FINAL INORGÁNICA
Modelo de Rutherford: toda la masa y la carga positiva está concentrada en el núcleo, y alrededor del mismo a gran distancia se mueven los electrones describiendo órbitas circulares. La fuerza centrípeta es la necesaria para compensar la atracción a tracción electrostática (terminaría cayendo). Modelo de Niels Bohr: Pudo explicar el espectro del hidrógeno. Modelo planetario (el electrón gira en órbitas estacionarias). El electrón gira en la órbita en que su momento angular sea nh/2 π. Cuando el electrón se mueve en una órbita no radia energía. Max Born: propuso que el cuadrado de la función de onda 2 es proporcional a la probabilidad de encontrar la partícula en un punto (da el significado a la onda asociada a una partícula). Números cuánticos: - Número cuántico principal (n): indica el tamaño del orbital y cuánto se extiende la densidad electrónica desde el protón si un electrón ocupa dicha órbita. A mayor n, más se extiende la densidad electrónica con una menor atracción al protón. Distancia entre electrón y núcleo. - Número cuántico orbital (l): describe la forma que adopta la densidad electrónica (orbital) en el espacio. L = 0 esférica, L = 1 lobular, etc. - Número cuántico de momento angular (m): describe la orientación del orbital en el espacio. - Número cuántico de spin (s): orientación de los electrones (sentido de giro del campo magnético que produce el electrón al girar sobre su eje). Principio de Aufbau: sólo dos electrones de spin opuesto pueden asignarse a un orbital; los electrones se asignan a un orbital uno por vez con el próximo electrón asignado al orbital de energía más baja posible; si los orbitales de menor energía disponibles son degenerados entonces un electrón se asigna primero a cada orbital teniendo todos los electrones el mismo spin (Regla de Hund). Energía reticular: energía total que libera 1 mol de un cristal en el proceso de llevar los iones (g) necesarios hasta posiciones de la red estable: M + (g) + X- (g) MX (s) Principio de Exclusión de Pauli: ningún par de electrones en un átomo tiene los cuatro números cuánticos iguales. Carga nuclear efectiva: carga del núcleo menos el factor de apantallamiento ( ). Zef = Z - . Reglas empíricas para el cálculo (de Slater): - Los electrones de la capa de valencia no contribuyen c ontribuyen al apantallamiento. - Cada electrón de igual n al considerado contribuye con 0,35 excepto en d o f donde contribuyen con 1 (si están en el orbital s o p). - Los electrones que están en el número cuántico principal contribuyen con 0,85 excepto si se estudian los orbitales d o f donde contribuyen con 1. - Todos los electrones de niveles inferiores influyen con 1.
Propiedades Periódicas:
Radio Atómico: mitad de la distancia que separa los núcleos de dos átomos iguales unidos por enlace covalente (radio covalente), o mitad de la distancia que hay entre los núcleos de dos átomos de moléculas vecinas (radio de Van Der Waals), o mitad de la distancia que separa los núcleos de dos átomos vecinos en el metal sólido (radio metálico). Nota: todas las propiedades periódicas aumentan hacia el flúor excepto el radio atómico, que aumenta hacia el francio (y hay excepciones).
Energía de Ionización: energía necesaria para extraer un electrón del orbital ocupado más externo de un átomo libre.X(g) X+ + e- Los valores elevados de la Ei, están asociados con los gases gases nobles - Los valores más pequeños de Ei, asociados con los elementos del grupo 1 - Existe un aumento generalizado de los valores de Ei a lo largo de un período - Los valores de Ei son discontinuos al pasar de un elemento del grupo 15 al grupo 16 - Los valores de Ei disminuyen disminu yen al pasar de un elemento del grupo 2 o 12 a su su vecino del grupo 13 - Los valores de Ei son bastante parecidos para una serie d Afinidad electrónica: cambio de energía necesario para agregar un electrón al orbital desocupado de más baja energía de un átomo libre en estado gaseoso. X(g) + e- X(g)Electronegatividad: capacidad de un átomo en una molécula de atraer electrones hacia sí mismo. Los elementos del segundo período difieren de sus respectivos grupos, ya que tienen pequeño tamaño, forman fácilmente enlaces π y no po seen orbitales d. Similitudes diagonales: relación diagonal sólo importante entre los tres primeros grupos. Los factores son el tamaño iónico y la electronegatividad.
