miércoles, 4 de agosto de 2010

Procesos de obtención del cobre en el mineral el Teniente

Trabajo geológico de exploración: Encontrando un yacimiento.

Los lugares donde se encuentran las minas de cobre, es decir los yacimientos de cobre, dependen de los procesos geológicos que han ocurrido en ese lugar. De esta forma, los yacimientos de cobre se relacionan con la presencia de intrusivos, que son rocas ígneas y material magmático que se introdujo a gran temperatura y presión en la corteza terrestre. Estos intrusivos aportan los minerales que contienen a las rocas circundantes. De acuerdo a las condiciones en que esto ocurre, se tienen dos tipos de material mineralizado: los súlfuros y los óxidos. La presencia de éstos en un yacimiento define dos zonas que tienen características diferentes, las que a su vez determinan la manera de explotar el mineral: la línea de los óxidos y la línea de los sulfuros.

Características de súlfuros y óxidos

La zona de sulfuros corresponde a la mineralización original del yacimiento, también llamada primaria. Los súlfuros contienen minerales formados por combinaciones de cobre, azufre y hierro los que otorgan a las rocas un aspecto metálico.
La zona de óxidos se encuentra en la superficie del yacimiento o cerca de ella, y contiene óxidos de cobre los que típicamente tienen un color verde o azul. Los minerales oxidados se han formado por acción del oxígeno y otros agentes que atacan las rocas mineralizadas que se encuentran en la superficie.

En la búsqueda de un nuevo yacimiento

La búsqueda y definición de nuevos yacimientos son realizadas por un equipo de profesionales, encabezado por geólogos. Éstas consideran las siguientes etapas:

  • Exploración básica.
  • Exploración intermedia.
  • Exploración avanzada.

1. Primera etapa: Exploración básica

¿Cuál es el objetivo?
En esta primera etapa se efectúa un reconocimiento general de un área extensa (decenas a cientos de kilómetros) con el fin de identificar algunas características favorables que puedan indicar la presencia de un yacimiento.

¿Quién la realiza? ¿Cómo se lleva a cabo?

El geólogo o la geóloga estudia diferentes antecedentes y aplica técnicas específicas (mapas geológicos, imágenes de satélite, geofísica, etc.) para seleccionar las áreas donde desarrollar la exploración básica.

Una vez identificada el área, el equipo se dirige a terreno para registrar las características de las rocas (color, textura, estructura, presencia de minerales indicativos) y su ubicación, y para recoger muestras que permitirán determinar el contenido de los elementos interesantes en una explotación, tales como cobre, oro, hierro, molibdeno, etc.

Esta información es relevante para tomar la decisión de seguir adelante con la exploración o descartar el área y comenzar en otra.


2. Segunda etapa: Exploración intermedia


¿Cuál es el objetivo?
El objetivo de esta etapa es confirmar la existencia de mineralización de cobre en profundidad, de acuerdo con la información recogida en la etapa anterior.

Una vez localizada el área de interés, se realizan con mayor detalle trabajos geofísicos tales como magnetometría, gravimetría, resistividad, etc. y trabajos geoquímicos como la obtención y análisis químicos de muestras de superficie. Junto con estos análisis se interpretan las características que interesan en diferentes mapas, lo que permite aumentar la precisión y reducir el radio de búsqueda del mineral.

La información recolectada permite diseñar la perforación de algunos sondajes exploratorios para extraer muestras de distintas profundidades y determinar la posible continuación de la mineralización bajo la superficie.

¿Qué se obtiene?
El resultado del trabajo de la etapa de exploración intermedia es la identificación de un posible yacimiento, ubicado en un área más o menos definida, de dimensiones aproximadas entre 500 metros y 5 km por lado.

3. Tercera etapa: Exploración avanzada


¿Cuál es el objetivo?

En esta etapa se determina con mayor precisión la forma y extensión del yacimiento y la calidad del mineral encontrado, es decir, la ley de mineral que corresponde al contenido del o de los elementos de interés.

¿Cómo se realiza?
Las determinaciones de forma y ley de mineral se realizan mediante la perforación de más sondajes, distribuidos en una malla regular (cada 200 o 400 m, por ejemplo), los que atraviesan el mineral (zonas de óxidos y de sulfuros).

Mediante los sondajes se pueden reconocer características del yacimiento tales como la ley de cobre y de otros elementos, los tipos de mineral, alteración, estructuras, densidad, dureza, fracturamiento, etc.

¿Qué información se obtiene? ¿Qué se hace con ella?
Los resultados de las características del yacimiento, el tipo de mineral y la ley constituyen la primera información fundamental para el diseño de una futura explotación, ya que permiten estimar el comportamiento geotécnico y geometalúrgico, y el posible rendimiento económico del mineral.

La información obtenida permite hacer una estimación de los recursos de mineral contenidos en el cuerpo mineralizado, en miles o millones de toneladas, con una ley que normalmente fluctúa entre 0,2% y 3% en peso de cobre total contenido. Esta información es analizada por los ingenieros de minas, quienes mediante metodologías especializadas determinan el sistema de explotación, realizan un diseño preliminar de la mina e instalaciones de planta y calculan las expectativas económicas y la vida útil de la futura operación.

¿Cuándo se decide explotar una mina?
La decisión de llevar adelante el proyecto de explotación es tomada considerando las características del yacimiento, el diseño de la operación y las proyecciones a futuro del mercado internacional del cobre (demanda y precio). De demostrarse que se trata de un negocio con una atractiva rentabilidad, se continúa con las etapas siguientes, correspondientes a la ingeniería. Los yacimientos de cobre, cuya explotación es económicamente atractiva, son en general de gran tamaño, del orden de los cientos de millones de toneladas y tienen leyes promedio entre 0,4 y 1,0 % de cobre total.


Extracción subterránea: del macizo rocoso a la roca mineralizada.

¿Cuál es el objetivo?

El objetivo de este proceso es extraer la porción mineralizada con cobre y otros elementos desde el macizo rocoso de la mina (que puede ser a rajo abierto, subterránea o la combinación de ambas) y enviarla a la planta, en forma eficiente y segura, para ser sometida al proceso de obtención del cobre y otros elementos. Para ello, debe lograrse la fragmentación de la roca, de manera que pueda ser removida de su posición original o in situ, cargar y transportar para ser procesada o depositada fuera de la mina como material suelto a una granulometría manejable.


¿Cómo se realiza la extracción?

En la operación de una mina, intervienen varios equipos de, cuyas acciones deben ser coordinadas para lograr una alta eficiencia y seguridad en la faena.

Geología
Entrega la información de las características físicas, químicas y mineralógicas del material a extraer:

Planificación
Elabora el plan minero, considerando todas las variables (geología, operación mantención, costos, plazos, etc.) que intervienen en él.

Operaciones
Realiza el movimiento de material en la mina (perforación, tronadura, carguío y transporte).

Mantención
Debe velar por la disponibilidad electromecánica de todos los equipos (perforadoras, palas, camiones, equipos auxiliares).

Administración
Proporciona el apoyo en manejo de recursos humanos, adquisiciones, contratos, etc.

Además, participan estamentos asesores en materias de seguridad, medio ambiente y calidad, para lograr el cumplimiento de las normas y orientaciones correspondientes a un trabajo seguro, limpio y de calidad.

¿Cómo se diseña la extracción?

El resultado de los diversos estudios de ingeniería, permite determinar la relación óptima entre la capacidad de extracción y beneficio de mineral, que se expresa en miles de toneladas de cobre fino a producir en un año. De acuerdo con la capacidad de operación establecida, se determina la mejor secuencia para extraer el mineral, compatibilizando las características de la operación con los resultados económicos esperados, para un largo período (en general, sobre los 10 años). Esta secuencia se conoce como plan minero y el período en cual se alcanza el agotamiento total de los recursos, es la vida útil de la mina. El plan minero entrega, además, las bases para asegurar que la operación sea eficiente y confiable en todas sus operaciones. Para esto, se define la porción del yacimiento que se explota (denominada mineral en lenguaje minero) de acuerdo con la ley de corte, que es una relación entre la ley (contenido de cobre) y lo que cuesta procesar este mineral, que depende de las características metalúrgicas. De esta forma, se asegura un beneficio económico. El material existente bajo la ley de corte es considerado estéril, si no contiene cobre, o mineral de baja ley, si tiene algo de cobre que podría ser recuperado con otro procedimiento.

La extracción del material se realiza siguiendo una secuencia de las siguientes fases:

  • Perforación.
  • Tronadura.
  • Carguío.
  • Transporte.

El producto principal de este proceso es la entrega de mineral para ser procesado en la planta de beneficio.

Extracción subterránea de mineral

Un yacimiento se explota en forma subterránea cuando presenta una cubierta de material estéril de espesor tal, que su extracción desde la superficie resulta antieconómica.


¿Cuál es el objetivo?

