Aplicaciones de la Química Inorgánica en Procesos Industriales: Cemento, Siderurgia y Fertilizantes

Aplicaciones de la Química Inorgánica en Procesos Industriales

Industria Cementera

Materia prima mayoritaria: Caliza o CaCO₃ (roca sedimentaria).

Productos derivados de la caliza: Cal, hidróxido, cemento.

Ciclo de la Cal

CaCO₃ (Caliza) — (Calcinación)→ CaO + CO₂ (Cal viva) –(Apagamiento)→ Ca(OH)₂ (Cal apagada) –(Amasado del mortero)→ Mortero fresco (pasta) –(Carbonatación)→ CaCO₃ (Caliza)

Calcinación: Evacuación de dióxido de carbono.
Apagamiento: Adición de agua.
Amasado del mortero: Mezcla con arena y agua.
Carbonatación: Evaporación de agua y absorción de dióxido de carbono del aire.

Reacciones y usos:

La cal viva reacciona con agua para formar cal apagada.
Las disoluciones de cal apagada en agua y sus suspensiones saturadas se utilizan como fuente de iones calcio (Ca²⁺) y para neutralizar efluentes.
La cal apagada se endurece y luego se carbonata por el CO₂ del aire.
La caliza, por descomposición térmica, produce cal viva.

Obtención del Cemento Portland

A 1500 ºC se cuece caliza con arcilla. Después, se muele con yeso para obtener cemento.

Aplicaciones: Cemento + agua + arena = MORTERO + piedra = HORMIGÓN

Materias primas: Óxidos de calcio, silicio, aluminio, hierro y manganeso.

Proceso de Fabricación del Cemento

Obtención y preparación de materias primas.
Trituración.
Prehomogeneización.
Molienda de crudo.
Precalentador de ciclones.
Fabricación del clínker: Horno.
Fabricación del clínker: Enfriador.
Molienda de clínker y fabricación de cemento.
Almacenamiento del cemento.
Envasado o expedición a granel.

Siderurgia

Proceso Productivo Siderúrgico

1ª Etapa: Reducción del mineral.

Recepción y preparación de materias primas.
Reducción del mineral de hierro para transformarlo en arrabio.

2ª Etapa: Fabricación del acero.

Refinación del arrabio para transformarlo en acero.

3ª Etapa:

Laminación del acero.
Ajuste metalúrgico del acero.
Fabricación de rollos.

Industria de los Fertilizantes

Proceso industrial fuente de nitrógeno (N): Destilación fraccionada de aire líquido. (Haber convirtió N₂ en NH₃).
Proceso industrial fuente de amoníaco (NH₃): El «gas de proceso» se mezcla con vapor y aire, y se introduce en el horno de reformado. Se elimina el CO y el CO₂, y en un reactor catalítico se produce el amoníaco.
Proceso industrial fuente de fósforo (P):
1. Obtención del ácido sulfúrico.
2. Obtención del ácido fosfórico mediante el ataque con H₂SO₄ a la roca fosfática.
3. Obtención de los distintos fertilizantes.
Obtención del ácido sulfúrico: A partir de la combustión del azufre, conversión del dióxido de azufre en trióxido y absorción de agua.
Obtención del ácido fosfórico mediante el ataque con H₂SO₄ a la roca fosfática: A través de la reacción del fosfato tricálcico con ácido sulfúrico, dando como subproducto el yeso.
Obtención de fertilizantes (nitrato amónico-cálcico): Haciendo reaccionar el ácido nítrico con el amoníaco (generando vapor).
Obtención de fertilizantes (fosfato diamónico): Resultado del proceso de armonización del ácido fosfórico y su posterior granulación.

Reacciones Redox, Electrólisis y sus Aplicaciones

Reacciones Redox

Las pilas y baterías utilizan reacciones redox para producir electricidad. La electrólisis usa electricidad para producir reacciones químicas.

Celdas Galvánicas (Pilas)

El Zn se oxida a Zn²⁺ en el ánodo, y el Cu²⁺ se reduce a Cu en el cátodo.

Puente salino: Permite el paso de cationes y aniones, manteniendo la neutralidad eléctrica.

Sentido de los electrones (e^–): Del ánodo al cátodo.

Baterías

Conjunto de celdas galvánicas que proporcionan corriente eléctrica continua a voltaje constante.

Primarias: Se agotan.
Secundarias: Reacción invertible con electricidad (se recargan).

Celdas de Combustible

Funcionan con un combustible y un oxidante. En el ánodo se introduce el combustible (H₂, alcohol), y en el cátodo, el oxidante (aire, O₂). Poseen dos electrodos separados por un electrolito iónico conductor.

Tipos:

Alcalinas o AFC: Formadas por dos electrodos inertes y una disolución electrolítica (KOH). En el ánodo y el cátodo se burbujean H₂ y O₂ gaseosos.
De intercambio protónico o PEMFC: Electrolito: membrana de polímero sólido. Catalizador: platino. Operan entre 80 y 95 ºC. Eficiencia eléctrica: 40-60 %.
De metanol o DMFC: Líquido, fácil de almacenar, baratas y de fuentes renovables, pero forman CO.

Corrosión

Deterioro de los materiales por un proceso electroquímico, generando grandes costos económicos.

Caso 1: Corrosión del hierro (Fe): El circuito se completa con la migración de iones.
Caso 2: Aluminio: Se forma una capa de Al₂O₃ en la superficie del metal que lo protege.
Caso 3: Cobre: Se forma una capa de CuCO₃ (pátina).

Electrólisis

Caso 1: Electrólisis del NaCl: Fundido, tras la electrólisis, puede dar sodio metálico y cloro. La celda electrolítica contiene un par de electrodos conectados a una batería, que los lleva al cátodo, donde se produce la reducción, y los retira al ánodo para la oxidación.
Electrólisis del agua: 2H₂O(l) → 2H₂(g) + O₂(g)

Purificación de Elementos (Proceso Electrolítico del Cobre)

Su uso como conductor depende del grado de pureza.

Electrolito: Sal soluble en cobre.
Ánodo: Barra de cobre impuro.
Cátodo: Placa de cobre puro donde se deposita el metal.

Recubrimientos (Galvanotecnia)

Proceso electrolítico donde se deposita una fina capa de metal para obtener una superficie dura.

Objeto a recubrir: Cátodo.
Otro conductor (metal recubridor): Ánodo.

Se necesita una corriente continua de bajo voltaje (1 a 6 V).