Enlace Químico:
Enlace químico: existe cuando las fuerzas que se establecen entre los átomos o grupos de átomos le confieren estabilidad para que puedan ser considerados independientes. Lewis: estableció que los átomos se combinan a fin de alcanzar una configuración electrónica más estable. La máxima estabilidad se produce cuando un átomo es isoelectrónico con un gas noble. Modelo de Lewis: muestra la relación del átomo con la molécula, el orden de enlace y el número de pares libres y esto esto puede utilizarse para obtener las formas molecular probable por medio medio del modelo de repulsión entre pares de electrones. electrones. Teoría de Repulsión de los Pares de Electrones de Valencia (TRPEV): supone que las repulsiones entre los pares de electrones del átomo central se ubican lo más lejos posible uno del otro. La intensidad de la repulsión es: par solitario – par solitario > par solitario – par enlazante> par enlazante – par enlazante. Postulados: - El factor más importante que determina la geometría son las zonas de densidad electrónica alrededor del átomo central (pares electrónicos). - Los pares electrónicos se repelen entre sí y se ubican en el espacio de manera tal que la distancia entre ellos sea la máxima posible (mínima repulsión). - Los pares electrónicos no compartidos ocupan más espacio que los compartidos. - Las uniones múltiples entre dos átomos se consideran como una zona de densidad electrónica Propiedades magnéticas: presencia de electrones no apareados la determinan. - Diamagnetismo: átomos que sólo contienen electrones apareados (repulsión débil). - Paramagnetismo: átomos que contienen uno o más electrones no apareados son atraídos por el campo magnético. Teoría del Enlace de Valencia: se supone que los orbitales atómicos de los átomos adyacentes pueden interactuar, para formar un nuevo orbital que está entre ambos átomos y contiene dos electrones con spines opuestos. Existen enlaces sigma que presentan simetría axial. Combinación Lineal de Orbitales Atómicos (CLOA): Un orbital molecular se obtiene por la combinación lineal de la función de onda de los orbitales atómicos atómicos que constituyen constituyen la unión. Para que el mezclado sea significativo, los orbitales atómicos deben tener energía similar. Para que los orbitales se solapen, los signos de los lóbulos que se superponen deben ser iguales. iguales.
(Oxígeno)
H2 a N2: O2 a Ne2: Hibridación: los orbitales híbridos son orbitales atómicos que se obtienen cuando 2 o más orbitales no equivalentes se combinan para formar una unión covalente y tienen características diferentes a aquéllos que los formaron y con energía intermedia.
Momento dipolar molecular: depende de la magnitud y la dirección relativa de todos los momentos dipolares de los enlaces de la molécula (contribuyen los pares electrónicos sin compartir). Si el momento es cero, la molécula es no polar. Fuerzas de dispersión (London): cuando una molécula es polar no existe un dipolo (su nube electrónica es simétrica). Pero al estar en movimiento los electrones, puede suceder que la nube se deforme momentáneamente y se produzca un dipolo (temporario). Cuanto mayor sea la nube electrónica es más fácilmente polarizable y mayor es la fuerza de London. Existen en todas las moléculas, sean polares o no. En las no polares son las únicas que existen. Enlace puente de hidrógeno: la molécula para que exista puente de hidrógeno debe tener un átomo de hidrógeno unido directamente a un átomo muy electronegativo (F, O, N) Enlace iónico: compuestos sólidos. Los cristales son duros y frágiles, tienen puntos de fusión altos, conducen la electricidad en punto de fusión, se disuelven (la mayoría) en solventes muy polares y también conducen en esta solución. Enlace metálico: conductividad eléctrica tridimensional. Casi siempre comparten electrones externos con los átomos vecinos. Libre movimiento de los electrones (explica alta conductividad eléctrica y térmica, y su gran reflectividad). Ante la ausencia de enlaces direccionales, se explica la maleabilidad y ductilidad. Los metales fundidos siguen conduciendo calor y electricidad, conservan los enlaces en estado líquido. Pierden las propiedades en estado gaseoso. - Modelo de mar de electrones: los electrones de valencia tienen libertad de movimiento por toda la estructura del metal e incluso pueden salir de él con la c onsecuente producción de iones positivos. Los electrones de valencia conducen la corriente y el calor (no permite predicciones).
-
Teoría de bandas: en un enlace metálico de n átomos del mismo elemento, se constituye una banda.Se puede explicar la conductividad eléctrica y calórica con la posibilidad de que un electrón con una cantidad infinitamente pequeña de energía pueda alcanzar la banda vacía, en estas condiciones el electrón puede moverse libremente por toda la estructura metálica. Los electrones pueden absorber energía en un amplio espectro y al volver al estado basal emitir luz (reflectividad y brillo). Semiconductores: En estos la banda posee una zona prohibida intermedia entre conductores y no conductores. Existen tipo n (elemento grupo 15), o tipo p (grupo 17) - Si y Ge son incapaces de formar enlaces p π por lo que sólo presentan estructura diamante y no estructura tipo grafito - En la estructura diamante todos los electrones se encuentran en enlaces covalentes localizados y por lo tanto no pueden conducir la corriente eléctrica - En el Ge y Si, sin embargo los electrones enlazantes son atraídos con menor fuerza debido al apantallamiento de los electrones internos - Si estos elementos se calientan o se exponen a la luz, o se adicionan ciertas impurezas se liberan más electrones la conductividad aumenta - El Ge y el Si puros tiene una capacidad natural o inducida de ser semiconductores y se denominan semiconductores intrínsecos. - Dopar un semiconductor: añadirle impurezas para aumentar su conductividad (agregando uno con más electrones) o reducirla (con menos electrones). Cúbica simple
Cúbica centrada en el cuerpo (NC 8):
Cúbica en el cuerpo Cúbica en las caras
Cúbica centrada en las caras (NC 12):
COMPLEJOS – COMPUESTOS DE COORDINACIÓN Los iones metálicos de transición poseen orbitales d libres, que les permiten actuar como ácidos de Lewis, dando origen a los complejos. Nomenclatura: 1. Nombrar los ligandos y el átomo del ion o el metal. Las especies no iónicas se escriben con una sola palabra, las iónicas con tres, con el anión primero. 2. El átomo o ion central del metal se identifica con –ato si es anión. 3. Los ligandos neutros reciben el mismo nombre que la molécula original, salvo el agua (acuo), el amoníaco (amino), el dióxido de carbono (carbonilo) y el óxido de nitrógeno (nitrosilo). 4. Los ligandosaniónicos y los que terminan en –uro se pasan a –o 5. Los ligandos se colocan en orden alfabético. 6. Si hay varios ligandos igual se usan prefijos numerales. 7. Si varios ligandos contienen prefijos numéricos se usan bis, tris, etc. 8. Cuando hay un puente, éste se indica con la letra µ. 9. Al escribir la fórmula se colocan primero los aniónicos y después los neutros. Isómeros: especies químicas que tienen el mismo número y tipo de átomos con diferentes propiedades. 1) Estereoisómeros: difieren en la posición espacial.
