Química Industrial
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Transcript Química Industrial
OPCIÓN C
QUÍMICA EN LA INDUSTRIA Y LA
TECNOLOGÍA
•
Hierro
•
Acero
•
Aluminio
•
•
•
Hierro:
• El horno alto
• Materias primas
• Reacciones
• Productos
Acero:
• Convertidor L-D
• Reacciones
• Propiedades y usos de aleaciones de acero
Aluminio:
• Reacciones
• Producción en celdas electrolíticas
•
•
Los minerales de hierro más
comunes son los óxidos y los
sulfuros y pueden ser reducidos
a mineral de hierro en un alto
horno.
Para la reducción se utilizan
agentes reductores como el
carbono, el monóxido de
carbono y el hidrógeno.
•
La carga se compone de:
• Mineral de hierro
(principalmente hematita,
óxidos hidratados y limonita)
• Coque
• Caliza: para disolver y eliminar
impurezas
• Aire precalentado
• Para formación de CO y H2 :
COQUEHIDROCAR 2C(s) + O2(g)→2CO(g)
BUROS CH4(g) +½O2→CO(g)+2H2(g)
•
•
Para formación de hierro: ARRABIO
Fe2O3(s) + 3CO(g) → 2Fe(l) + 3CO2(g)
Fe3O4(s) + 4H2(g) → 3Fe(l) + 4H2O(g)
FeO(s) + CO(g) → Fe(l) + CO2(g)
Fe2O3(s) + 3C(s) → 2Fe(l) + 3CO(g)
Para eliminación de impurezas:
CaCO3(s)→CaO(s) + CO2(g)
CO2(g) + C(s)→2CO(g) y H2O(g) + C(s)→H2(g) + CO(g)
CaO(s) + SiO2(s)→CaSiO3(l) ESCORIA
•
Hierro fundido (arrabio), que contiene fósforo, azufre,
manganeso, silicio y 4-5% de carbono. El hierro se
puede aumentar su pureza en un convertidor y
posteriormente ir a un laminado; alternativamente, se
puede destinar a la fabricación de piezas de fundición.
Escoria, que se utiliza para construcción de carreteras,
para fabricación de cemento y para aislamiento
térmico. Moldeo
Productos
laminados
Acero
•
Laminación
Arrabio
•
El arrabio es llevado por canaletas hasta las vagonetas
térmicas.
•
Una vez en las vagonetas, es trasladado a la Acería.
•
•
El acero es una aleación base hierro-carbono, (1,7 %
max) con el agregados de otros material para
propósitos determinados, (aceros aleados).
El acero se obtiene purificando el arrabio en un horno
conocido como convertidor L-D, en el cual gracias al
aire caliente soplado al interior se quema el excedente
de carbono obteniéndose Acero.
•
En algunos hornos el calor para fundir y refinar el
acero procede de la electricidad y no de la combustión
de gas, a diferencia del convertidor L-D convencional.
Estos hornos son sobre todo útiles para producir acero
inoxidable y acero aleado. Con estos hornos disminuye
el tiempo necesario para producir el acero.
Electrodos
Acero
Liquido
Cuchara
Posicion
descarga
•
•
•
•
De oxidación para eliminación de
impurezas:
C + O2→2CO2
4P+ 5O2→P4O10
Si + O2 →SiO2
Además se añade cal para formar: fosfato
de calcio Ca3(PO4)2, y silicato de calcio,
CaSiO3
Para controlar la temperatura se añade
chatarra de acero.
Para eliminar el oxígeno disuelto en acero,
se añade aluminio y silicio.
Para obtener acero de diferentes
características se añaden elementos
aleantes como cromo y níquel .
•
EJEMPLOS DE USOS:
• Acero inoxidable:
18% cromo y 8% níquel
• Acero templado:
20% molibdeno
PROPIEDADES SEGÚN EL TRATAMIENTO TERMICO:
• Temple (acero menos quebradizo): calentamiento hasta 400600ºC y enfriamiento lento.
• Recocido (acero más dúctil): calentamiento hasta 1040ºC y
enfriamiento lento.
• Templado (acero más duro): después del recocido y
enfriamiento rápido.
El principal mineral de aluminio es la bauxita (Al(OH)3)
y las principales impurezas son óxido de hierro (III) y
óxido de titanio.
Eliminación de impurezas:
• Al(OH)3(s) + NaOH(ac)→NaAlO2(ac) + 2H2O(l)
Filtrado + calentamiento
• 2Al(OH)3(s)→Al2O3(s) + 3H2O(1)
ALUMINA
Precipitación del fluoruro de aluminio y sodio Na3AlF6, (conocido
como criolita):
NaAlO2(ac) + 6HF(g) + Na2CO3(ac)→
Na3AlF6(s) + 3H2O(1) + CO2(g)
Electrolisis de la alúmina fundida: para bajar el punto de fusión de
la alúmina (2400ºC) se agrega criolita y el punto de fusión se reduce
a 950ºC (permite ahorrar energía).
