilas ,&(( Aplicaciones de Le)es de
UNIDAD V RADIACTIVIDAD 0&'6esintegracion Radiacti#a 0&% Serie Radiacti#a 0&( Emisión de un positrón 0&, Captura del electrón o captura 0&0 ida media 0&2 Edad de los materiales org$nicos
UNIDAD VI POLÍMEROS Y CERÁMICOS 2&' +ol"meros 2&'&'Clasificacion de los pol"meros 2&'&%Estructuras representati#as 2&'&( 3onómeros 2&'&, Homopol"meros ) Copólimeros 2&'&0
INTRODUCCIÓN
Bu"mica estudio de la composición estructura ) propiedades de las sustancias materiales de sus interacciones ) de los efectos producidos sobre ellas al aDadir o e.traer energ"a en cual!uiera de sus formas& 6esde los primeros tiempos los seres >umanos >an obser#ado la transformación de las sustancias la carne cocin$ndose la madera !uem$ndose el >ielo derriti1ndose ) >an especulado sobre sus causas& Siguiendo la >istoria de esas obser#aciones ) especulaciones se puede reconstruir la e#olución gradual de las ideas ) conceptos !ue >an culminado en la !u"mica moderna&
Como ciencia la !u"mica representa di#ersas caracter"sticas !ue >acen !ue su estudio resulte sumamente gr$ficamente si se aborda con confian:a e inter1s& +or un lado no es una ciencia conceptualmente dif"cil )a !ue la ma)or"a de sus conceptos es tan relati#amente pró.ima al lengua?e corriente o en todo caso no suponen un #erdadero ni#el de abstracción por otro lado la !u"mica ofrece un campo de posibilidades e.perimentales ampl"simo de manera !ue casi siempre puede >allarse un e.perimento sencillo !ue facilite la comprensión de un determinado tema& Adem$s es una disciplina capa: de a)udar a comprender #arios fenómenos cotidianos !ue generalmente son interpretados de forma parcial o total de forma incorrecta por personas carentes de formación cient"fica& Bu"mica inorg$nica campo de la !u"mica !ue estudia las reacciones ) propiedades de los elementos !u"micos ) sus compuestos e.cepto el carbono ) sus compuestos !ue se estudian en la !u"mica org$nica& Históricamente la !u"mica inorg$nica empe:ó con el estudio de los minerales ) la b-s!ueda de formas de e.tracción de los metales a partir de los )acimientos& Bu"mica org$nica rama de la !u"mica en la !ue se estudian el carbono sus compuestos ) reacciones& E.iste una amplia gama de sustancias Fmedicamentos #itaminas pl$sticos fibras sint1ticas ) naturales >idratos de carbono prote"nas ) grasasG formadas por mol1culas org$nicas&
UNIDAD 1 CONFIGURACIÓN ELECTRÓNICA. En la mec$nica !u$ntica la distribución electrónica de un $tomo !ue contiene una cantidad de electrones se di#ide en@ Ni#eles estos en Subni#eles ) estos en /rbitales los cuales son ocupados por los electrones cada electrón se identifica por una combinación de cuatro n-meros !u$nticos !ue indican Ni#el Subni#el /rbital ) Electrón& +rimer n-mero cu$ntico principal n&9 identifica el ni#el al cual pertenece el electrón el #alor de n es '%(,024etc& El n-mero de subni#eles de un ni#el principal es igual al #alor de n& Segundo numero cu$ntico secundario l&9 los orbitales de l para los subni#eles de un ni#el son determinados por el #alor del ni#el n es decir@ l ;'%( Fn9'G& E?emplo@ cuando n ' el -nico #alor de l ; ) solamente >a) un subni#el& cuando n% l ;' ) solamente >a) dos subni#eles& Cuando n( l ;'% ) solamente >a) tres subni#eles& A #eces se usan otros s"mbolos para designar los subni#eles se usa una letra pra representar cada #alor de l de la siguiente forma@ l ;'%(,0&&&&&&&&& Notación@ s p d f g >&&&&&&&&&& las primeras cuatro notaciones son las iniciales de los ad?eti#os en ingles usados anteriormente para identificar las l"neas espectrales s>arp principal diffuse ) fundamental para #alores de l ma)or de tres las letras contin-an alfab1ticamente combinando el numero cu$ntico principal con una de estas letras se encuentra una forma practica para designar un subni#el& +ara n% l' ) se llama subni#el %p la tabla siguiente contiene un resumen de las notaciones de subni#eles para los primeros cuatro ni#eles@ n
l
Notación espectral
'
;
's
%
;
%s
%
'
%p
(
;
(s
(
'
(p
(
%
(d
,
;
,s
,
'
,p
,
%
,d
,
(
,f
Cada subni#el consiste de uno o m$s orbitales& El numero de orbitales en un subni#el esta dado por la ecuación@ numero de orbitales@ %l J' E?emplo@ para l; >a) un orbital +ara l' >a) tres orbitales +ara l % >a) cinco orbitales& Es decir@ notación spdfg& l ;'%(, Numero de orbitales'(048 El subni#el s esta formado por un orbital un subni#el p esta formado por tres orbitales un subni#el d por cinco orbitales@
Tercer numero cu$ntico m&9 cada orbital dentro de un subni#el se identifica por un numero cu$ntico magn1tico m & para cual!uier subni#el los #alores de m est$n dados por@ m Jl &&&&&& J Fl 9 'G&&&&&&&&;&&&&&&&&& 9 Fl 9'G&&&&&&&&&&& 9 l E?emplo@ para l ; m ; Fel orbital es sG
para l ' m J';9' Ftres orbitales pG para l % m J%J';9'9% Fcinco orbitales dG /bs1r#ese !ue los #alores de m se deri#an de l ) los #alores de l se deri#an de n& Los orbitales s tienen forma esf1rica los orbitales p ) d forma de pera ) los f no se pueden describir con claridad como se obser#an en el dibu?o anterior& Los primeros tres n-meros cu$nticos n l m se originan de las soluciones de la ecuación de onda de Sc>rodinger& Cuarto numero cu$ntico spin FsG&9 un electrón tiene propiedades magn1ticas !ue son como las de una part"cula cargada !ue gira sobre su e?e una carga !ue gira genera un campo magn1tico ) un electrón tiene un campo magn1tico asociado con el !ue puede describirse en t1rminos de un spin aparente& El spin de un electrón puede tener uno ó dos #alores@ s 'K% ó 9'K% dos electrones !ue tienen spin diferente son opuestos ) los momentos magn1ticos se cancelan cada orbital puede contener dos electrones con spin opuesto por lo tanto cada electrón puede describirse por un con?unto de cuatro n-meros cu$nticos& Resumiendo@ '&9 n da el ni#el ) la distancia promedio del electrón al n-cleo& %&9 l da el subni#el ) la forma del orbital para el electrón cada orbital de un subni#el dado e!ui#alente en emerg"a en la ausencia de un campo magn1tico& (&9 m designa la orientación del orbital& ,&9 s se refiere al spin del electrón& E?emplo@
%
He
's%
n
l
m
s
'
;
;
J'K%
'
;
;
9'K%
es
Calcular los n-meros cu$nticos de los electrones del segundo ni#el@
n%
n
l
m
s
l ;'
%
;
;
J'K%
m J' ; 9'
%
;
;
9'K%
s J'K% 9'K%
%
'
J'
J'K%
%
'
J'
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%
'
;
J'K%
%
'
;
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%
'
9'
J'K%
%
'
9'
9'K%
Escr"banse los n-meros cu$nticos de los electrones del tercer subni#el del cuarto ni#el principal ,d'; n,
l ,9'(
n
l
m
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l ;'
l;'%
,
%
J%
J'K%
m J';9'
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7oro 0@ 's% %s% %p'
n'
n %
n
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;
;
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%
'
;
J'K%
s J'K%9'K% sJ'K%9'K%
En resumen@
Subni#el
Numero de orbital
Total de electrones
Electrones por ni#el
s
'
%
%
p
(
2
5
d
0
';
'5
f
4
',
(%
El principio de e.clusión de +auli establece !ue dos electrones del mismo $tomo no pueden tenerlos cuatro n-meros cu$nticos iguales esto indica !ue dos electrones en un orbital sencillo est$n apareados por lo tanto un orbital no puede tener mas de dos electrones& Regla de m$.ima multiciplidad de Hund Establece !ue los electrones #an llenando los orbitales disponibles del mismo #alor de energ"a uno a uno antes de formar pare?as& La forma en !ue los electrones est$n dispuestos en el $tomo se llama configuración electrónica ) e.isten dos maneras de indicar esta configuración& 6iagrama de orbitales&9 se indica por una ra)a ) un electrón se indica por una flec>a >acia arriba o >acia aba?o& Notación electrónica&9 se e.presa de la siguiente manera@ 's% %s% %p2 esto es ni#el subni#el ) los e.ponentes indican el n-mero de electrones& 6iagrama de orb"tales&
Notación electrónica&
He%
' s
' s
%
ESTRUCTURAS ELECTRÓNICAS 6E L/S ELE3ENT/S&
El m1todo de construcción FAufbauG consiste en ir aDadiendo un electrón de un elemento al siguiente este procedimiento se llama electrón diferenciaste !ue es el !ue >ace la configuración de un $tomo diferente a la del otro $tomo !ue lo precede el electrón diferenciante se agrega al orbital de mas ba?a energ"a&
E?emplos@
C2 's% %s% %p%
N4 's% %s% %p(
/5 's% %s% %p,
<8 's% %s% %p0
Ne'; 's% %s% %p2
Los orb"tales !ue pertenecen a diferentes subni#eles del mismo ni#el tienen diferentes energ"as spdf a #eces las energ"as de orb"tales de diferentes ni#eles se superponen& E?emplo@ ,s(d& E?emplo@ La 04 ,d'; ,f ; 0s% 0p2 0d' 2s%
Ce05 ,d'; ,f % 0s% 0p2 0d; 2s%
3ediante la configuración electrónica es f$cil conocer la ubicación de los elementos dentro de la tabla periódica )a !ue el n-mero de electrones en el -ltimo ni#el Felectrones de #alenciaG e!ui#ale al n-mero de grupo& E?emplo@ Cl '4 ' s % % s % % p 2 ( s % ( p 0
( s
( p
Como se obser#a en el cloro tiene 4 electrones en su ultimo ni#el sin embargo los electrones (p.(p)(p: est$n apareados pero con el electrón !ue esta en (p: no tiene pare?a por lo tanto el $tomo de cloro tendr$ !ue combinarse& 6e esta manera un diagrama de orb"tales nos permite predecir cuando un electrón se puede combinar o no& Cuando un electrón presenta en cual!uier de sus orb"tales uno o mas electrones no apareados recibe el nombre de paramagn1tico ) el $tomo se podr$ combinar con otro f$cilmente ) no re!uiere de consumo de energ"a& Cuando el $tomo tiene electrones apareados en todos sus orb"tales se dice !ue es diamagn1tico ) no se puede combinar f$cilmente re!uiere de energ"a para >acerlo&
Los elementos !ue tienen uno o dos electrones mas !ue una configuración de gas noble tienden a perder estos electrones para formar iones positi#os tienden a ser metales acti#os los elementos
!ue tienen ' o % electrones menos !ue una configuración de gas noble tienden a ganar electrones ) se #uel#en iones negati#os& Los $tomos o iones !ue tienen el mismo n-mero de electrones se les llama isoel1ctricos& Mg '%' s % % s % % p 2 (s %
ion
' s % % s % % p 2
Los $tomos con n-meros atómicos !ue est$n situados a no mas de ( unidades de un gas noble tienden a ganar o perder electrones para formar iones isoel1ctricos estos iones tienen 5 electrones en su ultimo ni#el a esta tendencia se le llama regla del octeto&
La distribución de orbitales ) n-mero de electrones posibles en los , primeros ni#eles se resume en la siguiente tabla@ Ni#eles de energ"a
'
%
(
,
Subni#eles
s
sp
spd
spdf
N-mero de orbitales de cada tipo
'
' (
' ( 0
'(04
6enominación de los orbitales
's
%s %p
(s (p (d
,s ,p ,d ,f
N-mero m$.imo de electrones en los orbitales
%
%92
%929';
%9 29 ';9 ',
N-mero m$.imo de electrones por ni#el
%
5
'5
(%
La configuración electrónica en la corte:a de un $tomo es la distribución de sus electrones en los distintos ni#eles ) orbitales& Los electrones se #an situando en los diferentes ni#eles
) subni#eles por orden de energ"a creciente >asta completarlos& Es importante saber cuantos electrones e.isten en el ni#el m$s e.terno de un $tomo pues son los !ue inter#ienen en los enlaces con otros $tomos para formar compuestos&
1.1 CONFIGURACIÓN ELECTRÓNICA DE LOS ELEMENTOS Por ejemplo, el diagrama orbital para los cinco primeros elementos será:
N/TACIÓN C/NENCI/NAL
H
'
He
%
(Li
7e
,
6IA=RA3A /R7ITAL
's '
's %
's% %s '
's% %s %
's% 7
0
%s% %p
+ara representar una configuración electrónica por la notación con#encional se usan dos m1todos FaG la configuración total@ !ue consiste en escribir todos los orbitales& FbG la configuración parcial@ en donde los ni#eles totalmente llenos se abre#ian con la letra ma)-scula apropiada& Si FG significa 's% F LG significa 's% %s% %p2 (s'& +or e?emplo
para el $tomo de sodio@ '' Na configuración total@ 's% %s% %p2 (s' configuración parcial@ F LG (s' Otra manera alterna de escribir la cong!raci"n parcial , es escribiendo el s#mbolo del gas noble $!e le precede entre corc%etes, seg!ido de los electrones presentes por encima del gas noble, por ejemplo, para el sodio & calcio seria :
Na
configuración parcial
MNe (s'
Ca
configuración parcial
MAr ,s%
''
%;
Se aplica la regla de Hund de m$.ima multiplicidad cuando un orbital p d o f es ocupado por m$s de un electrón& +or e?emplo el diagrama orbital para el fósforo@
+'0 MNe
) no
MNe
Ning-n orbital p puede poseer dos electrones >asta !ue todos los orbitales p tengan un electrón cada uno&
1. TABLA PERIODICA La tabla periódica de los elementos es la ordenación !ue atendiendo a di#ersos criterios distribu)e los distintos elementos !u"micos conforme a ciertas caracter"sticas& Suele
atribuirse la tabla a 6imitri 3endeleie# !uien ordenó los elementos bas$ndose en la #ariación computacional de las propiedades !u"micas si bien Oulius Lot>ar 3e)er traba?ando por separado lle#ó a cabo una ordenación a partir de las propiedades f"sicas de los $tomos& A las columnas #erticales de la Tabla +eriódica se las conoce como grupos& Todos los elementos !ue pertenecen a un grupo tienen la misma #alencia ) por ello tienen caracter"sticas o propiedades similares entre si& +or e?emplo los elementos en el grupo I A tienen #alencia de ' Fun electrón su -ltimo nivel de energíaG ) todos tienden a perder ese electrón al enla:arse como iones positi#os de J'& Los elementos en el -ltimo grupo de la derec>a son los =ases Nobles los cuales tienen su -ltimo ni#el de energ"a lleno Fregla del octetoG ) por ello son todos e.tremadamente no9reacti#os& Los grupos de la Tabla +eriódica numerados de i:!uierda a derec>a son@ =rupo ' FI AG@ los metales alcalinos =rupo % FII AG@ los metales alcalinotérreos =rupo ( al =rupo '%@ los metales de transición metales nobles ) metales mansos =rupo '( FIII AG@ Térreos =rupo ', FIAG@ carbonoideos =rupo '0 FAG@ nitrogenoideos =rupo '2 FI AG@ los calcógenos o anfígenos =rupo '4 FII AG@ los halógenos =rupo '5 FIIIG@ los gases nobles Las filas >ori:ontales de la Tabla +eriódica son llamadas +er"odos& Contrario a como ocurre en el caso de los grupos de la tabla periódica los elementos !ue componen una misma fila tienen propiedades diferentes pero masas similares@ todos los elementos de un per"odo tienen el mismo n-mero de orbitales& Siguiendo esa norma cada elemento se coloca de acuerdo a su configuración electrónica& El primer per"odo solo tiene dos miembros@ hidrógeno ) helio ambos tienen solo el orbital 's& La tabla periódica consta de 4 per"odos@
1.! AFINIDAD ELECTRÓNICA La electroafinidad energ"a desprendida por un ion gaseoso !ue recibe un electrón ) pasa a $tomos gaseosos es igual el #alor al potencial de ioni:ación ) disminu)e al aumentar el n-mero atómico de los miembros de una familia& La electronegati#idad es la tendencia de un $tomo a captar electrones& En una familia disminu)e con el n-mero atómico ) en un per"odo aumenta con el n-mero atómico& Enlaces !u"micos Iones Los $tomos est$n constituidos por el n-cleo ) la corte:a ) !ue el n-mero de cargas positi#as del primero es igual al n-mero de electrones de la corte:a de a>" su electronegati#idad& Si la corte:a electrónica de un $tomo neutro pierde o gana electrones se forman los llamados iones& Los iones son $tomos o grupos atómicos !ue tienen un n-mero de electrones e.cesi#o o deficiente para compensar la carga positi#a del n-cleo& En el primer caso los iones tienen carga negati#a ) reciben el nombre de aniones ) en el segundo est$n cargados positi#amente ) se llaman cationes&
Elementos electropositi#os ) electronegati#os Se llaman elementos electropositi#os a!uellos !ue tienen tendencia a perder electrones transform$ndose en cationes a ese grupo pertenecen los metales& Elementos electronegati#os son los !ue toman con facilidad electrones transform$ndose en aniones a este grupo pertenecen los metaloides& Los elementos m$s electropositi#os est$n situados en la parte i:!uierda del sistema periódico son los llamados elementos alcalinos& A medida !ue se a#an:a en cada per"odo >acia la derec>a #a disminu)endo el car$cter electropositi#o lleg$ndose finalmente a los >alógenos de fuerte car$cter electronegati#o& Electrones de #alencia La unión entre los $tomos se reali:a mediante los electrones de la -ltima capa e.terior !ue reciben el nombre de electrones de #alencia& La unión consiste en !ue uno o m$s electrones de #alencia de algunos de los $tomos se introducen en la esfera electrónica del otro& Los gases nobles poseen oc>o electrones en su -ltima capa sal#o el >elio !ue tiene dos& Esta configuración electrónica les comunica inacti#idad !u"mica ) una gran estabilidad& Todos los $tomos tienen tendencia a transformar su sistema electrónico ) ad!uirir el !ue poseen los gases nobles por!ue 1sta es la estructura m$s estable&
1." VALENCIA ELECTROQUÍMICA
Se llama #alencia electro!u"mica al n-mero de electrones !ue >a perdido o ganado un $tomo para transformarse en ion& Si dic>o n-mero de electrones perdidos o ganados es ' % ( etc& Se dice !ue el ion es mono#alente bi#alente tri#alente etc& Tipos de enlace En la unión o enlace de los $tomos pueden presentarse los siguientes casos@ Enlace iónico si >a) atracción electrost$tica& Enlace co#alente si comparten los electrones& Enlace co#alente coordinado cuando el par de electrones es aportado solamente por uno de ellos&
Enlace met$lico so los electrones de #alencia pertenece en com-n a todos los $tomos& Enlace iónico o electro#alente asta ad!uirir una configuración estable form$ndose as" combinaciones donde aparecen dos iones opuestos& E.ceptuando solamente los gases nobles todos los elementos al combinarse tienden a ad!uirir la misma estructura electrónica !ue el gas noble m$s cercano& El $tomo !ue cede electrones se transforma en ion positi#o FcatiónG en tanto !ue el !ue los gana origina el ion negati#o FaniónG& +ropiedades generales de los compuestos iónicos En general los compuestos con enlace iónico presentan puntos de ebullición ) fusión mu) altos pues para separarlos en mol1culas >a) !ue des>acer todo el edificio cristalino el cual presenta una ele#ada energ"a reticular&
1.# ENLACE COVALENTE NORMAL
Se define de la siguiente manera@ Es el fenómeno !u"mico mediante el cual dos $tomos se unen compartiendo una o #arias pare?as de electrones por lo tanto no pierden ni ganan electrones sino !ue los comparten& Un $tomo puede completar su capa e.terna compartiendo electrones con otro $tomo& Cada par de electrones comunes a dos $tomos se llama doblete electrónico& Esta clase de enlace !u"mico se llama co#alente ) se encuentra en todas las mol1culas constituidas por elementos no met$licos combinaciones binarias !ue estos elementos forman entre s" tales como >idruros gaseosos ) en la ma)or"a de compuestos de carbono& Cada doblete de electrones Frepresentado por el signo @G Intercalado entre los s"mbolos de los $tomos indica un enlace co#alente sencillo ) e!ui#ale al guión de las fórmulas de estructura& En enlace co#alente puede ser@ sencillo doble o triple seg-n se compartan uno dos o tres pares de electrones&
1.$ ENLACE COVALENTE COORDINADO.
Se define de la siguiente forma@ Es el enlace !ue se produce cuando dos $tomos comparten una pare?a de electrones pero dic>a pare?a procede solamente de uno de los $tomos combinados& En este caso el enlace se llama co#alente dati#o o coordinado& El $tomo !ue aporta la pare?a de electrones recibe el nombre de donante ) el !ue los recibe aceptor& Cuando !ueremos simplificar la formula electrónica se pone una flec>a !ue #a del donante al aceptor&
1.% ENLACE METÁLICO
La estructura cristalina de los metales ) aleaciones e.plica bastante una de sus propiedades f"sicas& La red cristalina de los metales est$ formada por $tomos Fred atómicaG !ue ocupan los nudos de la red de forma mu) compacta con otros #arios& En la ma)or"a de los casos los $tomos se ordenan en red c-bica retenido por fuer:as pro#enientes de los electrones de #alencia pero los electrones de #alencia no est$n mu) su?etos sino !ue forman una nube electrónica !ue se mue#e con facilidad cuando es impulsada por la acción de un campo el1ctrico&
Los puentes de >idrógeno son fuer:as intermoleculares ) otra manera de denominar a las fuer:as intermoleculares es llam$ndolas fuer:as de an der Paals& Los puentes de >idrógeno son la fuer:a mas resistente de todas ) si lo pensamos desde el punto de #ista de los electrones se encontrar"an e.tremadamente le?os del >idrógeno )a !ue es un elemento mu) poco electronegati#o se podr"a decir mu) brutamente !ue al estar la nube electrónica tan des locali:ada ) solo apo)ada en un e.tremo !ue tiene fuer:as de London pero eso es incorrecto desde el punto de #ista de la nomenclatura& +ara basarte en ese ra:onamiento tener en cuenta las electronegati#idades de los elementos&
UNIDAD II ESTADO SÓLIDO.
Los sólidos se di#iden en dos categor"as cristalinos ) amorfos& El >ielo es un sólido cristalino !ue posee un ordenamiento estricto ) regular es decir sus $tomos mol1culas o iones ocupan posiciones espec"ficas& =racias a la distribución de estas part"culas en el sólido cristalino las fuer:as netas de atracción intermolecular son m$.imas& Las fuer:as !ue mantienen la estabilidad de un cristal pueden ser iónicas co#alentes de #an der Paals de puentes de >idrogeno o una combinación de todas ellas& Un sólido amorfo como el #idrio carece de un ordenamiento definido ) de un orden molecular repetido&
En un sólido las mol1culas ocupan una posición r"gida ) no tienen libertad para mo#erse es decir sus mol1culas est$n distribuidas en una configuración regular tridimensional& su forma ) #olumen est$n bien definidos el sólido posee #olumen caracter"stico independiente del recipiente !ue lo contiene los sólidos son casi incompresibles ) sus coeficientes de dilatación t1rmica son mu) ba?os@ esto pro#iene de la e.istencia de intensas fuer:as atracti#as entre sus mol1culas sumamente pró.imas& La densidad de la forma sólida es ma)or !ue la de la forma l"!uida para una sustancia dada&
Los sólidos son generalmente imperfectos ) presentan algunos #ac"os donde deber"a >aber $tomos o mol1culas& El mo#imiento a tra#1s de estos >uecos permite !ue se produ:ca la difusión con una #elocidad proporcional al n-mero de >uecos por unidad de #olumen obteniendo conducti#idad ) resistencia mec$nica& Como regla todas las mol1culas en estado sólido son m$s densas !ue en los dem$s estados&
La idea de !ue los $tomos de los sólidos se disponen de un modo ordenado es mu) antigua ) se basó inicialmente en la propiedad obser#ada en los cristales de presentar caras planas con $ngulos caracter"sticos& Sin embargo sólo el descubrimiento de los ra)os Q ) su aplicación en el estudio de los cuerpos cristalinos permitió desentraDar con detalle las ordenaciones atómicas&
Las mol1culas en el estado sólido pueden estar en desorden se dice entonces !ue el sólido es A3/R
2.1 S&'()*+ ,-*/*+.
Si un sólido se forma r$pidamente Fpor e?emplo cuando un li!uido se enfr"a mu) r$pidoG sus $tomos o mol1culas no tienen tiempo de alinearse por si mismos ) pueden !uedar fi?os en posiciones distintas a las de un cristal ordenado& El sólido as" formado se llama A3/R
El #idrio es un producto de fusión de materiales inorg$nicos óptimamente transparente !ue se >a enfriado a un estado r"gido sin cristali:ar& Contiene rigide: dure:a ) resistencia al corte& Su tendencia a fluir se re#ela en el >ec>o de !ue #entanas ordinarias !ue >an estado en posición #ertical por un siglo pueden #ol#erse ligeramente pero en forma medible m$s gruesas en la base&
F(, 1. E+3, )4 5 +&'()* ,-*/*&
2.2 S&'()*+ C(+,'(5*+.
Los sólidos se di#iden en dos categor"as@ cristalinos ) amorfos& Un sólido cristalino posee un ordenamiento estricto ) regular sus $tomos mol1culas o iones ocupan posiciones espec"ficas& =racias a la distribución de estas part"culas en el sólido cristalino las fuer:as netas de atracción intermolecular son m$.imas& Las fuer:as mantienen la estabilidad de un cristal pueden ser iónicas co#alentes de an der Paals de enlaces de >idrógeno o una combinación de todas ellas&
F(, 2 E+3, )4 5 +&'()* 3(+,'(5*&
2. L464+ 3(+,'*7/(3,+.
La cristalograf"a es la rama de la ciencia !ue estudia la geometr"a propiedades ) estructura de las sustancias cristalinas la forma geom1trica de los cristales se basa en tres le)es@
2..1 L46 )4 ', 3*5+,53(, )4 75'*+ (54/,3(,'4+&
Establece !ue para una sustancia las caras correspondientes a los planos !ue formen la superficie e.terna de un cristal interceptan en un $ngulo definido 1ste permanece constante sin importar como se desarrollan las caras !ue com-nmente lo >acen en forma desigual en tamaDo ) forma pero el $ngulo de intersección es siempre el mismo para cual!uier cristal de la misma sustancia&
2..2 L46 )4 ,3(*5,'(),) )4 '*+ 85)(34+.