a. Isómeros Ópticos (Enantiómeros): quiralidad; imágenes especulares no superponibles. b. Isómeros Geométricos: da lugar a distintas geometrías.Cis equivale a facial y trans a meridional. 2) Isómeros Estructurales: distintos números y tipo de enlaces químicos. a. Isómeros de Coordinación: intercambio de ligandos entre las esferas de coordinación. b. Isómeros de Ionización: intercambio de grupos entre las esferas y los con traiones. c. Isómeros de Enlace: difieren en sitio de unión que utiliza un ligando ambidentado. d. Isómeros de Hidratación: agua entre los ligandos o “al final”. Teoría del Enlace de Valencia: unión covalente entre ligando y metal. Explica las propiedades magnéticas y estructurales del enlace. Hibridación. Para n = 4 hay tetraédricos (grupo IIB) y cuadrado plano. Teoría del campo cristalino: se supone que el ion del metal es libre y gaseoso, que los ligandos se comportan como cargas puntuales, y que no hay interacciones entre el orbital del metal y los orbitales de los ligandos. Supone unión iónica entre ligandos y metal (explica el color). Propone que el acercamiento de los átomos donores por los ejes de los orbitales d forman un campo eléctrico (cristalino) que elimina la degeneración de dichos orbitales:
Δoct
Si el delta octaédrico es pequeño es de alto spin (orbital externo) Serie espectroquímica: mayor spin I-< Br-
Hidrógeno
Tiene tres isótopos: protio (A=1), deuterio (A=2) y tritio (A=3). El T es radiactivo. Se lo encuentra en la naturaleza por el impacto de rayos cósmicos sobre el nitrógeno, se usa en bombas de hidrógeno. Obtención: usando un catalizador a base de Níquel a 800ºC, se pueden producir estas reacciones. - C + H2O Ø H2 (g) + CO (g) - CH4 (g)+ H2O (g) → CO (g) +3 H2 (g) - Usando catalizador a base de Fe 2O3/Cr2O3 a 400ºC: CO (g) + H2O(g) → CO2 (g) + H2 (g) - En laboratorio: acción de ácidos diluidos sobre metales (Zn). - Para alta pureza, se utiliza la electrólisis de una solución acuosa de NaOH/KOH: Cátodo: 2 H2O(l) + 2 e- → 2OH- (ac) + H2(g) Ánodo: 2OH- (ac) → 2OH- (ac) +1/2 O2(g) + 2 eGas incoloro e inodoro. Reacciona explosivamente con oxígeno en presencia de una chispa. Reacciona con halógenos y la velocidad de reacción disminuye a medida que aumenta el número atómico. La reacción con nitrógeno (para formar amoníaco) es muy lenta a temperatura ambiente.
A altas temperaturas reduce los óxidos metálicos. En presencia de Pt o Pd reduce dobles y triples enlaces C-C. Hidruros: - Salinos/Iónicos (H + Metal “s”): sólido cristalino no conductor de la electricidad y no volátil. Insolubles en solventes no acuosos. Reacción con agua violenta y peligrosa. Se utilizan para eliminar agua de solventes no acuosos. CaH2(s) + 2H2O → Ca(OH)2 + H2(g)
-
-
Metálicos (H + Metal “d”): en general, sólidos no estequiométricos y conductores. Entre grupos 3 y 5 (más HCr). Alta velocidad de difusión del hidrógeno a través del sólido a altas temperaturas (se utiliza en la ultrapurificación del hidrógeno por difusión en un tubo de aleación Pd-Ag). Moleculares/Covalentes (H + elemento “p”): compuestos moleculares volátiles. Casi todos son gases a temperatura ambiente. Clasificación: a) Con deficiencia de electrones (diborano, B 2H6): Cada cajita vacía se llena con un orbital s del hidrógeno puente. b) Con número exacto de electrones (hidruros del grupo 14): moléculas tetraédricas, al bajar en un grupo la longitud del enlace aumenta. c) Ricos en electrones: ejemplo común amoníaco, sobra un par de electrones.