•
El cátodo (electrodo negativo) está formado por un revestimiento
de grafito:
Al3+(1) + 3e→Al(l)
•
El ánodo (electrodo positivo) está hecho de un bloque de grafito
que se va consumiendo:
2O2- (l)→O2(g) + 4eC(s) + O2(g)→CO2(g)
LA INDUSTRIA DEL PETRÓLEO
El petróleo como materia prima para los alcanos
y los alquenos a través del craqueo.
Tipos de craqueo:
Craqueo a vapor: precalentada, vaporizada y
mezclada con vapor. Alquenos con masa molecular
baja.
Craqueo catalítico: con catalizadores, permiten que
ocurra a baja temperatura.
Hidrocraqueo: materia prima mezclada con
hidrógeno. Alcanos ramificados, cíclicos y
componentes aromáticos de la gasolina.
POLÍMEROS DE ADICIÓN
Fabricados a partir de los alquenos obtenidos en
el craqueo del petróleo.
Sus propiedades dependen de:
Ramificación
Orientación de los grupos funcionales
Sus propiedades pueden modificarse con:
Plastificantes
Inyección de hidrocarburos volátiles
POLÍMEROS DE ADICIÓN
RAMIFICACIÓN:
Según las propiedades de la reacción, el eteno
puede formar:
- Polieteno de alta densidad (HDPE): fuerte, denso
y rígido.
- Polieteno de baja densidad (LDPE): resistente y
flexible. Envoltorios de alimentos
POLÍMEROS DE ADICIÓN
ORIENTACIÓN DE LOS GRUPOS LATERALES:
En el polipropeno, los grupos metil pueden estar:
- Todos orientados igual en la cadena del polímero:
polímero isotáctico. Cristalinos y duros
(parachoques, alfombras…)
- Orientados libremente: polímero atáctico.
Blando y flexible (sellado, techumbres…)
POLÍMEROS DE ADICIÓN
PLASTIFICANTES:
Pequeñas moléculas que pueden encajar entre
largas cadenas de polímeros.
Actúan como lubricantes debilitando la atracción
entre las cadenas, hacen el plástico más flexible.
Según la cantidad de plastificante añadido, los
plásticos pueden pasar de rígido a plegable.
POLÍMEROS DE ADICIÓN
HIDROCARBUROS VOLÁTILES
Si añadimos pentano en la formación del
poliestireno, vaporiza y produce poliestireno
expandido, que es más ligero, un buen aislante
térmico y con buenas propiedades de absorción de
choques.
DESVENTAJAS DEL USO DE LOS
POLÍMEROS
Agotamiento de los recursos naturales: los
polímeros son carbono, procedente del petróleo,
que es un combustible fósil.
Disposición: no es fácil deshacerse de los
plásticos:
Reciclados (PVC y polipropeno)
Debilitados y descompuestos por los rayos UV (nylon)
Quemado, se producen venenos (ácidos cianhídrico y
clorhídrico)
Biodegradabilidad: los plásticos pueden hacerse
más biodegradables añadiendo polímeros
naturales (almidón).
CATALIZADORES
- Pueden ser:
Homogéneo: misma fase que reactivos y productos
Heterogéneo: distinta fase que reactivos y/o productos
- En la industria maximizan la producción y los
beneficios.
- Elección: eficiencia, impacto ambiental, trabajo en
condiciones extremas de presión y temperatura.
- Pueden ser inutilizados por los venenos (azufre,
monóxido de carbono y cianuro).
CATALIZADORES
HETEROGÉNEOS:
Fácil de extraer de los productos.
Menos específicos
Sólo activos en la superficie, menos efectivos
HOMOGÉNEOS:
Difícil separación de los productos
Muy específicos en las reacciones
Eficaces, pues reacciona todo el catalizador y no sólo
la superficie.
BATERÍAS RECARGABLES Y
CÉLULAS DE COMBUSTIBLE
Batería: celdas electroquímicas o voltaicas donde
la energía química se transforma en eléctrica.
Los electrones transferidos en la reacción
espontánea redox que tiene lugar en la celda
voltaica producen la electricidad.
Almacenan y transportan cantidades de energía
pequeñas.
Celdas Primarias, usadas sólo una vez.
Celdas Secundarias, se pueden recargar.
BATERÍAS DE PLOMO-ÁCIDO
Ejemplo de celda secundaria utilizada en los automóviles.
Consiste en 6 celdas conectadas en series, que producen un
voltaje total de 12 V.
Los electrodos negativos están hechos de plomo, y los
electrodos positivos están hechos de óxido de plomo (IV).
Oxidación (electrodo -):
Pb + SO42- → PbSO4 + 2e-
Reducción (electrodo +):
PbO2 + 4H+ + SO42- + 2e- → PbSO4 + 2H2O
La reacción global que tiene lugar es, por lo tanto:
Pb + PbO2 + 4H+ + 2SO42- → 2PbSO4 + 2H2O
La reacción inversa tiene lugar durante la carga.