Establece !ue es posible elegir para un cristal una terna de e?es coordenadas de tal forma !ue las caras de un cristal las intercepten a una distancia definida de origen o bien sean paralelas a alguna de ellas en cu)o caso su intersección es en el infinito
2.. L46 )4 +(-48,. Los cuerpos cristalinos forman redes !ue se ordenan en torno a una serie de 4'4-45*+ )4 +(-48, cu)a cantidad ) distribución determina los diferentes sistemas de cristali:ación@
2...1 P',5* )4 +(-48,& Son superficies planas !ue di#iden el cristal en dos mitades e.actamente iguales&
2...2 L854, * 494 )4 +(-48,& Son l"neas imaginarias !ue cru:an el interior de la estructura cristalina& Al girar (2; >acen !ue el moti#o geom1trico del cristal se repita un n-mero determinado de #eces& Los e?es de simetr"a pueden ser :(5,(*+; 45,(*+; 3,45,(*+ 6 +45,(*+ seg-n el n-mero de repeticiones !ue generen&
2... C45* )4 +(-48,& Son puntos imaginarios situados en el interior del cristal por ellos pasan los principales e?es ) planos de simetr"a& &
6istribución de los e?es ) planos de simetr"a en el sistema c-bico&
2.! S(+4-,+ 3(+,'(5*+ E.isten %(; formas cristalinas agrupadas en (% clases e incluidas en siete sistemas todos los cristales !ue pertenecen a un sistema se caracteri:an por el >ec>o de !ue aun!ue a #eces carecen de alg-n elemento de simetr"a se >a)an referidos a un con?unto particular de un sistema de e?es cristalogr$ficos !ue difieren en longitudes e inclinación determinando as" los siete sistemas cristalinos b$sicos descritos por un con?unto de tres e?es ) de los tres $ngulos entre ellos estos son@
2.!.1 C<:(3*. Las l"neas de tra:os indican las tres direcciones caracter"sticas o e?es a lo largo de los cuales debe repetirse la estructura para reproducir todo el ret"culo espacial&
2.!.2 T4,*5,'. El cubo elemental est$ alargado en una de sus tres direcciones $ngulos rectos pero las distancias entre los puntos inmediatos son diferentes a lo largo de los tres e?es Figuales en dos de ellos pero desiguales en el terceroG&
2.!. =4>,*5,'. Los $tomos o mol1culas se distribu)en formando >e.$gonos !ue se corresponden e.actamente los unos con los de otros planos&
2.!.! R&-:(3* **&-:(3*& La celda unidad est$ constituida por tres e?es perpendiculares entre s" el espaciado entre cada dos puntos inmediatos es desigual en las tres direcciones a b ) c& 2.!." R*-:*?)(3* * (*5,'. /curre !ue el e?e principal en lugar de ser senario es ternario& Ser$ perpendicular a e?es binarios
2.!.# M*5*3'85(3*. Los e?es a ) b son perpendiculares entre s" pero el e?e c no forma $ngulo recto con el plano ab Fen esto se diferencia de la estructura rómbicaG&
2.!.$ T(3'85(3*. Ninguno de los e?es a b c es perpendicular al plano de los otros dos&
Tricl"nico&
3onocl"nico
Rómbico
Trigonal
Tetragonal
He.agonal
C-bico
F(, ! M4+, )4 ',+ 1! 4)4+ )4 B,@,(++.
T,:', 2 C,,348+(3,+ )4 '*+ +(+4-,+ 3(+,'(5*+ S(+4-,
C,,348+(3,+
S(-48, 4+453(,'
E94+ 45 ', Á5 Á5'*+ '*+ 45 ', 34'), 34'), 5(,(, 5(,(,
C<:(3*
( e?es iguales )
Cuatro e?es de
abc
mutuamente
rotación triple&
perpendiculares
T4,*5,'
% e?es iguales )
Un e?e de rotación
uno distinto
simple&
ab
c
a
b
c
ab
c
mutuamente perpendiculares
R&-:(3*
( e?es diferentes
O*&-:(3* mutuamente perpendiculares
Tres e?es de rotación dobles mutuamente perpendiculares o dos planos intersec$ndose en un e?e de rotación
=4>,*5,'
( e?es iguales
Un e?e de rotación
inclinados a '%;
s1.tuplo o un e?e
con un cuarto
de rotación triple&
abc
e?e diferente ) perpendicular a los otros e?es&
M*5*3'85(3*
% e?es con un
Un e?e de rotación
$ngulo oblicuo
doble o un plano&
a
b
c
con un tercero perpendicular a los otros %&
T(3'85(3*
( e?es diferentes
Ning-n plano o e?e
intersec$ndose
de simetr"a&
a
b
c
oblicuamente
R*-:*?)(3* * T(*5,'
% e?es iguales !ue
,:3
forman $ngulos iguales entre s"&
2." T(*+ )4 3(+,'4+
Las estructuras ) propiedades de los cristales como punto de fusión ) ebullición densidad ) dure:a est$n determinadas por el tipo de fuer:as !ue mantienen unidas a las part"culas& Cual!uier cristal es susceptible de clasificarse como uno de los cuatro tipos iónico co#alente molecular o met$lico&
2.".1 C(+,'4+ (&5(3*+&
Los cristales iónicos tienen dos caracter"sticas importantes@
'& Est$n Est$n form formados ados de espec especies ies cargada cargadas& s& %& Los anion aniones es ) cationes cationes suele suelenn ser de distin distinto to tamaDo& tamaDo& El conocimiento conocimiento del radio de los $tomos $tomos a)uda a comprender comprender la estructura estructura ) estabilida estabilidadd de estos compuestos& No es posible medir el radio de un ion indi#idual pero en ocasiones es posible obtener una estimado ra:onable de esta propiedad& La ma)or"a de los cristales iónicos tiene puntos de ebullición ele#ados refle?ando la fuer:a de co>esión co>esión !ue mantiene mantiene ?untos a los iones& La estabilidad estabilidad depende de la energ"a reticular reticular cuanto
ma)or sea la energ"a m$s estable es el compuesto& Estos sólidos no conducen electricidad debido a !ue los iones est$n en una posición fi?a& Sin embargo embargo en estados estados fundidos fundidos o disueltos disueltos en agua conducen electricidad& El olor de estos sólidos se deduce por!ue sus mol1culas se #apori:an f$cilmente del estado sólido&
2.".2 C(+,'4+ 3*@,'454+&
Los $tomos de los cristales co#alentes se mantienen unidos en una red tridimensional por enlaces co#alentes& Los alótropos del carbono Fdiamante ) grafitoG son e?emplos& Los enlaces co#alentes en tres dimensiones contribu)en a la dure:a ) como las capas se mantienen unidas por fuer:as d1biles de an der Paals contienen propiedades como la dure:a ) un punto de fusión alto& Estos cristales de >ec>o son una sola gran mol1cula&
2.". C(+,'4+ -*'43',4+.
En un cristal molecular los puntos reticulares est$n ocupados por mol1culas !ue se mantienen unidas por fuer:as de an der Paals )Ko enlaces de >idrógeno& E?emplo el dió.ido de a:ufre FS/%G donde la fuer:a de atracción es una interacción dipolo9dipolo& Con e.cepción de >ielo las mol1culas de los cristales moleculares suelen empa!uetarse ?untas como su tamaDo ) forma lo permitan& Los cristales moleculares son m$s !uebradi:os ) se funden a temperaturas menores menor es de ';; C&
2.".! C(+,'4+ -47'(3*+.
En los cristales met$licos cada punto reticular del cristal est$ ocupado por un $tomo del mismo cristal& Tienen una estructura c-bica centrada en el cuerpo o centrada en las caras ) los elementos met$licos suelen ser mu) densos&
Los electrones de enlace est$n deslocali:ados Fno tienen un punto o localidad espec"ficoG en todo el cristal& Los $tomos met$licos en un cristal se pueden imaginar como una distribución de iones positi#os inmersos en un mar de electrones de #alencia deslocali:ados& La fuer:a de co>esión debida a la deslocali:ación electrónica es la !ue le confiere la resistencia al metal& La mo#ilidad de los electrones deslocali:ados >ace !ue los metales sean buenos conductores de calor ) electricidad& Son maleables ) d-ctiles&
Tipo de Cristal
+ropiedades
Atracción Electrost$tica 6uro !uebradi:o
Co#alente
3olecular
Enlace Co#alente
E?emplos NaCl
+unto de fusión alto
Li<
3al conductor
3g/
6uro punto de fusión
6iamante
alto 3al conductor&
Cuar:o
Sua#e punto de fusión Ar
ba?o mal conductor
C/%
6uro +unto de fusión
Todos los
alto 7uen conductor
metales&
Enlaces de >idrógeno& 3et$lico
Enlace met$lico
T,:', M4+, )4 ',+ 3,,348+(3,+ )4 '*+ (*+ )4 3(+,'4+.
2.# S(+4-,+ C<:(3*.
Los cristales se clasifican de acuerdo con su orden de simetr"a proceso !ue re!uiere una e.periencia considerable ) una facilidad para la orientación espacial& 6entro de un cristal una cara o un plano dados se pueden definir los "ndices de 3iller& Estos se deri#an de los rec"procos de las distancias a las cuales la cara o el plano dados interceptan al e?e F"ndices de PeissG& FE?emplo@ el rec"proco de 'Koo es ceroG& En una unidad c-bica los "ndices !ue se encuentran com-nmente son los de los planos ';; ''; ) '''& As" determinando una red cristalina como un con?unto regular de puntos !ue se representa como un patrón en forma repetida en un espacio bi o tridimensional&
F(, M4+, '*+ )(/4454+ ',5*+
La distancia perpendicular entre los planos en "ndices de miller M > l se calcula con la siguiente fórmula@ a
d h
a
%
k
%
%
l
Arista longitud del lado de la celda unitaria&
L, (5/*-,3(&5 +*:4 '*+ 3(+,'4+ 4)4 ('(,+4 ,, 3,'3', ,)(*+ ,&-(3*+.
'&9 En el caso de una celda unitaria c-bica simple el radio atómico r es la mitad de la longitud de la arista de la celda a&
raK%
%&9 En una celda unitaria c-bica centrada en las caras los $tomos !ue se >allan a lo largo de la arista no se tocan debemos calcular la longitud de la cara diagonal del teorema de +it$goras para tri$ngulos rect$ngulos tenemos
Hipotenusa% lado% J lado%
F6iagonal de la caraG% a% J a% %a%
6iagonal de la cara a
%
Esta diagonal es igual a , radios ,r a raK
% 5
(&9 6ebemos determinar la longitud de la diagonal del cubo para >allar el radio atómico de un $tomo !ue forma una celda unitaria en el cuerpo& la diagonal de un cubo es la diagonal de un rect$ngulo formado por la arista del cubo a ) la diagonal de la cara a % por lo tanto
F6iagonal del cuboG% a J Fa
%
G%
(a%
6iagonal del cubo a
(
Esta diagonal es igual a , r$dios atmicos
,r a
ra
(
(
K,
En el sistema c-bica los planos !ue pasan a tra#1s de los $tomos tienen "ndices de miller de ';; ''; ) ''' sin embargo la ra:ón de la distancia entre ellos en los tres tipos de red no es la misma&
Si designamos por VaW a la distancia entre los planos ';; en la red c-bica simple entonces la distancia perpendicular entre los planos ''; #aldr$ a K % ) la distancia entre los ''' ser$ a K (& en la red c-bica de caras centradas es posible colocar planos paralelos interpuestos en el punto medio de los ';; ) ''; de la red c-bica simple ) de a!u" !ue las distancias interplanares en este caso ser$n a K % a K % % ) a K (&
ora a K % a K % ) a K % (&
+ara la estructura c-bica estos son los #alores de la distancia perpendicular entre los planos en donde V a” es la longitud de la arista de la celda unitaria
d';;
d'';
d'''
Tipo de red
Xtomos por
celda a
a
%
(
a
'
;&4;4
;&044
a
a
a
%
% %
(
'
;&4;4
'&'0
a
a
a
%
'
%
'&,'
%
(
C-bico simple
'
C-bico centrado en las caras
,
C-bico centrado en el cuerpo
%
;&044
T,:', 1 M4+, )4 ',+ )(+,53(,+ 454 '*+ ',5*+.
La densidad de un sólido cristalino se puede determinar conociendo el tipo de red cristalina su peso molecular o peso atómico la longitud entre cada una de sus caras o aristas aplicando la siguiente ecuación&
N F PMoPA G no&avog &Fa ( oV G
6onde@ N N-mero de $tomos por celda olumen a
arista
2.$ C4'), 5(,(,.
Es la unidad estructural repetida de un sólido cristalino& Cada esfera representa un $tomo ion o mol1cula ) se denomina +UNT/ RETICULAR& Cada sólido cristalino se representa con uno de los siete tipos de celdas unitarias& La geometr"a de la celda unitaria c-bica es particularmente simple por!ue todos los lados ) $ngulos son iguales& Cual!uiera de las celdas unitarias !ue se repiten en el espacio tridimensional forma una estructura reticular caracter"stica de un sólido cristalino&
F(, " E+3, )4 5, 34'), 5(,(,.
2.$.1 E-,4,-(45* )4 4+/4,+.
La manera en !ue las esferas se acomodan en capas determina el tipo de celda unitaria final&
La estructura tridimensional se genera al colocar una capa encima ) otras deba?o de esta capa de tal manera !ue las esferas de una capa cubran totalmente las esferas de la capa anterior& Cada esfera acomodada as" tiene un n-mero de coordinación de 2 por!ue tiene seis #ecinos pró.imos& El n-mero de coordinación se define como el n-mero de $tomos Fo ionesG !ue rodean a un $tomo Fo ionG en una red cristalina& Su magnitud es una medida de !u1 tan compactas est$n empacadas las esferas@ Cuanto ma)or es el n-mero de coordinación m$s ?untas est$n las esferas& La unidad b$sica !ue se repite en la distribución de las esferas reci1n descrita se denomina CEL6A CY7ICA SI3+LE FsccG& En donde los puntos o nudos seDalados en los #1rtices del cubo representan posiciones ocupadas por $tomos o mol1culas& E.iste tambi1n la simetr"a CY7ICA
CENTRA6A INTERI/R3ENTE cu)a celda unitaria consta de puntos en los #1rtices del cubo con otro m$s en su centro&
E.isten tambi1n otras celdas c-bicas@ LA CEL6A CY7ICA CENTRA6A EN EL CUER+/ FbccG ) LA CEL6A CY7ICA CENTRA6A EN LAS CARAS FfccG& Una distribución c-bica centrada en el cuerpo se distingue de un cubo simple en !ue la segunda capa de esferas se acomoda en los >uecos de la primera capa mientras !ue la tercera lo >ace en los >uecos de la segunda capa& Cada esfera tiene un n-mero de coordinación de 5 Fcada una est$ en contacto con cuatro esferas de la capa superior ) cuatro de la capa inferiorG& En la celda c-bica centrada en las caras >a) esferas en el centro de cada una de las seis caras del cubo adem$s de las 5 esferas de los #1rtices& Cada celda unitaria colinda con otras celdas unitarias la ma)or"a de los $tomos de la celda se comparten con las celdas #ecinas& Un $tomo centrado en las caras es compartido por dos celdas unitarias& Cada esfera del #1rtice es compartida por 5 celdas unitarias ) 5 #1rtices en el cubo dentro de una celda c-bica simple >abr$ el e!ui#alente a una sola esfera completa& Una celda c-bica centrada en el cuerpo contiene el e!ui#alente a % esferas completas una en el centro ) 5 esferas compartidas en las es!uinas& Una celda c-bica centrada en las caras contiene , esferas completas tres de los seis $tomos centrados en las caras ) una de las oc>o esferas compartidas en los #1rtices& En el sistema c-bico se distinguen tres tipos de celdas elementales FaG c-bico simple Funa part"cula en cada #1rticeG FbG c-bico centrado en el cuerpo Funa part"cula en cada #1rtice ) otra en el centroG ) FcG centrado en las caras Funa part"cula en cada #1rtice ) una part"cula en el centro de cada cara del cuboG&
F(, #. R44+45,3(&5 )4 5 S(+4-, C<:(3* S(-'4; 5 S(+4-, C<:(3* C45,)* 45 4' C4*; 6 5 S(+4-, C<:(3* C45,)* 45 ',+ C,,+ 4+43(@,-454
'5 e $tomo en
' 5 e $tomo en 5
' K5 de $tomo en 5
' $tomo en el
' K% $tomo
C-bica simple centrada en las caras&
C-bica centrada en el cuerpo
C-bica
V(+, 3*5 ''45,)* )4 4+,3(*+ )4 ',+ 34'),+ 5(,(,+ 3<:(3,+. S&'* +4 -4+, ', *3(&5 )4 3,), 7*-* 4 445434 , ', 34'), 5(,(,.
2.$.2 E-,4,-(45* 3*-,3*&
En la celda c-bica simple ) centrada en el cuerpo >a) m$s espacio #ac"o !ue en la celda c-bica centrada en las caras& El arreglo m$s eficiente de las esferas es denominado E3+ABUETA3IENT/ C/3+ACT/& El arreglo A7A se conoce como Estructura He.agonal Compacta F>cpG ) el arreglo A7C es el de una Estructura C-bica Compacta FccpG !ue corresponde al cubo centrado en las caras&
Estructura He.agonal Compacta& Las esferas de cada una de las otras capas ocupan la misma posición #ertical FA7A7A7&&&G&En la estructura ccp las esferas de cada cuarta capa ocupan la misma posición #ertical FA7CA7CA7C&&&G& Cada esfera tiene un n-mero de coordinación de '% Fcada esfera est$ en contacto con 2 esferas de su propia capa tres de la capa de arriba ) tres de la capa de aba?oG& Las estructuras >cp ) ccp representan la forma m$s eficiente de empacar esferas id1nticas en una celda unitaria&
Todos los gases nobles tienen la estructura ccp con e.cepción del HELI/ !ue cristali:a en la estructura >cp&
F(, $ M4+, '*+ 494-'*+ )4 5, E+3, =4>,*5,' C*-,3, 6 5, E+3, C<:(3, C*-,3,. Algunas caracter"sticas de los empa!uetamientos compactos son las siguientes@ En ambos empa!uetamientos las esferas ocupan el 4,Z del espacio disponible ) estas son las maneras m$s compactas posibles de acomodarlas& +or lo mismo es la m$.ima ocupación del espacio !ue es posible lograr empa!uetando esferas& En ambos empa!uetamientos compactos cada esfera est$ en contacto con otras doce seis en su capa tres de la capa superior ) tres de la capa inferior& En los empa!uetamientos compactos >a) dos tipos importantes de sitios o intersticios los tetra1dricos ) los octa1dricos& El n-mero de coordinación de un sitio tetra1drico es cuatro ) su tamaDo puede calcularse !ue es@ r FtetraedG ;%%0 r FesferaG El n-mero de sitios tetra1dricos en una porción del espacio es el doble en comparación con el n-mero de esferas
2.% D(/,33(&5 )4 '*+ ,6*+ > * '*+ 3(+,'4+.
Todo lo !ue se conoce sobre la estructura cristalina se >a aprendido a partir de estudios de difracción de ra)os .& La difracción de los rayos x se refiere a la dispersión de los rayos x por las unidades de un sólido cristalino >aciendo posible as" la deducción del ordenamiento de las part"culas en la red cristalina& 6ado !ue los ra)os . son una forma de radiación electromagn1tica ) por tanto de ondas cabe esperar !ue manifiesten un comportamiento ondulatorio en condiciones adecuadas& En '8'% el f"sico alem$n 3a. #on Laue sugirió correctamente !ue debido a !ue la longitud de onda de los ra)os . es comparable con la magnitud de las distancias !ue >a) entre los puntos reticulares en un cristal la red ser"a capa: de difractar los ra)os& Un patrón de difracción de ra)os . es consecuencia de las interferencias en las ondas asociadas a los ra)os .&
Los ra)os . difractados se pueden detectar con una placa fotogr$fica o por medio de un dispositi#o de conteo tal como un tubo =eiger& Una muestra de la difracción producida por un
cristal solo est$ compuesta de una serie de puntos producidos por los diferentes planos del cristal al >acer girar este en el camino de los ra)os .
La t1cnica de difracción de ra)os . es el m1todo m$s e.acto para determinar las longitudes ) los $ngulos de enlace de las mol1culas en estado sólido&
2.%.1 E3,3(&5 )4 B,.
Los 7ragg obser#aron !ue un cristal se >alla compuesto por series de planos atómicos de igual espacio entre si ) !ue pueden emplearse como una re?illa de transmisión ) como planos de refle.ión&
U5 haz de rayos X que choca con los Átomos que forman estos planos se difractara de manera que produzca una interferencia o un refuerzo del haz difractado en el primer plano o externo y el haz total de reflexión se comportara como si hubiese sido reflejado en la superficie del cristal ".
E?emplo@
F(, % D44-(5,3(&5 )4 ', E3,3(&5 )4 B,,
En donde@
P Q [ \ +lanos atómicos del cristal& ] Longitud de onda de los ra)os Q utili:ados d 6istancia entre los planos atómicos&
OBTENCIÓN DE LA ECUACIÓN DE BRAGG El >a H=/ se refle?a en / en la dirección / E con un $ngulo ; igual !ue el de incidencia& El >a: H^=^ /^ se refle?a parcialmente en /^ a lo largo de /^ E^ ) de nue#o en C en la dirección C/E& +ara emerger en la dirección /E el segundo >a: debe #ia?ar una distancia ma)or !ue el primero& Si la diferencia en distancia de los % caminos es e.actamente igual a un n-mero de longitudes de onda de la radiación los % >aces se encontraran en fase en / con lo cual >a) una intensidad m$.ima de refle.ión& +ero si no est$n en fase la intensidad del >a: refle?ado es menor !ue la m$.ima&
Condición de m$.imo@ G C O GO 5 H Si se tra:a una l"nea perpendicular desde / a la prolongación =^;^C ) otra desde / >asta A perpendicular a P Q [&
Tenemos@
G CO GA CA CO G CO G A
+uesto C/ CA por construcción de la figura =/ =^ 7 por lo tanto@
GCO GO GA – GJ B GCO GO BA BA 5 H
El $ngulo 7/A es tambi1n _& Entonces como /7 fue tra:ado perpendicular a =^A&
SEN K
BA OA
BA OA SEN K BA 2) SEN K +or lo tanto la ecuación de 7ragg !ueda@
5 H 2) SEN K R4',3(&5 454 '*+ ',5*+ 100; 110 6 111 ,, )44-(5, 4' (* )4 4) 3(+,'(5,.
6e la ec& de 7ragg
n] %d sen _
d n ] K sen _
+or lo tanto
n] K % sen _';;
n] K % sen _'';
n] K % sen _''' Entonces
n] K % cte
n] K % F 'K sen _';; ' K sen _''; ' K sen _'''G
+or lo tanto@
d';; ' K sen _';;
d''; ' K sen _'';
d''' ' K sen _'''
2. T4*8, )4 :,5),+.
La teor"a de bandas de la mec$nica cu$ntica& Seg-n esta teor"a los electrones de una sustancia sólo pueden ocupar ciertas bandas de energ"a !ue son espec"ficas de esa sustancia& Ne#ill os dispositi#os electrónicos& Uno de los >alla:gos m$s importantes de la f"sica de la materia condensada es la teor"a de bandas de energ"a en los sólidos& Un electrón ligado a un $tomo aislado sólo puede encontrarse en un con?unto determinado de ni#eles atómicos de energ"a F#er XtomoG& Sin embargo en un sólido cristalino donde >a) muc>os $tomos id1nticos con una disposición regular estos ni#eles de energ"a se con#ierten en bandas de energ"as permitidas separadas por bandas de energ"as pro>ibidas Fer 3etalesG& Como la estructura de bandas es una propiedad general del cristal cada $tomo puede aportar un electrón e.terior Fde #alenciaG para llenar las bandas permitidas& Seg-n el principio de e.clusión formulado por Polfgang +auli los electrones llenan cada ni#el de energ"a de dos en dos uno de los electrones tiene esp"n >acia arriba ) el otro >acia aba?o& En el cero absoluto todos los ni#eles de energ"a inferiores del cristal est$n llenos& A temperaturas ma)ores los electrones ad!uieren m$s energ"a ) algunos se despla:an a ni#eles de energ"a m$s altos& El ni#el de energ"a conocido como ni#el de
Si el ni#el de acer !ue los electrones del ni#el ocupado m$s alto pasen al ni#el no ocupado m$s ba?o& Esta mo#ilidad de los electrones es el origen de las cualidades !ue definen un conductor como su capacidad de conducir la electricidad ) el calor ) su capacidad de absorber lu:& Si el ni#el de a) una
distancia relati#amente grande >asta la siguiente banda permitida el sólido es un aislante como el diamante o el cuar:o& Como son necesarias energ"as mu) altas para e.citar sus electrones los aislantes conducen mal el calor ) la electricidad ) no absorben lu:& +or -ltimo si el ni#el de ibidas !ue >a) por encima es estrec>a el sólido es un semiconductor como el silicio&
En '8%5 el f"sico alem$n Arnold Sommerfeld sugirió !ue los electrones en los metales se encuentran en una disposición cu$ntica en la !ue los ni#eles de ba?a energ"a disponibles para los electrones se >allan casi completamente ocupados F#er Xtomo Teor"a cu$nticaG& En el mismo aDo el f"sico estadounidense de origen sui:o ) m$s tarde el f"sico franc1s Louis 7rillouin aplicaron esta idea en la >o) aceptada Vteor"a de bandasW para los enlaces en los sólidos met$licos&
6e acuerdo con dic>a teor"a todo $tomo de metal tiene -nicamente un n-mero limitado de electrones de #alencia con los !ue unirse a los $tomos #ecinos& +or ello se re!uiere un amplio reparto de electrones entre los $tomos indi#iduales& El reparto de electrones se consigue por la superposición de orbitales atómicos de energ"a e!ui#alente con los $tomos ad)acentes& Esta superposición #a recorriendo todo el metal formando amplios orbitales !ue se e.tienden por todo el sólido en #e: de pertenecer a $tomos concretos& Cada uno de estos orbitales tiene un ni#el de energ"a distinto debido a !ue los orbitales atómicos de los !ue proceden ten"an a su #e: diferentes ni#eles de energ"a& Los orbitales cu)o n-mero es el mismo !ue el de los orbitales atómicos tienen dos electrones cada uno ) se #an llenando en orden de menor a ma)or energ"a >asta agotar el n-mero de electrones disponibles& En esta teor"a se dice !ue los grupos de electrones residen en bandas !ue constitu)en con?untos de orbitales& Cada banda tiene un margen de #alores de energ"a #alores !ue deber"an poseer los electrones para poder ser parte de esa banda& En algunos metales se dan interrupciones de energ"a entre las bandas pues los electrones no poseen ciertas energ"as& La banda con ma)or energ"a en un metal no est$ llena de electrones dado !ue una caracter"stica de los metales es !ue no poseen suficientes electrones para llenarla& La ele#ada conducti#idad el1ctrica ) t1rmica de los metales se e.plica as" por el paso de electrones a estas bandas con defecto de electrones pro#ocado por la absorción de energ"a t1rmica&
7andas de los orbitales moleculares en un cristal met$lico&
A!u" #emos los orbitales de #alencia 2s de los $tomos de Li combinados para formar orbitales moleculares& Conforme se #an acomodando m$s $tomos con los mismos orbitales de #alencia el n-mero de orbitales moleculares #a creciendo >asta !ue su energ"a es mu) parecida ) se me:clan en una banda de orbitales moleculares& Si se combina ' mol de $tomos de Li cada uno con orbitales de #alencia %s ) %p se forman %, . ';%( orbitales moleculares& Sin embargo si sólo se dispone de un mol de electrones o sea ( . '; pares de electrones sólo una pe!ueDa fracción de estos orbitales moleculares se llena&
Teor"a de las bandas aplicada a metates semiconductores ) aislantes& El enlace en los metales ) semiconductores puede describirse mediante la teor"a del orbital molecular& Los orbitales moleculares se constru)en a partir de los orbitales de #alencia de cada $tomo ) se deslocali:an en todos los $tomos Fmetales i:!uierda ) centroG& El ni#el lleno m$s alto a ; se denomina ni#el de aG En contraste con los metales la banda de ni#eles llenos Fla banda de #alenciaG !ueda separada de la banda de ni#eles #ac"os Fla banda de conducciónG por una brec>a de bandas& En los aislantes la energ"a de la brec>a de bandas es grande&
M42,'
S4-(3*5)132*.4+ 6 ,(+',524+
Adición de
Electrón Ni#eles #ac"os 7anda de conducción
B.43M, )4 bandas
Hueco
positi#o deba?o del ni#el de
Ni#eles llenos 7anda de #alencia
2..1 C*5)3*4+.