Oxígeno
Gas incoloro e inodoro que se condensa para formar un líquido color azul pálido. Se lo obtiene por destilación fraccionada del aire. La molécula de oxígeno es paramagnética Obtención O2: - Industrial: destilación fraccionada del aire (con pureza de 95,5%). No se hace por electrólisis del agua por el costo (pero sería más puro). - Laboratorio: calentamiento de compuestos oxigenados (HgO, PbO 2, BaO2, KClO3). Óxidos: - Óxidos ácidos: en disolución acuosa, se une a un a molécula de agua y da origen a un ácido. - Óxidos básicos: transfiere un protón cuando se disuelve en agua o reaccio na con un ácido. - Óxidos anfóteros: óxido que reacciona tanto con ácidos como bases. - Peróxidos y superóxidos: metales alcalinos y alcalinos térreos (O 2-, O22-) Ozono: alótropo del oxígeno inestable y diamagnético. Se produce en regiones de alto voltaje. Es un agente muy oxidante. Es muy buen bactericida. Tiene efecto sobre tejidos pulmonares y piel. Contaminante atmosférico en la superficie de la tierra. En la estratósfera forma una capa protectora donde absorbe rayos UV.
Agua
Tiene un diagrama de fases especial (la densidad del hielo es menor que la del agua líquida). La fase más densa se favorece al aumentar la presión.
Según origen: - Superficiales: alto contenido en sales y límpidas (de mares). B ajo contenido en sales y turbias. - Subterráneas: gran contenido de sales en general y límpidas, debido a propiedades filtrantes de la tierra. - Meteóricas: originadas en fenómenos meteorológicos, como lluvia, deshielo, etc. Se aproximan más al agua químicamente pura. Aguas Duras: aquellas que tienen la propiedad de “cortar” el jabón, endurecer las legumbres al ser cocidas y formar incrustaciones en los tubos de calderas. Los responsables de estas propiedades son cationes de metales pesados (se consideran Mg 2+ y Ca2+). - Dureza Temporaria: puede eliminarse por calentamiento y filtración. Las restantes sales de calcio y magnesio, sulfatos, cloruros, nitratos, etc, si son solubles son los responsables de la dureza permanente (no experimentan cambios químicos al ser calentados). Expresión de la dureza de aguas: 1 ppm es la dureza ocasionada por 1 g de CaCO 3 en 1 m 3 de agua. Ablandamiento del agua: método de la cal-soda (capacidad del CaO y Na 2CO3 de precipitar Ca). - Calcio: Ca+2 + Na2CO3 → CaCO3 ↓ + 2 Na+ Ca(HCO3)2 + CaO → 2 CaCO3 ↓ + H2O - Magnesio: MgCl2 + CaO + H2O + Na2CO3 → Mg(OH)2 ↓ + CaCO3 ↓ + 2 NaCl
Metales Alcalinos y Alcalino-térreos
Alcalinos: Baja densidad y alta reactividad química. La primera energía de ionización es baja porque el electrón s está apantallado por los internos. El Litio es muy diferente a los demás por su pequeño tamaño. Poseen débiles enlaces metálicos. Siempre aparecen en forma combinada en la naturaleza (depósitos de sal, sales disueltas en el mar). Excelentes conductores de la electricidad y el calor. El sodio se utiliza como material de transferencia de calor en ciertos tipos de reactores nucleares. Metales blandos. El litio se deja cortar con cuchillo y el potasio se puede aplastar.Más reactivos cuando están puros. Su baja densidad de carga explica la buena solubilidad en sales. - Puntos de fusión muy bajos (disminuyen al descender en el grupo). Fuerzas de cohesión bajas
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Forman óxidos, peróxidos (sodio principalmente) o superóxidos (K, Rb, Cs). Cuando el peróxido se trata con agua, se produce agua oxigenada.Los superóxidos se forman con el metal y oxígeno molecular. Li + O2 Li2O, 2 Na + 2 O 2 Na2O2, 4KO2 + 2H2O 4KOH + 3O2
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Obtención del Na: célula de Downs. Se introduce cloruro de sodio fundido (electrólisis).
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Obtención del NaOH: diafragma (se desprenden hidrógeno y cloro, parte inferior NaOH). Método del cátodo móvil (mercurio forma amalgama con el sodio, se recicla). Diafragma de asbesto.
-
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Obtención de la soda Solvay: 1) CaCO3 (calor) CO2 + CaO 2) CO2 + NH3 + NaCl + H2O NaHCO3 + NH4Cl (a pH 11 el NaHCO3 es insoluble) 3) NaHCO3 (calor) Na2CO3 + CO2 + H2O 4) NH4Cl + CaO CaCl2 + NH3 + H2O Uso de la soda Solvay: fabricación de vidrio (fundente), industria química. Carácter básico, solubilidad, bajo costo. Fuente de carbonatos para eliminar iones alcalinotérreos del agua. Relaciones diagonales: Li y Mg. Densidades de carga semejantes (y distintas con otros de sus respectivos grupos). Relativamente inertes, duros, no forman superóxidos, atacan al nitrógeno, compuestos organometálicos similares.
Alcalinotérreos: Más duros, densos y menos reactivos que los alcalinos. Comparados con los metales típicos, son más reactivos y de menor densidad. En general: plateados y de baja densidad. Más pequeños que los alcalinos sus radios atómicos, químicamente menos reactivos. En general, los compuestos que tienen iones de radios muy diferentes son solubles en agua. Muchas sales de este grupo son insolubles en agua. - Berilio: gris acerado, alto punto de fusión, baja densidad, conduce electricidad. Alta densidad de carga (polariza los aniones, compuestos covalentes). Metal anfótero, sus óxidos reaccionan tanto en medio básico como alcalino. El cloruro de berilio (como el de aluminio) es un polímero sólido covalente con cloruros en dos planos perpendiculares. Forma carburos. - Obtención del Mg: a partir de agua de mar. Ca(OH)2 + Mg2+ (ac) Ca2+ (ac) + Mg(OH) 2 (s) Mg(OH)2 (s) + 2 HCl (ac)
MgCl2 (ac) + 2 H2O (l)
Se electroliza para obtener el magnesio.