Inconvenientes: son muy pesadas y tanto el plomo como el
ácido sulfúrico son contaminantes.
BATERÍA DE NÍQUEL-CADMIO
Y DE IÓN-LITIO
Son recargables y se usan en electrónica y juguetes.
Potencial de celda de 1,2V
El electrodo positivo está hecho de hidróxido de níquel, que
está separado del electrodo negativo hecho de hidróxido de
cadmio. El electrolito es hidróxido de potasio.
Durante la descarga ocurre la siguiente reacción:
2NiO (OH) + Cd + 2H2O → 2Ni (OH) 2 + Cd (OH) 2
Inconvenientes: el Cadmio es un metal pesado muy tóxico.
Usos: ordenadores portátiles, móviles y dispositivos de
mano. Contienen átomos de litio,p.ej. LixCoO2, y son estos
iones más que el litio en sí mismo los que sufren las
reacciones redox. Son mucho más ligeras que las baterías
de NiCd, y producen un voltaje mayor(3,6 V) pero no tienen
una vida útil tan larga.
CÉLULAS DE COMBUSTIBLE
Utilizan la reacción entre
el oxígeno y el hidrógeno
para producir agua.
La energía se libera como
electricidad. Pueden
proporcionar alimentación
continua de la misma.
CÉLULAS DE COMBUSTIBLE
La célula contiene
electrodos porosos.
el
electrolito
Oxidación (electrodo -):
H2 + 2OH 2 H2O + 2e-
Reducción (electrodo +):
O2 + 2H2O + 4e- 4OH
Ventajas:
No necesitan recargas.
No contaminan.
Inconveniente:
Son muy caras de producir
mediante
CRISTALES LÍQUIDOS
Son
una fase o estado de la materia que
está entre los estados sólido y líquido.
Sus propiedades físicas dependen de la
orientación de las moléculas relativa a
ciertos ejes fijos en el material.
Ejemplos:
ADN.
Grafito.
CRISTALES LÍQUIDOS
Esencialmente pueden dividirse en dos tipos:
Thermotropic:
sustancias
puras que muestran
comportamiento de cristal líquido en un rango de temperatura
entre los estados sólido y líquido.
Ej. Nitrilos bifeniles.
Lyotropic: soluciones que muestran la fase de cristal líquido
en ciertas concentraciones.
Ej. Soluciones de jabón; en concentración elevada las moléculas
polares se agrupan en micelles.
CRISTALES LÍQUIDOS
Las moléculas con forma de barra
existen en grupos o dominios.
Fase neumatic: dentro de cada dominio
todas las moléculas apuntan en la misma
dirección.
Fase líquido normal:
con el incremento de
temperatura finalmente el
orden direccional se pierde.
CRISTALES LÍQUIDOS.
La orientación de las moléculas afecta a la
capacidad de las moléculas de cristal
líquido de transmitir luz.
Ventaja de los LCDs:
Usan corrientes eléctricas extremadamente
pequeñas.
Desventaja:
Trabajan solamente dentro de un cierto rango
de temperatura.
CRISTALES LÍQUIDOS
Para ser usado en un LCD un cristal líquido
debería:
Ser un compuesto químico estable.
Contener moléculas polares.
Permanecer estable en la fase de cristal líquido en un
rango apropiado de temperatura.
Ser capaz de orientarse rápidamente.
NANOTECNOLOGÍA.
Ha
sido definida como la investigación y la
tecnología de compuestos dentro del rango
de 1,0 x 10-9 m a 1,0 x 10-7 m.
Cubre
muchas disciplinas científicas
distintas.
Hay
dos aproximaciones principales:
Bottom-up: a partir de átomos individuales,
moléculas o componentes.
Top-down: a partir de entidades mayores.
NANOTUBOS.
A partir de átomos de carbono colocados en
anillos hexagonales con anillos pentagonales
cerrando la estructura en los extremos.
Tubos de:
Pared simple.
Pared múltiple.
Tienen una relación de
área superficial a volumen
enormemente incrementada.
NANOTUBOS.
Tienen una enorme fuerza de tensión.
El efecto cuántico es apreciable.
Actualmente se está investigando para utilizar
nanotubos de carbono para crear transistores y
otros aparatos electrónicos mucho más pequeños
que los que pueden ser creados usando chips de
silicio.
IMPLICACIONES DE LA
NANOTECNOLOGÍA
Tiene el potencial de resolver muchos problemas:
incremento de la producción de comida, cura de
enfermedades, mejora de la tecnología de la
información y comunicación…
El Task Force de Naciones Unidas de 2004 notó
que la nanotecnología tiene ventajas como: alta
productividad, bajo coste, necesidades modestas
de materiales…
IMPLICACIONES DE LA
NANOTECNOLOGÍA
Se conoce poco acerca de los riesgos potenciales
asociados con su desarrollo:
Riesgos asociados con pequeñas partículas
transportadas por el aire.
El sistema inmune humano puede estar indefenso
contra nuevos productos a nanoescala.
Problemas sociales.