Los metales se caracteri:an por su alta conducti#idad el1ctrica& En un cristal met$lico los $tomos est$n empa!uetado mu) cerca unos de otros por los !ue los ni#eles energ1ticos de cada $tomo se #en afectados por los $tomos #ecinos lo !ue da como resultado el solapamiento de orbitales& 6ebido a !ue el n-mero de $tomos energ1ticos de cada $tomo !ue e.iste es mu) grande el n-mero de orbitales moleculares !ue forman tambi1n es mu) grande& Estos orbitales moleculares tienen energ"as tan parecidas !ue !uedan me?or descritos como una VbandaW& Estos ni#eles energ1ticos llenos ) tan parecidos constitu)en la 7AN6A 6E ALENCIA& La parte superior de los ni#eles energ1ticos corresponde a los orbitales moleculares deslocali:ados ) #ac"os !ue se forman por el soplamiento de los orbitales (p& Este con?unto de ni#eles #ac"os cercanos recibe el nombre de 7AN6A 6E C/N6UCCIÓN&
Es posible imaginar un cristal met$lico como un con?unto de iones positi#os inmerso en un mar de electrones de #alencia deslocali:ados& La gran fuer:a de co>esión !ue resulta de la deslocali:ación es en parte responsable de la fuer:a !ue se manifiesta en la ma)or"a de los metales& 6ebido a !ue la banda de #alencia ) la banda de conducción son ad)acentes entre s" es casi despreciable la cantidad de energ"a !ue se re!uiere para promo#er un electrón de #alencia a la banda de conducción& Una #e: a!u" el electrón puede despla:arse libremente a tra#1s de todo el metal )a !ue la banda de conducción carece de electrones& Esta libertad de mo#imiento e.plica el >ec>o de !ue los metales son buenos conductores es decir son capaces de conducir la corriente el1ctrica&
2..2 A(+',54+.
En esencia la conducti#idad el1ctrica de un sólido depende del esparcimiento de ) del estado de ocupación de la energ"a& Como consecuencia se re!uiere de muc>a ma)or energ"a para e.citar un electrón >acia la banda de conducción& La ausencia de esta energ"a impide la libre mo#ilidad de los electrones llamando as" AISLANTES a los compuestos o elementos !ue son incapaces de conducir la electricidad&
2.. S4-(3*5)3*4+.
Los semiconductores por lo general no son conductores pero conducen la corriente el1ctrica a ele#adas temperaturas o cuando se combinan con una pe!ueDa cantidad de algunos otros elementos& Los elementos del grupo ,A FE?emplo el =ermanio ) el SilicioG son especialmente -tiles para 1ste propósito&
El espacio energ1tico entre las bandas llenas ) las bandas #ac"as en estos sólidos es muc>o menor !ue en el caso de los aislantes& Si se suministra la energ"a necesaria para e.citar electrones desde la banda de conducción el sólido se con#ierte en un conductor& La capacidad de un metal para
conducir la electricidad disminu)e al aumentar la temperatura )a !ue a ma)ores temperaturas se acent-a la #ibración de los $tomos ) esto tiende a romper el flu?o de electrones&
La capacidad de un semiconductor para conducir la electricidad tambi1n se puede incrementar mediante la adición de pe!ueDas cantidades de ciertas impure:as al elemento proceso !ue se denomina 6/+A6/& Un electrón libre se puede mo#er a tra#1s de la estructura ) funcionar como un electrón de conducción& Las impure:as de este tipo se conocen como I3+URE\AS 6/NA6/RAS )a !ue proporcionan electrones de conducción& Los sólidos !ue contienen impure:as donadoras se llaman SE3IC/N6UCT/RES TI+/9n en donde n significa negati#o& Los electrones se pueden mo#er a tra#1s del cristal en una dirección mientras !ue los >uecos o Vagu?eros positi#osW se mue#en en la dirección opuesta ) el sólido se con#ierte un un conductor el1ctrico& Las impure:as !ue son deficientes en electrones se denominan I3+URE\AS ACE+T/RAS& Los semiconductores !ue contienen impure:as aceptoras reciben el nombre de SE3IC/N6UCT/RES TI+/9p en donde p significa positi#o&
Tanto en los semiconductores de tipo9p como en los de tipo9n se reduce de manera efecti#a el espacio energ1tico entre la banda de #alencia ) la banda de conducción de modo !ue solo se re!uiere de una pe!ueDa cantidad de energ"a para e.citar los electrones& +or lo com-n la conducti#idad de un semiconductor aumenta en un factor de ';; ;;;por la presencia de $tomos como impure:as&
La combinación de los semiconductores del tipo9n ) del tipo9p en formas n9p9n o p9n9p da como resultado la limitación a las propiedades !ue implican la mo#ilidad de >uecos ) electrones& Estas propiedades permiten la rectificación ) la amplificación de los circuitos electrónicos principio !ue se utili:a en la fabricación de transistores&
3etal
Semiconductor
Aislante
F(, D(/4453(,3(&5 454 5 -4,'; +4-(3*5)3* 6 5, ,(+',54.
Las flec>as simboli:an el traspaso de la energ"a de una banda >acia la otra en los tres e?emplos anteriores&
UNIDAD III OXIDACIÓN – REDUCCIÓN
.1 OXIDO REDUCCIÓN
Un gran n-mero de reacciones !u"micas transcurre con la p1rdida formal de electrones de un $tomo ) la ganancia de ellos por otro& La ganancia de electrones recibe el nombre de reducción ) la p1rdida de electrones o.idación& El proceso global se denomina o.ido9 reducción o reacción redo.& La especie !ue suministra electrones es el agente reductor Fel !ue se o.idaG ) la !ue los gana es el agente o.idante Fel !ue se reduceG& Una de las propiedades m$s importantes de los elementos es su estado de o.idación o n-mero de o.idación& E.iste una correlación definida entre los n-meros de o.idación ) los grupos en donde est$n locali:ados los elementos en la tabla periódica& Reacciones de ó.ido ` reducción o redo. son a!uellas donde est$ in#olucrado un cambio en el n-mero de electrones asociado a un $tomo determinado cuando este $tomo o el compuesto del cual forma parte se transforma desde un estado inicial a otro final& Las reacciones de o.idación9reducción son las reacciones !u"micas m$s comunes con !ue nos encontramos d"a con d"a& La ma)or parte de ellas son para generar calor o traba?o& Todas las reacciones de combustión son de o.idación9reducción& Son las !ue se efect-an cuando se !uema gasolina en un motor de automó#il ) el gas en una estufa& La gran ma)or"a de las reacciones redo. ocurren con liberación de energ"a& +or e?emplo@ la combustión de compuestos org$nicos !ue proporciona energ"a calórica las reacciones !ue se reali:an en una pila o bater"a donde la energ"a !u"mica es transformada en energ"a el1ctrica ) las reacciones m$s importantes !ue ocurren a ni#el del metabolismo de un ser #i#iente& Como los alimentos son substancias reducidas el organismo las o.idada controladamente liberando energ"a en forma gradual ) de acuerdo a sus re!uerimientos& Cl$sicamente o.idación es la combinación de una sustancia con o.igeno ) la reducción el proceso in#erso es decir la disminución del contenido de o.igeno de una sustancia& Sin embargo tras el estudio de distintas reacciones se acaba definiendo o.idación como la perdida de electrones ) reducción como la ganancia de electrones& No puede >aber procesos de o.idación o reducción aislados por!ue si una especie !u"mica pierde electrones otra debe ganarlos& As" todo proceso de o.idación #a unido a otro de reducción >a) una transferencia de electrones de la sustancia !ue se o.ida >asta la !ue se reduce& La corrosión es reacción de o.idación9reducción !ue causa el deterioro de metales debido a reacciones con las sustancias !u"micas del ambiente& El e?emplo mas com-n de la corrosión es la >errumbre en el >ierro met$lico& En presencia de o.igeno ) agua el >ierro se o.ida ) forma el o.ido de >ierro FIIIG >idratado& Las reacciones de ó.ido ` reducción son a!uellas donde est$ in#olucrado un cambio en el n-mero de electrones asociado a un $tomo determinado cuando este $tomo o el compuesto del cual forma parte se transforma desde un estado inicial a otro final&
Un $tomo neutro cual!uiera tiene un n-mero definido de electrones el cual corresponde al n-mero de protones !ue posee su n-cleo es decir tiene tantos electrones como el #alor de su n-mero atómico&
.2 NMERO DE OXIDACIÓN. El estado de o.idación o n-mero de o.idación se define como la suma de cargas positi#as ) negati#as de un átomo lo cual indirectamente indica el n-mero de electrones !ue tiene el $tomo& El estado de o.idación es una apro.imación@ la mecánica cuántica teor"a aceptada en la actualidad para describir las propiedades de part"culas mu) pe!ueDas impide ad?udicar los electrones a un $tomo o a otro en una molécula& En cambio se considera !ue los electrones est$n compartidos por todos los $tomos de la misma& A-n as" el concepto de estado de o.idación resulta -til para estudiar procesos de oxidación ) reducción Fprocesos r1do.G por e?emplo& Los protones de un $tomo tienen carga positi#a ) esta carga se #e compensada por la carga negati#a de los electrones si el n-mero de protones ) de electrones es el mismo el $tomo es el1ctricamente neutro& Si el $tomo cede un electrón las cargas positi#as de los protones no son compensadas pues >a) insuficientes electrones& 6e esta forma se obtiene un ion con carga positi#a FcatiónG AJ ) se dice !ue es un ion mono positi#o su estado de o.idación es de J'& En cambio si el $tomo acepta un electrón los protones no compensan la carga de los electrones obteni1ndose un ion mono negati#o FaniónG A9& El $tomo puede ceder un ma)or n-mero de electrones obteni1ndose iones dispositi#os tripositi#os etc& [ de la misma forma puede aceptarlos dando iones de distintas cargas& Los estados de o.idación se denotan en los nombres !u"micos mediante n-meros romanos entre par1ntesis despu1s del elemento de inter1s& +or e?emplo un ion de >ierro con un estado de o.idación J( ierro FIIIG& El ó.ido de manganeso con el manganeso presentando un estado de o.idación de J4 3n/,9 se nombra como ó.ido de manganeso FIIG de esta forma se puede diferenciar de otros ó.idos& En estos casos no es necesario indicar si la carga del ion es positi#a o negati#a& En la fórmula !u"mica el estado de o.idación de los iones se indica mediante un super"ndice despu1s del s"mbolo del elemento como )a se >a #isto en
%I9
Cuando se escriben reacciones !u"micas las siguientes reglas permiten obtener el estado de o.idación !ue presenta cada elemento@
Entre $tomos distintos !ue comparten un electrón se considera !ue el $tomo de ma)or electronegatividad tiene ese electrón ) el otro lo cede& Si los $tomos son iguales se considera !ue lo comparten& A #eces no es ob#io en !u1 estados de o.idación est$n los iones de una molécula& +or e?emplo en Cr F/HG( no se indica ning-n estado de o.idación pero >a) un enlace iónico& Ha) #arias reglas para determinar el estado de o.idación de cada ion@ El estado de o.idación de $tomos neutros es igual a cero& En las mol1culas formadas por $tomos del mismo elemento Fpor e?& Cl%G el n-mero de o.idación es cero& En las mol1culas neutras la suma de los estados de o.idación da cero& En las mol1culas cargadas Fiones poli atómicosG la suma de los estados de o.idación coincide con la carga total de la mol1cula& El flúor siempre tiene un estado de o.idación de 9' Fse trata del elemento m$s electronegati#oG& El oxígeno suele tener un estado de o.idación de 9% e.cepto en #arios casos@ En el caso de !ue >a)a fl-or !ue tendr$ estado de o.idación 9'& Cuando >a) enlaces entre dos $tomos de o."geno un o."geno neutrali:a la carga del otro& En peró.idos por e?emplo el agua o.igenada Fperó.ido de >idrógenoG H%/% en donde tenemos /%%9 por lo !ue se considera !ue el $tomo de o."geno tiene un estado de o.idación de 9'& En s-per ó.idos 9'K%& Los iones del grupo ' tienen un estado de o.idación de J' en sus compuestos& Los iones del grupo % tienen un estado de o.idación de J% en sus compuestos& Los halógenos tienen normalmente un estado de o.idación de 9' Fsal#o cuando est$n con otros $tomos tan electronegati#os como ellos como el o."geno u otros >alógenosG& El hidrógeno tiene estado de o.idación de J' e.cepto cuando forma hidruros met$licos& +or e?emplo en el compuesto Cr F/HG( el o."geno tiene el estado de o.idación 9% ) el >idrógeno J'& +or lo tanto el grupo hidróxido tiene una carga negati#a F9%J'G por lo !ue se escribe si no forma un compuesto como /H9& Ha) tres >idró.idos por lo !ue son tres cargas negati#as las !ue neutrali:a el ion de cromo es decir !ue se trata de un ion tripositi#o Cr (J&
En el caso de una mol1cula el estado de o.idación de cada $tomo compara la cantidad de electrones en sus cercan"as con la cantidad de electrones !ue ten"a el $tomo neutro& En el e?emplo #isto antes del 3n/,9 el manganeso se considera en el estado de o.idación J4 por!ue se le ad?udican 4 electrones menos de los !ue tiene el $tomo neutro Fse dice !ue >a cedido esos siete electronesG& Cada $tomo de o."geno tiene estado de o.idación 9% lo !ue indica !ue se le ad?u ad?udi dica cann dos dos elec electr tron ones es m$s m$s de los los !ue !ue tien tienee el $tom $tomoo neut neutro ro&& La suma suma da 9' 9' !u !ue e efecti#amente es la carga de la mol1cula& Agentes /.idantes El Hierro&9 E.puesto al aire >-medo se corroe formando ó.ido de >ierro >idratado una sustancia pardo9ro?i:a escamosa conocida com-nmente co m-nmente como or"n& La formación de or"n es un fenómeno electro!u"mico en el cual las impure:as presentes en el >ierro interact-an el1ctricamente con el >ierro metal& Se establece una pe!ueDa corriente en la !ue el agua de la atmósfera proporciona una disolución electrol"tica& El agua ) los electrólitos solubles aceleran la reacción& En este proceso el >ierro met$lico se descompone ) reacciona con el o."geno del aire para formar el or"n& La reacción es m$s r$pida en a!uellos a!uellos lugares donde se acumula el or"n ) la superficie del metal acaba agu?ere$ndose& +eró.ido +eró.ido compuesto !u"mico !ue contiene contiene dos $tomos de o."geno o."geno enla:ados enla:ados /9/& Algunos de estos productos tienen aplicaciones importantes en tecnolog"a !u"mica como agentes o.idantes El cromato de potasio F %Cr/,G un sólido cristalino amarillo ) el dicromato de potasio F % Cr % /4G un sólido cristalino ro?o son poderosos agentes o.idantes utili:ados en cerillas o fósforos ) fuegos artificiales en el tinte te.til ) en el curtido de cuero& Agentes Reductores Los elementos de transición presentan m-ltiples #alencias o estados de o.idación !ue #ar"an desde J' >asta J5 seg-n los compuestos& En los compuestos órgano met$licos consistentes en metales unidos a especies org$nicas los metales de transición presentan a #eces estados de o.idación negati#os& Los elementos de transición tienen las propiedades t"picas de los metales@ son maleables d-ctiles conducen el calor ) la electricidad ) tienen un brillo met$lico& Tienden a actuar como agentes reductores Fdonantes de electronesG pero son menos acti#os en este sentido !ue !ue los los meta metale less alca alcali lino noss ) los los meta metale less alca alcali linot not1rr 1rreo eos s !ue tiene tienenn #alen #alenci cias as J' ) J% respecti#amente& Los elementos de transición tienen por lo general densidades ) puntos de fusión ele#ados ) presentan propiedades magn1ticas&
Los iones de >ierro FIIG ) >ierro FIIIG se combinan con los cianuros para formar compuestos comple?os& comple?os& El >e.acianoferrato >e.acianoferrato FIIG de >ierro FIIIG o ferrocianuro f1rrico e.acianoferrato FIIG de potasio con una sal de >ierro FIIIG ) se conoce como a:ul de +rusia& Se usa como pigmento en pintura ) como aDil en el la#ado de ropa para corregir el tinte amarillento de?ado por las sales de >ierro FIIG en el agua
B,',534* )4 43,3(*54+ 8-(3,+ Una reacción !u"mica es la manifestación de un cambio en la materia ) la isla de un fenómeno !u"mico& A su e.presión gr$fica se le da el nombre de ecuación !u"mica en la cual se e.presan en la primera parte los reacti#os ) en la segunda los productos de la reacción& AJ7 Reacti#os
CJ6 +roductos
+ara e!uilibrar o balancear ecuaciones !u"micas e.isten di#ersos m1todos& En todos el ob?eti#o !ue se persigue es !ue la ecuación !u"mica cumpla con la le) de la conser#ación de la materia&
B,',534* )4 43,3(*54+ * 4' -?*)* )4 R4)*> O>()* 4)33(&5 En una reacción si un elemento se o.ida tambi1n debe e.istir un elemento !ue se reduce& Recordar !ue una reacción de o.ido reducción no es otra cosa !ue una perdida ) ganancia de electr electrones ones es decir decir despren desprendim dimien iento to o absorci absorción ón de energ" energ"aa Fpresenc Fpresencia ia de lu: lu: calor calor electricidad etc&G
+ara balancear una reacción por este m1todo se deben considerar los siguiente pasos 'G 6eterminar los n-meros de o.idación de los diferentes compuestos !ue e.isten en la ecuación& +ara determinar los n-meros de o.idación de una sustancia se tendr$ en cuenta lo siguiente@ '& En una formu formula la siempre siempre e.iste e.istenn en la misma misma cant cantid idad ad los los n-mero n-meross de o. o.id idac ació iónn positi#os ) negati#os %& El Hidroge Hidrogeno no casi siempr siempree traba?a traba?a con J' a e.cepció e.cepciónn los >idruros >idruros de los >idruros >idruros donde traba?a con 9' (& El /.ig /.igeno eno casi siempr siempree traba? traba?aa con 9%
,& Todo elemento elemento !ue se se encuentre encuentre solo solo no unido unido a otro tiene numero numero de o.idaci o.idación ón ; %G Una #e: determinados los n-meros de o.idación se anali:a elemento por elemento comparando el primer miembro de la ecuación con el segundo para #er !ue elemento !u"mico cambia sus n-meros de o.idación& ;
;
(
9%
Los elementos !ue cambian su numero de o.idación son el
;
( 9%
El fierro o.ida en ( ) el /.igeno reduce en % ,G Si el elemento !ue se o.ida o se reduce tiene numero de o.idación ; se multiplican los n-meros o.idados o reducidos por el sub"ndice del elemento !ue tenga numero de o.idación ;
%
Los n-meros obtenidos finalmente se ponen como coeficientes en el miembro de la ecuación !ue tenga mas t1rminos ) de a>" se continua balanceando la ecuación por el m1todo de tanteo /tros e?emplos Cl/(
Cl J /%
J' J0 9%
' 9'
Cl/(
Cl J /%
Cl reduce en 2 . ' 2
;
/ /.ida en % . ' % %Cl/(
%Cl J 2/%
Cu J HN/(
N/% J H%/ J Cu FN/(G%
; J' J0 9%
, 9% J% 9% J% J0 9%
Cu J HN/(
N/% J H%/ J Cu FN/(G%
Cu o.ida en % . ' % N reduce en ' . ' ' Cu J HN/(
%N/% J H%/ J Cu FN/(G%
Cu J ,HN/(
%N/% J %H%/ J Cu FN/(G%
CALCULOS ESTEQUIOMETRICOS. La fabricación de productos !u"micos es uno de los esfuer:os industriales m$s grandes del mundo& Las industrias !u"micas son la base de cual!uier sociedad industrial& 6ependemos de ellas respecto a productos !ue utili:amos a diario como gasolina ) lubricantes de la industria del petróleo alimentos ) medicinas de la industria alimentaria telas ) ropa de las industrias te.tiles& Estas son sólo unos cuantos e?emplos pero casi todo lo !ue compramos diariamente se fabrica mediante alg-n proceso !u"mico o al menos inclu)e el uso de productos !u"micos& +or ra:ones económicas los procesos !u"micos ) la producción de sustancias !u"micas deben reali:arse con el menor desperdicio posible lo !ue se conoce como optimi:ación de procesos& Cuando se tiene una reacción !u"mica el Bu"mico se interesa en la cantidad de producto !ue puede formarse a partir de cantidades establecidas de reacti#os& Esto tambi1n es importante en la ma)or"a de las aplicaciones de las reacciones tanto en la in#estigación como en la industria& En una reacción !u"mica siempre se conser#a la masa de a>" !ue una cantidad espec"fica de reacti#os al reaccionar formar$ productos cu)a masa ser$ igual a la de los reacti#os& Al !u"mico le interesa entonces la relación !ue guardan entre s" las masas de los reacti#os ) los productos indi#idualmente& Los c$lculos !ue comprenden estas relaciones de masa se conocen como c$lculos este!uiom1tricos& La este!uiometr"a es el concepto usado para designar a la parte de la !u"mica !ue estudia las relaciones cuantitati#as de las sustancias ) sus reacciones& En su origen etimológico se
compone de dos ra"ces este!uio !ue se refiere a las partes o elementos de los compuestos ) metr"a !ue dice sobre la medida de las masas& Cuando se e.presa una reacción la primera condición para los c$lculos este!uim1tricos es !ue se encuentre balanceada por e?emplo@ 3g J /% % 3g J /%
3g/ % 3g/
Reacción balanceada
La reacción anterior se lee como@ % AT= de 3agnesio reaccionan con un mol de /."geno ) producen % moles de /.ido de magnesio Freacción de s"ntesisG %AT= 3g ,8 g ' mol de /% (% g % moles de 3g/ 5' g
,8 g
J
(% g
5' g
%M
J
O%
% MO
Lo !ue demuestra la le) de La#oisier la materia no se crea ni se destru)e sólo se transforma cuando reaccionan ,8g m$s (%g ) se producen 5' g& Cómo se reali:an los c$lculos este!uiom1tricos
AT=
3/LES
No& 6E AT/3/S ) No& 6E 3/LCULAS
/LU3EN 3/LAR
REACTI/S / +R/6UCT/S
REACTI/ LI3ITANTE
ATG Cu$ntos AT= se encuentran contenidos en 0, g de Al Consultar la tabla periódica
' AT= de Al 9999 %4 g Q 9999 0, g
Q F'G F0,G K %4
Q 2 ATG
,&0 AT= de +b a cu$ntos g e!ui#alen ' AT= de +b 9999 %;4 g ,&0 AT= 9999 Q
Q F,&0G F%;4G K '
Q 1."
MOLES Cu$ntos moles se encuentran contenidos en '%; g de H%/ ' mol de H%/ 9999 '5 g Q 9999 '%; g
Q F'G F'%;G K '5
Q #.# -*'4+
;&2 moles de NaN/% a cu$ntos g e!ui#alen ' mol de NaN/% 9999 28 g ;&2 moles 9999 Q
Q F;&2G F28G K '
Q !1.!