El objetivo es realizar la extracción de las rocas que contienen minerales de cobre de grandes yacimientos y que se encuentran bajo una cubierta de estéril de espesor considerable, por ejemplo al interior de un cerro.

Para ello, se construyen labores subterráneas en la roca desde la superficie para acceder a las zonas mineralizadas. Las labores subterráneas pueden ser horizontales (túneles o galerías), verticales (piques) o inclinadas (rampas) y se ubican en los diferentes niveles que permiten fragmentar, cargar y transportar el mineral desde el interior de la mina hasta la planta, generalmente situada en la superficie.


¿Cómo se construyen los niveles?

Los túneles y piques subterráneos se construyen mediante explosivos que se colocan en perforaciones efectuadas en la roca. Estas perforaciones están distribuidas siguiendo la forma que se le quiere dar a la labor subterránea (túneles, piques o rampas) y la tronadura se realiza en una secuencia, partiendo desde un punto central hacia los bordes.

Después de la tronadura, se extrae el material fragmentado y se estabilizan las paredes y techo del túnel. Para esto, se utiliza una fortificación adecuada para para cada tipo de terreno, que depende de sus características y del uso que se le va a dar al túnel, pique o rampa. Entre cada tronadura, el sector debe ser ventilado y despejado.

¿Cómo se sostienen las labores subterráneas?

Para evitar los derrumbes, las diferentes labores subterráneas deben ser sostenidas en el tiempo para permitir el tránsito, el trabajo del personal y el uso de los equipos subterráneos con seguridad.

En forma natural, las rocas están en un cierto equilibrio con el medio en que se encuentran, pero este equilibrio se rompe al hacer una perforación en su interior. El objetivo de la fortificación es ayudar a la roca a recuperar en parte su capacidad de soporte. El tipo de soporte o fortificación empleada depende de varios factores:

Según la función
Las fortificaciones en los túneles de uso frecuente y prolongado, especialmente aquellas de los lugares por donde deben transitar personas y equipos, deben contar con un factor de seguridad mayor. Las fortificaciones de túneles que presentan un uso esporádico o donde no transita personal, tienen exigencias menores.

Según el peso que soportan

La presión que se genera alrededor de una labor subterránea es mayor cuanto más profunda se ubique, ya que debe soportar una altura mayor de roca. De esta forma los túneles que se encuentran a mayores profundidades requerirán de mayores fortificaciones y de mayor resistencia.

Según las características del terreno
El macizo rocoso presenta diferencias en su constitución (tipo de roca, alteración, estructuras).Por ello, su comportamiento puede ser diferente en cuanto a dureza y resistencia a los esfuerzos. Una roca que se disgrega fácilmente requiere ser fortalecida totalmente; por el contrario, una roca cohesionada de dureza media se autosustenta y requiere poca fortificación; en tanto que una roca cohesionada de alta dureza puede concentrar esfuerzos tan grandes que podrían provocar la explosión de las paredes del túnel, por lo que requiere una fortificación extrema.

Los materiales que se utilizan para reforzar los túneles, piques o rampas son:

  • mallas de acero.
  • pernos de anclaje.
  • cables.
  • hormigón armado.
  • marcos de acero.
  • vigas de madera.
  • lechada de hormigón proyectado.

¿Para qué se usan las labores subterráneas?

Dentro de una mina subterránea se disponen de diferentes áreas que permiten el trabajo de extracción de mineral, así como todas las actividades de apoyo y aquellas inherentes a las necesidades humanas durante la jornada de trabajo. De esta manera, se tienen las siguientes áreas:

  • Producción
Incluye los niveles de transporte, producción, hundimiento y ventilación, piques de traspaso y carguío de mineral.

  • Servicios e infraestructura
Talleres de mantención, piques de transporte de personal, accesos principales, redes de agua y electricidad, drenajes, redes de incendios, oficinas, comedores, baños, policlínicos, bodegas, etc.

¿Cómo se explota la mina?

A diferencia de la explotación a rajo abierto, una mina subterránea extrae el mineral desde abajo hacia arriba, utilizando lo más posible la fuerza de gravedad para producir la fragmentación y el desplazamiento del mineral hacia los puntos de carguío. La otra diferencia importante es que en la mina subterránea no se extrae roca estéril, sino que debido a los altos costos que implica la construcción de túneles, la explotación se concentra preferentemente en las zonas de mineral.


Existe una variedad de métodos de explotación subterránea, pero el más utilizado en la extracción de grandes yacimientos es el conocido como hundimiento por bloques. Éste consiste en provocar el desprendimiento de una porción del macizo rocoso del resto de la masa que lo rodea. Para ello y mediante el uso de explosivos, se socava la base de una columna de roca mineralizada, de manera que el resto de la columna se fragmente paulatinamente hacia arriba y se desplome hacia los puntos de extracción especialmente ubicados para captar la casi totalidad del material quebrado de la columna. En general, los bloques tienen dimensiones entre 100 y 200 m de altura y un área basal de 60m x 90 m, lo cual implica entre 1.000.000 y 2.500.000 toneladas por cada bloque. Cuando el hundimiento se produce en forma secuencial, por tajadas menores del bloque, se habla de método de hundimiento por paneles. Los bloques de producción están agrupados de acuerdo a su ubicación dentro de la mina, constituyendo áreas de producción. Cada una de estas áreas cuenta con una red de túneles y piques que se distribuyen en diferentes niveles:

Concentración: De la roca al mineral de cobre.


El objetivo del proceso de concentración es liberar y concentrar las partículas de cobre que se encuentran en forma de súlfuros en las rocas mineralizadas, de manera que pueda continuar a otras etapas del proceso productivo. Generalmente, este proceso se realiza en grandes instalaciones ubicadas en la superficie, formando lo que se conoce como planta, y que se ubican lo más cerca posible de la mina. El proceso de concentración se divide en las siguientes fases:

Etapa 1: Chancado

El mineral proveniente de la mina presenta una granulometría variada, desde partículas de menos de 1 mm hasta fragmentos mayores que 1 m de diámetro, por lo que el objetivo del chancado es reducir el tamaño de los fragmentos mayores hasta obtener un tamaño uniforme máximo de ½ pulgada (1,27 cm).

¿En qué consiste el proceso de chancado?

Para lograr el tamaño deseado de ½ pulgada, en el proceso del chancado se utiliza la combinación de tres equipos en línea que van reduciendo el tamaño de los fragmentos en etapas, las que se conocen como etapa primaria, etapa secundaria y terciaria.

  • En la etapa primaria, el chancador primario reduce el tamaño máximo de los fragmentos a 8 pulgadas de diámetro.
  • En la etapa secundaria, el tamaño del material se reduce a 3 pulgadas.
  • En la etapa terciaria, el material mineralizado logra llegar finalmente a ½ pulgada.


¿Cómo son los equipos?

Los chancadores son equipos eléctricos de grandes dimensiones. En estos equipos, los elementos que trituran la roca mediante movimientos vibratorios están construidos de una aleación especial de acero de alta resistencia. Los chancadores son alimentados por la parte superior y descargan el mineral chancado por su parte inferior a través de una abertura graduada de acuerdo al diámetro requerido. Todo el manejo del mineral en la planta se realiza mediante correas transportadoras, desde la alimentación proveniente de la mina hasta la entrega del mineral chancado a la etapa siguiente.

El chancador primario es el de mayor tamaño (54' x 74', es decir 16,5 m de ancho por 22,5 m de alto). En algunas plantas de operaciones, este chancador se ubica en el interior de la mina (cerca de donde se extrae el mineral) como es el caso de la División Andina.

Etapa 2: La Molienda

Mediante
la molienda, se continúa reduciendo el tamaño de las partículas que componen el mineral, para obtener una granulometría máxima de 180 micrones (0,18 mm), la que permite finalmente la liberación de la mayor parte de los minerales de cobre en forma de partículas individuales.

¿En qué consiste el proceso de molienda?

El proceso de la molienda se realiza utilizando grandes equipos giratorios o molinos de forma cilíndrica, en dos formas diferentes: molienda convencional o molienda SAG. En esta etapa, al material mineralizado se le agregan agua en cantidades suficientes para formar un fluido lechoso y los reactivos necesarios para realizar el proceso siguiente que es la flotación.

Molienda convencional

La molienda convencional se realiza en dos etapas, utilizando molino de barras y molino de bolas, respectivamente, aunque en las plantas modernas sólo se utiliza el segundo. En ambos molinos el mineral se mezcla con agua para lograr una molienda homogénea y eficiente. La pulpa obtenida en la molienda es llevada a la etapa siguiente que es la flotación.

Molienda de barras
Este equipo tiene en su interior barras de acero de 3,5 pulgadas de diámetro que son los elementos de molienda. El molino gira con el material proveniente del chancador terciario, que llega continuamente por una correa transportadora. El material se va moliendo por la acción del movimiento de las barras que se encuentran libres y que caen sobre el mineral. El mineral molido continúa el proceso, pasando en línea al molino de bolas.

