CNOS

Obtención industrial de nitrógeno y oxígeno: Destilación del aire

El nitrógeno se obtiene por destilación fraccionada del aire líquido.

Licuefacción (o licuación) del aire:

1. Compresión: Primero el aire se comprime a temperatura constante; el trabajo de compresión desarrollado proporciona la energía necesaria para el enfriamiento del aire. Después se le deja expansionar, con lo cual disminuye su temperatura.

2. Expansión-Isentálpica-isentrópica

Amoníaco: Obtención. Proceso Haber-Bosch.

3 H₂ (g) + N₂ (g) –> 2 NH₃ (g) K = 4·10⁸; Gº

Temperaturas altas (400-500 ºC); presiones elevadas (200 atm) y sobre catalizador de hierro. (Fertilizantes)

Obtención HNO₃

1. Oxidación catalítica del amoníaco con Pt-Rh (o Pt-Ir) a 900 ºC:

4 NH₃ (g) + 5 O₂ (g) -> 4 NO (g) + 6 H₂O (g) Hº = – 906 kJ

2. En frío: NO (g) + 1/2 O₂ (g) –> NO₂ (g)

3. 3 NO₂ (g) + H₂O (l) -> 2 HNO₃ (ac) + NO (g) (posterior destilación)

H₃PO₄

P₄ + 5 O₂ -> 2 P₂O₅ -> P₂O₅ + 3 H₂O -> 2 H₃PO₄

Ozono

1. O₂ (g) + h₁ -> 2 O

2. O + O₂ –> O₃

3. O₃ + h₂ –> O + O₂

H₂SO₄

H₂S de gas natural petróleo

1. Una parte del H₂S se oxida a SO₂

2 H₂S (g) + 3 O₂ (g) –> SO₂ (g) + 2 H₂O (l) H

2. Reacción de Claus: SO₂ (g) + 2 H₂S (g) –> 3 S + 2 H₂O (l)

3. Oxidación catalítica del SO₂: SO₂ (g) + ½ O₂ (g) –> SO₃ (g)

3. Absorción del SO₃: SO₃ (g) + H₂SO₄ (ac) -> H₂S₂O₇ (ac)

4. H₂S₂O₇ (ac) + H₂O (l) –> 2 H₂SO₄ (ac)

Cl₂: Electrólisis de NaCl

1. Células de diafragma

2. Células de mercurio (Cat):

Ánodo: 2 Cl^– – 2 e^– -> Cl₂ (g)

An (Graf tita): 2 Cl^– – 2 e^– -> Cl₂

Cátodo: 2 H₂O + 2 e^– -> H₂ (g) + 2 OH^–

Cat (Hg): Na⁺ + Hg + e^– -> Na (Hg)

2 NaCl (ac) + 2 H₂O -> Cl₂ (g) + H₂ (g) + 2 NaOH (ac)

3. Células de membrana: son las más económicas

Obtención de metales

Preparación del mineral para obtener mena.

1. Trituración y molienda.

2. Tamizado. Se clasifica el material por tamaños.

3. Aglomeración.

Separación

i.- Métodos físicos.

1. Por diferencia de densidades entre las partículas de mena y las de ganga.

2. Lixiviación. Con disolventes se separa un soluble de otro insoluble.

3. Separación magnética.

4. Separación electrostática. Distinta conductividad eléctrica de las partículas.

5. Flotación.

ii.- Métodos químicos.

1. Calcinación. Se trata el mineral a alta temperatura y se provoca su descomposición. Normalmente se transforman carbonatos o hidróxidos en óxidos.

2. Tostación. Las menas sulfuradas se calientan en presencia de aire u oxígeno.

4.2 La obtención del metal a partir de la mena puede hacerse por aplicación de calor (descomposición térmica), por reducción con otro metal (metalotermia), por reducción con un elemento no metálico (H₂ o C, principalmente) o por vía electrolítica. (Ellingham).

Afino y purificación de metales

Quita impurezas.

1. Electrólisis. Se procede así con la plata y el cobre, entre otros metales. Barros anódicos son el metal purificado.

2. Oxidación de impurezas.

3. Descomposición térmica de haluros o carbonilos volátiles. El metal impuro se calienta con CO y forma Ni (CO)₄, que a 50-60 ºC se volatiliza y a 220-250 ºC se descompone en Ni (s) y 4 CO (g).

5. Fusión por zonas.

Corrosión

i.- Corrosión seca u oxidación directa. Se ataca un metal por un agente agresivo gaseoso.

ii.- Corrosión húmeda o electroquímica. El metal está en contacto con un electrolito (no homogénea, depende de la actividad electroquímica del metal).