N*. DE ATOMOS Y N*. DE MOLÉCULAS& ' AT= de cual!uier elemento contiene 2&;%( Q '; %( $tomos ) ' mol de cual!uier compuesto tiene 2&;%( Q '; %( mol1culas& El n-mero 2&;%( Q '; %( es conocido como n-mero de A#ogadro FNG&
Cu$ntos $tomos est$n contenidos en '0 AT= de Cobre ' AT= de Cu 9999 2&;%( Q '; %( $tomos '0 AT= 9999 Q Q F'0G F2&;%( Q '; %(G K '
Q 8&;%( Q '; %, $tomos
Cu$ntos $tomos est$n contenidos en %(; g de N"!uel Con#ertir g a AT= F%(;g (&8( AT=G ' AT= de Ni 9999 2&;%( Q '; %( $tomos (&8( AT= 9999 Q Q F(&8(G F2&;%( Q '; %(G K '
Q %&(2 Q '; %, $tomos
Cu$ntas mol1culas est$n contenidas en ;&%0 moles de C/% ' mol de C/% 9999 2&;%( Q '; %( mol1culas ;&%0 moles 9999 Q Q F;&%0G F2&;%( Q '; %(G K '
Q 1." X 10 2 -*'?3',+
Cu$ntas mol1culas est$n contenidas en '; g de HCl Con#ertir g a moles F';g ;&%4 molesG ' mol de HCl 9999 2&;%( Q '; %( mol1culas ;&%4 moles 9999 Q
Q F;&%4G F2&;%( Q '; %(G K '
Q 1.# Q '; %( mol1culas
VOLUMEN MOLAR. El #olumen !ue ocupa ' mol de cual!uier gas en condiciones est$ndar F ; C ) ' atm de presiónG es igual a %%&, litros& Bu1 #olumen ocupan ;&40 moles de N% en condiciones est$ndar
' mol de N% 9999 %%&, litros ;&40 moles 9999 Q Q 1#.% '(*+
Q F;&40G F%%&,G K '
Bu1 #olumen ocupan ';;g de C/% en condiciones est$ndar Con#ertir g a moles F';;g %&%4 molesG ' mol de C/% 9999 %%&, litros %&%4 moles 9999 Q Q "0.% '(*+
Q F%&%4G F%%&,G K '
REACTIVOS O PRODUCTOS En una reacción !u"mica se puede calcular la cantidad de reacti#os !ue se necesitan para generar una cantidad definida de productos o la cantidad de productos !ue se forma con una cantidad definida de reacti#o& Es necesario contar con una reacción balanceada ) establecer la cantidad de AT= o moles !ue participan FteóricamenteG en la reacción& Cu$ntos g de Na se necesitan para preparar '% g de sal FNaClG Reacción@ % Na J Cl%
% NaCl
% AT= de sodio ,2 g ' mol de cloro 4'g ) % moles de cloruro de sodio ''4 g Fla suma de los reacti#os es igual al productoG&
Teórica
Real
,2 g
4' g
''4 g
% Na J
Cl%
% NaCl
Q
'% g
Se establece la relación teórico9+r$ctica ) se calcula la cantidad de sodio& Na ,2 g 999999 Q 999999
NaCl ''4 g '% g Q F,2G F'%G K ''4
Q ,&4 g
Cu$ntos g de H%/ se producen cuando reaccionan %5 g de \nF/HG % Reacción@ \n F/HG % J H%S
\nS J % H%/
% mol de >idró.ido de :inc 88&0 g reaccionan con ' mol de $cido sul>"drico (, g ) produce ' mol de sulfuro de :inc 84&0 g m$s % moles de agua (2 g Fla suma de los reacti#os es igual al productoG&
Teórica
88&0 g
(, g
84&0
(2 g
\nF/HG % J
H%S
\nS
J% H%/
Real
%5 g
Q
Se establece la relación teórico9+r$ctica ) se calcula la cantidad de agua& \nF/HG % 88&0 g 99999999 %5 g 99999999
H%/ (2 g Q
Q F%5G F(2G K88&0
Q 10.1
REACTIVO LIMITANTE Cuando se tiene una reacción donde participan dos reacti#os e.iste una relación teórica de la cantidad de ambos por e?emplo si se agregan cantidades al a:ar de ambos reacti#os lo m$s probable es !ue uno de ellos se >a)a agregando en e.ceso ) el otro reacti#o se terminar$ en la reacción Feste -ltimo se conoce como reacti#o limitanteG
Los c$lculos este!uiom1tricos para determinar el reacti#o en e.ceso ) el reacti#o limitante consiste en establecer dos condiciones primero usando uno de los reacti#os ) despu1s el otro la condición !ue pueda lle#arse a cabo se tomar$ de referencia& +or e?emplo@ Calcular la cantidad de reacti#os F!ue reaccionanG ) el reacti#o limitante si se >acen reaccionar 2"0 g de sulfato c-prico con %0 g de fierro& Reacción@
CuS/ , J
Reacción balanceada
' mol de sulfato c-prico '08&0 g reaccionan con ' AT= de fierro 02 g ) produce ' mol de sulfato ferroso '0% g m$s ' AT= de cobre 2(&0 g Fla suma de los reacti#os es igual al productoG&
A Teórica
'08&0 g
02 g
'0% g
2(&0 g
CuS/, J
J Cu
Real
%0; g
Q
Se establece la condición A ) se calcula la cantidad de fierro& CuS/ , '08&0 g 999999999 %0; g 999999999
Q F%0;G F02G K'08&0
Q %$.$
7 Teórica
'08&0 g
02 g
'0% g
2(&0 g
CuS/, J
J Cu
Real
Q
5; g
Se establece la condición B ) se calcula la cantidad de sulfato c-prico& CuS/ , '08&0 g 999999999 Q 99999999
Q F5;G F'08&0G K02
Q 22$.%
La pregunta es Cu$l de las dos condiciones se puede reali:ar considerando los %0; g de sulfato ) los 5; g de fierro
La respuesta es la condición BW )a !ue pueden reaccionar %%4&5 g de sulfato c-prico con 5; g de fierro por lo !ue el reacti#o limitante es el fierro ) el reacti#o en e.ceso es el sulfato Fsobraran %%&% gG&
UNIDAD IV ELECTROQUÍMICA !.1. TEORIA ACIDOBASE La acide: ) la basicidad constitu)en el con?unto de propiedades caracter"sticas de dos importantes grupos de sustancias !u"micas@ los $cidos ) las bases& Las ideas actuales sobre tales conceptos !u"micos consideran los $cidos como dadores de protones ) las bases como aceptoras& Los procesos en los !ue inter#iene un $cido inter#ienen tambi1n su base
con?ugada !ue es la sustancia !ue recibe el protón cedido por el $cido& Tales procesos se denominan reacciones $cido9base& La acide: ) la basicidad son dos formas contrapuestas de comportamiento de las sustancias !u"micas cu)o estudio atra?o siempre la atención de los !u"micos& En los albores mismos de la ciencia !u"mica 7o)le ) La#oisier estudiaron sistem$ticamente el comportamiento de las sustancias agrupadas ba?o los t1rminos de $cido ) $lcali FbaseG& +ero ?unto con los estudios descripti#os de sus propiedades el a#ance de los conocimientos sobre la estructura del $tomo ) sobre la naturale:a "ntima de los procesos !u"micos aportó nue#as ideas sobre los conceptos de $cido ) de base& En la actualidad el resultado final de la e#olución de esos dos conceptos cient"ficos constitu)e un importante cap"tulo de la !u"mica general !ue resulta imprescindible para entender la multitud de procesos !u"micos !ue )a sea en la materia #i#a )a sea en la materia inerte se engloban ba?o el nombre de reacciones $cido9base & 4.2. !#$%&L'(&)'*! La reacción mediante la cual una base neutrali:a las propiedades de un $cido recibe el nombre de neutrali:ación ) se a?usta en t1rminos generales a una ecuación !u"mica del tipo@ $cido J base sal J agua +or e?emplo@ HCI Fa!G J Na/HFsG NaCl Fa!G J H% / 6e acuerdo con la teor"a de Arr>enius la neutrali:ación se reduce a una reacción entre los iones HJ ) /H9 caracter"sticos respecti#amente de $cidos ) bases para dar agua@ HJ J /H9 H% / Si la concentración de base es suficiente todos los iones HJ procedentes del $cido ser$n neutrali:ados por los /H9 procedentes de la base& Un e.ceso de base otorgar$ a la disolución resultante un car$cter b$sico& +or el contrario la e.istencia de iones HJ no neutrali:ados debido a un e.ceso de $cido dar$ lugar a !ue la disolución tenga car$cter $cido& Aun cuando la teor"a de Arr>enius tiene esa #alide: restringida caracter"stica de las primeras apro.imaciones constitu)ó sin embargo un adelanto importante en la e.plicación de los procesos !u"micos ) a pesar de sus limitaciones se sigue a-n utili:ando por su sencille: en a!uellas circunstancias en las !ue la facilidad de comprensión pesa m$s !ue el estricto rigor cient"fico& !.. PROPIEDADES QUÍMICAS DE LOS ÁCIDOS El comportamiento !u"mico de los $cidos se resume en las siguientes propiedades@ 1 POSEEN UN SABOR AGRIO. La palabra $cido procede precisamente del lat"n Facidus agrioG ) recuerda el #ie?o procedimiento de los !u"micos antiguos de probarlo todo !ue fue el origen de un buen n-mero de muertes prematuras por en#enenamiento dentro de la profesión& 2 COLOREAN DE ROO EL PAPEL DE TORNASOL. El tornasol es un colorante de color #ioleta en disolución acuosa Ftintura de tornasolG !ue puede cambiar de color seg-n el grado de acide: de la disolución& Impregnado en papel sir#e entonces para indicar el car$cter $cido de una disolución& Es un indicador& SUS DISOLUCIONES CONDUCEN LA ELECTRICIDAD. La calidad de una disolución $cida como conductor depende no sólo de la concentración de $cido sino tambi1n
de la naturale:a de 1ste de modo !ue a igualdad de concentración la comparación de las conducti#idades de diferentes $cidos permite establecer una escala de acide: entre ellos& ! 6esprenden gas >idrógeno cuando reaccionan en disolución con cinc o con algunos otros metales& 4.4. +%,+'-&- /#01')& - L& & Las bases tambi1n llamadas $lcalis fueron caracteri:adas en un principio por oposición a los $cidos& Eran sustancias !ue inter#en"an en a!uellas reacciones en las !ue se consegu"a neutrali:ar la acción de los $cidos& Cuando una base se aDade a una disolución $cida elimina o reduce sus propiedades caracter"sticas& /tras propiedades obser#ables de las bases son las siguientes@ 1 Tienen un sabor amargo caracter"stico& 2 Al igual !ue los $cidos en disolución acuosa conducen la electricidad& Colorean de a:ul el papel de tornasol& ! Reaccionan con los $cidos para formar una sal m$s agua& Los conceptos de 3cido y de base se5n &rrhenius Cuando el HCI se disuel#e en el agua Fa!G sus mol1culas se disocian en la forma@ HCl HJ Fa!G J Cl9 Fa!G Este mismo comportamiento puede aplicarse a los $cidos t"picos@ $cido sulf-rico H% S/, %&HJ Fa!G J S/, Fa!G $cido n"trico HN/( HJ Fa!G J N/( 9 Fa!G ) e.tenderse a otros $cidos& 6e acuerdo con su idea de disociación iónica la e.istencia en todos los casos de iones H J libres en la disolución lle#ó a Arr>enius a postular !ue el car$cter $cido est$ relacionado directamente con la capacidad de una sustancia para dar en disolución acuosa iones HJ& La diferencia en la fuer:a de los $cidos se puede cuantificar mediante la medida de la conducti#idad el1ctrica de sus respecti#as disoluciones acuosas cuanto m$s fuerte es un $cido me?or conduce la electricidad& Seg-n la teor"a de Arr>enius la relación entre ambos >ec>os es clara& La reacción de disociación de un $cido en disolución es un caso particular de e!uilibrio !u"mico& Representando por AH la fórmula de un $cido gen1rico la reacción de disociación del $cido se puede escribir de acuerdo con las ideas de Arr>enius en la forma@ AH A9Fa!G J HJ Fa!G En los $cidos fuertes la reacción estar"a despla:ada >acia la derec>a de modo !ue abundar"an m$s los iones HJ Fa!G )a !ue todo el AH estar"a pr$cticamente disociado& Ello e.plicar"a a la #e: el fuerte car$cter $cido ) su ele#ada conducti#idad debida a la abundancia en la disolución de iones portadores de carga& +or el contrario en los $cidos d1biles el grado de disociación ser"a pe!ueDo es decir sólo una pe!ueDa fracción de sustancia estar"a disuelta en forma de iones estando el e!uilibrio despla:ado >acia la i:!uierda& 6e acuerdo con las ideas de Arr>enius un es!uema e.plicati#o an$logo podr"a aplicarse a las bases& Los >idró.idos !ue eran las bases me?or conocidas al disol#erse en el agua se disociar"an en la forma@ /H J Fa!G J F/HG9Fa!G KKK Na/H NaJ Fa!G J F/HG9Fa!G 3g F/HG% 3gJ%Fa!G J %F/HG9Fa!G
=enerali:ando los resultados de las anteriores reacciones Arr>enius conclu)ó !ue eran bases todas a!uellas sustancias capaces de dar en disolución acuosa iones /H9& Al igual !ue para los $cidos la fuer:a de una base ) su conducti#idad estar"an relacionadas entre s" ) ambas con el grado de disociación !ue presenta dic>a base en disolución acuosa& Aun cuando no sean las -nicas sustancias !ue se comportan como bases las combinaciones de ó.idos met$licos con el agua es decir los >idró.idos son bases t"picas& Las disoluciones acuosas de bases fuertes como el >idró.ido de sodio FNa/HG o el >idró.ido de potasio F/HG son agresi#as o c$usticas con los te?idos animales blandos como las mucosas de a>" !ue el Na/H se denomine usualmente sosa c$ustica ) el /H potasa c$ustica& Sus disoluciones acuosas reciben el nombre de le?"as& !.". EL COMPORTAMIENTO QUÍMICO DE LAS SUSTANCIAS El estudio de los procesos !u"micos en los !ue inter#ienen $cidos ) bases ocupa un lugar destacado en la >istoria de la !u"mica& Antes de !ue se conociera el comportamiento a ni#el molecular de este tipo de sustancias se reconoc"an por sus propiedades caracter"sticas& Esta idea de definir el concepto de $cido ) de base indicando cómo >a de comportarse !u"micamente una sustancia para !ue pueda considerarse como miembro de una u otra familia de compuestos fue introducida por 7o)le en '22(& +osteriormente un conocimiento m$s preciso de las fórmulas !u"micas lle#ó a algunos in#estigadores como Oustus #on Liebig F'5;(9'54(G a definir los $cidos por su composición molecular sin embargo la #ie?a idea de 7o)le aun!ue transformada con las sucesi#as definiciones de $cidos ) bases sigue a-n en pie&
!.#. ELECTROLITOS DEBILES Y FUERTES Los $cidos sales las bases ) las sales sólidas son malos conductores de la electricidad pero cuando cual!uiera de estas sustancias se disuel#e en agua la solución resultante es conductora& Cuando una de estas sustancias se disuel#e en agua Fo se fundeG se disocian en part"culas con carga el1ctrica Fpositi#a o negati#aG llamadas iones ) a la disociación en iones se la denomina ioni:ación& As" un ion se define como $tomo o grupo de $tomos con carga el1ctrica& Un $tomo !ue pierde un electrón forma un ion de carga positi#a llamado catión un $tomo !ue gana un electrón forma un ion de carga negati#a llamado anión& Cual!uier sustancia !ue produce iones en solución es un electrolito& Las sales son iónicas a-n en estado sólido pero cuando se disuel#en o se funden los iones se separan ) ad!uieren libertad de mo#imiento& La conducción electrol"tica se debe a la mo#ilidad iónica en estado l"!uido& Cual!uier material !ue ofre:ca poca resistencia al flu?o de electricidad se denomina conductor el1ctrico como las disoluciones de la ma)or"a de los $cidos inorg$nicos bases ) sales son buenos conductoras de la electricidad ) todo material !ue impida el paso de la corriente el1ctrica es denominado mal conductor o aislador el1ctrico como las disoluciones de a:-car alco>ol glicerina ) muc>as otras sustancias org$nicas& La diferencia entre un conductor ) un aislante es de grado m$s !ue de tipo )a !ue todas las sustancias conducen electricidad en ma)or o en menor medida& Un buen conductor de electricidad como la plata o el cobre puede tener una conducti#idad mil millones de #eces superior a la de un buen aislante como el #idrio o la mica& En los conductores sólidos la corriente el1ctrica es
transportada por el mo#imiento de los electrones ) en disoluciones ) gases lo >ace por los iones& !.$. CLASIFICACION DE LOS CONDUCTORES , CONDUCTORES DE 1 CLASE son a!uellos !ue de?an fluir la electricidad sin sufrir alteración como los metales& : CONDUCTORES DE 2 CLASE O ELECTRÓLITOS son a!uellos !ue se ioni:an ) entonces conducen la corriente el1ctrica como las soluciones acuosas de $cidos bases ) sales as" tambi1n las sales fundidas& Los electrólitos a su #e: se clasifican en@ I FUERTES Los electrólitos !ue proporcionan disoluciones altamente conductoras se llaman 4'43&'(*+ /44+ Fcomo el $cido n"trico o el cloruro de sodioG& II DÉBILES Los !ue producen disoluciones de ba?a conducti#idad reciben el nombre de 4'43&'(*+ )?:('4+ como el cloruro mercurioso FHgCl%G o el $cido etanoico FCH(9C//HG& !.%. CONCEPTO DETERMINACION DE P= Y PO= El concepto de pH F+otencial de HidrógenoG fue definido por primera #e: por Soren +oer Laurit: Sorensen F'5259'8(8G 7io!u"mico dan1s en el aDo de '8;8& La escala de pH fue ideada para e.presar en forma adecuada diferentes concentraciones del ión FHJG Fión HidrógenoG en #arias soluciones sin necesidad de utili:ar n-meros en forma e.ponencial la acide: o alcalinidad de una solución se e.presa com-nmente en una escala logar"tmica por medio de lo !ue se llama el pH El pH de una disolución se define como el logaritmo negati#o de la concentración del ión >idrógeno e.presado en FmolKlitroG la escala de pH se define por la ecuación@ pH 9 Log MHJ El logaritmo negati#o proporciona un n-mero positi#o para el pH adem$s el termino MHJ corresponde a la parte num1rica de la e.presión para la concentración del ión >idrógeno&
Á3()*+
=
=
E94-'*
1 X 100
;
=C'
'
* 7+(3*
1 > 101
N4,' B,+4+
1 > 102
%
* '(-&5
1 > 10
(
V(5,4
1 > 10!
,
A, ,+4*+,
1 > 10"
0
A, ''@(,
1 > 10#
2
L434
1 > 10$
4
A, ,
1 > 10%
5
C',,+ 4@*
1 > 10
8
L4@,),
1 > 1010
';
L434 )4 -,54+(,
1 > 1011
''
A-*58,3*
'%
=()&>()* )4 3,'3(* C,O=2
1 > 1012 1 > 101
'(
)4
)4
)4
L(-(,)* )4 )45,94+
1 > 101!
',
N,O=
!.. MEDICIÓN DEL P= El pH en el laboratorio se mide por el potenciometr"a mediante unos electrodos !ue se introducen en la muestra disuelta en el agua del suelo o sustrato !ue !ueremos determinar& A ni#el pr$ctico se utili:an los indicadores& Consisten en unas tiritas de papel impregnadas con sustancias !ue tienen la capacidad de cambiar de color seg-n la acide: del medio en !ue se >allen& Asimismo comparando con una escala patrón de colores podremos determinar el pH de la muestra& Bue cantidad de agua debemos aDadir para medir el pH En muestras de suelos generalmente se utili:an disoluciones de '@%0F';gramos de suelo seco al aire m$s %0cm c-bicos de agua destiladaG o a la pasta saturada FaDadir agua >asta !ue el suelo !uede completamente saturado sin llegar a desprender aguaG& La muestra debe agitarse durante 0 minutos ) de?ar reposar media >ora antes de proceder a la lectura& Cuando se trata de sustratos las medidas se >acen generalmente en el #olumen@ 0; cm& c-bicos de muestra m$s %0; cm& c-bicos de agua Fdisolución '@0G de?ando reposar la me:cla durante 2 > Fsi los substratos no est$n mu) secos basta con media >oraG&
!.10. CONCEPTO DE PO= Una escala seme?ante a la del pH se puede construir considerando para el c$lculo la concentración del ion /H9& Esta nue#a escala se define como p/H ) es igual a@
Los c$lculos son tambi1n similares& As" para una solución !ue contiene ';9( molKlitro de iones /H9 su p/H ser$@
La electro!u"mica&9 Es la parte de la !u"mica !ue trata de la relación entre las corrientes el1ctricas ) las reacciones !u"micas ) de la con#ersión de la energ"a !u"mica en el1ctrica )
#ice#ersa& En un sentido m$s amplio la electro!u"mica es el estudio de las reacciones !u"micas !ue producen efectos el1ctricos ) de los fenómenos !u"micos causados por la acción de las corrientes o #olta?es& Todas las reacciones !u"micas son fundamentalmente de naturale:a el1ctrica puesto !ue >a) electrones in#olucrados en todos los tipos de enlaces !u"micos& Sin embargo la electro!u"mica es primordialmente el estudio del fenómeno de o.ido9reducción& Las relaciones entre cambios !u"micos ) energ"a el1ctrica tienen importancia teórica ) practica& Las relaciones !u"micas pueden utili:arse para producir energ"a el1ctrica Fen pilas !ue se llaman pilas #oltaicas o gal#$nicasG& La energ"a el1ctrica puede utili:arse para reali:ar transformaciones !u"micas Fen pilas electrol"ticasG& Adem$s el estudio de los procesos electro!u"micos lle#a a la comprensión ) a la sistemati:ación de los fenómenos de o.ido9 reducción !ue ocurren fuera de las pilas&
!.11. CORRIENTE ELÉCTRICA Y MOVIMIENTO DE IONES
La electro!u"mica se di#ide en dos partes electrolisis directa Fceldas gal#anicas o #oltaicasG ) en electrolisis in#ersa Fceldas electrol"ticasG&
Uno apro#ec>a las reacciones espont$neas de o.ido reducción para producir una corriente de energ"a como es el caso de las pilas el otro re!uiere una fuente e.terna de energ"a para producir una reacción de redo. !ue no podr"a ocurrir espont$neamente ) !ue utili:a para reali:ar transformaciones !u"micas como por e?emplo la electrolisis del agua la producción de aluminio ioni:ado el plateado ) refinamiento de algunos metales&
UNI6A6ES ELCTRICAS&
La unidad b$sica de carga el1ctrica es el coulom !ue es igual a la carga de 2&%,';'5 electrones o tambi1n puede definirse como la cantidad de electricidad necesaria para depositar ;&;;'''58 gramos de Ag de una solución !ue contiene iones AgJ ) es igual al producto de los amperes de corriente por segundo&
'C ' A ' s
La corriente el1ctrica se mide en amperios !ue se define como el paso de un coulomb de carga por un segundo en un punto dado& Las cargas en mo#imiento encuentran una resistencia a su flu?o al pasar a tra#1s de cual!uier medio como consecuencia la carga fluir$ entre dos puntos en presencia de una fuer:a impulsora llamada potencial o diferencia de potencial& La unidad de potencial es el #olt !ue es igual ala diferencia de potencial necesaria para generar una corriente de un ampere en un medio !ue tiene una resistencia de un />m&
IR
Una celda electrol"tica esta formada por un recipiente !ue contiene al electrolito en solución o fundido ) un circuito el1ctrico constituido por dos electrodos unidos a una fuente de poder& 6urante una reacción electrol"tica los electrones son bombardeados desde una fuente de corriente el1ctrica continua a un conductor sumergido en una celda electrol"tica ) como consecuencia este electrón se carga mas negati#amente !ue el otro el !ue ad!uiere relati#amente una carga positi#a& La electrolisis del NaCl es el siguiente@ NaJ J 'e9 Na; Cl9 Cl% J 'e9 La reacción total de la celda &NaJ J Cl9 Na; J Cl%
!.12.LEYES DE FARADAY
Introduciendo una constante de proporcionalidad @
meB
m masa depositada o liberada en gr e e!ui#alente electro!u"mico en grKC& e 3 K B cantidad de electricidad en Coulomb&
%& Le)& Las masas de distintos elementos liberados en los electrodos por una misma cantidad de electricidad son directamente proporcionales a sus e!ui#alentes !u"micos& '< ' mol de e9 820;; C
E?emplo@ Cu$l ser$ la cantidad de cobre !ue se depositara en el c$todo ) el #olumen de >idrogeno liberado en el $nodo cuando se >ace pasar una corriente de ;&0 amperes a una solución de sulfato de cobre durante una >ora las reacciones !ue se lle#an acabo son las siguientes&
Se tienen ( celdas electrol"ticas colocadas en serie las cuales tienen NaCl 3gCl% ) ace pasar una corriente de 'h durante (;min
+rimero calculamos los faradios implicados en el proceso&
'coulo! '5;; segund os ' Farada y ' 820;; C ' segund o
;&;'5 <
a>ora calculamos las cantidades de elementos depositadas&
%( gr ;&,%8; gr& ' F
m Na F;&;'5
%,&( gr ;&%'54 gr& % F
m3g F;&;'5
02 gr ;&((2 gr& ( F
m
%%&,litros ;&%;'2 litros& % F
LitrosCl F;&;'5
4.67. )L-& 8&L9Á!')& , 9,L$&')&
Xnodo
C$todo
Reacciones de la celda&
CuJJ Cu ` %e9
Celdas gal#$nicas& Constan de dos electrodos !ue se sumergen en las soluciones de sus iones de tal modo !ue las soluciones est1n en contacto ) debido a la reacción o ata!ue electrol"tico sobre uno de los electrodos se produce una diferencia de potencial entre las dos placas ) cuando se conectan dic>os electrodos los electrones se mue#en a lo largo del cable originando una corriente el1ctrica por e?emplo una celda gal#$nica de
La producción de electricidad implica un proceso de o.ido reducción la o.idación tiene lugar en el $nodo ) la reducción en el c$todo& Si el la celda anterior sustituimos el amper"metro por un #olt"metro se puede medir la tendencia de un elemento a sufrir o.idación o reducción dentro de una celda& El #olta?e significa la diferencia de potencial en #olts !ue e.iste entre los dos electrodos de una celda a esta diferencia se le llama fuer:a electromotri: FfemG& El potencial de o.idación ) el potencial de reducción son las tendencias !ue tiene el elemento de o.idarse o de reducirse& La fem depende de las sustancias !ue inter#ienen en la reacción de la temperatura ) de la concentración& El potencial normal del electrodo tambi1n llamado potencial de o.idación indica la facilidad !ue tiene un elemento para o.idarse un potencial positi#o indica !ue el elemento se o.ida mas f$cilmente !ue el >idrógeno un potencial negati#o implica !ue el elemento se reduce con ma)or facilidad !ue el >idrógeno& +ara calcular la fem de la pila utili:amos@ E; potencial est$ndar& F#M
; # o"idacion
; # reduccion
F#M
; # catodo
; # anodo
Los potenciales de o.idación se encuentran el una tabla conocida como serie electromotri: o tabla de Nernst o potencial de o.ido ` reducción&
!.1!. GALVANOPLASTIA +roceso mediante el cual se obtiene la reproducción de ob?etos met$licos tales como medalla monedas ) ba?os relie#es para tal efecto se re!uiere elaborar un molde de cual!uier material pl$stico el cual se le cubre de grafito para ad!uirir conducti#idad& Este molde se sumerge en un electrolito ) #a a actuar como c$todo obteni1ndose sobre el una capa de metal de espesor re!uerido& La producción de discos usa este m1todo& La pie:a se puede recubrir con una pel"cula de otro metal electro depositado cu)o potencial de reducción es m$s estable !ue el alma de la pie:a& =al#anoplastia e.iste como el ni!uelado el cincado Fgal#ani:adoG el cobreado ) el cromatado Fcromo duro o cromo decorati#oG estaDado etc& El cromado usado com-nmente en la industria automotri: ) en la de los fittings confiere una protección estable al alma de >ierro con la cual se confecciona el art"culo& El cromado Fno confundir el cromado un depósito de cromo con la cromatación !ue es la formación de una capa de metal combinado con iones de cromo IG& En efecto el cromo mismo no se corroe protegiendo as" la pie:a pero la m"nima ralladura es catastrófica pues la pie:a >ace entonces las #eces de $nodo de sacrificio del cromo ) se corroe a gran #elocidad&Las pinturas anticorrosión con plomo >an sido abandonadas a causa de su impacto dram$tico en el medio ambiente ) en la salud& !.1". GALVANOSTEGIA +roceso mediante el cual se recubren ob?etos met$licos con un metal diferente& El recubrimiento puede aplicarse con fines decorati#os o !ue tenga la finalidad de aumentar la resistencia a la corrosión& La gal#anostegia permite utili:ar metales baratos para despu1s me?orar su apariencia por m1todos electro!u"micos como lo pueden ser el oro plata cromo :inc&
!.1#. ECUACIÓN DE NERNST %&
;
# #
nF
ln $
R 5&(', OK9mol T temperatura absoluta en n numero de electrones implicados en el
# # ;
;&;08 n
log $
e!uilibrio& < faradios 820;; C
E?emplo@ 6e la siguiente pila un electrodo de 3g en iones 3g est$n a una concentración de ;&;;,3 unidos por un puente salino de iones Cd en electrodos Cd&
Calcular las reacciones !ue se efect-an& El #alor del potencial est$ndar& El #alor real de su potencial& 6iga si es espont$nea o no&
+ila@
3g 3gJJ CdJJ Cd ;&;;,3 ;&%3
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Cu$l es la fem de la pila Sn SnJJ '3 +J% ;&;;'3 +b +ila@
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Usando potenciales de electrodos determine si las siguientes reacciones son espont$neas& aG Cl% J %I9 k %Cl9 J I% bG %Ag J HJ k %AgJ J H% aG semireacciones@ Cl % J % e9k %ClJJ
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!.1$. PROCESOS ELECTROLITICOS La conducción electrol"tica en la cual la carga es transportada por los iones no ocurrir$ a menos !ue los iones del electrolito se puedan mo#er libremente& +or consiguiente la conducción electrol"tica es e.>ibida principalmente por sales fundidas ) por soluciones acuosas de electrólitos& +or consiguiente una corriente !ue pase a tra#1s de un conductor electrol"tico re!uiere !ue el cambio !u"mico acompaDe el mo#imiento de los iones& Estos principios de conducción electrol"tica se ilustran me?or refiri1ndonos a una pila electrol"tica tal como la representa la figura ' para la electrólisis del NaCl fundido entre electrodos inertes Flos electrodos inertes no participan en reacciones de electrodosG& La fuente de corriente en#"a electrones >acia el electrodo i:!uierdo el cual por lo tanto puede considerarse cargado negati#amente& Los electrones salen del electrodo de la derec>a el electrodo positi#o& En el campo el1ctrico as" producido los iones de sodio FcatiónesG son atra"dos >acia el polo positi#o F$nodoG& La carga el1ctrica en la conducción electrol"tica es transportada por los cationes !ue se mue#en >acia el C$todo ) los aniones !ue se mue#en en dirección opuesta >acia el $nodo& +ara un circuito completo la reacción del electrodo debe acompaDar el mo#imiento de los iones& En el c$todo algunas especies !u"micas Fno necesariamente el transportador de cargaG deben aceptar electrones ) debe reducirse&
En la
C7*)*
Á5*)*
I*54+ ,,8)*+ D(433(&5 )4' -*@(-(45* 4'43&5(3* M4)(, 4,33(&5
C,(*54+ D45* )4 ', (', R4,33(&5
,5(*54+ F4, )4 ', (', *>(),3(&5
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P(', )4 4'43&'(+(+ 54,(@* *+((@* P(', ,'@75(3, *+((@* 54,(@* pila del diagrama los iones sodio se reducen en el c$todo@ ) los iones cloruro se o.idan en el $nodo& N, 4 9 N, 2 C' C'2 2 4 9
La suma adecuada de estas dos ecuaciones parciales de la reacción para toda la pila es@ 2 N,C' FLG electrólisis9 2N, FLG J C'2 F=G En la operación real de una pila comercial utili:ada para producir sodio met$lico se agrega cloruro de calcio para >acer descender el punto de fusión del cloruro de sodio ) la pila se opera a una temperatura apro.imada de 2;; C& A esta temperatura el sodio met$lico es un l"!uido& +odemos tra:ar el flu?o de la carga negati#a a tra#1s del circuito de la figura ' como sigue@ los electrones de?an la fuente de corriente ) son en#iados al c$todo donde son recogidos ) reducidos los iones sodio !ue >an sido atra"dos a este electrodo negati#o& Los iones cloruro se mue#en del c$todo >acia el $nodo ) as" transportan carga negati#a en esta dirección& En el $nodo los electrones son remo#idos de los iones cloruro o.id$ndolos a cloro gaseoso& Estos electrones son sacados de la pila por la fuente de corriente& En esta forma se completa el circuito& La conducción electrol"tica se basa entonces sobre la mo#ilidad de los iones ) cual!uier cosa !ue in>iba el mo#imiento de estos origina una resistencia a la corriente& Los factores !ue influ)en en la conducti#idad el1ctrica de las soluciones de electrolitos inclu)en atracciones "nter iónicas sol#atación de iones ) #iscosidad del disol#ente& Estos factores se fundamentan sobre atracciones soluto9soluto ) soluto9disol#ente e interacciones disol#ente9disol#ente respecti#amente& El promedio de energ"a cin1tica de los iones soluto aumenta a medida !ue se ele#a la temperatura ) por consiguiente la resistencia de los conductores electrol"ticos disminu)e por lo general a medida !ue se aumenta la temperatura& En todo momento la solución es el1ctricamente neutra& La carga total positi#a de todos los cationes iguala la carga total negati#a de todos los aniones&
!.1%. ELECTROLISIS La electrólisis del cloruro de sodio fundido sir#e como fuente comercial de sodio met$lico ) cloro gaseoso& +rocedimientos similares se usan para preparar otros metales mu) acti#os Ftales como potasio ) calcioG& Cuando se electroli:an ciertas soluciones acuosas el agua esta in#olucrada en las reacciones de los electrodos en #e: de los iones deri#ados del soluto por lo tanto los iones transportadores de corriente no se descargan necesariamente en los electrodos& En la electrólisis del sulfato de sodio acuoso los iones sodio se despla:an >acia el c$todo ) los iones sulfato se mue#e >acia el $nodo Ffigura %G& Ambos iones se descargan dif"cilmente cuando esta electrólisis se lle#a a cabo entre los electrodos inertes se desprende >idrogeno gaseoso en el c$todo ) la solución !ue rodea el electrodo se >ace alcalina& 2 4 2 =2O =2 G 2 O= 2 =2O O2 G ! = ! 4 La reducción ocurre en el c$todo pero en #e: de la reducción del ion sodio& 4 N, N, el cambio neto !ue ocurre es la reducción del agua& 2 4 2 =2O =2 G 2 O= El agua es un electrolito demasiado d1bil& El agua pura se ioni:a apro.imadamente % . ';94 Z a %0 C& 2 = 2O =O O= o m$s bre#emente
=2O = O= No se conoce el mecanismo e.acto de la reacción en el c$todo de la electrólisis del Na%S/, acuoso& +uede ser !ue los iones de >idrógeno del agua se descargan ) !ue la reacción procede como sigue@ =2O = O= 2 4 2 = =2 G La multiplicación de la primera ecuación por % seguidas por la adición de las dos ecuaciones da el cambio sigue@ 2 4 2 =2O =2 G 2 O= En general el agua se reduce en el c$todo Fproduciendo >idrógeno gaseoso e iones >idró.idoG a pesar de !ue el catión del soluto es dif"cil de reducir& La o.idación ocurre en el $nodo ) en la electrólisis del Na%S/, acuoso los aniones FS/,G !ue emigran >acia el $nodo son dif"ciles de o.idar@ 2 SO! S2O% 2 4 +or consiguiente la o.idación del agua se efect-a preferencialmente& La forma de esta reacción puede ser@ =2O = O= ! O= O2 G 2 =2O ! 4 3ultiplicando la primera ecuación por , ) sumando las ecuaciones obtenemos el cambio neto@ 2 =2O O2 G ! = ! 4 En el $nodo se obser#a el despla:amiento del o."geno gaseoso ) la solución !ue rodea al polo se #uel#e $cida& En general el agua se o.ida en el $nodo Fproduciendo o.igeno gaseoso e iones de >idrogenoG mientras !ue el anión del soluto es dif"cil de o.idar& La reacción completa para la electrólisis del Na%S/, acuoso se puede obtener sumando las reacciones del $nodo ) del c$todo@ 2 2 4 2 =2O =2 G 2 O= 2 = 2O
O2 G ! = ! 4
# = 2O
2 =2 G O2 G ! = ! O=
Si se me:cla la solución los iones >idrogeno e >idró.ido producidos se neutrali:an entre si ) el cambio neta& 2 =2O 4'43&'(+(+ 2 =2 G O2 G es meramente la electrólisis del agua& En el transcurso de la electrólisis el ion >idrogeno se ale?a del $nodo de donde se produce >acia el c$todo& En forma similar los iones >idró.ido se mue#en >acia el $nodo& Estos iones se neutrali:an entre si en la solución entre los dos electrodos&
Se utili:an e#aporadores para obtener >idró.ido de sodio sodio acuoso& Hooer C>emical Co& La electrólisis de una solución acuosa de NaCl entre electrodos inertes sir#e como un e?emplo de un proceso en el cual se descarga el anión del electrolito pero el catión no@ Xnodo
2 C'
C'2 G 2 4
C$todo
2 4 2 =2O
=2 G 2 O=
2 =2O 2 C' =2 G C'2 G 2 O= +uesto !ue el ion sodio permanece sin modificación en la solución la reacción se puede indicar& 2 =2O 2 N, 2 C' 4'43&'(+(+ =2 G C'2 G 2 N, 2 O= Este proceso es una fuente comercial del >idrogeno gaseoso cloro gaseoso ) por e#aporación de la solución restante de la electrólisis >idró.ido de sodio& En la electrólisis de una solución de CuS/ , entre electrodos la corriente es transportada por los iones Cu J ) S/,& La corriente !ue transporta los cationes se descarga pero los aniones no@ Xnodo C$todo
2 =2O O2 G 2 2 4 C
! = ! 4 CS
'lectrolisis de !na sol!ci"n de s!l(ato c)prico entre electrodos de cobre.