Familia del Boro (Trielos)
No metales (excepto el B). Pf altos. Muy blandos (salvo el B). Carácter metálico (salvo B) No son similares químicamente entre sí. B y Al más importantes.
Similitudes B – Si: ácido bórico es similar al silícico, distinto del hidróxido de aluminio (carácter anfótero). Los hidruros de ambos son volátiles, inflamables y fácilmente hidrolizables. Los halogenuros son fácilmente hidrolizables, los óxidos forman vidrios y tienen naturaleza ácida. Boranos: enlace tricéntrico. Gaseosos, buenos combustibles. El diborano es el hidruro más sencillo (generalmente deficiente en electrones). B nHn+4
Boratos: agentes limpiadores (en el bórax). Análogos Boro-Nitrógeno: excelente lubricante, químicamente resistente y soporta altas temperaturas. Sometido a grandes temperaturas y presiones se convierte en un alótropo con forma similar al diamante llamado “Borazón” (es un agente abrasivo). Aluminio: el empaque superficial prácticamente no cambia porque los iones aluminio encajan en los intersticios de la estructura del óxido superficial.
Obtención del aluminio: Proceso Hall -
Purificación de la Bauxita (Bayer): Filtro
digestión
-
Enfriamiento: (Hidrólisis) Sembrado: se agregan partículas más grandes de hidróxido de aluminio. Por atracción electrostática, se le unen las partículas pequeñas formando flóculos.
-
Horno rotativo:
Similitudes B – Si: forman óxidos parecidos (B2O3, Si2O3), ácidos parecidos (débiles), y forman una gama de hidruros gaseosos e inflamables.
GRUPO 14– F AMILIA DEL C ARBONO
Propiedades: transición del carácter no metálico al metálico al incrementar Z. Pf y Pe disminuyen al aumentar el Z.
Alótropos del C: - Diamante (red de enlaces covalentes sp3, aislante eléctrico, conductor térmico, Pf alto, sustancia más dura conocida). Diamantes sintéticos: se disuelve grafito en un metal fundido, cristalizando la muestra y al enfriar disolver en ácido. - Grafito: átomos unidos por enlaces covalentes en anillos de seis miembros. La conductividad en el plano de las láminas es mucho mayor que a través de ellas. Excelente lubricante (las láminas se pueden deslizar unas con otras). Atracción débil entre las capas. - Fullerenos: se obtienen en cantidades menores cuando se establece un arco eléctrico entre dos electrodos de carbono en una atmósfera inerte. Solubles en solventes hidrocarbonados que permiten separarlos por cromatografía. Estructuras simétricas. Reaccionan con alcalinos. - Fibras de carbono: se preparan por pirolisis de fibras de asfalto, se incorporan a polímeros de alta resistencia. - Negro de humo: usado como pigmentos para tintas, relleno de cauchos. - Carbón activado: adsorbente efectivo de moléculas (co ntaminantes orgánicos del agua). Carburos iónicos: ióndicarburo (-2). Únicos carburos que manifiestan reactividad química.
Carburos covalentes: Muy duros, Pf alto. SiC se usa como agente de esmerilado y pulido en aplicaciones metalúrgicas, color verde brillante puro Carburos metálicos: los átomos de carbono se insertan en las estructuras cristalinas del metal. El metal debe adoptar una estructura de empaque compacto. El acero al carbono es más duro que el hierro puro. Óxidos del Carbono: - CO: gas venenoso (afinidad con la hemoglobina). Enlace C-O muy corto. Gas reactivo. - CO2: gas denso incoloro, no arde. Poder disolvente semejante a un líquido.
Tecnologías limpias: reciclo de CO 2 para separar un material extraído limpio (se utiliza el fluido supercrítico que genera a 7,4 MPa y 30ºC el dióxido de carbono.
Silicio: metaloide quebradizo, brillante, gris azulado, alto Pf y semiconductor. Se comporta químicamente más como un no metal a pesar de su apariencia metálica. Silicio: preparación de aleaciones metálicas. Uso del Si en la manufactura de dispositivos semiconductores para artefactos electrónicos. Se requiere Silicio muy puro (altamente costoso). Obtención de Si: se calenta SiO2 (cuarzo) con coque a 2000ºC en un horno eléctrico, y se drena el silicio en el horno. Silicio ultra puro: silicio crudo a 300ºC en una corriente de HCl gaseoso. El triclorosilano (SiHCl 3) se destila una y otra vez. La reacción inversa es espontánea a 1000ºC y deposita silicio ultra puro.