Molienda de bolas
Este molino, cuyas dimensiones son 16 x 24 pies (es decir, 4,9 m de diámetro por 7,3 m de ancho), está ocupado en un 35% de su capacidad por bolas de acero de 3,5 pulgadas de diámetro, las cuales son los elementos de molienda. En un proceso de aproximadamente 20 minutos, el 80% del mineral es reducido a un tamaño máximo de 180 micrones.

Molienda SAG

La instalación de un molino SAG constituye una innovación reciente en algunas plantas. Los molinos SAG (SemiAutóGenos) son equipos de mayores dimensiones (36 x 15 pies, es decir, 11,0 m de diámetro por 4,6 m de ancho) y más eficientes que los anteriores. Gracias a su gran capacidad y eficiencia, acortan el proceso de chancado y molienda.

¿En qué consiste la molienda SAG?

El mineral se recibe directamente desde el chancador primario (no del terciario como en la molienda convencional) con un tamaño cercano a 8 pulgadas (20 cm, aproximadamente) y se mezcla con agua y cal. Este material es reducido gracias a la acción del mismo material mineralizado presente en partículas de variados tamaños (de ahí su nombre de molienda semi autógena) y por la acción de numerosas bolas de acero, de 5 pulgadas de diámetro, que ocupan el 12% de su capacidad. Dados el tamaño y la forma del molino, estas bolas son lanzadas en caída libre cuando el molino gira, logrando un efecto conjunto de chancado y molienda más efectivo y con menor consumo de energía por lo que, al utilizar este equipo, no se requieren las etapas de chancado secundario ni terciario.

La mayor parte del material molido en el SAG va directamente a la etapa siguiente, la flotación, es decir tiene la granulometría requerida bajo los 180 micrones, y una pequeña proporción debe ser enviado a un molino de bolas.

Etapa 3: La Flotación

La flotación se define como un proceso físico-químico de tensión superficial que separa los minerales sulfurados del metal de otros minerales y especies que componen la mayor parte de la roca original.

Durante este proceso, el mineral molido se adhiere superficialmente a burbujas de aire previamente insufladas, lo que determina la separación del mineral de interés.

La adhesión del mineral a estas burbujas de aire dependerá de las propiedades hidrofílicas (afinidad con el agua) y aerofílicas (afinidad con el aire) de cada especie mineral que se requiera separar de las que carecen de valor comercial y que se denominan gangas.

En la etapa previa (molienda), se obtiene la roca finamente dividida y se le incorporan los reactivos para la flotación. El propósito es darle el tiempo necesario de residencia a cada uno de los reactivos para conseguir una pulpa homogénea antes de ser utilizada en la flotación. Con la pulpa (o producto de la molienda) se alimentan las celdas de flotación.

Al ingresar la pulpa, se hace burbujear aire desde el interior y se agita con un aspa rotatoria para mantenerla en constante movimiento, lo que facilita y mejora el contacto de las partículas de mineral dispersas en la pulpa con los reactivos, el agua y el aire, haciendo que este proceso se lleve a cabo en forma eficiente.



Pocas partículas de especies minerales tienen flotabilidad natural. Es decir, no forman una unión estable burbuja-partícula. Esto dificulta el proceso de flotación y hace necesario invertir las propiedades superficiales de las partículas minerales. Para ello deben mutar su condición hidrofílica a propiedades hidrofóbicas mediante el uso de un reactivo colector. Además, es necesario que posean el tamaño adecuado para asegurar una buena liberación de las especies minerales.

¿Qué reactivos se utilizan?

  • Reactivos espumantes: alteran la tensión superficial de líquidos. Su estructura les permite agruparse hasta formar otra fase distinta del resto del fluido, formando una espuma que separa el mineral del resto de la ganga. Su objetivo es producir burbujas resistentes, de modo que se adhiera el mineral de interés.

  • Reactivos colectores: favorecen la condición hidrofóbica y aerofílica de las partículas de sulfuros de los metales que se quiere recuperar, para que se separen del agua y se adhieran a las burbujas de aire. Deben utilizarse seleccionando el mineral de interés para impedir la recuperación de otros minerales.

  • Reactivos depresantes: se utilizan para provocar el efecto inverso al de los reactivos colectores, esto es, para evitar la recolección de otras especies minerales no deseadas en el producto que se quiere concentrar y que no son sulfuros.


  • Modificadores de pH: sirven para estabilizar la acidez de la pulpa en un valor de pH determinado, proporcionando el ambiente adecuado para que el proceso de flotación se desarrolle con eficiencia.

Las burbujas de aire generadas arrastran consigo hacia la superficie los minerales sulfurados, rebasando el borde de la celda de flotación hacia canaletas donde esta pulpa es enviada a la etapa siguiente.

Este proceso es reiterado en varios ciclos, de manera que en cada uno de ellos se vaya produciendo un producto cada vez más concentrado.

Adicionalmente, se puede realizar un segundo proceso de flotación, con el fin de recuperar el concentrado de otro metal de interés. El procedimiento es igual que el anterior, pero utilizando reactivos y acondicionadores de pH distintos, lo que permite obtener concentrados de dos metales de interés económico.

La primera flotación se denomina colectiva, donde el concentrado contiene dos o más componentes, y la segunda corresponde a laflotación selectiva, donde se efectúa una separación de compuestos complejos en productos que contengan no más de una especie individual. Un ejemplo de esto es la flotación de cobre y de molibdenita.

Etapas del proceso de flotación

La flotación contempla tres fases:

  • Fase sólida: corresponde a las materias que se quiere separar (material mineral).
  • Fase liquida: es el medio en que se llevan a cabo dichas separaciones.
  • Fase gaseosa: se refiere al aire inyectado en la pulpa para poder formar las burbujas, que son los centros sobre los cuales se adhieren las partículas sólidas.
  • Celdas de flotación: Las hay de 3 tipos.
  • Mecánicas: son las más comunes, caracterizadas por un impulsor mecánico que agita la pulpa y la dispersa.
  • Neumáticas: carecen de impulsor y utilizan aire comprimido para agitar y airear la pulpa.
  • Columnas: tienen un flujo en contracorriente de las burbujas de aire con la pulpa, y de las burbujas mineralizadas con el flujo de agua de lavado.

Los productos de la flotación contienen habitualmente entre un 50% y 70% de sólidos. Gran parte del agua contenida en las pulpas producidas por la flotación es retirada en los espesadores de concentrado y cola, los que realizan simultáneamente los procesos de sedimentación y clarificación. El producto obtenido en la descarga de los espesadores de concentrado puede contener entre 50% y 65% de sólidos. El agua remanente en estos concentrados espesados es posteriormente retirada mediante filtros hasta obtener un valor final que va desde un 8% hasta un 10% de humedad en el producto final. Este último es la alimentación para la siguiente etapa.

Proceso de fundición del mineral al cobre puro:

Para incrementar progresivamente la ley o contenido de cobre del material sometido a fundición, el proceso pirometalúrgico considera fases consecutivas de Fusión, Conversión y Refinación.

Así se logra que la pureza inicial de 30% a 40% contenida inicialmente en el concentrado, se incremente progresivamente hasta 99,5% en el ánodo.

De las fases consecutivas, la fusión y la conversión son las más importantes por lo determinantes que resultan en el proceso general.

La fusión tiene por objetivo concentrar el metal a recuperar, mediante una separación de fases de alta temperatura: una sulfurada rica en el metal y otra oxidada o pobre en él.
La conversión elimina el azufre y el hierro presentes en la fase sulfurada, mediante oxidaciones del baño fundido para obtener un cobre final relativamente puro.

Hoy en día el proceso de fundición once etapas:

1. Recepción y manejo de materias primas e insumos.
2. Secado de concentrados.
3. Tostación parcial de concentrados.
4. Alimentación de concentrados al horno de fusión.
5. Fusión de concentrados.
6. Limpieza de escorias.
7. Granallado de eje alta ley y escorias.
8. Preparación y manejo de eje de alta ley.
9. Conversión de eje de alta ley.
10. Refinación y moldeo de ánodos.
11. Plantas de limpieza de gases.

En la figura de una secuencia clásica de etapas pirometalúrgicas se muestra el rango aproximado de temperaturas involucradas. En su forma clásica, hay una secuencia alternada de etapas endotérmica y exotérmicas, siendo las más relevantes por su tamaño las correspondientes a la fusión y la conversión. Secuencialmente, también hay un aumento paulatino de la temperatura del sistema fundido.

Etapas del Proceso

Recepción y manejo de materias primas e insumos:

El proceso se inicia con la recepción y almacenamiento de los fundentes y otros insumos en áreas especiales para el concentrado. Estos materiales, que son transportados por vía marítima o terrestre, tienen un contenido de humedad que varía entre un 6% a 8% y proviene de distintas fuentes de abastecimiento. Se descargan mediante correas transportadoras tubulares o similares para evitar derrames y daños al medio ambiente.