+or supuesto es posible tener ambos iones del sulfato descargados durante la electrólisis de una solución acuosa& Un e?emplo es la electrólisis del CuCl% entre electrodos inertes@ Xnodo
2 C'
C'2 G 2 4
C$todo
2 4 C
CS
C 2 C'
CS C'2 G
Tambi1n es posible tener el electrodo mismo dentro de una reacción de electrodo& Si el CuS/, se electroli:a entre dos electrodos de cobre Ffigura (G los iones Cu J se reducen en el c$todo& 2 4 C C pero de las tres posibles o.idaciones anódicas@ 2 SO! 2 S2O! 2 4 2 = 2O O2 G ! = ! 4 CS C 2 4 Se obser#a !ue ocurre la o.idación del cobre met$lico del electrodo& +or esto en el $nodo el cobre del electrodo #a a la solución como iones Cu J ) en el c$todo los iones Cu J se depositan como CuFSG sobre el electrodo& Este proceso se usa para refinar cobre& El cobre contaminado se utili:a como el $nodo de una pila electrol"tica ) la solución de CuS/ , est$ electroli:ada& El cobre puro se deposita sobre el c$todo& Los electrodos acti#os tambi1n son utili:ados en los procesos de electro plateado& En el electro plateado de plata se utili:an $nodos de plata&
!.1. ESTEQUIOMETRIA DE LA ELECTROLISIS Las relaciones cu$nticas entre electricidad ) cambio !u"mico fueron descritas originalmente por 3ic>ael a apro.imado a 820;; C& 1 F #;"00 C Si se utili:an %< de electricidad se producir$n dos moles de Na al mismo tiempo !ue el e!ui#alente de electrones a '< de electricidad se agrega al c$todo ese mismo numero de electrones se saca del $nodo 2 C' C'2 G 2 4 La e.tracción de ' mol de electrones F'idró.ido en el $nodo por e?emplo ! O= O2 G 2 =2O ! 4 puede leerse como !ue dice !ue , moles de iones /H9 producen ' mol de /% gaseoso ) % moles de H%/ cuando pasan ,< de electricidad a tra#1s de la pila& Las relaciones entre moles de sustancias ) farada)s de electricidad son las bases de los c$lculos este!ueom1tricos !ue comprende la electrólisis& Recordemos !ue un ampere F'AG es igual a la #elocidad de una corriente de un coulomb F'CG por segundo& 1 A 1 CW+ !.20. CELDA ELECTROLITICA !.20.1. ELECTRODEPOSITACIÓN La electrodepositación es una t1cnica de an$lisis en la !ue se deposita el metal a anali:ar por electrólisis ) por peso se determina la cantidad de este& La cantidad de metal depositado se rige por la le) de
+or consiguiente ) a manera de e?emplo se dice !ue@ '< reduce un mol de NaJ %< reducen un mol de 3g%J (< reducen un mol de Al(J Los c$lculos necesarios para determinar la cantidad depositada en el electrodo se reali:an sabiendo !ue un
!.20.2. PROTECCIÓN CATODICA Tambi1n se puede introducir otra pie:a para perturbar la reacción es el principio del $nodo de sacrificio o protección gal#$nica& Se coloca una pie:a de aleaciones de :inc aleaciones de magnesio ) aleaciones de aluminio !ue se #an a corroer en lugar de la pie:a !ue se !uiere proteger la reacción !u"mica entre el ambiente ) la pie:a sacrificada impide la reacción entre el ambiente ) la pie:a -til& En medio acuoso basta con atornillar el $nodo de sacrificio a la pie:a !ue se debe proteger& Al aire >a) !ue recubrir totalmente la pie:a es el principio de la gal#ani:ación& Este m1todo se usa ampliamente en la Ingenier"a na#al& !.21. APLICACIÓN DE IN=IBIDORES ASOCIADOS A UNA PELÍCULA DE FIACIÓN En este caso caen las pinturas anticorrosi#as cu)as formulaciones aparte de aportar con un film de aislamiento de tipo epó.ico fenólico o epo.i9ureico lle#an asociados un pa!uete anticorrosi#o compuesto por mol1culas org$nicas o minerales aceptoras de electrones tales como los a:oles& Es tambi1n con#eniente mencionar !ue un in>ibidor de corrosión deber$ especificarse sobre !ue tipo de corrosión #a a in>ibir dado la gran di#ersidad de tipos ) formas de corrosión dependiendo principalmente de las condiciones del medio donde se est$ lle#ando a cabo esta& E.posición a soluciones reductoras La superficie es e.puesta a la permanente e.posición de elementos !u"micos disueltos en una solución a ba?as concentraciones dic>as especies son pares reductores !ue se o.idan ellos mismos a cambio de la pie:a ) adem$s contribu)en con la pasi#ación o inacti#ación de la superficie formando micropel"culas !u"micas estables& Estas especies se encuentran com-nmente en anticongelantes pinturas base acuosa ) otras aplicaciones& !.22. PROCESOS GALVANICOS Se conoce como gal#ani:ado al proceso electro!u"mico por el cual se puede cubrir un metal con otro& Se denomina gal#ani:ación pues este proceso se desarrolló a partir del
traba?o de Luigi =al#ani !uien descubrió en sus e.perimentos !ue si se pone en contacto un metal con una pata cercenada a una rana 1sta se contrae como si estu#iese #i#a luego descubrió !ue cada metal presentaba un grado diferente de reacción en la pata de rana por lo tanto cada metal tiene una carga el1ctrica diferente& 3$s tarde ordenó los metales seg-n su carga ) descubrió !ue puede recubrirse un metal con otro apro#ec>ando esta cualidad Fsiempre depositando un metal de carga ma)or sobre uno de carga menorG& 6e su descubrimiento se desarrolló m$s tarde el gal#ani:ado la gal#anotecnia ) luego la gal#anoplastia& 4.27. #$'L'-&La función del gal#ani:ado es proteger la superficie del metal sobre el cual se reali:a el proceso& El gal#ani:ado m$s com-n consiste en depositar una capa de :inc F\nG sobre >ierro Fierro ) generar un ó.ido estable protege al >ierro de la o.idación al e.ponerse al o."geno del aire& /tros procesos de gal#ani:ado mu) utili:ados son los !ue se refieren a pie:as decorati#as& Se recubren estas pie:as con fines principalmente decorati#os la >ebillas botones lla#eros art"culos de escritorio ) un sinf"n de productos son baDados en cobre n"!uel plata oro bronce cromo estaDo etc&& En el caso de la bisuter"a se utili:an baDos de oro Fgeneralmente de '5 a %' !uilatesG& Tambi1n se recubren ?o)as en metales m$s escasos como platino ) rodio& 4.24. +%,), En los procesos de gal#ani:ado se utili:an los siguientes elementos@ FUENTE DE ALIMENTACIÓN es un transformador !ue ba?a el #olta?e de (5; %%; ó ''; a tensiones menores Fde ;' a '% G& Adem$s estos e!uipos poseen semiconductores Fplacas de selenio diodos ) -ltimamente tiristoresG !ue transforman la corriente alterna en corriente continua !ue es la !ue se utili:a para estos procesos& Esta fuente debe tener en lo posible un sistema de regulación de #olta?e puesto !ue cada proceso tiene un rango de tensión en el !ue el resultado es óptimo& ELECTROLITO es una solución de sales met$licas !ue ser$n las !ue ser#ir$n para comen:ar el proceso entregando iones met$licos !ue ser$n reempla:ados por el $nodo& +or e?emplo los baDos de ni!uelado se componen de sulfato de níquel cloruro de níquel ) $cido bórico& Los baDos de cincado contienen cianuro de sodio >idró.ido de sodio ) soda c$ustica Flos alcalinosG o cloruro de cinc cloruro de potasio ) $cido bórico Flos $cidosG& Adem$s se agregan a los electrolitos sustancias org$nicas como tenso acti#os agentes reductores ) abrillantadores@ sacarina sódica trietanolamina formalina urea sulfuro de sodio carboximetilcelulosa ) #arios tipos de a:-cares Fderi#ados por e?emplo de e.tractos del ?arabe de ma":G& ÁNODOS son placas de metal mu) puro puesto !ue la ma)or"a de los procesos no resisten las contaminaciones@ n"!uel 88884 Z cobre 8880 Z :inc 8885 Z& Cuando un ion entrega su $tomo de metal en el c$todo inmediatamente otro lo reempla:a desprendi1ndose del $nodo ) #ia?ando >acia el c$todo& +or lo !ue la principal materia prima !ue se consume en un proceso de gal#ani:ado es el $nodo&
+LACA 6E 3ETAL =ALANI\A6A
!.2". SERIE ELECTROMOTRI Si se emplean soluciones de \nS/, '3 ) CuS/, '3 en la pila de 6aniell la pila puede representarse por los s"mbolos@ 5S 5 1M C 1M CS en los cuales las l"neas #erticales representan limites de fases& Con#encionalmente se escribe primero la sustancia !ue forma el $nodo& Los otros materiales de la pila se escriben en el orden en !ue uno los encuentra@ del $nodo >acia el c$todo& La composición del c$todo se da como ultimo dato& La corriente el1ctrica se produce por una pila #oltaica como resultado de la /4, 4'43*-*( F /4-G de la pila la cual se mide en #oltios& Entre ma)or sea la tendencia a la cual ocurra la reacción de la pila ma)or ser$ la fuer:a electromotri: de la pila& Sin embargo la fem de una pila dada tambi1n depende de la concentración de las sustancias utili:adas para >acer la pila& La fuer:a electromotri: est$ndar E se refiere a la fem de una pila a %0 C en la cual todo los reacti#os ) productos se >allan presentes en sus estados est$ndar& El estado est$ndar de un sólido o un l"!uido es naturalmente el sólido puro o el l"!uido puro& El estado est$ndar de un gas o una sustancia en solución es un estado definido de unidad de acti#idad ideal o sea se >an aplicado correcciones para las des#iaciones de lo ideal originadas por las atracciones intermoleculares e "nter iónicas& 6ebido a una apro.imación ) dado por lo anteriormente e.plicado una pila est$ndar contendr"a iones a concentraciones '3 ) gases a ' atmósfera de presión& En las celdas mencionadas mas adelante las concentraciones se indicaran solo si se des#"an de lo est$ndar& Si la fuer:a electromotri: de una pila se utili:a como medida de la tendencia para !ue ocurra la reacción de la pila el #olta?e debe ser el m$.imo #alor obtenido para la pila en particular ba?o consideración& Si e.iste un apreciable flu?o de electricidad durante la medida se reducir$ el #olta?e medido E debido a la resistencia interna de la pila& Adem$s cuando la pila distribu)e corriente las reacciones del electrodo producen cambios de concentración !ue reducen el #olta?e&
+or consiguiente la fem de una pila debe medirse sin flu?o de electricidad apreciable a tra#1s de la pila& Esta medida esta acompaDada por el uso de un potenciómetro& El circuito de un potenciómetro inclu)e una fuente de corriente de #olta?e #ariable ) un sistema para medir este #olta?e& La pila ba?o estudio esta conectada al circuito del potenciómetro en tal forma !ue la fuer:a electromotri: de la pila se opone a la fem de la corriente del potenciómetro& Si la fem de la pila es ma)or !ue la del potenciómetro los electrones fluir$n en la dirección normal para descargar espont$neamente la pila de ese tipo& +or otra parte si la fem de la fuente de corriente del potenciómetro es ma)or !ue la de la pila los electrones se mo#er$n en la dirección opuesta >aciendo !ue la reacción de la pila se in#ierta& Cuando las dos fem est$n e.actamente balanceadas no fluir$n los electrones& Este #olta?e es la /4- 4@4+(:'4 de la pila& La fem de una pila est$ndar de 6aniell es ''; & Las le)es de
5
5 2 4
C$todo 2 4 C C Cuando se leen en t1rminos de moles representan el flu?o de dos #eces el n-mero de A#ogadro de electrones o la producción de %< de electricidad& La cantidad de energ"a el1ctrica en ?oules producida por unas pilas es el producto de la cantidad de electricidad desprendida en coulombs ) la fem de la pila en #olts& La energ"a el1ctrica producida por la reacción entre ' mol de cinc met$lico ) ' mol de iones de cobre FIIG se puede calcular como sigue@ 2 #;" C. 1;10V 212;000 212 Z Un #olt coulomb es un ?oule& La fem utili:ada en el c$lculo anterior es la fem re#ersible FE G de la celda est$ndar de 6aniell ) por lo tanto el #olta?e m$.imo para esta pila& +or consiguiente el #alor obtenido es el traba?o m$.imo !ue puede obtenerse de la operación de este tipo de pila& El m$.imo traba?o neto FAlgunas reacciones proceden con un aumento en #olumen ) el sistema debe traba?ar para e.pandirse contra la atmósfera para mantener constante la presión& La energ"a para este traba?o presión9#olumen no esta disponible para ning-n otro propósito debe gastarse en esta forma si la reacción ocurre a presión constante& El traba?o presión9#olumen no esta incluido en la medida potencio m1trica del traba?o el1ctrico de ninguna pila& El traba?o neto Mo traba?o disponible es un traba?o diferente al del traba?o presión9#olumenG !ue puede obtenerse de una reacción !u"mica reali:ada a temperatura ) presión constante es una medida de la disminución de la energ"a libre de =ibbs del sistema& +or consiguiente [ G 5FE
donde n es el numero de moles de electrones transferidos en la reacción Fo el numero de farada)s producidosG < es el #alor del farada) en las unidades apropiadas ) E es la fem en #oltios& Si < se e.presa como 82,50 C = se obtiene en ?oules& Un cambio en energ"a libre obtenido de la fem est$ndar E tiene el s"mbolo =& El cambio de energ"a libre de una reacción es una medida de la tendencia de la reacción para efectuarse& Si se debe reali:ar un traba?o sobre un sistema para efectuarse un cambio espontaneo es a!uel del cual se puede obtener traba?o neto& +or esta ra:ón para cual!uier reacción espontanea disminu)e la energ"a libre del sistema = es negati#o& +uesto !ue = 9n
!.2#. CELDA GALVANICA PILAS Y ACUMULADORES !.2#.1. GALVÁNICA 6efinición@ corrosión acelerada !ue puede ocurrir cuando metales distintos Fcon distinto par redo.G se unen el1ctricamente en presencia de un electrolito Fpor e?emplo una solución conducti#aG& !.2#.2. PILA Contenedor de energ"a en iones positi#os ) negati#os& !.2#.. PILAS VOLTAICAS Una pila !ue se utili:a como fuente de energ"a el1ctrica se llama pila #oltaica o gal#$nica en >onor de Alessandro =& olta F'5;;G o Luigi =al#ani F'45;G !uienes primero e.perimentaron con la con#ersión de la energ"a !u"mica en energ"a el1ctrica& La reacción entre cinc met$lico e iones de cobre FIIG en solución ilustra un cambio espont$neo en el cual se transfieren los electrones@ 5S C AC 5 AC CS No se conoce el mecanismo e.acto mediante el cual ocurre la transferencia de electrones& Sin embargo podemos representar la reacción anterior como una combinación de dos medias reacciones@ 5S 5 AC 2 4 2 4 C AC CS En una pila #oltaica estas medias reacciones se reali:an en electrodos diferentes de forma tal !ue la transferencia de electrones tiene lugar a tra#1s de un circuito el1ctrico e.terno m$s bien !ue entre el cinc met$lico ) los iones de cobre FIIG& La pila de la figura " esta diseDada para usar esta reacción para producir una corriente el1ctrica& La media pila de la i:!uierda contiene un electrodo de cinc met$lico ) solución de \nS/,& La media pila de la derec>a consiste en un electrodo de cobre met$lico en solución de CuS/,& Las medias pilas est$n separadas por separador poroso !ue e#ita la me:cla mec$nica de las soluciones pero permite el paso de iones ba?o la influencia del flu?o el1ctrico& Una pila de este tipo se llama pila de 6aniell& !.2#.!. PILA DE DANIELL
Cuando los electrodos de cinc est$n unidos por un alambre met$lico los electrones flu)en del electrodo de cinc ) cobre& En el electrodo de cinc en cinc met$lico se o.ida a iones cinc& Este electrodo es el $nodo ) los electrones !ue son el producto de la o.idación abandonan la pila desde este polo& Los electrones se despla:an por el circuito e.terno >asta el electrodo de cobre donde se utili:an en la reducción de los iones cobre FIIG a cobre met$lico& El cobre as" producido se deposita sobre el electrodo& El electrodo de cobre es el c$todo& A!u" los electrones entran a la celda ) se reali:a la reducción& +uesto !ue los electrones se producen en el electrodo de cinc este $nodo se designa como polo negati#o& Los electrones se despla:an del polo negati#o al polo positi#o en el circuito e.terno de la pila #oltaica cuando la pila esta en operación& El catado donde los electrones se utili:an en el electrodo de reacción es por consiguiente el polo positi#o& 6entro de la pila el mo#imiento de los iones completa el circuito el1ctrico& A primera #ista es sorprendente !ue los aniones !ue es el electrodo negati#o& En la misma forma los cationes !ue transportan una carga positi#a se despla:an >acia el c$todo !ue el polo positi#o& Una cuidadosa consideración de las reacciones del electrodo pro#ee la respuesta a este problema& En el $nodo se producen los iones cinc ) los electrones permanecen en el metal& La neutralidad de la solución se mantiene en todo momento& En la solución !ue rodea el electrodo debe e.istir tanta carga negati#a de los aniones como positi#a de los cationes& +or esta ra:ón los iones S/, se despla:an >acia el $nodo para neutrali:ar el efecto de los iones \n !ue se producen& Al mismo tiempo los iones cinc se ale?an del $nodo >acia el c$todo& En el c$todo los electrones se utili:an para reducir los iones Cu J a cobre met$lico& 3ientras !ue los iones Cu J se descargan mas iones Cu J se mue#en >acia la región !ue rodea el c$todo para ocupar el lugar de los iones remo#idos& Si no ocurriera esto se acumular"a un e.ceso de iones S/, alrededor del c$todo& El separador poroso se agrega para e#itar la me:cla mec$nica de las soluciones de las dos medias pilas& Si los iones Cu J se pusieran en contacto con el electrodo del cinc met$lico Los electrones serian transferidos directamente en #e: de pasar por el circuito& En la operación normal de la pila no ocurre este cortocircuito debido a !ue los iones Cu J se mue#en en dirección distinta del electrodo de cinc& Realmente esta pila traba?ar"a si una solución de un electrolito diferente del \nS/, fuese utili:ado en el comportamiento del $nodo ) si un metal diferente del cobre fuese utili:ado para c$todo& Sin embargo los sustitu)entes deben escogerse de tal forma !ue el electrolito en el comportamiento del $nodo no reaccione con el electrodo de cinc ) el c$todo no reaccione con los iones Cu J& !.2#.". PILA ELÉCTRICA
3ecanismo !ue con#ierte la energ"a !u"mica en el1ctrica& Todas las pilas consisten en un electrolito F!ue puede ser l"!uido sólido o en pastaG un electrodo positi#o ) un electrodo negati#o& El electrolito es un conductor iónico uno de los electrodos produce electrones ) el otro electrodo los recibe& Al conectar los electrodos al aparato !ue >a) !ue alimentar llamado carga se produce una corriente el1ctrica& Las pilas en las !ue el producto !u"mico no puede #ol#er a su forma original una #e: !ue la energ"a >a sido con#ertida Fes decir !ue las pilas se >an descargadoG se llaman pilas primarias o #oltaicas& Las pilas en las !ue el producto !u"mico puede ser reconstituido pasando una corriente el1ctrica a tra#1s de 1l en dirección opuesta a la operación normal de la pila se llaman pilas secundarias o acumuladores&
!.2#.#. PILA DE DICROMATO 6esarrollada en '50; la pila de dicromato consist"a en electrodos de cinc ) carbono situados en un frasco de cristal lleno de $cido crómico& El diseDo de esta bater"a fue considerado muc>o m$s seguro !ue el de sus predecesoras pues no utili:a $cido n"trico concentrado !ue desprende >umos #enenosos& !.2$. PILAS PRIMARIAS La pila primaria m$s com-n es la pila Leclanc>1 o pila seca in#entada por el !u"mico franc1s =eorges Leclanc>1 en los aDos sesenta& La pila seca !ue se utili:a >o) es mu) similar al in#ento original& El electrolito es una pasta consistente en una me:cla de cloruro de amonio ) cloruro de cinc& El electrodo negati#o es de cinc igual !ue la parte e.terior de la pila ) el electrodo positi#o es una #arilla de carbono rodeada por una me:cla de carbono ) dió.ido de manganeso& Esta pila produce una fuer:a electromotri: de unos '0 olts& /tra pila primaria mu) utili:ada es la pila de cinc9ó.ido de mercurio conocida normalmente como bater"a de mercurio& +uede tener forma de disco pe!ueDo ) se utili:a en aud"fonos c1lulas fotoel1ctricas ) relo?es de pulsera el1ctricos& El electrodo negati#o
es de cinc el electrodo positi#o de ó.ido de mercurio ) el electrolito es una disolución de >idró.ido de potasio& La bater"a de mercurio produce unos '(, & La pila de combustible es otro tipo de pila primaria& Se diferencia de las dem$s en !ue los productos !u"micos no est$n dentro de la pila sino !ue se suministran desde fuera& !.2%. PILAS SECUNDARIAS El acumulador o pila secundaria !ue puede recargarse re#irtiendo la reacción !u"mica fue in#entado en '508 por el f"sico franc1s =aston +lant1& La pila de +lant1 era una bater"a de plomo ) $cido ) es la !ue m$s se utili:a en la actualidad& Esta bater"a !ue contiene de tres a seis pilas conectadas en serie se usa en automó#iles camiones a#iones ) otros #e>"culos& Su #enta?a principal es !ue puede producir una corriente el1ctrica suficiente para arrancar un motor sin embargo se agota r$pidamente& El electrolito es una disolución diluida de $cido sulf-rico el electrodo negati#o es de plomo ) el electrodo positi#o de dió.ido de plomo& En funcionamiento el electrodo negati#o de plomo se disocia en electrones libres e iones positi#os de plomo& Los electrones se mue#en por el circuito el1ctrico e.terno ) los iones positi#os de plomo reaccionan con los iones sulfato del electrolito para formar sulfato de plomo& Cuando los electrones #uel#en a entrar en la pila por el electrodo positi#o de dió.ido de plomo se produce otra reacción !u"mica& El dió.ido de plomo reacciona con los iones >idrógeno del electrolito ) con los electrones formando agua e iones plomo estos -ltimos se liberar$n en el electrolito produciendo nue#amente sulfato de plomo& Un acumulador de plomo ) $cido se agota por!ue el $cido sulf-rico se transforma gradualmente en agua ) en sulfato de plomo& Al recargar la pila las reacciones !u"micas descritas anteriormente se re#ierten >asta !ue los productos !u"micos #uel#en a su condición original& Una bater"a de plomo ) $cido tiene una #ida -til de unos cuatro aDos& +roduce unos % por pila& Recientemente se >an desarrollado bater"as de plomo para aplicaciones especiales con una #ida -til de 0; a 4; aDos& /tra pila secundaria mu) utili:ada es la pila alcalina o bater"a de n"!uel ) >ierro ideada por el in#entor estadounidense Tomas Al#a Edison en torno a '8;;& El principio de funcionamiento es el mismo !ue en la pila de $cido ) plomo pero a!u" el electrodo negati#o es de >ierro el electrodo positi#o de ó.ido de n"!uel ) el electrolito es una disolución de >idró.ido de potasio& La pila de n"!uel ) >ierro tiene la des#enta?a de desprender gas >idrógeno durante la carga& Esta bater"a se usa principalmente en la industria pesada& La bater"a de Tomas Al#a Edison tiene una #ida -til de unos die: aDos ) produce apro.imadamente unos ''0 & /tra pila alcalina similar a la bater"a de Tomas Al#a Edison es la pila de n"!uel ) cadmio o bater"a de cadmio en la !ue el electrodo de >ierro se sustitu)e por uno de cadmio& +roduce tambi1n ''0 ) su #ida -til es de unos %0 aDos&
!.2. PILAS SOLARES Las pilas solares producen electricidad por un proceso de con#ersión fotoel1ctrica& La fuente de electricidad es una sustancia semiconductora fotosensible como un cristal de silicio al !ue se le >an aDadido impure:as& Cuando la lu: incide contra el cristal los electrones se liberan de la superficie de 1ste ) se dirigen a la superficie opuesta& All" se recogen como corriente el1ctrica& Las pilas solares tienen una #ida mu) larga ) se utili:an sobre todo en los a#iones como fuente de electricidad para el e!uipo de a bordo&