Purificación del Si: se basa en que las impurezas son más solubles en la fase líquida que en la sólida. Se desplaza una varilla de silicio a través de una bovina que l o funde, y a medida que pasa se solidifica de nuevo (las impurezas se difunden hacia la parte de la varilla que permanece fundida). Semiconductores de Si: el silicio purificado se impurifica para prepararlos. Se introducen pequeñas cantidades de otros elementos (dopado). Si se coloca un elemento de tipo n con uno p se genera un movimiento de electrones en un sentido (transmisión unidireccional). Silicatos (SiO2): enlaces covalentes Si-O en una red molecular gigante. La red está constituida por bloques de SiO4 tetraédricos. Los tetraedros se pueden unir por sus vértices formando cadenas simples, cadenas dobles (amianto), láminas (talco), redes espaciales (cuarzo). Algunos átomos de silicio son sustituidos por aluminio (alúmino silicatos). Cementos: CaO agente de fraguado principal, Al 2O3 propiedades fundentes (resistencia a altas temperaturas), Fe2O3 color, SiO2 rigidez estructural. Batería de Plomo: Cuando la batería está cargada, la sustancia activa del cátodo es el PbO 2 y el ánodo es el
plomo metálico, el electrolito es el ácido sulfúrico diluido. Los reactantes y los productos que contienen plomo de ambos electrodos son insolubles. Cuando la pila genera corriente, la reacción catódica es la reducción del Pb(IV), como PbO2, a Pb(II), que en presencia del ácido sulfúrico, se deposita en el electrodo como PbSO4 insoluble -
+
-
Ánodo: Pb(s) + SO42- (aq) → Pb SO4 (s) + 2 eVidrio: Materias primas: arena, carbonato o sulfato de sodio (baja punto de fusión), piedra caliza, cristal reciclado (ecológico). - Fabricación del vidrio: ingredientes se funden en un horno para obtener cristal líquido y el fuego lo mantiene caliente y fluido. El vidrio flota sobre el estaño a 1000ºC, se va enfriando y solidificando en este depósito, toma consistencia pegajosa y viscosa, pero se puede desplazar sobre los rodillos. El horno túnel vuelve a calentar el vidrio sin llegar a fundirlo, se deja enfriar lentamente (evitando grietas) y se corta con un diamante.
GRUPO 15– F AMILIA DEL NITRÓGENO
Características: Aumento de cierto carácter metálico y en la estabilidad de los estados de oxidación inferiores a medida que aumenta el número atómico. P y As presentan alótropos. Forman trióxidos e hidruros MH3 (gases venenosos). Nitrógeno: poco soluble en agua, aumenta con la presión. Diluye el oxígeno de la atmósfera. Óxidos de nitrógeno: - N2O: propiedades anestésicas, gas hilarante (odontología). - NO2: fabricación del ácido nítrico. - N2O4: oxidante en combustibles de cohetes - NO: mantiene la presión de la sangre, esencial para la conservación de la memoria a largo plazo. Molécula de amoníaco: gas de olor penetrante característico. Molécula piramidal, polar, presenta puente de H, y es capaz de disolver los metales alcalinos y los alcalino-térreos. Obtención del amoníaco: método Haber – Bosch. N2 (g) + 3 H2 (g) →2 NH3 (g). La pureza depende de la temperatura a la que se realiza. Es reversible, exotérmica. Catalizador de hierro con K, Al, Ca, Mg, Si, O.
Usos del amoníaco: producción de fertilizantes. H2S04(ac) + 2 N H3 (NH4)2S04(ac) H3P04(ac) 3 N H3 (NH4)3P04(ac) HNO3: líquido aceitoso e incoloro, peligroso. 4 HNO3(ac) → 4 N02(g) + 02(g) + 2 H20(I) Cu + HNO3Cu(NO3)2 + NO2 + H2O - Obtención del HNO3: oxidación catalítica del amoníaco a alta temperatura con exceso de aire.
Proceso Ostwald: 4 NH3(g) + 5 O2(g) (Pt; 850ºC)→ 4 NO(g) + 6 H2O(g) 2 NO(g) + O2(g) → 2 NO 2(g) 2 NO2 ↔ N2O4 3 NO2(g) + H2O(l) → 2 HNO3(ac) + NO(g) Se obtiene de pureza 60%. HNO3 forma un azeótropo con el agua. Se utiliza destilación extractiva si se quiere eliminar el agua.