Un equipo extrae el concentrado desde las camas de almacenamiento hacia el domo de mezcla. La operación normal permite que mientras una de las camas se está llenando, la otra se encuentre descargando a la planta. El domo de mezcla, cuya geometría es una semiesfera metálica cerrada, debe tener capacidad suficiente para algunos días de operación y estar ubicado en las inmediaciones del área de secado. El domo prepara mediante una correa circular interna una mezcla homogénea de concentrado, para dar la estabilidad operacional requerida por el proceso de fusión.

Secado de concentrados

El concentrado húmedo proveniente del domo de mezcla, es almacenado en tolvas desde donde ingresa a las líneas de secado de cada equipo de fusión que cuenta con secadores calefaccionados con vapor de agua En esta etapa la humedad original del concentrado (entre 6% y 8%) se reduce a niveles que oscilan entre 0,2% y 0,3%.

El concentrado va reduciendo sus niveles de humedad a medida que avanza dentro un tambor metálico. En el interior circula vapor a temperatura de 180ºC, por un serpentín que permite la transferencia de calor por radiación y convección. El calor requerido para el secado es suministrado por vapor saturado, a una presión de 20 bares, proveniente desde calderas de recuperación de calor de los gases generados en el proceso de fundición y que se encuentran asociadas a los respectivos hornos de fusión y conversión.

Los vahos producidos por el proceso de secado, compuestos por aire de purga (vapor de agua desprendido del concentrado y polvo arrastrado), pasan a un filtro de mangas donde se recuperan las partículas en suspensión, para ser dirigidas a las tolvas de almacenamiento de concentrado seco. Los vahos limpios son descargados a la atmósfera. El vapor condensado producto del proceso es conducido por cañerías a un estanque recuperador de condesados para su reutilización.

Debido a que la temperatura de operación del secador es de 180 ºC, no se generará emisión de SO2 al ambiente, ya que el azufre solo reacciona con el oxígeno a una temperatura superior a los 300 ºC. En algunos casos puntuales, el grado de humedad del concentrado a tratar se convierte en un parámetro importante, como en la alimentación a los procesos de fusión flash, en los que el concentrado es transportado suspendido en aire enriquecido o en oxígeno. Así, los procedimientos Outokumpu e INCO consideran una etapa de secado de concentrado en un secador rotatorio previo a su tratamiento. Outokumpu y Convertidor Teniente en particular, necesitan grados de humedad inferiores al 0,2%.

Tostación parcial de concentrados

La tostación consiste en la oxidación parcial de los sulfuros del concentrado y en la eliminación parcial del azufre de éste como SO2 y ocurre según reacciones sólido-gaseosas, a temperaturas de 500 a 800 ºC, dependiendo de los productos que se desea obtener.

La fase gaseosa contiene normalmente O2 y SO2 en la alimentación y productos y cantidades menores de gases SO3 y SO2, dependiendo de las reacciones de oxidación.



Alimentación de concentrados al horno de fusión

Una vez alcanzado el nivel de humedad requerido, el concentrado es descargado por gravedad desde los secadores y transportado en forma neumática a tolvas intermedias. En ellas se encuentran, simultáneamente, los polvos recuperados de diferentes partes del proceso de fusión y el concentrado seco proveniente de los secadores. Junto a cada tolva intermedia hay una tolva de almacenamiento de cuarzo fino; el cuarzo es requerido como fundente para la formación de escoria producida por las unidades de
conversión del eje alta ley (FCF) y, en menor cantidad, escoria proveniente de la refinación anódica y materiales recuperados de limpieza de canales, ductos y otros.

El concentrado seco, en conjunto con el cuarzo y en la dosificación adecuada, se extrae por un círculo neumático operado en fase densa que lo conduce por una cañería hasta el quemador del Horno Flash o de fusión inmediata, de tecnología Outokumpu.

Fusión de concentrados

El objetivo de esta etapa es formar una fase de sulfuros líquidos, compuesta principalmente por calcosina (Cu2S), covelina (CuS), calcopirita (CuFeS2), pirita (FeS2) y bornita (Cu5FeS4). En lo posible, debe contener todo el cobre alimentado, y otra fase oxidada líquida adherida a la anterior, llamada escoria, ojalá exenta de cobre, compuesta principalmente de silicatos de hierro. Los silicatos de hierro y los fundentes forman la escoria. La mata de cobre contiene sulfuros de cobre y hierro, algunos metales preciosos y otros elementos a nivel de trazas. La escoria, pobre en el metal, es caracterizada y descartada directamente o sometida a una etapa adicional de recuperación del metal, si su contenido es alto. La mata, en cambio, pasa a una etapa posterior de conversión por oxidación.

Los concentrados sulfurados de cobre son básicamente combinaciones, en proporciones variables, de sulfuros de hierro y cobre mezclados con ganga silícea ácido o básica. Las reacciones que tienen lugar en el Horno de Fusión (HF) transcurren entre estos constituyentes del concentrado y los fundentes, y corresponden principalmente a la reducción de los óxidos de cobre por el sulfuro cuproso y a la sulfuración de los óxidos de cobre por el sulfuro ferroso. Todo el sulfuro de cobre se descompone de acuerdo con las siguientes reacciones:




La tecnología HF corresponde a un proceso de fusión-conversión continua de concentrados, desarrollado por Outokumpu, que aprovecha el calor generado en las reacciones del oxígeno presente en el aire del proceso, con los sulfuros de hierro contenidos en el concentrado alimentado al reactor. Dependiendo principalmente de las características mineralógicas o químicas del concentrado, de los flujos y enriquecimientos en oxígeno del aire soplado, se generarán importantes cantidades de calor en el reactor, suficientes para tener un proceso totalmente autógeno, donde se funden además, materiales fríos de recirculación con cobre o carga fría, generada en el proceso productivo y utilizada para regular la temperatura en el horno.

Los productos generados en este proceso son una fase rica en cobre, conocida como eje de alta ley, con un 62%-70% de cobre, una escoria con un 1%-2% de cobre y 8%-12% de Fe3O4, y una corriente continua de gases con un 30%-35% de SO2 en la salida del horno. Concentración que dependerá principalmente del enriquecimiento en oxígeno del aire de proceso.

La escoria generada en el HF es evacuada por un pasaje de sangría ubicado en el extremo opuesto al punto de extracción del metal blanco, transferida por gravedad a través de una canaleta inclinada, cerrada, refrigerada y recubierta por material refractario, a un Horno Eléctrico de Limpieza de Escoria (en adelante HELE) para recuperar su contenido de cobre. Ambas canaletas, tanto la que conduce la escoria al HELE, como la que conduce el metal blanco a la etapa de granallado, se encuentran totalmente confinadas de tal forma que los gases y vahos emanados por la extracción o sangrado de los productos (metal blanco y escoria), sean captados y conducidos mediante ventilación a un sistema de limpieza de gases secundarios, donde un filtro de mangas recupera las partículas en suspensión (las que luego son recirculadas como carga fría al HF). Luego, los gases y vahos son neutralizados y emitidos a la atmósfera.

Respecto de los gases metalúrgicos primarios producidos en el proceso (ricos en SO2), éstos salen del HF por una torre refrigerada y pasan a una caldera donde se enfrían hasta alcanzar una temperatura de 350 ºC. Transfieren su calor por radiación y convección a los tubos de la caldera para producir vapor saturado de 60 bar de presión, que se utiliza en múltiples aplicaciones como un medio calefactor en procesos de intercambio de calor. Los gases primarios, limpios en partículas y ricos en SO22, son forzados por un ventilador de tiro inducido y conducido a la Planta de Limpieza de Gases y el dióxido de azufre es utilizado en la producción de ácido sulfúrico. El accionar de este ventilador permite inducir el flujo de gases a través del horno y asegurar que no existirán fugas de gases con contenido de SO2 al entorno.

El proceso de fusión ocurre a temperatura de 1.200 ºC, en un sistema fundido, con suspensión de partículas sólidas en el baño, correspondiente a compuestos de alto punto de fusión (léase sílice, magnetita, entre otros).

La reacción de producción de mata y escoria podemos representarla por:

Concentrado + Fundentes + Energía ------> Mata + Escoria + Gas (5)

Donde:

Mata: Cu2S, FeS, fundamentalmente.
Escoria: FeO, Fe3O4, SiO2, Al2O3, CaO, MgO, Cu2O, otros
Gas: O2, SO2, N2, CO, CO2, H2, H2O, otros.