!.0.PILA DE COMBUSTIBLE 3ecanismo electro!u"mico en el cual la energ"a de una reacción !u"mica se con#ierte directamente en electricidad& A diferencia de la pila el1ctrica o bater"a una pila de combustible no se acaba ni necesita ser recargada funciona mientras el combustible ) el o.idante le sean suministrados desde fuera de la pila& Una pila de combustible consiste en un $nodo en el !ue se in)ecta el combustible 9 com-nmente >idrógeno amon"aco o >idracina 9 ) un c$todo en el !ue se introduce un o.idante 9 normalmente aire u o."geno& Los dos electrodos de una pila de combustible est$n separados por un electrolito iónico conductor& En el caso de una pila de combustible de >idrógeno9o."geno con un electrolito de >idró.ido de metal alcalino la reacción del $nodo es %H% J ,/H9 ,H%/ J ,e9 ) la reacción del c$todo es& /% J %H%/ da ,e9 J ,/H9& Los electrones generados en el $nodo se mue#en por un circuito e.terno !ue contiene la carga ) pasan al c$todo& Los iones /H9 generados en el c$todo son conducidos por el electrolito al $nodo donde se combinan con el >idrógeno ) forman agua& El #olta?e de la pila de combustible en este caso es de unos '% pero disminu)e conforme aumenta la carga& El agua producida en el $nodo debe ser e.tra"da continuamente para e#itar !ue inunde la pila& Las pilas de combustible de >idrógeno9o."geno !ue utili:an membranas de intercambio iónico o electrólitos de $cido fosfórico fueron utili:adas en los programas espaciales =emini ) Apolo respecti#amente& Las de $cido fosfórico tienen un uso limitado en las instalaciones el1ctricas generadoras de energ"a& Actualmente se est$n desarrollando las pilas de combustible con electrólitos de carbonato fundido& El electrolito es sólido a temperatura ambiente pero a la temperatura de operación F20; a 5;; CG es un l"!uido con iones carbonato conductores& Este sistema tiene la #enta?a de utili:ar monó.ido de carbono como combustible por lo !ue pueden utili:arse como combustible me:clas de monó.ido de carbono e >idrógeno como las !ue se producen en un gasificador de carbón& Tambi1n se est$n desarrollando pilas de combustible !ue emplean dió.ido de circonio sólido como electrolito& Estas pilas se llaman pilas de combustible de ó.ido sólido& El dió.ido de circonio se con#ierte en un conductor iónico a unos '&;;; C& Los combustibles m$s adecuados son el >idrógeno el monó.ido de carbono ) el metano ) al c$todo se le suministra aire u o."geno& La ele#ada temperatura de operación de las pilas de combustible de ó.ido sólido permite el uso directo de metano un combustible !ue no re!uiere catali:adores costosos de platino sobre el $nodo& Las pilas de combustible de ó.ido sólido tienen la #enta?a de ser relati#amente insensibles a los contaminantes del combustible como los compuestos de a:ufre ) nitrógeno !ue empeoran el rendimiento de otros sistemas de combustible& La temperatura relati#amente ele#ada de operación de las pilas de combustible de carbonato fundido ) ó.ido sólido facilitan la eliminación en forma de #apor del agua producida por la reacción& En las pilas de combustible de ba?a temperatura se deben tomar medidas para eliminar el agua l"!uida de la c$mara del $nodo& !.1. ACUMULADORES Son pilas re#ersibles !ue reali:an la transformación in#ersa producen energ"a el1ctrica mediante la energ"a !u"mica liberada en los electrodos& Se cargan absorbiendo energ"a el1ctrica !ue almacenan ) transforman en energ"a !u"mica&
La asociación de #arias pilas puede >acerse uniendo el polo positi#o de una con el polo positi#o de la otra ) as" sucesi#amente& Esta asociación es una cone.ión en serie& +or el contrario cuando se asocian reuniendo todos los polos positi#os en uno solo ) los negati#os en otro la cone.ión es una bater"a o paralelo& La bater"a de un automó#il es una asociación de acumuladores conectados en bater"a& El automó#il lle#a tambi1n un generador en paralelo con la bater"a de forma !ue esta suministra energ"a en los momentos de demanda m$.ima ) se carga en los de poca demanda&
4.72. &+L')&)'*! & +'L& La fuer:a electromotri: de una pila se calcula con la siguiente e.presión@ E ERedCatodo ERedAnodo Ambos potenciales de reducción se calculan con la ecuación de Nernst por lo tanto sacando factor com-n ) operando con los logaritmos se obtiene la siguiente ecuación@
6onde E es la diferencia de potencial corregida de la pila ) E; la diferencia de potencial de la pila en condiciones est$ndar es decir calculada con las reacciones tabuladas sin corregir con la ecuación de Nernst para electrodos&
jemplo de aplicación En la pila de reacción
se intercambian 2
electrones por lo tanto n 2 ) 6onde M denota concentración& Si sólo se busca el potencial corregido del c$todo FreducciónG entonces debido a !ue la reacción de reducción tiene como producto \n sólido al cual se le asigna concentración unitaria& implificación por temperatura est3ndar +ara T %85 la ecuación se reduce a@
Estas #ersiones simplificadas son las m$s utili:adas para electrodos ) pilas a temperatura ambiente puesto !ue el error !ue se produce por diferencias entre la temperatura real ) la e.presada en la ecuación es desestimable&
!.. APLICACIONES DE LEYES DE FARADAY Estudios sistem$ticos del fenómeno de la electrólisis lle#aron a a corriente& Adem$s estableció !ue la cantidad de electricidad Fcarga el1ctricaG necesaria para depositar una masa del Ion considerado igual al cociente entre su mol ) su carga neta es la misma para todas las sustancias e igual al farada)& Ambas conclusiones se conocen como le)es de
9 La ilo conductor >acia el otro recipiente produciendo la reducción de 1ste con lo !ue !ueda claro !ue de donde pro#en"an los electrones era el recipiente donde se produ?o la o.idación de la solución& El #alor de la fem depende tanto de las concentraciones de las soluciones como de la temperatura ) del potencial de cada especie !ue participa en el proceso Redo.& +ara lograr un patrón se definió al +otencial Normal de /.idación FE o.idaciónG como a!uel medido en CN+T F' atmósfera ' 3 ) %0CG con respecto al cero !ue en este caso lo tiene el electrodo de Hidrógeno Fen esas condicionesG& La ecuación para calcular el potencial de un electrodo fuera de esas condiciones la descubrió Palt>er Nernst ) #iene e.presada como@ E E R \ TWN4 \ F L5 ]O>(),3(&5 > W R4)33(&5 6^ 6onde@ 9 Q e [@ son los coeficientes este!ueom1tricos de la ecuación de /.idación ) Reducción respecti#amente 9 Ne9@ es el n-mero de electrones en ?uego en el proceso Redo. 9 <@ constante de (),3(&5 E R4)33(&5 !.#. DESARROLLO +rimero constataremos cual es la diferencia de potencial entre electrodos Fo femG de una pila formada por una solución de Sulfato de Cobre FCuS/,G ) Sulfato de \inc F\nS/,G dentro de las cuales se introducen sendos electrodos de Cu ) \n respecti#amente la cual es conocida como +ila de 6aniell& Ambas soluciones est$n en contacto a tra#1s de un +uente Salino& Si calculamos la fem entre electrodos en forma teórica Fsuponiendo CN+TG esta ser$ igual a@
UNIDAD V RADIACTIVIDAD
Cuando un elemento produce emisiones espont$neas de radiación se dice !ue es radiacti#o& Los cambios radiacti#os implican transformaciones !ue se originan en el n-cleo ) en las reacciones !u"micas ordinarias las transformaciones afectan las distribuciones electrónicas Fni#elesG& El n-cleo de un tipo de $tomo de un elemento se distingue de los dem$s por el n-mero de protones ) neutrones& Los $tomos !ue tienen el mismo n-mero atómico pero diferentes masas se les llaman isótopos& E?emplo@ (0 Cl En la naturale:a se dan % isótopos de cloro@ '4
(4 '4
Cl
El espectrógrafo de masas se utili:a para determinar los isótopos presentes en un elemento ) su masa atómica& La ma)or"a de los elementos se presenta como me:clas isotópicas usando el espectrógrafo la información es la siguiente@ El cloro tiene 40&44Z de $tomos de
(0 '4
una masa de (2&822 uma&
(0 '4
Cl
(4 '4
Cl ;&%,%( (2&822 u
;&4044 (,&828 u %2&,82 u 5&804 u
Cl Funa masa de (,&828 umaG %,&%(Z de
(4 '4
Cl con
+eso atómico (0&,0( u
3asas de part"culas fundamentales
+rotón FqJG '&;;4%42 uma '&24%2%( ';9%4 g Electrón Fe9G ;&;;;0,505;( uma 8&';8(8; ';9(' g Neutron FG '&;;5220 uma '&24,8%8 '; `%4 g
' uma '&22;0 ';9%4 g
La suma de las masas de las part"culas !ue forman el n-cleo es ma)or !ue la masa real esta diferencia se llama defecto de masa ) en t1rminos de energ"a se llama energ"a de enlace&
".1.DESINTEGRACION RADIACTIVA Es el resultado de una emisión radiacti#a es decir un n-cleo inestable se transforma en otro&
E?emplo@
%'' 5,
Po
%;4 5%
P!
%, He
reacciones nucleares
%'' 5,
Po
%;4 5%
P!
J %, He
Las emisiones de radiacti#idad natural son ) &
Siempre !ue un elemento emite part"culas o se forman $tomos de otro elemento ) se dice !ue esas part"culas pro#ienen de los n-cleos atómicos de sustancias radiacti#as la radiación es una corriente de electrones sobre segundo la part"cula es una corriente de HeJJ cuando un $tomo emite part"culas o tambi1n emite un ra)o !ue es radiación electromagn1tica&
Las emisiones radiacti#as son radiaciones ioni:antes capaces de formar iones en la materia al desprender electrones de los $tomos o mol1culas con los !ue c>ocan en su tra)ectoria& Los efectos de la radiacti#idad sobre las plantas ) los animales son atribuibles a !ue las reacciones de ioni:ación ) a los cambios !u"micos resultantes en las c1lulas&
La capacidad de ioni:ación ) son proporcionales a sus energ"as&
".2.SERIE RADIACTIVA Es un con?unto de elementos !ue se >an formado de un solo n-cleo radiacti#o por emisiones sucesi#as de part"culas o &
La desinte desintegrac gración ión empie: empie:aa en un elemen elemento to predeces predecesor or >asta >asta !ue se forma uno
establ estable& e&
La emisión de una part"cula disminu)e el numero atómico en dos ) en cuatro el numero de masa& , &h %%5 55 %a % H
%(% 8;
La emisión de una part"cula aumenta el n-mero atómico en uno pero la masa es la misma cuando un n-cleo emite un electrón un neutrón se transforma en un protón&
; %a %%5 58 Ac ' e
%%5 55
".. EMISIÓN DE UN POSITRÓN. Consiste en la producción de un electrón positi#o ) se indica J e el positrón tiene la misma masa pero diferente carga !ue el electrón se origina de la con#ersión de un protón nuclear en un neutrón& ;
'
".!. CAPTURA DEL ELECTRÓN O CAPTURA _. El n-cleo captura un electrón del ni#el o l el electrón capturado con#ierte un protón en un neutrón&
".". VIDA MEDIA Buiere decir cuanto tiempo se tardan las sustancias radiacti#as en con#ertirse en otras sustancias radiacti#as el tiempo re!uerido es independiente de la cantidad de material& E?emplo@ si a la mitad de una muestra de un gramo de radio %%2 tarda '2;; aDos para transformarse en Rn la mitad de una muestra de % gramos tardara el mismo tiempo es decir la #elocidad #elocidad de desintegraci desintegración ón es proporcional proporcional a la concentración concentración o peso de un solo reacti#o reacti#o por lo tanto es una relación de primer orden@
elocidad MA
T'K% ;&28( K
6onde@ es constante de #elocidad A concentración o peso ) T'K% tiempo para !ue se desintegre la mitad de la muestra
No es posible predecir cuando se desintegrara de sintegrara un $tomo pero si podemos determinar el tiempo en el !ue se desintegra la mitad de un gran n-mero de ellos
6espu1s de . #idas medias el n-mero n de $tomos radiacti#os !ue !uedan en n; de $tomos originales es@
N N;
$
%&(;( t
N N; e9t
f log
Ai A'
6onde MAi es concentración inicial o numero de $tomos iniciales o conteos por minuto iniciales&
La radiacti#idad de una muestra de un gramo de un emisor se mide originalmente ) despu1s de 4 d"as la segunda lectura fue de %4&8Z de la original calcular el tiempo de #ida media en d"as ) si el emisor fuera Rn %%% cu$ntas part"culas se emitir$n por segundo de una muestra de un gramo&
Calcular la antigedad de un mineral de U !ue contiene ;&%44gr de +b %;2 por cada '&224gr de U %(5 si el tiempo de #ida media es ,&0';8 aDos
".#. EDAD DE MATERIALES ORGÁNICOS Esta basado en !ue el ob?eto siempre ) cuando no sea demasiado #ie?o contiene una cantidad detectable del elemento radiacti#o ',C& A pesar de su tiempo de #ida media relati#a mente corta F04(; aDosG este isótopo esta presente en la atmósfera como ',C/% en cantidad constante ) pe!ueDa pues se produce por la acti#idad de los ra)os cósmicos !ue pro#ocan la captura de neutrones en los $tomos de nitrógeno ) por la emisión de protones&
', 4
N
' ;
', 2
C '' H
por lo tanto las plantas contienen una pro#isión constante ) pe!ueDa de ',C/% ) cuando la planta de?a de crecer )a no absorbe C ', ) este empie:a a disminuir por desintegración radioacti#a en los te?idos #egetales &
Una muestra de ',C de un mueble de madera da 4 conteos por minuto por gr de C cu$l es la edad apro.imada del mueble el ',C de madera reci1n cortada se desintegra a '0&( desKmin &
2; Co tiene una #ida media de 0&%4 aDos !ue cantidad de una muestra de ;&;'gr El isótopo de %4 permanece despu1s de un aDo la acti#idad se da en curies&
' Ci (&4; ';'; desKs '
Ci
(&4;';, des K s&
La #ida media del &c es un emisor ) es '2s cuantos $tomos de Tc se >allan presentes en una muestra con acti#idad de ;&%';92 Ci ) cual es la masa de la muestra ';;
,(
EOERCICI/S 6E +RXCTICA&
La #elocidad de desintegración del despu1s de (28 minutos&
'5 8
F
es tal !ue el ';Z de la cantidad original permanece
cu$l es la constate de #elocidad para esta desintegración Cual es la #ida media del < &h las part"culas sucesi#as Una de las series de desintegración es la del emitidas en una ruta son FG determine el orden de los miembros de la cadena& %(%
8;
R2&%,';9( min9' t'K% '''&;(2 min&
Se determina !ue la radiación de un isótopo puro de bismuto es 2(5; pulsaciones K min& 6espu1s el conteo es 2;%0 calcule el t'K% escriba las ecuaciones de desintegración #iendo la del T>&
R ;&;'', pul K min t'K% 2;&0'%, min&
La constante de #elocidad de desintegración del 7i es de '&2';92 seg9' calcular&
T'K% en seg& ) en d"as si se empie:a con una muestra de '&2;;gr& Cuantos d"as transcurrieron para !ue !ueden ;&';;gr& Cuantas part"culas ser$n emitidas por el 7i al siguiente segundo despu1s de 7i a ;&';;;gr& 7i es emisor beta&
R t'K% ,(('%0 s 0&;'( 6ias t '4(('5;&% s%;&;08 6ias %&52';%; at de 7i el '&2';92s&
UNIDAD VI POLÍMEROS Y CERÁMICOS #.1 POLÍMEROS Ciertos al!uenos reaccionan ba?o condiciones especificas en presencia de un catali:ador de manera !ue las mol1culas indi#iduales de al!ueno se unen entre si& 6urante la reacción se rompen los dobles enlaces ) cientos o mines de mol1culas se unen entre si para formar mol1culas mu) grandes llamadas pol"meros& El al!ueno original utili:ado para preparar el pol"mero se llama monómero& Estas reacciones se denominan reacciones de polimeri:ación& Los pol"meros forman sólidos conocidos como pl$sticos ) elastómeros !ue se emplean para formar muc>os de los ob?etos ) materiales !ue usamos en la #ida diaria& La ma)or parte de las sustancias !ue se encuentran en la naturale:a contienen pol"meros& Los pol"meros !ue abarcan materiales tan di#ersos como pl$sticos el >ule o cauc>o ) los ad>esi#os son mol1culas org$nicas gigantes en cadena con pesos moleculares desde ';;;; >asta mas de ' ;;;;;; gKmol& La polimeri:ación es el proceso mediante el cual mol1culas m$s pe!ueDas se unen para crear estas mol1culas gigantes& Los pol"meros se utili:an en un numero sorprendente de aplicaciones inclu)endo ?uguetes aparatos dom1sticos elementos estructurales ) decorati#os recubrimientos pinturas ad>esi#os llantas de automó#il espumas ) empa!ues& Los pol"meros son a menudo utili:ados como fibra ) como matri: en compuestos&
Los pol"meros comerciales o est$ndar son materiales ligeros resistentes a la corrosión de ba?a resistencia ) rigide: ) no son adecuados para uso a temperaturas altas& Sin embargo son relati#amente económicos ) f$cilmente conformables de una di#ersidad de formas desde bolsas de pl$stico a engranes met$licos ) tinas de baDo& Los pol"meros ingenieriles est$n diseDados para dar una me?or resistencia ) o me?or rendimiento a temperaturas ele#adas& Estos -ltimos se producen en cantidades relati#amente pe!ueDas ) son costosos& Algunos de los pol"meros ingenieriles pueden funcionar a temperaturas tan altas como (0; C otros usualmente en forma de fibra tienen resistencias superiores a las del acero&
Los pol"meros tambi1n tienen muc>as propiedades f"sicas -tiles& Algunos como el ple.igas ) la lucita son transparentes ) pueden rempla:ar a los #idrios cer$micos& Aun!ue la ma)or parte de los pol"meros son aislantes el1ctricos los pol"meros especiales Fcomo los acetalesG ) los compuestos basados en pol"mero poseen una conducti#idad el1ctrica
-til& El teflón tiene un ba?o coeficiente ) sir#e de recubrimiento para utensilios de cocina antiad>erentes& Los pol"meros tambi1n son resistentes a la corrosión ) al ata!ue !u"mico&
#.1.1 CLASIFICACIÓN DE LOS POLÍMEROS
Los pol"meros se clasifican de #arias formas@ primero seg-n la manera en !ue las mol1culas son sinteti:adas segundo en función de su estructura molecular ) tercero por su familia !u"mica& Sin embargo el m1todo m$s usado para describir a los pol"meros es en función de su comportamiento mec$nico ) t1rmico&
Los pol"meros termopl$sticos se componen de largas cadenas producidas al unir mol1culas pe!ueDas o monómeros ) t"picamente se comportan de una manera pl$stica ) d-ctil& Al ser calentados a temperaturas ele#adas estos pol"meros se ablandan ) se conforman por flu?o #iscoso& Los pol"meros termopl$sticos se pueden reciclar con facilidad& Los pol"meros termoestables est$n compuestos por largas cadenas con fuertes enlaces cru:ados entre las cadenas para formar estructuras de redes tridimensionales& Estos pol"meros generalmente son mas resistentes aun!ue mas fr$giles !ue los termopl$sticos& Los termoestables no tienen una temperatura de fusión fi?a ) es dif"cil reprocesarlos una #e: ocurrida la formación de enlaces cru:ados& Los elastómeros inclu)endo el cauc>o tienen una estructura intermedia en la cual se permite ocurra una ligera formación de enlaces cru:ados entre las cadenas& Los
elastómeros tienen la capacidad de deformarse el$sticamente en grandes cantidades sin cambiar de forma permanentemente& La polimeri:ación de estos tres tipos de pol"meros normalmente se inicia con la producción de largas cadenas en las cuales los $tomos se unen fuertemente con enlaces co#alentes& El numero ) la resistencia de los enlaces cru:ados le da a cada tipo sus propiedades especiales& Sin embargo se debe >acer notar !ue las diferencias entre estos tres tipos a menudo son mu) sutiles& +or e?emplo e.iste toda una continuidad de #ariaciones entre la estructura simple del polietileno Fun termopl$sticoG ) la estructura m$s comple?a de los epo.icos Fun termoestableG&
#.1.2 ESTRUCTURAS REPRESENTATIVAS
Todos los pol"meros tienen una estructura tridimensional comple?a !ue es dif"cil de describir gr$ficamente& La figura muestra ( formas con las cuales podemos representar un segmento de polietileno el m$s sencillo de los pol"meros termopl$sticos& La cadena de pol"mero esta formada por una cadena principal de $tomos de carbono dos $tomos de >idrogeno est$n enla:ados a cada $tomo de carbono en la cadena& Esta gira ) se retuerce en el espacio&
El modelo bidimensional de la figura FcG inclu)e los elementos esenciales de la estructura del pol"mero ) se utili:ara para describir los di#ersos pol"meros& Las l"neas sencillas F99G entre los $tomos de carbono ) entre los $tomos de carbone e >idrogeno representan un enlace co#alente simple& 6os l"neas paralelas FG representan un enlace co#alente doble entre $tomos& arios pol"meros tienen estructuras en anillos como el anillo de benceno !ue se encuentra en las mol1culas de estireno ) las fenólicas Fcomo se muestra en la figuraG& Estos anillos arom$ticos contienen seis $tomos de carbono unidos con enlaces alternos simples ) dobles& En #e: de mostrar todos los $tomos de un anillo de benceno utili:amos un >e.$gono !ue contiene un c"rculo para ilustrar esta estructura en anillo&
#.1. MONÓMERO
El monómero es una mol1cula de pe!ueDa masa molecular !ue unida a otros monómeros a #eces cientos o miles por medio de enlaces !u"micos generalmente co#alentes forman macromol1culas llamadas pol"meros& Adem$s son unidades b$sicas o mol1culas org$nicas relati#amente simples con estructura definida estabili:ada ) espec"fica& Algunos monómeros@ 3onosac$ridos Xcidos grasos nucleótidos amino$cidos etc& La unión de pocos monómeros generalmente menos de '; forman losoligomeros !ue pueden ser d"meros tr"meros tetr$meros pent$meros& +or e?emplo@
9 9 9 9
Los amino$cidos son los monómeros de las prote"nas& Los nucleótidos son los monómeros del $cidos nucleicos& Los monosac$ridos son los monómeros de los carbo>idratos& Los $cidos grasos ) el glicerol son los monómeros de los l"pidos&
#.1.! =OMOPOLÍMEROS Y COPOLÍMEROS
Los materiales como el polietileno el +C el polipropileno ) otros !ue contienen una sola unidad estructural se llaman >omopol"meros& Los >omopol"meros a dem$s contienen cantidades menores de irregularidades en los e.tremos de la cadena o en ramificaciones& +or otro lado los copol"meros contienen #arias unidades estructurales como es el caso de algunos mu) importantes en los !ue participa el estireno& Estas combinaciones de monómeros se reali:an para modificar las propiedades de los pol"meros ) lograr nue#as aplicaciones& Lo !ue se busca es !ue cada monómero imparta una de sus propiedades al material final as" por e?emplo en el A7S el acrilonitrilo aporta su resistencia !u"mica el butadieno su fle.ibilidad ) el estireno imparte al material la rigide: !ue re!uiera la aplicación particular& E#identemente al #ariar las proporciones de los monómeros las propiedades de los copol"meros #an #ariando tambi1n de manera !ue el proceso de co polimeri:ación permite >asta cierto punto fabricar pol"meros a la medida& No solo cambian las propiedades al #ariar las proporciones de los monómeros sino tambi1n al #ariar su posición dentro de las cadenas& As" e.isten los siguientes tipos de copol"meros&
Las me:clas f"sicas de pol"meros !ue no lle#an uniones permanentes entre ellos tambi1n constitu)en a la enorme #ersatilidad de los materiales polim1ricos& Son el e!ui#alente a las aleaciones met$licas& En ocasiones se me:clan para me?orar alguna propiedad aun!ue generalmente a e.pensas de otra& +or e?emplo el ó.ido de polifenilo tiene e.celente resistencia t1rmica pero es mu) dif"cil procesarlo& El poliestireno tiene ?ustamente las propiedades contrarias de manera !ue al me:clarlos se gana en facilidad de procedimiento aun!ue resulte un material !ue no resistir$ temperaturas mu) altas& Sin embargo en este caso >a) un efecto sinerg"stico en el sentido en !ue la resistencia mec$nica es me?or en algunos aspectos !ue a la de cual!uiera de los dos pol"meros& Esto no es frecuente por!ue puede ocurrir -nicamente cuando e.iste perfecta compatibilidad ente los dos pol"meros ) por regla general no la >a) as" !ue en la ma)or"a de los casos debe agregarse un tercer ingrediente para compatibili:ar la me:cla& Lo !ue se emplea casi siempre es un copol"mero in?ertado o uno de blo!ue !ue contenga unidades estructurales de los dos pol"meros& /tras #eces se me:cla simplemente para reducir el costo de material& En otros casos pe!ueDas cantidades de un pol"mero de alta calidad puede me?orar la del otro al grado de permitir una nue#a aplicación&
#.1." FORMACIÓN DE CADENAS POR EL MECANISMO DE ADICIÓN
La formación del pol"mero m$s com-n el polietileno F+EG a partir de mol1culas de etileno es un e?emplo de polimeri:ación por adición Fo crecimiento de cadenasG& El etileno es un gas de formula C%H,& Los dos $tomos de carbono est$n unidos por un enlace co#alente doble& Cada uno de estos $tomos comparte dos de sus electrones con el otro ) dos $tomos de >idrogeno est$n enla:ados a cada uno de los $tomos de carbono FfiguraG& La mol1cula de etileno es un monómero&
En presencia de una combinación apropiada de calor presión ) catali:adores rompe el enlace doble entre los $tomos de carbono ) este se rempla:a por un enlace co#alente -nico& Los e.tremos del monómero a>ora son radicales libres cada $tomo de carbono tiene un electrón sin pare?a !ue puede compartir con otros radicales libres& Esta mol1cula reacti#a es el blo!ue constructi#o b$sico del pol"mero se conoce a #eces como mero o dic>o con ma)or propiedad como unidad de repetición&
E5',34+ 5* +,,)*+
La polimeri:ación por adición ocurre por!ue el monómero original tiene un enlace co#alente doble entre $tomos de carbono& El enlace doble es un enlace no saturado& 6espu1s de cambiar a un enlace simple los $tomos de carbono siguen unidos pero se con#ierten en acti#os se pueden agregar otras unidades de repetición para producir la cadena polim1rica&
F53(*5,'(),)
La funcionalidad es el n-mero de sitios en los cuales pueden unirse dos mol1culas a la unidad de repetición del pol"mero& En el etileno >a) dos sitios en cada $tomo de carbono en los cuales las mol1culas pueden fi?arse por lo !ue el etileno es bifuncional ) solamente se formaran cadenas& Si >a) tres o mas sitios donde las mol1culas pueden fi?arse se red tridimensional&
I5(3(,3(&5 )4 ', *'(-4(,3(&5 * ,)(3(&5
+ara empe:ar la adición es decir el proceso de polimeri:ación por crecimiento de las cadenas se aDade un iniciador al monómero FfiguraG& El iniciador forma radicales libres con un sitio reacti#o !ue atrae a uno de los $tomos de carbono de un monómero de etileno& Cuando ocurre esta reacción el sitio reacti#o se transfiere al otro $tomo de carbono del monómero ) se empie:a a formar una cadena& Una segunda unidad de repetición de etileno se puede fi?ar en este nue#o sitio alarg$ndose da cadena& Este proceso continuara >asta !ue !uede formada una larga cadena de polietileno es decir un pol"mero por adición&
6ado !ue los iniciadores !ue frecuentemente son peró.idos reaccionan entre si adem$s de reaccionar con el monómero ) sus #idas son relati#amente cortas un iniciador com-n es el pero.ido de ben:o"lo FfiguraG&
C43(-(45* 45 ', 3,)45, * ,)(3(&5
Una #e: iniciada la cadena se unen a gran #elocidad unidades de repetición a cada cadena !ui:$s a #arios miles de adiciones por segundo FfiguraG& Cuando la polimeri:ación esta casi terminada los pocos 3onoceros restantes deben recorrer grandes distancias antes de alcan:ar un sitio acti#o en el e.tremo de alguna cadena ) en consecuencia la #elocidad de crecimiento disminu)e&