Alótropos del Fósforo: - Fósforo elemental (P4) consiste en moléculas tetraédricas, se le llama fósforo blanco. Combustión espontánea en aire. - Fósforo rojo (P4 a 300ºC en ausencia de aire): menos reactivo, más estable. - Fósforo negro: fósforo blanco a presiones de 1,2 GPa. Anillos de 6 miembros arrugados. Obtención de Fósforo: materia prima roca fosfórica, arena y coque. Horno eléctrico. 2 Ca3(P04)2(s) + 10 CO(g) 6 CaO(s) + 10 C02(g) + P4(g) CO2(g) + C(s) 2 CO(g) CaO(s) + SiO2(s) CaSiO3(l) Fósforo blanco: Ca3(PO4)2 + C + SiO2 CO + CaSiO3 (escoria) + P4 (g) Se bombea tetrafósforo gaseoso y se rocía con agua. Se drena hacia los tanques de retención. Reacciones: NH4Cl + NaNO2 (calor) NH4NO2 + NaCl y luego NH4NO2 (mucho calor) N2 + H2O NH4Cl + Ca(OH)2 (calor) NH4OH + CaCl2 y luego NH4OH (mucho calor) NH3+ H2O
GRUPO 16– F AMILIA DEL OXÍGENO
Sólidos (excepto el oxígeno). Estados de oxidación +2, -2, +4, +6. Compuestos simples tienen mal olor. Alótropos del S: El ciclooctaazufre cuando funde se forma un líquido de baja densidad, pero a los 159 ⁰C
su viscosidad aumenta 10.000 veces y se oscurece, esto es debido a la rotura de los anillos que se entrelazan para formar polímeros de 20.000 de S, luego disminuye la viscosidad cerca del punto de ebullición (444 ⁰C). Si este líquido se vierten en agua fría, se forma un sólido transparente y elástico de color café (azufre plástico), lentamente se transforma en S rómbico. La ebullición del S produce una fase gaseosa verde de ciclooctaazufre . - Sβ: S8. Forma polimorfa (monoclínico). - S rómbico. Diagrama de fases del azufre, muestra las relaciones existentes entre las variedades alotrópicas rómbica y monoclínica, la fase líquida considerada en forma general, sin tener en cuenta las variedades que la integran, y el estado vapor, todas en función de la presión y la temperatura. Las presiones no están representadas en escala. Pueden ser apreciados tres puntos triples: Punto O: Indica un estado de equilibrio entre las variedades rómbicas, monoclínica y fase vapor. Punto B: Indica estado de equilibrio entre la variedad monoclínica, fase vapor y fase líquida. Punto C: indica estado de equilibrio entre las variedades rómbica, monoclínica y la fase vapor. Punto b: estado de equilibrio entre el estado rómbico, la fase líquida y el vapor
Obtención del S: se extra subterráneamente, inyectando por un tubo, agua supercalentada por otro, y por otro sale azufre líquido (las impurezas no funden). Sino, pro ceso Claus: se extrae el sulfuro de hidrógeno del gas natural amargo burbujeando el gas a través de un solvente orgánico, se elimina el combustible (separa y calienta), y se reduce el ácido a azufre en dos etapas. Catalizador de Fe2O3 y Al2O3 HOCH2CH2NH2(l) + H2S(g) HOCH2CH2NH3+(dísolvente) + HS- (disolvente) 2 H2S(g) + 2 O2(g) → 1/8 S8(g) + SO2(g) + 2 H2O(g); 2 H 2S(g) + SO2(g) → 3/8 S8(s) + 2 H2O(g); Aplicación de azufre: pólvora (S, carbón y nitrato potásico) y vulcanización del caucho (fibras), fumigación de recipientes, fabricación y conservación de vinos y cervezas. Dióxido de azufre: gas incoloro, denso, olor intenso, tóxico. Híbridos sp2. Muy soluble en agua. Se obtiene así: 1/8 S8(s) + O2(g) → SO2(g) 2 ZnS(s) + 3O2(g) → 2 ZnO(s) + 2 SO2(g) Trióxido de azufre: moléculas triangulares planas. Muy reactivo. En agua con reacción violenta. Agentes oxidantes poderosos. Da lluvia ácida. CaCO3 (s) + H2SO4 (ac) → CaSO4 (s) + H2O (l) + CO2 (g) Obtención de trióxido de azufre: 2 NO (g) + O2 (g) 2NO2 (g) y luego SO2 (g) + NO2 (g) NO (g) + SO3 Obtención de ácidosulfúrico: 2 SO2 + O2 => 2 SO3 SO3 + H2O => H2SO4
Contaminación: parte del dioxidede azufre se escapa, y el ácido sulfúrico también (como niebla). Reducción de las emisiones de SO2: cambio periódico del catalizador, doble catálisis, chimeneas altas
GRUPO 17– H ALÓGENOS
No metales más reactivos (F es el más). Elementos más electronegativos. Volátiles, diatómicos. Cl, Br e I tienen oxoácidos. F es el único que da sales ácidas (NaHF 2). Pf aumentan al descender en el grupo, Ei disminuyen al aumentar Z. Su color se intensifica al aumentar Z. Flúor: no metal más reactivo. Se puede mantener en recipientes metálicos, el F2 es el halógeno más oxidante. Usos del Flúor: fabricación de UF6, para industria nuclear. Obtención de Fluor: método electroquímico (separación de pantalla de metal monel) A la salida se ponen sales: NaF + HF NaHF2 Ánodo: 2 F-(g) → F2(g) + 2e Cátodo: 2H+ + 2 e → H2(g)
Cloro: gas denso, color verde claro, tóxico. Su inhalación provoca irritación en el sistema respiratorio. En bajas concentraciones se utiliza para aniquilar microorganismos Obtención de Cloro: Idem obtención de NaOH Usos del cloro: producción de organoclorados (monómero del PVC, clorometano). Blanqueador de la pulpa de papel. Tratamiento de aguas. Fabricación de compuestos inorgánicos. Obtención de HCl: 1. Laboratorio:
2. Industria:
Obtención del Bromo a partir de agua de mar: oxidación química de los iones bromuro del agua de mar. Cl2 (g) + 2 X- (ac) 2 Cl- (ac) +X2 (g) , después 3 X2 + 3 Na2CO3 NaXO3 + 5 NaX +3 CO2 y finalmente NaXO3 + 5 NaX + 6 HCl 3 X2 + 6 NaCl + 3 H2O Oxoácidos de los halógenos: unión covalente con el oxígeno.