Limpieza de escorias

La escoria fundida producida por el HF es alimentada al HELE por la gravedad a través de una canaleta cerrada y ventilada. La reducción del contenido de Fe3O44 permite mejorar las propiedades fisicoquímicas de la escoria optimizándose la separación y, en consecuencia, la sedimentación de las partículas de cobre. Así se logra la separación de las dos fases fundidas presentes: metal blanco con un contenido de cobre de 70% y escoria descartable con un contenido de cobre de alrededor de 0.70%. Los gases generados en el HELE son captados y conducidos a un incinerador que permite asegurar la quema total del carbón remanente no utilizado. Posteriormente, son mezclados con aire del sistema de ventilación del horno y con los gases secundarios de proceso. Esta mezcla es enfriada y conducida a un sistema de limpieza que permite la recuperación de material particulado. Los gases además de limpiados son neutralizados previo a su emisión a la atmósfera.

Granallado de eje de alta ley y escorias

En las operaciones modernas de fundición no se considera el transporte de materiales fundidos entre las etapas de fusión y conversión, lo que reduce al mínimo las emisiones fugitivas. Esto se consigue con la inclusión de etapas de granallado y molienda que permitan transportar materiales en estado sólido.

El proceso realizado en las plantas de granallado consiste en la granulación del material fundido, ingresa por la parte superior del pit o módulo de granulación y cae gravitacionalmente al fondo de éste. Durante esta caída el material fundido entra en contacto con agua pulverizada por un sistema de boquillas, con lo que el material se solidifica en pequeños gránulos, que caen en el fondo del pit de granulación junto con el agua inyectada. El material es recogido por un elevador de capachos perforados y luego pasa por un harnero vibratorio, donde se separa el sobretamaño una alta tasa de escurrimiento del agua. Las aguas utilizadas en el proceso de granallado (agua industrial) son condensadas y recirculadas en su totalidad dentro del mismo proceso, lo que genera una mínima emisión de vapor de agua.

Preparación y manejo de eje de alta ley

El eje de alta ley granallado proveniente del HF se acumula en el domo de almacenamiento. Una correa circular instalada al interior del domo permite la homogeneización requerida por el proceso de conversión. Desde el domo, el eje de alta ley es transferido mediante un equipo dosificador y una correa alimentadora móvil, a una etapa de molienda y secado constituida por líneas en serie con una unidad de conversión.

Adyacente a la tolva de eje de alta ley se encuentra una tolva de cal fina, material requerido como fundente para la formación y licuación de la escoria producida en el proceso de conversión. La alimentación del eje de alta ley al quemador se efectúa por medio de un sistema de pesaje gravimétrico (loss-in-weight feeder). Las tolvas de cal y polvos poseen su propio sistema de pesaje (loss-in-weight feeder). Un sistema neumático, (air slide) transporta la mezcla dosificada y pesada al quemador del horno de conversión.

Conversión de eje de alta ley

En la etapa de conversión, el sulfuro ferroso se oxida formando dióxido de azufre, mientras que el óxido ferroso se une con la sílice y cal para formar escoria, esencialmente ferrítica. El calor de formación de esta escoria, junto con el producido en la oxidación del azufre y el hierro, es suficiente para mantener los diferentes materiales en estado fundido. Cuando se ha oxidado todo el azufre asociado con el hierro, el eje de alta ley (sulfuro cuproso) también se oxida y, tan pronto como se ha formado una cantidad apreciable de óxido cuproso, éste reacciona con el sulfuro cuproso para formar cobre blíster y dióxido de azufre, según las siguientes reacciones que ocurren hasta que se consume prácticamente todo el azufre:

Respecto de las impurezas presentes en el eje de alta ley, una parte importante del arsénico, antimonio, plomo y zinc se volatiliza en forma de óxidos, mientras que la plata y el oro permanecen en el cobre blíster.

La tecnología de conversión considerada en esta descripción de una fundición moderna, corresponde a Hornos Flash u Hornos de Conversión Inmediata Outokumpu / Kennecott (FCF).

Los principales insumos requeridos en el proceso de conversión son: cal fina (95% CaO promedio), oxígeno técnico (95% O2, en promedio) y aire de distribución. El enriquecimiento del aire en proceso es 70% de oxígeno promedio.

En la torre de reacción se encuentra el quemador donde se alimenta la carga. Una lanza central, con aire enriquecido, facilita su distribución con la consecuente reacción el sulfuro contenido, lo que genera el calor de fusión requerido para el correcto funcionamiento del proceso.


El material se funde de manera instantánea (flash) produciendo cobre blíster, escoria y gases metalúrgicos con altos contenidos de SO2 (35%-45%). La temperatura de la reacción exotérmica alcanza hasta los 1.450 ºC y el calor generado es transferido a los productos fundidos, gases metalúrgicos y al sistema de refrigeración de la torre constituido por elementos de cobre refrigerados por agua, insertos en el revestimiento refractario de la misma.

El calor retirado desde el horno por las chaquetas de cobre refrigeradas por agua, con circuito cerrado de agua tratada e intercambiadores de calor, es eliminado mediante un sistema secundario que no considera torres de enfriamiento, sino una solución radiactiva conectiva mediante el uso de refrigeradores aleteados y ventiladores de aire forzado.

Los materiales fundidos son depositados en el decantador (settler) del FCF, que corresponde a una estructura metálica rectangular revestida interiormente de refractarios y elementos de enfriamiento similares a los de la torre de reacción, pero con geometría distinta. Estos materiales son evacuados desde settler, una vez que la separación de fases (blister y escoria) esté claramente definida debido a su diferencia de densidades y pesos específicos.

El decantador del horno posee placas de sangría para blister y placas de escoria. Estas canaletas que tienen una plancha metálica de acero refrigerada y recubierta con ladrillo refractario, son selladas y ventiladas para evitar el escape de gases y mantener la temperatura adecuada para el sangrado.

La producción de cobre blíster alcanzará un contenido promedio de cobre de 99.0%. La secuencia de sangría del blíster fundido está configurada de acuerdo a la disponibilidad operacional de los hornos de ánodos.

La escoria producida en el FCF es evacuada mediante canaletas selladas, de características similares a las utilizadas para el blíster, hacia una etapa de granallado. Dado el contenido metálico de la escoria granulada (17.6% de cobre), es transferida por camiones al área de almacenamiento de concentrados para su reprocesamiento como carga fría al HF.

Refinación y moldeo de ánodos

El cobre blíster obtenido de la etapa de conversión aún contiene impurezas y materiales valiosos tales como plata, oro, arsénico, antimonio, bismuto y hierro, por lo que debe ser refinado en los hornos anódicos. La operación de los hornos de refinación es cíclica (batch) y está constituida por las siguientes etapas: Llenado, Oxidación, Escoriado, Reducción y Vaciado.

Cada horno opera de forma secuencial, de acuerdo con las cinco etapas mencionadas. Completada la carga del horno, se inicia la etapa de oxidación, que permite remover el sulfuro contenido en el blíster hasta un nivel de 50 ppm. Para tal efecto se inyecta al baño fundido aire enriquecido con oxígeno. Adicionalmente se renuevan otras impurezas contenidas en el cobre blíster, inyectándose vía toberas, si es necesario, pequeñas cantidades de cal, que permiten la formación de una escoria que se descarta por sangrado y posteriormente es recirculado.

Una vez limpio el cobre, se inicia la etapa de reducción del nivel de oxígeno presente en el baño fundido, mediante la inyección de gas natural fraccionado con vapor de aire. Así se obtiene cobre anódico con un contenido de cobre de un 99,6%.

El cobre anódico se extrae del horno de ánodos por una canaleta cubierta, a la rueda de moldeo que va girando, produciéndose la soldificación del ánodo fundido por contacto con el aire ambiente.

Un equipo especialmente diseñado, toma automáticamente los ánodos solidificándolos y los deposita en estanques longitudinales de enfriamiento con agua. Desde los estanques, los ánodos son sacados por un montacargas y depositados en un área dedicada.

Plantas de limpieza de gases

El objetivo de estas plantas de limpieza es acondicionar los gases metalúrgicos primarios para su utilización como insumo en la producción de ácido sulfúrico (H2SO4). Los gases emitidos por el HF están compuestos principalmente por SO2, humo, vapores metálicos y partículas de cobre arrastradas. Los gases provenientes del FCF, están compuestos fundamentalmente de SO2 y material particulado.
Ambos gases primarios, luego de pasar por los respectivos precipitadores electrectroestáticos, se juntan en una cámara de mezcla común desde donde son conducidos a las plantas de limpieza de gases.

El proceso de producción de ácido sulfúrico se lleva a cabo en tres fases: purificación de gases, oxidación catalítica de SO2/SO3 y absorción.

La etapa de purificación o limpieza de gases tiene por objetivo acondicionar el gas, retirando todos aquellos compuestos cuya presencia pueda significar una merma en la eficiencia de producción de ácido sulfúrico o un daño al catalizador. Para ello, se contará con una torre de lavado que permitirá el enfriamiento y limpieza de sólidos y humos metálicos arrastrados; una sección de precipitadores de neblina húmeda y una torre de secado, donde son mezclados con aire de dilución hasta alcanzar un contenido medio de 14% de SO2, apto par ser enviado a la sección de contacto u oxidación.