T4-(5,3(&5 )4 ', *'(-4(,3(&5 * ,)(3(&5
Las cadenas pueden terminarse mediante dos mecanismos FfiguraG& +rimero los e.tremos de las dos cadenas en crecimiento pueden unirse& Este proceso conocido como combinación genera una sola cadena larga a partir de dos mas cortas& Segundo el e.tremo acti#o de una cadena puede !uitar un $tomo de >idrogeno de otra mediante un proceso conocido como desproporcionacion esta reacción formara dos cadenas en #e: de combinarlas en una mas larga&
F*-, )4 ', 3,)45,
Las cadenas de pol"meros pueden torcerse ) girar debido a la naturale:a tetra1drica del enlace co#alente& La figura ilustra dos geometr"as posibles mediante las cuales una cadena puede crecer& El tercer $tomo de la figura FaG puede colocarse en cual!uier posición dentro del circulo manteniendo aun la direccionalidad del enlace co#alente& Se puede producir una cadena recta como en la figura FbG aun!ue lo mas probable es !ue !uede mu) retorcida como en la figura FcG&
Las cadenas se tuercen ) giran en respuesta a factores e.ternos como la temperatura o la ubicación de la siguiente unidad de repetición al agregarse a la cadena&
apariencia de las cadenas de pol"meros es seme?ante a la de una cubeta llena de lombrices o al de un plato de espagueti& El entrela:amiento de las cadenas de pol"meros es un mecanismo importante !ue le da resistencia al material& Lo mismo !ue pasa al tomar un puDado de lombrices de una cubeta@ toda la masa tiende a conser#arse ?unta debido a este entrela:amiento aun cuando se este en contacto con solo unas cuantas lombrices& El entrela:amiento de largas cadenas ?unto con los enlaces an der Paals entre cadenas tambi1n proporcionan resistencia al pol"mero lineal&
#.1.# FORMACIÓN DE CADENAS POR EL MECANISMO DE CONDENSACIÓN Los pol"meros lineales tambi1n se forman mediante reacciones de condensación o polimeri:ación de crecimiento por pasos produciendo estructuras ) propiedades similares a las de los pol"meros lineales por adición& Sin embargo el mecanismo de la polimeri:ación por pasos re!uiere !ue por lo menos dos monómeros distintos participen en la reacción& La polimeri:ación del dimetil tereftalato ) del etilenglicol para la producción del poli1ster es un e?emplo importante FfiguraG& 6urante la polimeri:ación un $tomo de >idrogeno en el e.tremo de un monómero de etilenglicol se combina con un grupo /CH( del dimetil tereftalato& Se genera un subproducto@ el alco>ol metilico ) los dos monómeros se combinan para producir una mol1cula m$s grande& Cada uno de los monómeros de este e?emplo es bifuncional ) puede continuar la polimeri:ación por pasos mediante la misma reacción& acia los e.tremos e inter#enir en la reacción de condensación& El crecimiento de la cadena termina cuando )a no llegan m$s monómeros al e.tremo de las cadenas para continuar la reacción&
G,)* )4 *'(-4(,3(&5
La longitud promedio de un pol"mero lineal se representa por su grado de polimeri:ación el cual es el n-mero de unidades de repetición dentro de la cadena& El grado de polimeri:ación tambi1n se puede definir como@
=rado de polimeri:ación
+eso molecular del pol"mero +eso molecular de la unidad de repetición
Si el pol"mero contiene un solo tipo de monómero el peso molecular de la unidad de repetición es el mismo del monómero& Si el pol"mero contiene mas de un tipo de monómeros el peso molecular de la unidad de repetición ser$ la suma de los pesos moleculares de los monómeros menos el peso molecular de subproducto& La longitud de la cadena en un pol"mero lineal #ar"a considerablemente& Algunas pueden ser bastantes cortas debido a una terminación temprana otras pueden resultar e.cepcionalmente largas& E.isten dos formas para definir un peso molecular promedio&
El peso molecular promedio por peso de cadenas se obtiene di#idiendo las cadenas en rangos de tamaDo ) determinando !ue fracción de las cadenas tienen pesos moleculares dentro de dic>os rangos& El peso molecular promedio por peso 3P es@
3P fi 3i
6onde 3i es el peso molecular medio de cada rango ) fi es la fracción del peso del pol"mero !ue tiene cadenas dentro de este rango& El peso molecular promedio por n-meros en cadenas 3n se basa en la fracción num1rica en #e: de la fracción de peso de las cadenas dentro de cada rango de tamaDo& Este n-mero siempre resulta m$s pe!ueDo !ue el peso molecular promedio por peso&
3n .i 3i
6onde 3i de nue#o es el peso molecular medio de cada rango de tamaDo pero .i es la fracción del numero total de cadenas dentro de cada rango& Se pueden utili:ar indistintamente 3P o 3n para calcular el grado de polimeri:ación&
A4'* )4 ',+ 3,)45,+ *'(-?(3,+ 45 '*+ 4-*'7+(3*+
En los pol"meros termopl$sticos t"picos los enlaces en las cadenas son co#alentes pero las largas cadenas retorcidas est$n su?etas entre si por enlaces secundarios d1biles adem$s de estar entrela:adas& Cuando se aplica un esfuer:o al termopl$stico los enlaces d1biles entre cadenas pueden superarse ) las cadenas giran ) se desli:an entre ellas mismas&
La facilidad con !ue las cadenas se desli:an depende de la temperatura ) de la estructura del pol"mero& Se pueden obser#ar #arias temperaturas cr"ticas las cuales se resumen en las figuras&
#.1.$ PLASTICOS
Son a!uellos pol"meros !ue ante un esfuer:o suficientemente intenso se deforman irre#ersiblemente no pudiendo #ol#er a su forma original& Ha) !ue resaltar !ue el t1rmino pl$stico se aplica a #eces incorrectamente para referirse a la totalidad de los pol"meros& Los pl$sticos son sustancias !ue contienen como ingrediente esencial una macromol1cula org$nica llamada pol"mero& Estos pol"meros son grandes agrupaciones de monómeros unidos mediante un proceso !u"mico llamado polimeri:ación& 6e >ec>o pl$stico se refiere a un estado del material pero no al material en s"@ los pol"meros sint1ticos >abitualmente llamados pl$sticos son en realidad materiales sint1ticos !ue pueden alcan:ar el estado pl$stico esto es cuando el material se encuentra #iscoso o fluido ) no tiene propiedades de resistencia a esfuer:os mec$nicos& Este estado se alcan:a cuando el material en estado sólido se transforma en estado pl$stico generalmente por calentamiento ) es ideal para los diferentes procesos producti#os )a !ue en este estado es cuando el material puede manipularse de las distintas formas !ue e.isten en la actualidad& As" !ue la palabra pl$stico es una forma de referirse a materiales sint1ticos capaces de entrar en un estado pl$stico pero pl$stico no es necesariamente el grupo de materiales a los !ue cotidianamente >ace referencia esta palabra&
#.1.% ELASTÓMEROS
Los elastómeros son a!uellos pol"meros !ue muestran un comportamiento el$stico es decir se deforman al someterlos a una fuer:a pero recuperan su forma inicial al suprimir la fuer:a& / materias estructuradas con cadenas macromoleculares el$sticas cauc>os sint1ticos& Sustancias naturales o sint1ticas dotadas de gran elasticidad con una estructura reticulada a base de macromol1culas largas ) filiformes unidas entre s" con una propiedad singular@ la de su e.pansibilidad re#ersible& / sea las macromol1culas tienen una disposición de arrollamiento !ue permite estirarse cuando se le aplica una fuer:a de tracción !ue cuando cesa recobra su forma inicial& Se presenta en dos modalidades@ >o?as de co$gulos obtenidos por proceso de polimeri:ación o en l$te. formado por una suspensión coloidal en un medio acuoso& Los principales elastómeros son@ de butadieno9estireno neopreno polisulfuros >)palón siliconas poliuretanos fluorados polisoprenos polibutadieno&
E',+&-4*+ )4 :,)(45*4+(45*
Se aplican en la industria de los neum$ticos&
N4*45*
Se parte de acetileno llegando al monómero cloropreno !ue es ob?eto de polimeri:ación dando lugar a este producto !ue es similar al cauc>o natural pero con propiedades t1cnicas superiores& +ropiedades@ no se degrada por acción de ra)os solares ni intemperie&
9 El neopreno compacto ` se transforma en productos moldeados perfiles e.trusionados o l$minas calandradas& Se utili:an para la fabricación de tuber"as para transporte de l"!uidos re#estimientos de cables el1ctricos ?untas r$pidas para canali:aciones empotradas como sustituto del plomo& 9 El neopreno celular 9 se transforma en productos espon?osos ) espumas de cauc>o& 9 El neopreno l"!uido o en l$te. ` es una dispersión acuosa de cauc>o& Es el principal componente de muc>os ad>esi#os Fcola de neopreno usada para ad>erir tableros estratificados a base de madera natural o aglomerada f$ciles de e.tender secan r$pidamente resisten a la >umedad ) calorG pinturas aislantes contra el calor ) electricidad etc&
E',+&-4*+ )4 P*'(+'/*
Su aplicación es en mangueras para automó#iles ) estaciones de ser#icio re#estimientos de cables ) acabados de te?idos impermeables&
=6,'*5
Se obtiene mediante un tratamiento de polietileno con una me:cla de cloro ) an>"drido sulfuroso& Es un elastómero #ulcani:able con #ariables propiedades caracter"sticas del cauc>o ) del polietileno& +ropiedades@ de las m$s destacadas es su resistencia al o:ono& No se altera frente a mo#imientos estructurales o de #ariaciones de temperaturas& Aplicación@ por la propiedad antes mencionada su aplicación m$s adecuada es par protección e impermeabili:ación de cubiertas en forma de l$minas o en estado fluido&
E',+&-4*+ )4 P*'(4,5*
En base a enlaces de uretano& Un producto caracter"stico de la familia es el Adiprene& +ropiedades@ Se destacan por su energ"a el$stica su e.traordinaria dure:a su ele#ada capacidad para la carga ) e.cepcional resistencia a la tracción fle.ión abrasión radiación ultra#ioleta o:ono disol#entes& Aplicaciones@ ruedas pie:as !ue soportan cargas tubos en sustitución del metal para elementos de soporte ?untas cortadas a tro!uel etc&
#.2 CERAMICOS La palabra cer$mica deri#a del #ocablo griego eramos cu)a ra": s$nscrita significa !uemar& En su sentido estricto se refiere a la arcilla en todas sus formas& Sin embargo el uso moderno de este t1rmino inclu)e a todos los materiales inorg$nicos no met$licos !ue se forman por acción del calor& Los materiales cer$micos son generalmente fr$giles o #idriosos& Casi siempre se fracturan ante esfuer:os de tensión ) presentan poca elasticidad dado !ue tienden a ser materiales porosos& Los poros ) otras imperfecciones microscópicas act-an como entallas o concentradores de esfuer:o reduciendo la resistencia a los esfuer:os mencionados& +or lo general los materiales cer$micos presentan un buen comportamiento a alta temperatura mientras !ue pueden sufrir roturas por c>o!ue t1rmico a temperaturas inferiores&
T4-*/'453(, @ La conser#ación de las propiedades mec$nicas a altas temperaturas toma gran importancia en determinados sectores como la industria aeroespacial& Los materiales cer$micos poseen por lo general una buena resistencia ala termofluencia& Esto es debido principalmente a dos factores en el caso de cer$micos cristalinos@ altos #alores de temperatura de fusión ) ele#ada energ"a de acti#ación para !ue comience la difusión& C*4 ?-(3*@ Se define como la fractura de un material como resultado de un cambio brusco de temperatura& Esta #ariación repentina da lugar a tensiones superficiales de tracción !ue lle#an a la fractura& Entre los factores !ue condicionan la resistencia al c>o!ue t1rmico toma gran importancia la porosidad del material& Al disminuir la porosidad Faumentar la densidadG la resistencia al c>o!ue t1rmico ) las caracter"sticas de aislamiento se reducen mientras !ue la resistencia mec$nica ) la capacidad de carga aumentan& 3uc>os materiales son usados en estados mu) porosos ) es frecuente encontrar materiales combinados@ una capa porosa con buenas propiedades de aislamiento combinada con una delgada c>a!ueta de material m$s denso !ue pro#ee resistencia&
#.2.1COMPORTAMIENTO ELÉCTRICO Una de las $reas de ma)ores progresos con la cer$mica es su aplicación a situaciones el1ctricas donde pueden desplegar un sorprendente con?unto de propiedades&
A(+',-(45* 4'?3(3* 6 3*-*,-(45* )(4'?3(3* La ma)or"a de los materiales cer$micos no son conductores de cargas mó#iles por lo !ue no son conductores de electricidad& Esto se debe a !ue los enlaces iónico ) co#alente restringen la mo#ilidad iónica ) electrónica es decir son buenos aislantes el1ctricos& Cuando son combinados con fuer:a permite usarlos en la generación de energ"a ) transmisión& Las l"neas de alta tensión son generalmente sostenidas por torres de transmisión !ue contienen discos de porcelana los cuales son lo suficientemente aislantes como para resistir ra)os ) tienen la resistencia mec$nica apropiada como para sostener los cables& Una sub9categor"a del comportamiento aislante es el diel1ctrico& Un material diel1ctrico mantiene el campo magn1tico a tra#1s de 1l sin inducir p1rdida de energ"a& Esto es mu) importante en la construcción de condensadores el1ctricos& La cer$mica diel1ctrica es usada en dos $reas principales@ la primera es la p1rdida progresi#a de di electricidad de alta frecuencia usada en aplicaciones tales como microondas ) radio transmisores la segunda son los materiales con alta di electricidad constante Fferro el1ctricosG& Aun!ue la cer$mica diel1ctrica es inferior frente a otras opciones para la ma)or"a de los propósitos&
S43*5)3(@(),) 7a?o ciertas condiciones tales como temperaturas e.tremadamente ba?as algunas cer$micas muestran superconducti#idad& La ra:ón e.acta de este fenómeno no es conocida aun!ue se diferencian dos con?untos de cer$mica superconductora& El compuesto este!uiom1trico YBa%Cu(/49. generalmente abre#iado [7C/ o '%( es particularmente mu) conocido por!ue es f$cil de >acer su manufactura no re!uiere ning-n material particularmente peligroso ) tiene una transición de temperatura de 8; Flo !ue es superior a la temperatura del nitrógeno l"!uido 44 G& La " de la fórmula se refiere al >ec>o !ue debe ser ligeramente deficiente en o."geno con un " por lo general cercano a ;&(& El otro con?unto de cer$micas superconductoras es el diboruro de magnesio& Sus propiedades no son particularmente destacables pero son !u"micamente mu) distintos a cual!uier otro superconductor en !ue no es un comple?o de ó.ido de cobre ni un metal& 6ebido a esta diferencia se espera !ue el estudio de este material condu:ca a la interiori:ación del fenómeno de la superconducti#idad&
S4-(3*5)3(@(),) Ha) cierto n-mero de cer$micas !ue son semiconducti#as& La ma)or"a de ellas son ó.idos de metales de transición !ue son semiconductores de tipos II9I como el ó.ido de :inc& La cer$mica semiconductora es empleada como sensor de gas& Cuando #arios gases son pasados a tra#1s de una cer$mica policristalina su resistencia el1ctrica cambia& A?ustando las posibles me:clas de gas se pueden construir sensores de gas sin demasiado costo&
F4*4'43(3(),); (4*4'43(3(),) 6 (*4'43(3(),) Un material ferroel1ctrico es a!uel !ue espont$neamente posee una polari:ación el1ctrica cu)o sentido se puede in#ertir mediante aplicación de un campo el1ctrico e.terno suficientemente alto F>ist1resis ferroel1ctricaG& Estos materiales e.>iben m-ltiples propiedades deri#adas de su polari:ación espont$nea en ausencia de un campo el1ctrico e.terno ) de la posibilidad de su in#ersión Fmemorias de ordenadorG& La polari:ación espont$nea puede modificarse mediante campos el1ctricos FelectrostricciónG o de tensiones mec$nicas F pie:oelectricidadG e.ternos ) mediante #ariaciones de la temperatura F piroelectricidadG& La polari:ación espont$nea ) su capacidad de modificación es tambi1n el origen de la alta constante diel1ctrica o permiti#idad de los ferroel1ctricos !ue tiene aplicación en condensadores& Un material pie:oel1ctrico es a!uel !ue debido a poseer una polari:ación espont$nea genera un #olta?e cuando se le aplica presión o in#ersamente se deforma ba?o la acción de un campo el1ctrico& Cuando el campo el1ctrico aplicado es alterno este produce una #ibración del pie:oel1ctrico& Estos materiales encuentran un rango amplio de aplicaciones principalmente como sensores 9para con#ertir un mo#imiento en una seDal el1ctrica o
#ice#ersa9& Est$n presentes en micrófonos generadores de ultrasonido ) medidores de presión& Todos los ferroel1ctricos son pie:oel1ctricos pero >a) muc>os pie:oel1ctricos cu)a polari:ación espont$nea puede #ariar pero no es in#ertible ) en consecuencia no son ferroel1ctricos& Un material piroel1ctrico desarrolla un campo el1ctrico cuando se calienta& Algunas cer$micas piroel1ctricas son tan sensibles !ue pueden detectar cambios de temperatura causados por el ingreso de una persona a un cuarto Fapro.imadamente ,; microel#inG& Tales dispositi#os no pueden medir temperaturas absolutas sino #ariaciones de temperatura ) se utili:an en #isión nocturna ) detectores de mo#imiento&
#.2.2TIPOS DE CERAMICOS C47-(3,+ 4+(+454+ ,' 3,'* Las cer$micas t1cnicas presentan fuertes enlaces atómicos >"bridos iónicoKco#alentes !ue les confiere adem$s de fragilidad Fimpedimento del despla:amiento de los planos atómicos entre s"G dure:a ) rigide: un alto punto de fusión !ue las con#ierte en e.celentes materiales resistentes al calor es decir refractarios& Las principales inno#aciones en el campo de las cer$micas refractarias son las siguientes&
C47-(3,+ 4+(+454+ , ',+ ,',+ 4-4,,+ En las -ltimas d1cadas se >an obtenido muestr a s de N,Si( ) CSi !ue mantienen sus resistencias a la tracción de 02 gKmm% ) (8 gKmm% respecti#amente a '%;; C& El mantenimiento de la resistencia a ele#adas temperaturas de los productos terminados con ambas cer$micas es función del proceso de fabricación lle#ado a cabo para obtenerlas& Se >an lle#ado a cabo estudios sobre una cer$mica tena: transformada !ue resulta lo suficientemente estable a ele#adas temperaturas como para poderse considerar aplicable en el desarrollo ) construcción de cilindros para motores 6iesel ligeros camisas de cilindros cabe:as de pistón turbinas de gas adiab$ticas ) recuperadores e intercambiadores de calor es decir se trata de una de las cer$micas m$s a#an:adas para intentar progresar en el importante campo de los motores adiab$ticos& La cer$mica en cuestión >a sido ensa)ada a '&%;; C durante (;; >oras sin mostrar degradación alguna ) al parecer podr"a mantenerse a la misma temperatura durante 2;; >oras&
Los in#estigadores comparan a dic>o material con la circonia F\r/%G parcialmente estabili:ada F+S\G pero la cer$mica en estudio al contrario de lo !ue le sucede a la +S\ no se degrada a las temperaturas !ue >ar"an perder su tenacidad a 1sta& 6ic>a cer$mica est$ formada por part"culas de solución sólida finamente di#ididas de \r/%KHf/% dispersa en otra solución sólida como matri: de al-mina FAl%/(KCr %/(G o mullita F(Al%/( %Si/%K(Cr %/( %Si/%G& Los me?ores resultados con las propiedades óptimas se obtienen cuando la cer$mica contiene %;Z de moles de Cr %/( lo !ue ele#a la dure:a ) el modulo el$stico del material con el ';K%; moles Z de Hf/% se me?ora sustancialmente la fractura tena:&
C47-(3,+ -*')4,:'4+ 6 -,(5,:'4+ Actualmente e.isten cer$micas de 3g/ !ue pueden moldearse por m1todos con#encionales para obtener pie:as de posible mecani:ación para ser utili:adas a ele#adas temperaturas& Este material cer$mico est$ formado por un sistema de dos elementos un pol#o cer$mico ) un acti#ador l"!uido& 6ic>a me:cla puede moldearse ba?o cual!uier forma despu1s de calentarse puede mecani:arse por medio de >erramientas con#encionales& Las pie:as terminadas poseen una buena resistencia t1rmica ) e.celentes propiedades diel1ctricas Fresisti#idad@ ';'; o>mKcm resistencia diel1ctrica@ ';; #olsKmilG ) puede soportar temperaturas de >asta '&0,; C& En #arios laboratorios se >an desarrollado materiales de N,Si( especiales para aplicaciones resistentes al calor& ADadi1ndole ó.idos de Lantano ) otros metales de Tierras Raras se obtiene una cer$mica altamente estable !ue puede ser perfectamente sinteri:ada Fele#ada presión ) temperaturasG no presentando p1rdida alguna de resistencia mec$nica incluso cuando se calienta >asta los '&(;;C&
C47-(3, 45, 4+(+454 , '*+ 3*4+ ?-(3*+ Una cer$mica obtenida en \irania constituida por /%\rKTi producto de interreacción obtenido en crisoles en los !ue el Ti puede fundirse sin la aplicación de o."geno puede soportar c>o!ues t1rmicos de >asta '&20; C ) !ue en consecuencia tiene la resistencia suficiente para aplicarse en $labes de turboalimentadores& Se pro)ecta introducir ó.ido de circonio pul#eri:ado ) Ti en el interior del molde ) fundirlos con?untamente& Ambos materiales VrobanW o."geno del \r/% por o.idaciónKreducción para formar cristales de ancla?e de \r/% Ti/% ) metal FTiG& Con este proceso se me?ora la estabilidad de la cer$mica para soportar ciclos t1rmicos&
Los in#estigadores de estas cer$micas la >an calentado >asta los '&8;;C enfri$ndola a continuación a %;,K%2; C repitiendo el ciclo %; #eces sin destruir la integridad de la estructura& Un crisol fabricado con \r;% simple no soportar"a ni un solo ciclo& Los cambios dimensionales son del orden del 'Z ) el punto de fusión de la cer$mica se apro.ima a los %&%;;C& La cer$mica en cuestión puede obtenerse por una #ariedad de m1todos inclu)endo la compresión isost$tica ) el H&I&+ ) el prensado en fr"o utili:ando una cera parafina como aglomerante para mantener los pol#os ligados& La contracción durante el procesado es del 5K';Z&
C47-(3, -''(, ,, 4'4@,),+ 4-4,,+ La cer$mica de mullita FAl%/(KSi/%G en la !ue la proporción de impure:as se reba?a al ;'Z ad!uiere una resistencia mec$nica comparable al CSi !ue puede mantenerse a temperaturas de >asta '&,;;C& La mullita en cuestión se obtiene a base de S"lice FSi/%G ) Al-mina FAl%/(G de alta pure:a& Calentando la me:cla ) controlando el crecimiento de las mallas cristalinas se consiguen mullitas de las pure:as especificadas& Adem$s de su ele#ada resistencia a altas temperaturas las cer$micas en estudio poseen las #enta?as de relati#os ba?os costes de producción f$cil fabricación ) resistencia a la corrosión&
C47-(3,+ +<4 '7+(3,+ Ciertas aleaciones met$licas son susceptibles de deformarse >asta '; #eces sus dimensiones iniciales sin fracturarse despu1s de >aber conseguido afinar el tamaDo de grano >asta dimensiones inferiores a las 0 micras& Los materiales conformados superpl$sticamente son m$s f$ ciles de mecani:ar ) cuando se obtienen a partir de pol#os finos prealeados muestran una uniformidad !u"mica ) estructural notables& Al igual !ue las aleaciones met$licas ciertas cer$micas pueden conformarse ) for?arse superpl$sticamente obteni1ndose cer$micas estructurales con me?ores propiedades mec$nicas !ue las obtenidas por m1todos con#encionales& A continuación reseDamos los tipos de ceramicas superplasticas m$s destacables&
C47-(3,+ 4+3,'4+ )4 /*9, +4'7+(3, In#estigaciones >an demostrado !ue ciertas pie:as cer$micas se pueden for?ar superpl$sticamente obteni1ndose productos libres pr$cticamente de defectos de ele#ada densidad con superficies lisas Fbuenos acabados superficialesG !ue precisan de un pe!ueDo o ning-n mecani:ado& Con este procedimiento resulta eliminado cual!uier defecto en el proceso de sinteri:ado me?or$ndose en consecuencia las propiedades mec$nicas especialmente la fatiga del material& As" pues en todos los sentidos las pie:as for?adas superpl$sticamente son muc>o m$s precisas ) resistentes !ue las obtenidas por fusión& A este respecto cabe seDalar !ue algunos in#estigadores >an for?ado en estado pastoso en matri: abierta ) ba?o condiciones superpl$sticas F'&2;;C ) 0';9( Sg9' de #elocidad de deformaciónG un lingote cer$mico de magnesia F/3gG dopada con N,Si( Fnitruro de silicioG obteni1ndose un producto de caracter"sticas comparables a las de las aleaciones met$licas conformadas superpl$sticamente& La e#aluación preliminar de sus propiedades mec$nicas Fresistencia mec$nica superior a los 20 gKmm%G >a dado por resultado una superioridad a las de todas las cer$micas de nitruro de silicio conocidas& Algunas aleaciones con finos tamaDos de grano e incluso materiales compuestos de matri: met$lica pueden deformarse f$cilmente si se eligen las temperaturas adecuadas ) se controlan las gamas de #elocidades de deformación& 6ebido al for?ado superpl$stico de ciertas aleaciones se suprimen conforme se >a seDalado las operaciones finales de mecani:ado ) acabado Flo !ue implica menores costesG siendo un proceso ampliamente utili:ado para la for?a de pie:as de superaleaciones a base de Ni ) Ti aplicables a las :onas calientes de las turbinas de gas& Esta misma t1cnica parece ser adecuada para la obtención de pie:as cer$micas tales como discos de turbinas de gas co?inetes #$l#ulas >erramientas de corte ) elementos an$logos& +or e?emplo se estima !ue ser"a m$s rentable ) de superiores caracter"sticas la obtención de la pista de rodadura de un co?inete de calidad si se parte de un conformado superpl$stico en caliente !ue si se produce por el mecani:ado con diamante& En el mismo orden de ideas se >a desarrollado una compositav completamente nue#a a base de fibra de CSi ) matri: de magnesia ) aluminatos material compuesto !ue cuando se for?a superpl$sticamente tiene una superior resistencia a las altas temperaturas Fpor