Distintos motivos:

1. Metales no semejantes en contacto, diferencia de potencial.

2. Un metal único debido a causas como son: – Intrínsecas. – Extrínsecas.

Alcalinos. El sodio

(Blandos, poco densos, conductores, bajo punto de fusión e hidróxidos muy alcalinos)

El Na se obtiene por electrólisis del NaCl fundido. Evitar que este gas y el sodio formado contacten.

A nivel industrial, se produce en celdas electrolíticas cilíndricas por el proceso Downs.

Obtención NaOH: Na₂CO₃ (ac) + Ca (OH)₂ (s) -> 2 NaOH (ac) + CaCO₃ (s)

La sosa se obtiene industrialmente por el procedimiento Solvay:

2 NaCl (ac) + CaCO₃ (s) -> Na₂CO₃ (s) + CaCl₂ (ac)

1. 2 NaCl (ac) + 2 NH₄HCO₃ (ac) -> 2 NaHCO₃ (s) + 2 NH₄Cl (ac)

2. 2 NaHCO₃ (s) -> Na₂CO₃ (s) + CO₂ (g) + H₂O (g)

3. 2 NH₄Cl (ac) + Ca (OH)₂ (ac) -> 2 NH₃ (g) + 2 H₂O (g) + CaCl₂ (ac)

CaCO₃ (s) -> CaO (s) + CO₂ (g)

CaO (s) + H₂O (l) -> Ca (OH)₂ (ac)

2 CO₂ (g) + 2 NH₃ (g) + 2 H₂O (l) –> 2 NH₄HCO₃

Alcalinotérreos. El magnesio

(Más duros y más densos)

Magnesio

CaCO₃ (s) -> CaO (s) + CO₂ (g)

CaO (s) + H₂O (l) + Mg²⁺ (ac) -> Mg (OH)₂ (s) + Ca²⁺ (ac)

A partir del hidróxido de magnesio, existen dos posibilidades:

i.- Se disuelve en HCl. Por evaporación del agua se obtiene MgCl₂, que se funde y electroliza.

ii.- Se deshidrata térmicamente y se reduce con carbón.

Metales III. Al

i.- Proceso Bayer. (Alta Tª y P) Al₂O₃·xH₂O -> Na⁺ (ac) + Al (OH)₄^– -> filtración -> adición de cristales semilla de Al (OH)₃, precipita como hidróxido. Calcina -> 2 Al (OH)₃ (s) -> Al₂O₃ (s) + 3 H₂O (l)

ii.- Proceso electrolítico (Hall-Héroult).

El Al₂O₃ se funde con criolita (AlNaF₆), y se electroliza:

Cátodo: 2 Al³⁺ + 6 e^– -> 2 Al (l)

Ánodo: 2 O^2- -> O₂ (g) + 4 e^–

PG -> 2 Al₂O₃ (l) -> 3 O₂ (g) + 4 Al (l)

Metales de transición

(Electrones en el orbital d) (Gran dureza, altas densidades y puntos de ebullición)

Colores, transición electrónica de orbitales d parcialmente llenos.

Diagrama de Frost. Estado de oxidación más estable valores más negativos. Conforme se avanza por el período, el estado de oxidación más alto está cada vez menos favorecido.

Titanio

Metal blanco plateado, duro, muy resistente a la corrosión. Pequeña densidad.

Proceso Kroll (en ausencia total de aire)

TiO₂ (s) + 2 C (s) + Cl₂ (g) -> TiCl₄ (g) + 2 CO (g)

TiCl₄ (g) + 2 Mg (l) -> Ti (s) + 2 MgCl₂ (l)

TiO₂ puro ->

TiO₂ (s) + 2 C (s) + Cl₂ (g) -> TiCl₄ (g) + 2 CO (g)

TiCl₄ (g) + O₂ (g) -> TiO₂ (s) + 2 Cl₂ (g)

Hierro

Materias primas: la hematita y la magnetita. ALTOS HORNOS. (El calor de genera por 2 C (s) + O₂ (g) -> 2 CO (g)

El CO es el reductor de la mena de hierro.

Parte superior Fe₂O₃·nH₂O (s) -> Fe₂O₃ (s) + n H₂O

Tª 400-700 ºC 3 Fe₂O₃ (s) + CO (g) -> 2 Fe₃O₄ (s) + CO₂ (g)

Tª 850 ºC Fe₃O₄ (s) + CO (g) -> 3 FeO (s) + CO₂ (g)

CaCO₃ (s) -> CaO (s) + CO₂ (g)

Tª 1000-1200 ºC FeO (s) + CO (g) -> Fe (s) + CO₂ (g)

Tª 1200-1600 ºC Fe (s) -> Fe (l)

CO₂ (g) + C (s) -> 2 CO (g)

Escoria CaO (s) + SiO₂ (s) -> CaSiO₃ (l)

Se obtiene el arrabio. Purificación -> oxígeno activo -> oxidación con oxígeno, inyectado a 10 atm de presión, adición de caliza.