Compuesto interhalogenados: XYn (n es impar)
(bipirámide pentagonal)
GRUPO 18– G ASES NOBLES
Grupo menos reactivo de la tabla periódica. Poseen átomos en los cuales las capas de valencia son octetos completos (salvo He). Monoatómicos incoloros e inodoros a temperatura ambiente. Helio: se enfría y sigue siendo líquido. Hay helio I (líquido ordinario) y II (conductor térmico). Usos: inflar globos (helio), sustituto del nitrógeno en inmersiones de altamar, luces de neón. Helio líquido se usa para enfriar aparatos científicos a temperaturas muy bajas.
ELEMENTOS DE TRANSICIÓN
Es aquel para el cual el átomo tiene una subcapa d incompleta que da lugar a un catión. La mayoría de los elementos del bloque d son elementos de transición, es decir todo elemento de transición pertenece al bloque de, pero los grupos 3 y 12 no poseen elementos de transición. Los colores de sus compuestos son variados, que se debe a que el mismo absorbe en la región del espectro visible. Casi todos estos metales son duros, dúctiles, maleables y tienen elevada conductividad eléctrica y térmica. Son poco reactivos con alto punto de fusión. Los radios metálicos varían poco en una fila dada.
Metalurgia: conjunto de operaciones y transformaciones químicas que van desde la extracción del mineral hasta la elaboración del producto final. Se parte de diferentes minerales, que contienen compuestos del metal (composición mínima determinada).
Mineral: mena (contiene al compuesto del metal) y ganga (tierra, arcilla, rocas y otros materiales). Concentración del mineral: métodos de separación de fases (flotación, sedimentación, arrastre, tamizado, lixiviación, etc). Tratamiento intermedio: tratamiento químico que conduce a productos intermedios fáciles de reducir. Puede ser calcinación (calentamiento de la mena para producir su descomposición, eliminando algunos constituyentes en forma de gases) o tostación (reacción química entre los constituyentes de la mena y la atmósfera del horno en que se lleva a cabo) Refinación: llevar el metal al nivel de pureza necesario para su uso. Depende del metal. Alto horno: El alto horno tiene forma de dos conos truncados unidos por sus bases mayores. La mayor
parte recibe el nombre de cuba, y la inferior, la de etalaje. El espacio ancho comprendido entre la cuba y el etalaje, es denominado “vientre” . El etalaje apoya sobre el “crisol”, por donde son extraídos el arrabio y la escoria por sendos orificios de descarga o “sangrado “, ubicados en la parte inferior y superior, respectivamente. - El horno está construido de acero, con la parte interna recubierta por ladrillos refractarios. La parte superior del horno, por donde se introducen las cargas del mineral de hierro, coque y fundente, recibe el nombre de “tragante”, y está construido por un sistema de doble cierre.El aire precalentado a una temperatura de aproximadamente 600° C, se inyecta por la parte inferior mediante una serie de toberas. - Materias primas: hematita, magnetita, pirita, calcita, coque y aire precalentado. - Productos: hierro fundido, impurezas (carbono, azufre, fósforo) que forman el arrabio.
CORROSIÓN
Corrosión: fenómeno natural por medio del cual los sistemas materiales manifiestan su tendencia hacia un estado de equilibrio estable. Deterioro de material a causa de su reacción con el medio, destrucción de los materiales por cualquier medio, excepto mecánicos, proceso inverso a la metalurgia. Pérdidas económicas: directas (costos para la reposición de equipos, maquinaria o componentes) e indirectas (interrupción en la producción, pérdida de producto, contaminación del mismo, pérdida de rendimiento, sobredimensionamiento, accidentes). Clasificación de los procesos de corrosión: - Medio que lo produce - Condiciones físicas que lo producen - Industria en que se produce - Morfología de ataque: uniforme, por placas, por picado, en rendijas, intergranular, fisurante.
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Mecanismo del ataque: 1) Corrosión química: ocurre a altas temperaturas, en ausencia de electrolito. Los productos frecuentes son óxidos “in situ”, la circulación de iones y electrones es a través del óxido.
2) Corrosión electroquímica: necesaria la presencia de un electrolito. Se forman dos zonas en el metal, una donde se disuelve (oxida) anódica y otra que no se altera catódica. Se fo rma una pila.
Diagramas de Poubaix: muestra las fases termodinámicamente estables para cada sistema metal electrolito en función del pH y del potencial.
Formas de evitar la corrosión: selección del material, modificación del medio agresivo (inhibidores), diseño, protección anódica-catódica, recubrimientos. - Diseño: fácil reemplazo de piezas, evitar cambios bruscos, evitar sobrecalentamiento. - Protección catódica: convertir en cátodo de una pila la superficie que se desea proteger. a. Acoplamiento galvánico: elemento que se comporta como ánodo respecto del metal que se quiere proteger (ánodo de sacrificio). b. Conexión a una fuente externa de corriente continua: el ánodo es un electrodo inerte para evitar su disolución, grafito. Se conecta al polo negativo de una fuente de corriente continua. - Protección anódica: aplicación de potencial positivo que induzca en el metal la formación de una película pasivante (metales y aleaciones pasivables). Mayor costo (más conveniente). - Recubrimientos: forman una barrera entre el metal y el medio. Inorgánicos (anodizado, fosfatizado, cromatizado, formación de óxidos sobre aceros), orgánicos (pinturas, esmaltes, plásticos), y metálicos (hojalata, protección con ánodo de sacrificio).