Mediante la electrorrefinación se transforman los ánodos producidos en el proceso de fundición a cátodos de cobre electrolítico de alta pureza.

La electrólisis: una migración de cationes y aniones

¿Cómo se hace?

Este proceso de electrorrefinación se basa en las características y beneficios que ofrece el fenómeno químico de la
electrólisis, que permite refinar el cobre anódico (ánodo) mediante la aplicación de la corriente eléctrica, obteniéndose cátodos de cobre de alta pureza (99,99%), los que son altamente valorados en el mercado del cobre.

La electrorrefinación se realiza en celdas electrolíticas, donde se colocan en forma alternada un ánodo (que es una plancha de cobre obtenido de la fundición), y un cátodo, (que es una plancha muy delgada de cobre puro), hasta completar 30 ánodos y 31 cátodos en cada celda.

La electrólisis consiste en hacer pasar una corriente eléctrica por una solución de ácido sulfúrico y agua. El ion sulfato de la solución comienza a atacar el ánodo de cobre formando una solución de sulfato de cobre (CuSO4) denominada electrolito. Al aplicar una corriente eléctrica, los componentes de la solución se cargan eléctricamente produciéndose una disociación iónica en la que el anión sulfato (SO4-2) es atraído por el ánodo (+) y el catión (Cu+2) es atraído por el cátodo (-). El anión SO4-2 ataca al ánodo formando sulfato de cobre, el que se ioniza en la solución por efecto de la corriente eléctrica, liberando cobre como catión que migra al cátodo, y se deposita en él. El ion sulfato liberado migra al ánodo y vuelve a formar sulfato de cobre que va a la solución, recomenzando la reacción.

Este proceso es continuo durante 20 días. El día 10, se extraen los cátodos y se reemplazan por otros y los ánodos se dejan 10 días más y se reemplazan por otros. De esta forma, al final del día 20, nuevamente se extraen los cátodos y se renuevan los ánodos.

Los otros componentes del ánodo que no se disuelven, se depositan en el fondo de las celdas electrolíticas, formando lo que se conoce como barro anódico el cual es bombeado y almacenado para extraerle su contenido metálico (oro, plata, selenio, platino y paladio).

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lunes, 12 de abril de 2010

primera clase( estados de la materia)

La ciencia se puede decir que es la obtención de conocimiento a través de una investigación ordenada y racional, el cual se inicia a partir de una inquietud, se crean hipótesis para explicar lo observado, se realizan experimentos para confirmar o descartar las hipótesis y por ultimo se generan las teorías luego de confirmar las hipótesis.

Sustancias puras: Es un conjunto de moléculas idénticas de igual tamaño, masa y forma.
Moléculas: Es la menor porción material que se puede presentar en una sustancia pura.


Las moléculas presentan movimiento o energía cinética, el cual es proporcional a la temperatura las cuales se atraen mediante la fuerza de atracción.


El cristal liquido se encuentra entre la temperatura de un solido y un liquido, los cuales pueden presentar varios ordenamientos moleculares de tipo esmectico, estado nematico y colesterico.


Las sustancias puras y las propiedades.


Una fase: Es una porción de materia que posee propiedades iguales, ya sean físicas o químicas.


El punto triple del agua se obtiene a 0.0075 C° - 4.58 mmhg de forma estable, esto quiere decir que se encuentran los tres estados de la materia al mismo tiempo.




Sistemas heterogéneos

Técnicas de separación de los sistemas heterogéneos

Filtración: Consiste en hacer pasar un liquido a través de un filtro de papel por los cuales escurrirá al fondo del recipiente las moléculas que se encuentren en estado liquido y en el filtro quedaran las moléculas que se encuentren en estado sólido.

Decantación: El liquido que sea mas denso se va a alojar en el fondo del recipiente y los demás líquidos se van a acomodar en orden de acuerdo a su densidad.

La formula de densidad: D=m/V

Densidad: g/cm3

Masa: g

Volumen: cm3

Centrifugación: consiste en hacer girar a gran velocidad unos tubos con un líquido cualquiera y gracias a la fuerza centrifuga las moléculas mas densas se alojaran al final del tubo.

Por ejemplo: Al centrifugar tubos con sangre, se separan los glóbulos rojos del plasma, los glóbulos rojos al ser mas densos se alojan al final del tubo.

Sublimación: Consiste en hacer pasar un sólido a gas o un gas a sólido, sin pasar por el estado liquido.


Disolución: Consiste en hacer pasar una muestra por distintos líquidos hasta lograr separar las fases.


Tamización: Se filtra de acuerdo a su tamaño, en el cual quedaran atrapadas en la rejilla las partículas más gruesas, separándolas de las más delgadas.

Sistemas homogéneos

Soluciones: En estado sólido las más conocidas son las siguientes: aleaciones (bronce, aleación de cobre y estaño). En estado liquido podemos nombrar el agua con sal, en estado gaseoso se puede nombrar el aire (oxigeno, nitrógeno, etc.)

TECNICAS DE SEPARACIÓN DE SUSTANCIAS PURAS DESDE SISTEMAS HOMOGENEOS

Destilación: Consiste en aplicar calor a un recipiente donde se almacena la mezcla y un condensador donde se enfrían los vapores generados, para Luego convertirlos de nuevo en liquido, esto es debido a los diferentes puntos de ebullición de cada sustancia.


Extracción por solvente: El soluto es extraído del solvente original por un solvente extractor, inmiscuible con el primero, y que disuelve mejor al soluto.


Cristalización: Se lleva a la solución a la condición de saturación a una temperatura alta, luego se deja enfriar lentamente y como la solubilidad es menor a menores temperaturas se forman cristales. Mientras menor cantidad de núcleos de cristalización se formen, mejores y mayores cristales se obtienen. Mientras más grande sea el cristal formado, la sustancia es más pura o menos contaminada con impurezas.

Cromatografía: Las diferentes Sustancias Puras de una mezcla se pueden separar por Cromatografía. se siembra en un soporte fijo o estacionario. El flujo de una fase móvil arrastra de diferente manera (separa) los distintos tipos de moléculas. Las moléculas son retenidas por la fase estacionaria mediante fuerzas de retención y al mismo tiempo son arrastradas por la fase móvil mediante fuerzas de arrastre. La intensidad de estas fuerzas ( de naturaleza eléctrica ) son propias de cada sustancia. Si una sustancia es pobremente retenida pero fuertemente arrastrada tendrá un bajo tiempo de elución en cambio otra que es fuertemente retenida y pobremente arrastrada demorará mucho en cruzar la fase estacionaria y tendrá un tiempo de elución elevado.


LAS SUSTANCIAS PURAS

EL CAMBIO QUÍMICO Y LAS LEYES FUNDAMENTALES

Las sustancias puras son moléculas de similares características, de tamaño, masa y forma bien definidas. Cuándo las Sustancias Puras reciben energía mayor que la necesaria para que acontezcan los cambios físicos sus moléculas se modifican, variando el tamaño, la masa y la forma, es decir se transforman en moléculas o Sustancia Puras distintas de las iniciales. En estos casos ha ocurrido un Cambio Químico o Reacción Química.

Algunas moléculas se rompen en fragmentos o degradan con relativa facilidad, finalmente se llega a fragmentos o moléculas muy resistentes a la ruptura o degradación. Estas últimas sustancias de difícil ruptura o degradación se consideran fundamentales y se les denomina Elementos y con ellas se formarían aquellas más complejas y que se les denomina Compuestos.


Ley de la conservación de la materia (Lavoisier): En un cambio químico la masa de los reaccionantes es igual a la masa de los productos.

Ley de proporciones definidas (Proust): La proporción en que los elementos se combinan para formar compuestos es definida o constante no importando la procedencia del compuesto.

Ley de proporciones múltiples (Dalton): Los pesos de un elemento que se combinan con una cantidad fija de un segundo elemento cuando se forman dos o más compuestos están en relación de números enteros.


MODELO ATÓMICO

Las leyes fundamentales recién estudiadas demuestran que las moléculas a su vez están formadas por otras partículas aún más pequeñas. Estas nuevas partículas se denominan átomos y deben poseer las siguientes cualidades:

1.- Los átomos son partículas, que mediante fuerzas denominadas enlace químico, se unen para formar las moléculas.

2.- Cada elemento tiene un átomo característico, es decir , de tamaño y masa determinados. Existen tantos tipos de átomos como de elementos. (Los Elementos son aquellas Sustancias que mediante Símbolos se presentan en el Sistema Periódico)

3.- Si los átomos se presentan solitarios, o bien unidos del mismo tipo, se trata de moléculas de un Elemento.