Por flotación se elimina la escoria que se ha oxidado.

Óxidos. Ferritas magnetizables. El hierro se corroe con facilidad. -> C: O₂ (ac) + 2 H₂O (l) + 4 e^– -> 4 OH^– (ac)

A: Fe (s) -> Fe²⁺ (ac) + 2 e^–

2 Fe²⁺ (ac) + 2 OH^– (ac) -> 2 Fe (OH)₂ (s)

2 Fe (OH)₂ (s) + 2 OH^– (ac) -> 2 Fe (OH)₃ (s) (Fe₂O₃ · xH₂O) + 2 e^–

Cobre

Obtención industrial y purificación:

4 CuFeS₂ (s) + 9 O₂ (g) -> 2 Cu₂S (l) + 6 SO₂ (g) + 2 Fe₂O₃ (s)

Fe₂O₃ (s) + SiO₂ (s) -> Fe₂ (SiO₃) (l) (escoria)

2 Cu₂S (s) + 3 O₂ (g) -> 2 Cu₂O (s) + 2 SO₂ (g)

2 Cu₂O (s) + Cu₂S -> 6 Cu + SO₂

Posterior refino electrolítico. Cu impuro (ánodo) Cu puro (cátodo)

Compuestos de coordinación

Los orbitales d, pueden llenarse mediante enlace covalente dativo -> iones que aportan un electrón al enlace. Números de coordinación típicos (2, 4, 6). Nomenclatura:

1. El nombre del complejo es una sola palabra, sin espacios.

2. Los ligandos se nombran: 1º negativos, 2º neutros, 3º positivos. Orden alfabético. Di, tri, tetra, penta, hexa, etc. Si ya posee uno de estos prefijos -> bis, tris, tetrakis, pentakis, etc.

3. Si complejo anión -> ato.

4. Si sal, -> anión y luego catión.

La teoría del Campo Cristalino

Esta teoría supone que un par solitario de un ligando, actúa como una carga puntual negativa que repele los electrones de los orbitales d del ión metálico, dando lugar al desdoblamiento de estos orbitales. Cuando se aproximan los ligandos, aparece un campo de interacción de los ligandos con el ion central cuyos electrones se repelen (PASO 1) –> desdoblamiento de los niveles energéticos de dichos orbitales (PASO 2) La atracción electroestática de los electrones produce una disminución de energía haciendo que la formación del complejo se vea favorecida (PASO 3).

I^– < Br^– < Cl^– < F^– < OH^– < H₂O < NH₃ < en < CN^– < CO

Campo débil ——————————> Campo fuerte

Si hay electrones desapareados, paramagnéticas.

Silicio

Es un sólido cristalino gris de aspecto metálico. Se obtiene mediante reducción con carbón en hornos eléctricos (2000 ºC).

El silicio líquido se recoge por el fondo del horno y se solidifica. SiO₂ (s) + 2 C (s) -> Si (l) + 2 CO (g)

2.2 Proceso de purificación

1. Proceso Siemens: Si (s) + 3 HCl (g) -> SiHCl₃ (g) + H₂ (g) -> separador de gases (Tª alta)

SiHCl₃ (g) + H₂ (g) -> Si (s) + 3 HCl (g)

2. Fusión por zonas.

Silicio como semiconductor -> teoría distancia entre bandas -> distancia pequeña. Más conductor si se añaden impurezas dopantes.

SiO₂ -> red tridimensional con unidades [SiO₄]^– tetraédricas — Los silicatos (SiO₄^4-), presentan tetraedros de SiO₄ unidades básicas

Sencillos, condensados, laminares, cadena y tridimensionales.

Forman:

1. Vidrios – Mezcla de sílice y óxidos.

2. Cerámicas – Materia prima, arcilla.

Desecación 120 ºC -> deshidratación 250 ºC -> descomposición 700 ºC -> reacción 1200 ºC -> fusión 1500 ºC

Al₂O₃·2 SiO₂·2 H₂O -> Al₂O₃·2 SiO₂ -> Al₂O₃ + SiO₂ -> Al₂O₃·SiO₂ -> 3 Al₂O₃·2 SiO₂

Cementos Son materiales que mezclados con agua forman una masa que después fragua y se endurece.

Siliconas Son polímeros con enlaces Si-O: