apuntes de química

SODA CÁUSTICA (HIDRÓXIDO DE SODIO)

Es un sólido blanco, higroscópico (absorbe humedad del aire), que corroe la piel y se disuelve muy bien en el agua liberando una gran cantidad de calor. Generalmente se utiliza en forma sólida o en solución. El hidróxido de sodio es uno de los principales compuestos químicos utilizados en la industria. Por ejemplo, es ampliamente utilizado en la fabricación de papel, en la industria del algodón , en la industria textil, en la fabricación de jabón y en la fabricación de muchos otros productos químicos.

Obtención

Se prepara por dos métodos distintos.

Tratando carbonato de sodio con cal apagada.

2Na+ + CO32- + Ca++ + 2OH- CaCO3 + 2Na+ + 2OH-

Se prepara por filtración de carbonato de calcio, precipitado; y el líquido que pasa se evapora hasta sequedad.

Electrólisis en celdas especiales de Salmuera.

Haciendo pasar una corriente eléctrica por una solución de cloruro de sodio el cloro se desprende en el ánodo; y el ión cloruro, Cl-, pierde un electrón, oxidándose en consecuencia a cloro gaseoso. Si el electrodo es de carbón que no reacciona, éste se disuelve en el agua hasta formar una solución saturada y luego escapa en estado gaseoso. En el cátodo queda libre el hidrógeno y se forma la soda cáustica.

Célula de cátodo fijo y diafragma.

Por la parte superior ingresa la solución de cloruro de sodio purificada y saturada.

El diafragma está compuesto por varias capas de asbesto que revisten a telas o mallas de hierro que separan los compartimentos anódicos y catódicos.

Actualmente se emplean varias resinas que reemplazan el asbesto y se trata de compuestos del ácido perfluorsulfónico.

Los ánodos son de grafito y las parrillas de hierro forman el cátodo.

Se aplica una corriente de 4 volts, los iones cloro se dirigen al ánodo, se descargan y abandonan el compartimiento en forma de gas. A demás, el hidrógeno que se desprende se recoge por debajo del diafragma.

Célula de cátodo fijo sin diafragma.

El transporte de corriente entre los dos espacios tiene lugar por debajo de la campana donde las dos soluciones, anódicas y catódicas están en contacto directamente. Se produce una capa límite estacionaria de modo que quede compensando el transporte de los iones oxidrilos hacia el ánodo con la entrada de la solución de NaCl y la salida de solución de soda cáustica en el compartimiento catódico (el NaCl entra en el compartimiento anódico).

Célula con cátodo móvil de mercurio.

Una solución saturada purificada de NaCl ingresa continuamente en la misma dirección que una corriente de mercurio, de poco espesor que actúa como cátodo. Se aplica una corriente de 4,6 voltios y los ánodos son de grafito (generalmente varios ánodos). En la electrólisis el cloro se descarga como cloro gaseoso en el ánodo. El Na+pasa a Na0 en el cátodo antes que el H+ debido a que este último tiene un sobrevoltaje muy elevado.

El sodio se disuelve en el mercurio y sale de la celda. Exteriormente se trata con agua formándose NaOH y H2. El mercurio regresa a la celda lográndose un proceso continuo.

Ecuaciónes:

2NaCl  2Na+ + 2Cl-

Ánodo. 2Cl- Cl2 + 2e-

Cátodo. 2Na+ + 1e-  2Na
Na + Hg Na - Hg.

Fuera de la celda.2Na - Hg + 2 H2O  2Na+ + 2OH- + H2 + 2Hg.

La reacción entre la amalgama de sodio y el agua es catalizada por limaduras de hierro y la solución obtenida es del orden del 50 %. Mientras que en la de cátodo fijo con diafragma es del 10 %; la sin diafragma es similar (10%).

EL ACERO

El término acero nombra a una familia muy numerosa de aleaciones metálicas en base al aleado del Fe (hierro) y el C (carbono).

La economía y el desarrollo tecnológico de un país se ha medido con frecuencia en relación al volumen de producción y consumo de acero.

Este aleado del acero se hace con el propósito de mejorar las propiedades del metal puro, cuya dureza y tenacidad son funciones de la concentración de C.

El C no es único elemento de aleación con el Fe, sino que pueden intervenir diversos elementos metálicos y no metálicos. Los elementos aleantes permiten:

• el control de otras propiedades, como la resistencia a la tracción, la dureza, la resistencia a la corrosión
• el endurecimiento por templado
• el refinamiento de la micro estructura (tamaño de grano, de carburos, fases secundarias, etc.), entre algunos características tecnológicas exigidas por cada aplicación específica.

El Hierro

El hierro es el elemento metálico de mayor uso en el mundo; sin embargo, no se le utiliza químicamente puro sino aleado con el carbono para obtener el acero.

El mineral de hierro se encuentra en diversas formas (tabla 1):

Tabla 1: Minerales de hierro

Mineral	Composición
Hematita	Fe2O3
Limonita	Fe2O3H2O
Magnetita	Fe3O4
Siderita	FeCO3
Pirita	FeS2
Cromita	FeOCr2O3

El hierro es un metal, relativamente duro y tenaz, con diámetro atómico dA = 24,8 nm (1 nm = 10-9 n = 0.001 mm), con temperatura de fusión de 1535 ºC y punto de ebullición 2740 ºC.

El Fe tiene el número atómico Z = 26 (26 protones) y su peso atómico es 56 g/mol (26 protones y 30 neutrones) (Figura 1).

Esos electrones se distribuyen de acuerdo a la configuración:

1 s2 2 s2 2 p2 3 s2 3 p6 3 d10 4 s2

Tabla 2: Distribución de electrones en los orbitales atómicos del Fe

	n nivel de energía
orbital	1	2	3	4
s	2	2	2	2
p	-----	6	6	-----
d	-----	-----	10	-----

Figura 1: Esquema de la estructura atómica del Fe, compuesta por 26 protones y 30 neutrones del núcleo y 26 electrones distribuidos en 4 niveles de energía principales (n=1,..4). Cada circulo representa un orbital ocupado por electrones, que en esta estructura involucra a los de tipo s (l = 0, m=0), p (l=1, m=-1, 0, 1) y d (l= 2, m=-2, -1, 0, 1, 2).

El Fe presenta distintas formas alotrópicas (diversas formas cristalinas), b.c.c. y f.c.c. (Figura 2).

Figura 2: Estructuras cristalinas de las distintas formas alotrópicas del Fe. Fe α de celda cristalina b.c.c. (arriba) y Fe γ de celda f.c.c. (abajo).

El Fe pasa de una estructura b.c.c., conocida como hierro alfa, que existe desde temperatura ambiente hasta los 910 oC, a una estructura f.c.c. del hierro gamma, que existe entre los 912 y 1500oC, y luego retorna a la estructura b.c.c., esta vez, del hierro delta, que existe hasta los 1540oC (Tabla 3).