Si los átomos se presentan unidos, de distinto tipo, se trata de molécula de un Compuesto.

4.- Un Cambio Químico es un reordenamiento de átomos

LOS ELEMENTOS Y LOS COMPUESTOS

Con esta visión más profunda de los aspectos estructurales de la materia (modelo atómico) se comprenden categorías aún mas finas de los sistemas materiales, esta vez en relación a las Sustancias Puras.


Compuesto: Molécula de distintos tipos de átomos.



Elementos: Moléculas o (átomos aislados) constituidas por un mismo tipo de átomo.


Para separar los elementos desde los compuestos se utiliza la electrolisis.

Nomenclatura química:

Átomo de cobre:
Cu
Átomo de oxigeno:
O
Átomo de Hidrogeno:
H

Una molécula de una Sustancia Pura se representa por su Fórmula

Una molécula de Oxido de Cobre (I) se representa por Cu2O

El número de átomos del elemento se indica con un subíndice después del Símbolo y se llama Atomicidad.

Atomicidad es el número de átomos de un elemento.

Un reordenamiento de átomos de un cambio Químico se representa por su Ecuación

Un reordenamiento de átomos de la formación del hidróxido de cobre (I) se representa por

Cu2O + H2O = 2 Cu OH

El número de partículas idénticas se indica delante de la fórmula con el Coeficiente Estequiométrico

CuO2H2 Cu(OH)2

LEY DE VOLUMENES DE COMBINACIÓN DE GASES ( Gay Lussac)

Los volumenes de gases de Reaccionantes y Productos, medidos en iguales condiciones de Presión y Temperatura, están en relación de números enteros.

HIPOTESIS O PRINCIPIO DE AVOGADRO

En volumenes iguales, de cualquier gas, medidos en iguales condiciones de P y T existe igual número de moléculas.

La Presión que ejercen las moléculas al chocar con las paredes del recipiente depende:

1) de la magnitud de los Impactos = masa x velocidad

(relacionable con la Energía Cinética = 1/2 masa x velocidad 2 y proporcional a la temperatura)

2) del número de Impactos (proporcional al número de moléculas)

Avogadro razona:

Si las temperaturas son iguales, las magnitudes de los impactos son iguales (m v = m’v’, la molécula liviana se mueve rápido y la pesada se mueve lento) y si las presiones son iguales, el número de Impactos ( número de moléculas) son iguales.

Aplicando el Principio de Avogadro recién enunciado a lo observado por Gay Lussac según los ejemplos ya entregados se concluye que los volumenes de reaccionantes y productos observados se explican mediante las siguientes proposiciones de reordenamientos:

2 H 2 + O 2 = 2 H 2 O

N 2 + 3 H 2 = 2 NH 3

H 2 + Cl 2 = 2 H Cl

Estudio de los Átomos

La materia y la electricidad.

Diferentes experimentos demuestran que existen dos tipos de electricidad y se les denomina positiva y negativa, si dos cuerpos tienen el mismo tipo de carga se repelen y si son de distinto tipo de atraen.

Thompson demuestra experimentalmente, con el tubo de rayos catódicos la existencia de los electrones.


Los electrones resultan ser partículas de carga eléctrica negativa cuya razón:

Carga

_________________ = 1,76 . 10 8 (Coulomb / gramo)

Masa


Millikan determina la carga eléctrica del electrón en su clásico experimento de la gota de aceite.

Así la carga del electrón se establece en 1,6 . 10 -19 coulomb y su masa en 9,1. 10 –28 gramos.

LAS PARTICULAS INTRATOMICAS FUNDAMENTALES

Rutherford, bombardea una lámina de oro, con rayos a ( partículas "pesadas", cargadas positivamente)

Rutherford concluye que la lámina de oro es prácticamente vacía, o mejor, el átomo de oro concentra toda su masa en un núcleo de carga positiva de volumen muy pequeño en relación al volumen atómico total.

Comprende la presencia en el núcleo del átomo, de los protones, partículas cargadas positivamente y de masa mayor que la del electrón y que ya habían sido detectadas con el tubo de Thompson. También se comprende la presencia en el nucleo de los neutrones, partículas de igual masa que el protón pero sin carga eléctrica.

El nucleo, por la presencia de los protones, tiene carga positiva y por esta razón atrae los electrones (cargas negativas) que giran a su alrededor en órbitas semejantes, en una primera aproximación a las órbitas planetarias del sistema solar.

NOMENCLATURA PARA SISTEMAS ATOMICOS Y SUS MODIFICACIONES.

A CARGA

S

Z X

Definición:

A: Numero Masico es el numero de protones mas el numero de neutrones.

Z: Numero Atómico es el numero de protones.


Carga: es la carga eléctrica o estado de oxidación y es igual al numero de protones menos es el numero de electrones.

  • Isótopos son átomos de igual numero atómico pero distinto numero masico.

  • Isóbaros son átomos de igual numero masico y distinto numero atómico.

1 unidad de masa atómica, 1 (u.m.a.), equivale a 1/12 de la masa del átomo de 12C.

1 unidad de masa atómica prácticamente coincide con la masa de un protón o de un neutrón.

1 (u.m.a.) = 1, 67 . 10 - 24 ( g ).






Envoltura de los átomos


LAS ONDAS ELECTROMAGNETICAS Y LA ENERGÍA

Las ondas electromagnéticas son campos eléctricos (E) y magnéticos (H) variables, oscilantes y mutuamente perpendiculares que se desplazan por el espacio y se relacionan íntimamente con el concepto de energía.


MAGNITUDES Y CUALIDADES DE LAS ONDAS


A = Amplitud de la onda (La mayor oscilación respecto de la posición de equilibrio)

c = velocidad de propagación de la onda (cm/ seg)

l = longitud de onda (lambda) desplazamiento del frente de onda en un ciclo (cm)

T = Período (tiempo de un ciclo) (seg)

n = frecuencia ( nu ) = 1/T seg –1 = ciclos/seg = Hertz

Ecuación fundamental l = c T

:. l = c / n :. n = c / l :. n = 1 / l(N° de ondas ) cm -1

Un fenómeno inherente a la naturaleza de las ondas es la interferencia. Es decir, si las ondas se encuentran en fase se suman sus amplitudes, en cambio si las ondas están desfasadas se anulan mutuamente y la amplitud de la onda resultante puede ser nula.

El fenómeno de la difracción de las ondas es una clara manifestación de la propiedad de interferencia de las ondas. Los ribetes de claridad y oscuridad que acompañan la sombra de los bordes de la hoja de afeitar son consecuencia del fenómeno de la difracción y prueban la naturaleza ondulatoria de la luz.


EL ESPECTRO CONTINUO DE ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS

En los rayos X y los rayos gamma aumenta la frecuencia, pero disminuye su longitud de onda. A lo contrario de las ondas de radio ya que su frecuencia disminuye y su longitud de onda aumenta.

LA ENERGÍA ES DE CARACTER DISCONTÍNUO, SE PRESENTA A LA FORMA DE PEQUEÑOS "PAQUETES DE ENERGÍA " QUE SE DENOMINAN CUANTOS, CUANTAS O FOTONES

LA ENERGÍA DE UNA ONDA ELECTROMAGNÉTICA ES PROPORCIONAL A SU FRECUENCIA

ECUACIÓN DE MAX PLANCK

ENERGÍA DE UN FOTÓN = h n

h = Constante de Planck = 6,62 10 -27 erg. Seg

EL ATOMO DE HIDROGENO DE BOHR

(Principios Básicos de Química H.Gray)

1) Orbitas circulares

2) Momento angular = m e v r = n h / 2 p n = 1,2,3...........a



Energía asociada a los cambios de órbita

El electrón para cambiarse a una orbita mayor debe ganar energía y para bajar a una orbita menor debe perder energía en forma de foton.

LA MECANICA CUANTICA ONDULATORIA

Efecto Compton

El foton es una onda, pero al chocar con otra partícula, se comporto como una partícula. El electrón que es una partícula, se comporto como una onda y se produce a la difracción.




DE BROGLIE " Todo cuerpo en movimiento tiene una onda asociada"

λ = h / m x v = h / p

PRINCIPIO DE INCERTIDUMBRE DE HEISSENBERG

Es imposible conocer simultáneamente la posición y el momento de un electrón.

D x D p = l . h / l = h > 0



ECUACION ONDA PARTÍCULA DE SCHRODINGER

-h² ( d²ψ + d²ψ + d²ψ ) + v (x) ψ = E ψ

8π² m dx² dy² dz²

Ecuación diferencial de 2° orden para sistemas onda partícula, en tres dimensiones e independiente del tiempo donde:

h = constante de Planck,

y = Amplitud de la onda,

m = masa dela partícula

x,y,z = coordenadas de posición,

V(x,y,z ) = Energía Potencial,

E = Energía de la partícula

Resolver la ecuación es, lograr por integración, expresiones para:

y = f (x,y,z) ; E = g (x,y,z)

y 2 a Probabilidad de encontrar la partícula en x,y,z

El encontrar, mediante el cálculo, las zonas de alta probabilidad de encontrar la partícula equivale a determinar los orbitales.