encima de los '&(;;CG !ue las compositas obtenidas por los m1todos con#encionales a base de fibras de CSi
C47-(3,+ +4'7+(3,+ 3*5 4+(+453(,+ 4'4@,),+ +or otro lado di#ersos laboratorios est$n ensa)ando con una cer$mica superpl$stica !ue puede ser deformada FalargadaG a m$s de dos #eces su longitud inicial sin cambio de sus propiedades f"sicas& Se trata de una cer$mica de circonia F\r/%G parcialmente estabili:ada F+S%G !ue se obtiene por recocido en >orno de la \r/% con Itrio el cual le comunica #iscosidad a la circonia& Se >a estirado una muestra de , cm >asta alcan:ar los 55 cm de longitud& El material despu1s de la deformación alcan:a una dure:a superior a la de la cer$mica m$s dura FN,Si(G apro.im$ndose a la del diamante& Las propiedades desli:antes de lo s planos de fin"simos cristales Fpart"culasG son los responsables de la superplasticidad del material& Al estirarse la cer$mica sus cristales !uedan preparados para sufrir una transformación estructural sin alterar su tamaDo ni sus propiedades f"sicas& Se estima !ue las cer$micas superpl$sticas podr$n procesarse pr$cticamente como las aleaciones met$licas& Los usos potenciales de las cer$micas superpl$sticas inclu)en componentes de motores de e.plosión ) e!uipamiento de reactores nucleares&
D4/*-,3(&5 '7+(3, )4 ', 4+(54', 6ebemos insistir en !ue la for?a superpl$stica de las cer$micas tenaces puede constituir uno de los procesos de ma)or por#enir durante los pró.imos aDos )a !ue permitir"a producir pie:as cer$micas de forma limpia !ue no precisan de mecani:ado& Yltimos a#ances consisten en la deformación superpl$stica de los finos granos de la espinela F3g/KAl%/(G& Lo fundamental en el proceso de for?ado de la espinela es la obtención de una solución sobresaturada de fin"simos granos de la cer$mica en cuestión por lo !ue 1stos no pueden formar microgrietas en los bordes de los granos cuando se le aplica un esfuer:o al elemento cer$mico& +or otra parte los granos m$s grandes -nicamente pueden ali#iar las tensiones por el agrietamiento en la superficie de contacto& Los planos de granos mu) finos tienden a desli:arse ba?o pe!ueDos esfuer:os continuos lo !ue >ace el proceso m$s #iable económicamente ele#adas tensiones continuadas podr"an romper las matrices for?adas&
En los ensa)os la espinela se deforma ba?o tensiones ele#adas con #elocidades de deformación de ';90 a ';9( Sg9l ) temperaturas entre ',0; C ) '2'%C& La espinela se #uel#e d-ctil para ba?as #elocidades de deformación Fba?as #elocidades de aplicación de la tensiónG ) ele#adas temperaturas especialmente a temperaturas pró.imas a la de fusión& Aun!ue se obtienen alargamientos #arias #eces superiores a la longitud primiti#a de la probeta la forma ) tamaDo de los cristales permanece e!uia.ial e igual& La for?a superpl$stica de la espinela >a sido )a ensa)ada para tratar de me?orar su fiabilidad a causa de los fallos por defectos estructurales&
C47-(3,+ 4/*,),+ En #irtud de su fragilidad el ma)or defecto de las cer$micas 1stas se comportan como matrices en los materiales compuestos& de forma completamente distinta !ue las polim1ricas ) met$licas& Efecti#amente en los materiales compuestos de matri: met$lica o polim1rica las fibras proporcionan la ma)or parte de la resistencia mec$nica mientras !ue la matri: suministra la tenacidad al con?unto& +or el contrario la matri: cer$mica es mu) resistente ) r"gida pero poco tena: ) para aumentar su tenacidad se tiene !ue recurrir a las fibras largas o cortas Fw>isersG para !ue blo!ueen el crecimiento de las grietas !ue pueda contener la matri: as" si una grieta en crecimiento se encuentra con una fibra puede des#iarse o separar la fibra& Como en ambos procesos se consume energ"a se retrasa o detiene el a#ance de la grieta& A continuación comentaremos una serie de cer$micas tenaces refor:adas con w>isers ) otra de compositasv a base de cer$micas de distintos tipos por las !ue se obtienen unas caracter"sticas mec$nicas mu) superiores a las de las cer$micas sin refor:ar
C47-(3,+ 45,34+ 4/*,),+ 3*5 `(+Z4+a En este campo se >an encontrado ciertos ó.idos cer$micos tenaces !ue me?oran sensiblemente su resistencia a las grietas al refor:ar a!u1llas con w>isersv mono cristalinos de mu) alta resistencia ) rigide: como se sabe la denominación w>iserv comprende a todas a!uellas fibras mu) cortas ) de di$metro pró.imo a la micra& Se >a obser#ado !ue la adición de un %;Z en #olumen apro.imadamente de w>isers de SiC en una matri: de Al%/( Fal-minaG ó Si/,Al FmullitaG constitu)en unos materiales compuestos !ue alcan:an resistencias a la rotura superiores al doble a los ó.idos cer$micos enunciados&
Adem$s la ele#ada resistencia de las compostas obtenidas se mantiene cuando la temperatura crece >asta los '&;;; C& Controlando con#enientemente la proporción de w>isers su distribución en la matri: ) su ad>erencia a la misma se >an podido obtener materiales compuestos en los !ue los w>isers mantienen a las grietas sin desarrollarse fi?$ndose en la :ona de la matri: en donde se >an formado& As" pues a!u1llas no pueden progresar sin e.pulsar o despla:ar a los w>isers >acia la periferia de la matri: para lo cual >abr"a !ue reali:arse un traba?o es decir ser"a precisa una energ"a adicional por lo !ue la presencia de los w>isers in>ibe o dificulta el crecimiento de las grietas& Adem$s para obtener una pie:a cer$mica m$s resistente a fallos instant$neos e impre#istos el refuer:o de la matri: Fcer$micaG por los w>isers reduce la probabilidad de fallo en el tiempo debido a un crecimiento muc>o m$s lento de las grietas cuando a la pie:a se la somete a la tensión de ser#icio& La resistencia a la rotura me?orada por el procedimiento descrito significa !ue se pueden obtener cer$micas refor:adas con w>isersv de >asta 5;; 3+a es decir 5&'%; gKcm% con relati#amente grandes defectos Fpor tratarse de cer$micasG de ';; a %;; micras& En estas condiciones la gran #enta?a de esta nue#a compositav estriba en !ue para alcan:ar estas ele#adas resistencias con las cer$micas tenaces sin refor:ar el tamaDo cr"tico de los defectos deber"a mantenerse mu) pe!ueDo menores de %; micras en #e: de las %;; micras para las cer$micas refor:adas con w>isersv& Con las t1cnicas ordinarias de detección de defectos es mu) dif"cil el detectarlos de tamaDo tan reducido F%; micrasG particularmente en una pie:a de forma comple?a& As" pues otra #enta?a de estas compositasv consiste en la posible utili:ación de t1cnicas de inspección con#encional por los productores de cer$micas para #erificar cual!uier grieta o defecto !ue a pesar de su tamaDo F%;; micrasG no afecten a las pie:as de resistencia ele#ada& Estas compositasv de matri: cer$mica refor:ada con w>isersv pueden fabricarse directamente por las t1cnicas de procesado de pol#os cer$micos es decir de sinteri:ado con presión isost$tica o no& Sus e.celentes propiedades a ele#adas temperaturas ) resistencia a los c>o!ues t1rmicos conser#ando su tenacidad resistencia a la rotura ) a la f'uencia >ace a dic>as compositasv aptas para utili:arse en >erramientas de corte componentes de motores
t1rmicos ) para componentes de procesos industriales en los !ue se >allen presentes los desgastes FabrasionesG ambientes corrosi#os altas temperaturas etc& Los e.pertos opinan !ue estas cer$micas de ó.idos cer$micos refor:adas con w>isersv para obtener materiales compuestos se pueden generali:ar para otros ó.idos distintos a la al-mina ) mullita&
#.2. CERÁMICA ELECTRÓNICA La cer$mica electrónica es un t1rmino gen1rico !ue describe una clase de los materiales inorg$nicos no9met$licos utili:ados en la industria de electrónica& Aun!ue las cer$micas electrónicas o electrocer$micas inclu)endo los cristales amorfos ) los singulares pertenecen generalmente a los sólidos inorg$nicos policristalinos abarcando a los cristales orientados de forma aleatoria FgranosG enla:ados "ntimamente& Esta orientación al a:ar de pe!ueDos cristales FmicrómetrosG da lugar a las caracter"sticas e!ui#alentes !ue poseen de las cer$micas isotrópicas en todas las direcciones& El car$cter isotrópico se puede modificar durante la operación de la sinteri:ación en las altas temperaturas o al enfriarse a temperatura ambiente por t1cnicas de procesado tales como el conformado en caliente en un campo el1ctrico o magn1tico& Las caracter"sticas de las electrocer$micas se relacionan con su microestructura de cer$mica el tamaDo ) la forma de grano orientación ) l"mites o bordes del grano& La cer$mica electrónica se combina a menudo con los metales ) los pol"meros para resol#er los re!uisitos de un amplio espectro de los usos las computadoras las telecomunicaciones los sensores F!#G ) los actuadores de la alta tecnolog"a& Adem$s de fibras ópticas ) de e.>ibiciones a base de Si/% la cer$mica electrónica abarca una amplia gama de materiales ) de familias de la estructura cristalina usada como aisladores los condensadores pie:oel1ctricos magn1ticos los sensores de semiconductores los conductores ) los superconductores de alta temperatura recientemente descubiertos& El amplio alcance e importancia de la industria electrónica de la cer$mica se e?emplifica en la figura ' !ue e.>ibe es!uem$ticamente los componentes electrocer$micos utili:ados en la industria del automó#il& Actualmente el crecimiento de la industria de cer$mica electrónica es conducido por la necesidad del tra:ado de circuitos integrados !ue da lugar a nue#os progresos en materiales ) procesos& El desarrollo de los pa!uetes de m-ltiples capas para la industria de la microelectrónica integrados por los órdenes de cer$mica tridimensionales de funcionamientos m-ltiples llamados la cer$mica monol"tica F33CG contin-a el proceso de la miniaturi:ación comen:ado >ace #arias d1cadas para proporcionar una nue#a generación de productos robustos ) baratos&
3ercado electrónico de la cer$mica&
F53(&5
M,4(,'
P*)3*+
Aislantes
+orcelana #idrio Steatita
Aislamiento de alto #olta?e
Embala?e
Al%/( 7e/ AlN
Substratos de circuitos integrados pa!uetes F33C@ 3onolit>ic 3ulti9 Components CeramicG
Capacitores Falmacenamiento de energ"aG
7aTi/( SrTi/( Ti/%
Capacitares multicapa ) de barrera
+ie:oel1ctricos
+bF\t'9.Ti.G/( Si/% Fcuar:oG
ibradores osciladores filtros motores )
accionadores 3agn1ticos
F7aLaGTi/( %/(
Inductores transformadores dispositi#os de memoria
Semiconductores
3gCr% /,9Ti/% CdS SiC
+TC Termostatos NTC #aristores sensores de pH sensores de >umedad celdas solares calentadores el1ctricos&
Conductores
Ru/% NaAl''/'4& \r '9 %.[%./%9. [7a%Cu(/49x
Resistencias Ffilm delgadoG electrolitos sólidos sensores de o."geno superconductores&
#.2.! RELACIONES ENTRE LA ESTRUCTURA Y LAS PROPIEDADES Una descripción de los fenómenos atómicos ) electrónicos utili:ados en la tecnolog"a de las electro cer$micas& 6iscusiones m$s detalladas de sus familias ) de las relaciones entre la estructura ) las propiedades se pueden encontrar en otros art"culos& Los condensadores de m-ltiples capas los transductores pie:oel1ctricos ) los termistores positi#os del coeficiente de la temperatura F+TCG >acen uso de las caracter"sticas ferro el1ctricas del titanatoFIG de bario de 7aTi/( ) del titanato del :irconato del plomo& Al enfriarse de altas temperaturas esta cer$mica e.perimenta transformaciones de fase a las
estructuras polares !ue tienen patrones comple?os del dominio& Los picos grandes en la constante diel1ctrica acompaDan las transiciones de la fase donde est$n especialmente acti#os los momentos de dipolo el1ctrico a los campos el1ctricos& Consecuentemente las composiciones modificadas del titanato del bario 7aTi/( se utili:an e.tensamente en la industria de m-ltiples capas del condensador ) la ma)or"a de los transductores pie:oel1ctricos se >acen del titanato de la :irconia del plomo la cer$mica F+\TG& La aplicación de un campo grande de la C&C& FVel polingWG alinea los dominios ) forma el pie:oel1ctrico de cer$mica& La designación +\T es una marca registrada de ernitron inc&
Una descripción de los mecanismos atómicos implicados en componentes electro cer$micos ) en las aplicaciones correspondientes@ FaG dominios ferro el1ctricos@ condensadores ) pie:oel1ctricos termistores del +TC FbG conducción electrónica@ ermistor de NTC FcG aisladores ) substratos FdG conducción superficial@ sensores de la >umedad FeG dominios ferromagn1ticos@ imanes duros ) sua#es de la ferrita cinta magn1tica FfG transición del metal9semiconductor@ termistor cr"tico de la temperatura NTC FgG conducción iónica@ sensores ) bater"as del gas ) F>G fenómenos del l"mite de grano@ #aristores condensadores de la capa de l"mite termistores del +TC&
Los fenómenos similares del dominio se obser#an en cer$micas ferromagn1ticas del ó.ido tal como ferrita del manganeso 3n
mecanismo de intercambio& Los dipolos magn1ticos se orientan aleatoriamente en el estado paramagn1tico de alta temperatura pero al enfriarse con la temperatura de curie TC se alinean para formar dominios magn1ticos dentro de los granos de cer$mica& El pico en la permeabilidad magn1tica en el TC es an$logo al pico en la constante diel1ctrica de la cer$mica ferroel1ctrica& Las paredes del dominio se mue#en f$cilmente en las ferritas sua#es F!#G como 3ne.agonal >aci1ndola -til como im$n permanente& arias clases de mecanismos de conducción son operati#os en termistores de cer$mica resistores #aristores ) sensores !u"micos& Los termistores negati#os del coeficiente de temperatura FNTCG >acen uso las caracter"sticas semiconductoras de los ó.idos met$licos de transición dopados tales como tipo9 n acen de soluciones sólidas de ó.idos met$licos& Las transiciones de la fase est$n implicadas en termistores cr"ticos de la temperatura& El #anadio /% ) el trió.ido del #anadio %/( tienen transiciones de semiconductor9 metal en las cuales la conducti#idad disminu)e #arios órdenes de magnitud al enfriarse& Las transiciones electrónicas de fase tambi1n se obser#an en cer$micas superconductoras como [7a%Cu(/4 9 . pero a!u" los aumentos de la conducti#idad se agudi:an al enfriarse con la transición de la fase& La conducti#idad iónica se utili:a en sensores del o."geno ) en las bater"as F!#G& La :irconia estabili:ada \r ' 9 .Ca./% 9 . tiene un n-mero mu) grande de las #acantes del o."geno ) el b9Al-mina mu) alto de la conducti#idad NaAl''/'4 es un conductor e.celente del catión debido a la alta mo#ilidad de los iones de Na J& La cer$mica del b9 Al-mina se utili:a como el electrolito en bater"as de sodio9a:ufre& La conducción superficial se super#isa en la ma)or"a de los sensores de >umedad con el uso de la cer$mica porosa de 3gCr %/,9Ti/% !ue fi?an las mol1culas de agua por adsorción !ue despu1s disocian ba?ando la resistencia el1ctrica& Los fenómenos del borde de grano est$n implicados en #aristores condensadores de la capa de l"mite ) termistores del +TC& La formación de las finas capas de aislante entre los granos !ue conducen es crucial en la manipulación de los tres componentes& La interrupción el1ctrica re#ersible en #aristores se >a remontado a >acer un t-nel mec$nico del !u$ntum a tra#1s de las barreras aisladores finas& En un termistor de 7aTi/ (9+TC la polari:ación el1ctrica asociada a la transición ferro el1ctrica de la fase neutrali:a las barreras aisladores >aciendo !ue la cer$mica pierda muc>a de su resistencia ba?o los
condensadores de la capa de l"mite del TC& Tener barreras algo m$s gruesas !ue no puedan ser superadas >acen de la cer$mica un aislante del resto& Sin embargo el mo#imiento de cargas dentro de los granos de cer$mica !ue conducen le#anta la constante diel1ctrica ) aumenta la capacitancia& La importancia de substratos electro cer$micos ) de los aislantes no debe n ser pasados por alto& A!u" uno se esfuer:a en seDalar la grande:a de la interrupción eliminando los mecanismos interesantes de la conducción apenas descritos& Los enc>ufes de c>ispa los aisladores de alto #olta?e ) los substratos ) los pa!uetes electrónicos se >acen de cer$mica como la al-mina la mullita ) la porcelana&
#.2." PROCESO DE LA CERÁMICA DE MLTIPLES CAPAS Los a#ances r$pidos en tecnolog"a de circuitos integrados >an conducido a la me?ora del proceso ) a la fabricación de la cer$mica de m-ltiples capas F3LCG especialmente para los condensadores ) los pa!uetes micros electrónicos& La fiabilidad creciente >a sido el resultado de una cantidad enorme de in#estigación dirigida e entender las di#ersas relaciones entre la micro estructura ) la s caracter"sticas implicadas en el proceso de fabricación total de 3LC& Esto inclu)e el procesado del pol#o la formación fina de la >o?a las interacciones metal-rgicas ) su prueba final& Actualmente los condensadores de m-ltiples capas ) el empa!uetado ocupan m$s de la mitad del mercado electrónico de la cer$mica& +ara los condensadores de m-ltiples capas m$s de %; mil millones de unidades se fabrican un aDo e.cediendo en n-mero ) en gran medida cual!uier otro componente de cer$mica electrónico& La cer$mica de m-ltiples capas ) los pa!uetes >"bridos consisten en alternar capas de electrodos del diel1ctrico ) del metal seg-n lo demostrado en los cuadros 0 ) 2 respecti#amente& La fuer:a impulsora para estas configuraciones compactas es la miniaturi:ación& +ara los condensadores la capacitancia cG medida en faradios < es
donde es la constante diel1ctrica FadimensionalG e; la constante diel1ctrica A es el $rea del electrodo m% ) t el espesor de la capa diel1ctrica m& C aumenta con el aumento de $rea ) del n-mero de capas ) del espesor !ue disminu)e& Los espesores t"picos se e.tienden entre '0 ) (0 mil"metros& Seme?antemente para los pa!uetes del substrato la configuración de m-ltiples capas incorpora l"neas trans#ersalmente integradas del conductor ) las tra)ectorias #erticales conductoras F#"asG
!ue permiten numerosas intercone.iones entre los componentes a tra#1s de la distribución del sistema ) de energ"a del dispositi#o en un espacio relati#amente pe!ueDo& Los substratos de 3LC capaces de proporcionar '%&;;; cone.iones el1ctricas !ue contienen (0;&;;; #"as se fabrican actualmente&
Sección trans#ersal es!uem$tica de un condensador con#encional de 3LC&
6iagrama es!uem$tico de un substrato de 3LC para el empa!uetado micro electrónico& El n-mero de etapas del procedimiento mostrados en el cuadro 4 se utili:an para obtener la configuración de m-ltiples capas para los compuestos de cer$mica9 metal& Los pasos de procesado b$sicos son@ preparación de las me:cla ) cintas fabricación del #erde empa!uetamiento impresión de electrodos internos o de la metali:ación apilamiento ) laminado el corte en cubitos o control dimensional !uemadura de la carpeta sinteri:ación acabado final ) encapsulado& 6espu1s de cada paso de proceso el control de calidad en la forma de pruebas f"sicas ) el1ctricas no destructi#as asegura un producto final uniforme&
esi#a FdG electroding FeG apilamiento FfG laminación FgG el cortado en cubitos F>G calentamiento ) FiG etapa de acabado& El blo!ue de edificio b$sico la >o?a #erde de cer$mica una me:cla de pol#o diel1ctrico suspendido en un sistema o un #e>"culo l"!uido acuoso o no acuoso abarcado de sol#entes las carpetas los plastificantes ) otros aDadidos para formar el slip !ue se puede ec>ar en >o?as finas son las Vmaterias primasW de este proceso & El propósito de la carpeta F%;&;;;9(;&;;; pol"meros del peso molecularG es unir las part"culas de cer$mica bien ?untas para formar las >o?as #erdes fle.ibles& Los electrodos se defienden en la cinta usando una goma apropiada de los pol#os del metal& Los sol#entes desempeDan un n-mero de papeles dominantes e.tendi1ndose desde la desaglomeración de part"culas de cer$mica para controlar la #iscosidad de la cinta del molde a la formación de la microporosidad en la >o?a mientras !ue el sol#ente se e#apora& Los plastificantes los IE las mol1culas org$nicas clasificadas como pe!ueDas o medias ) los entrecru:amientos entre las mol1culas de la carpeta proporcionan ma)or fle.ibilidad a la >o?a #erde& Los dispersores mol1culas del pol"mero t"picamente entre '&;;; ) ';&;;; de peso molecular se agregan a las finas capas o slips a)udando en la desaglomeración
de part"culas del pol#o teniendo en cuenta las densidades m$s altas en la cinta del molde& El slip !ue resulta debe tener comportamiento reológico seudopl$stico& Ha) #arios m1todos para >acer las grandes >o?as de cer$mica utili:adas utili:adas en la fabricación fabricación de 3LC& Los m1todos inclu)en el bastidor de la pel"cula del cristal de la correa ) del portador ) t1cnicas de colocación >-medas& Las #enta?as ) las limitaciones relati#as de cada t1cnica se >an repasado& Las dos t1cnicas empleadas com-nmente bastidores de la correa ) Vblading doctorW se representan es!uem$ticamente en el cuadro 5&
6iagrama es!uem$tico de los m1todos para la fabricación de 3LC arriba@ bastidor de la correa aba?o@ bastidor de la pel"cula del portador usando una l$mina&
La meta metali li:ac :ació iónn de las las >o?a >o?ass #erde #erdess es real reali: i:ada ada gener general alme ment ntee por la pan panta tall llaa !u !uee imprime por lo !ue un metal de la tinta consistente en los pol#os dispersados por #e>"culos de la resina ) del sol#ente es for:ado a tra#1s de una pantalla modelada& Las alea aleaci cion ones es del del pala paladi dioo ) de plat plata9 a9pa pala ladi dioo FAg@ FAg@+d +dGG son son la form formaa m$s m$s comcom-nn de metali:ación el tungsteno ) el molibdeno se utili:an para altas temperatura en 3LCs& 6espu1s de la in#estigación las capas metali:adas se apilan ) se laminan para colocar FalinearG ) para fundir las >o?as del #erde en un componente monol"tico& El registro
apropiado es crucial para alcan:ar ) mantener el diseDo de la capacitancia Fcondensadores de 3LCG ) para la colocación apropiada del corte en pa!uetes de 3LC& La sinteri:ació sinteri:aciónn es el proceso m$s comple?o de la fabricación de 3LC& Idealmente la calcinación o calentamiento de la carpeta ) los pasos de la sinteri:ación se reali:an durante el mismo ciclo de la temperatura ) en la misma atmósfera& La ma)or"a de las carpetas !ueman por 0;;C bien antes de encierro del poro en el densificación de la ma)or"a de las cer$micas& El comportamiento en la sinteri:ación de los muc>os ) di#ersos comp compon onen ente tess de 3LC 3LC se debe debe reco reconc ncil ilia iarr para para alca alcan: n:ar ar un mate materi rial al dens denso& o& La metali:ación interna ) el diel1ctrico deben !uemarse en un solo proceso& Las temperaturas se relacionan con la composición del material ) se pueden a?ustar usando los aDadidos& Las tarifas de densificación se relacionan con la temperatura de proceso ) con las cara caract cter er"s "sti tica cass de la part part"c "cul ulaa Ftam FtamaD aDo o dist distri ribu buci ción ón de tama tamaDo Do ) esta estado do de la aglom aglomer eraci aciónG ónG&& As" As" la !uem !uemad adura ura ) las las condi condici cione oness de la sint sinteri eri:a :aci ción ón depen depende denn fuertemente del sistema& 6espu1s de la densificación durante las etapas de terminación los plomos e.ternos del electrodo se unen para los componentes del condensador de 3LC ) el monta?e ) ensamblado del módulo ) de la #iruta del IC se reali:an para los pa!uetes de 3LC& Los dispositi#os entonces se prueban para asegurar su buen funcionamiento ) fiabilidad total&
#.2.# PELICULA GRUESA La pel"cula gruesa se procesa para los circuitos integrados >"bridos por deba?o de ';;;C proporcionando diseDos de circuito fle.ibles&
C*-*5454
C*-*+(3(&5
Conductor de fase funcional
Au +tKAuAg +dKAgCu Ni
Resistencia
Ru/% 7i%Ru%/4
6iel1ctrico
7aTi/(idrioidrio9 cer$micaAl%/(
Aglutinante
idrio@ borosilicatos alumi aluminosi nosilic licato atosÓ.i sÓ.idos@ dos@ Cu/ Cu/
Cd/ #e>iculo
BIBLIOGRAFIA
GRAN ENCICLOPEDIA INTERACTIVA MILENIO olumen , Editorial Re)mo
QUÍMICA ORGÁNICA 6aniel S& emp
QUÍMICA ORGÁNICA Hart Harold Craine Leslie E&Hart 6a#id O& Hadad C>ristop>er 3& Editorial 3c=raw9Hill
CONCEPTOS DE QUÍMICA Horacio Capel S$e: O& Bu"le: +ardo Oos1 3ar"a 7leda =uerrero Rosa 3uDo: 7ello FEdiciones del Serbal S&A&G
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