La Ecuación de Schorodinger se aplica al átomo de Hidrógeno y se resuelve obteniendo expresiones para y y E del tipo trigonométricas. En estas expresiones aparecen los denominados números cuánticos n, l, y m cuyas combinaciones se asocian a zonas de alta probabilidad de encontrar el electrón u orbitales.


LOS NUMEROS CUANTICOS

SUS VALORES Y REGLAS DE COMBINACIÓN

n = Número cuántico principal.

Se asocia al tamaño y energia de los orbitales

¿Cuántos valores? infinito

¿Cuáles? 1,2 3,4,..............a ( Es el mismo n del átomo de Bohr)

l = Número cuántico secundario

Se asocia al tipo o forma de los orbitales

¿Cuántos valores? n

¿Cuáles? 0, 1, 2, 3, .........(n-1)

s p d f

Cada uno de los cuatro primeros valores se asocian respectivamente a las letras que se indican.

m = Numero cuántico magnético.

Se asocia con la orientación espacial de los orbitales

¿Cuántos valores? 2l +1

¿Cuáles? - l, - ( l-1 ), .... -1, 0, 1, ......+ ( l-1 ), + l

s = Numero cuántico de spín electrónico.

Se asocia al giro del electrón sobre su eje

¿Cuántos valores? 2

¿Cuáles? - 1 / 2 , + 1 / 2

ATOMOS POLIELECTRÓNICOS

Ante la imposibilidad de resolver la ecuación de Schorodinger para sistemas de varios electrones, se ha supuesto y con éxito, que sucesivos electrones adoptarán los diversos modos de vibración que se encontraron para el electrón de átomo de Hidrógeno.

En palabras más simples, los sucesivos electrones se ubicaran en los orbitales ya determinados para el átomo de Hidrógeno y de acuerdo a las siguientes reglas.

Principio de exclusión de Pauli

No puede haber 2 electrones con los 4 números cuánticos iguales. Es equivalente a establecer que un orbital acepta un máximo de 2 electrones.

Principio de Estabilidad o menor Energía

Regla de Ta o de las diagonales.

Los electrones se ubican primero en los orbitales de menor energía.

Son de menor energía los de menor valor de n + l.

A igualdad de n + l se considera de menor energía los de menor n.

1S

2S 2P

3S 3P 3d

4S 4P 4d 4f

5S 5P 5d 5f

6S 6P 6d

7S 7P

Diagonales indican el orden de llenado ( energía creciente)

Principio de Hund

En el caso de varios orbitales de igual energía o "degenerados" ( igual n + l , igual n ), por ejemplo una serie de 3 orbitales p, o una serie de 5 orbitales d, o bién una de7 orbitales f. Los electrones entran de a uno en cada uno de ellos, haciéndolo primero, por convención, con spin negativo. Cuando todos los orbitales " degenerados" ya hayan recibido un electrón con spin negativo pueden formarse parejas de spines opuestos.


PROPIEDADES MAGNETICAS DE LAS SUSTANCIAS

Parece conveniente indicar en este momento que el principio de Hund promueve la situación que existan orbitales con un sólo electrón o electrón desapareado. Esta circunstancia tiene una importante consecuencia en las propiedades magnéticas de los elementos. Aquellas sustancias que poseen orbitales con electrones desapareados ( spin - 1/2) tienen propiedades paramagnéticas, esto es, los campos magnéticos de spín se suman, refuerzan o atraen los campos magnéticos externos, las sustancia son imantables.


De no suceder así, es decir, si todos los orbitales tienen electrones apareados ( spin + 1/2 y - 1/2 ) es una circunstancia que determina el diamagnetismo, la sustancia repele campos magnéticos externos y las sustancias no son imantables.

CONFIGURACIONES ELECTRÓNICAS Y ELECTRONES DE VALENCIA

Los electrones de valencia son aquellos que se encuentran en los orbitales de mayor número cuántico cuántico principal más aquellos que están en orbitales con el número cuántico principal anterior al mayor a condición de estar incompletos.Los electrones de valencia son aquellos que se encuentran en los orbitales de mayor número

SISTEMA PERIODICO DE LOS ELEMENTOS

Ubicación de los Números Atómicos por Configuraciones Electrónicas

Ejemplo: Z= 77

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6 6s2 4f14 5d2 5d2 5d1 5d1 5d1

PROPIEDADES PERIODICAS DE LOS ELEMENTOS

La repetición de las configuraciones electrónicas y la consiguiente conformación de un sistema de períodos y grupos es el fenómeno de carácter periódico más relevante. Sin embargo, hay otras propiedades atómicas importantes afectadas de carácter periódico.

Radio Atómico: Es la distancia que se establece entre el núcleo y el ultimo electrón del átomo.

El RadioAtómico disminuye "suavemente" al Aumentar Z en un Período. Si bién los electrones están similar orbital, la carga positiva del nucleo se incrementa ejerciendo progresivamente mayor atracción sobre los electrones. Se muestra la situación observando los electrones periféricos (dibujados en amarillo) en orbitales 2p para elementos del 2° Período.

El Radio Atómico aumenta "bruscamente" al aumentar Z en un Grupo o familia. Los electrones periféricos se encuentra en un orbital del mismo tipo pero en el nivel siguiente. Para comprender la situación hay que recordar que, por un lado, el radio de la órbita en el átomo de Bohr o volumen del orbital en el átomo de Hidrógeno es proporcional al cuadrado de n. Por otro lado, también hay que tener presente que el aumento de Z significa mayor atracción sobre los electrones. Predomina el primer efecto pero atenuado por el segundo factor.

Los iones son atomos cargados eléctricamente que resultan de ganar o perder electrones.El Radio de lo iones es diferente al de los atomos neutros. Los iones negativos ( ganan electrones) son de mayor Radio, en cambio los positivos, ( pierden electrones) son menor Radio.

EL POTENCIAL DE IONIZACIÓN ( P . I .)

Es
la Energía que se necesita para arrancar el electrón periférico a un átomo neutro libre.

A
0 (g) +
POTENCIAL DE IONIZACIÓN = A+ 1 (g) + e-


Mientras más cercano al nucleo, el electrón periférico es atraído con mayor fuerza y viciversa. En consecuencia la magnitud de
la Energía de Ionización se comporta en forma inversa a la del Radio Atómico.


LA ELECTROAFINIDAD ( E . A .)


Es
la Energía que se libera cuando un átomo libre y neutro capta un electrón .

A
0 (g) + e- = A-1 (g) +
ELECTROAFINIDAD

Mientras más cercano al nucleo, el electrón periférico es atraído con mayor fuerza y viciversa. En consecuencia la magnitud de
la Electroafinidad se comporta en forma inversa a la del Radio Atómico .

No cuenta para los gases nobles


LA ELECTRONEGATIVIDAD ( E. N.)

La Electronegatividad es una magnitud que engloba tanto al P.I como a la E.A. y, en consecuencia, es proporcional a ambas. De la misma forma que las magnitudes anteriores se comporta en forma inversa al Radio Atómico
Mide la tendencia a formar iones negativos o bien la capacidad de atraer electrones.

La electronegatividad máxima es la del Fluor e igual a 4. No cuenta para los gases nobles.

LA ELECTROPOSITIVIDAD ( E . P .)

La Electropositividad es una magnitud de sentido inverso de la E. N.
Mid
e la tendencia a formar iones positivos o bien la capacidad de perder, ceder o repeler electrones.

Tampoco cuenta para los gases nobles

LA FORMACIÓN DE LOS IONES

Las propiedades periódicas recién estudiadas y sus variaciones en el ordenamiento del Sistema Periódico apuntan a un hecho de singular importancia para el comportamiento químico de los distintos elementos. Esta es la situación de estabilidad, sinónimo de baja energía, de los sistemas electrónicos de los gases nobles. Estos sistemas tienen sus orbitales comprometidos, completos de electrones. La circunstancia que las moléculas de gases nobles son monoatómicas son la prueba de tal estabilidad, es decir, los átomos de los gases nobles no realizan intercambios electrónicos ni para formar iones ni para unirse con otros átomos pues sus configuraciones electrónicas son estables.

Tal concepto es reafirmado y a la vez explica el comportamiento de los átomos de los otros elementos. Estos realizan transferencias electrónicas para formar iones o formar moléculas de tal forma de alcanzar la configuración electrónica del gas noble más cercano. El tener niveles o subniveles electrónicos completos de electrones caracteriza el comportamiento de intercambio electrónico de los átomos de los distintos elementos.

Es así que los atomos ganan o pierden determinadas cantidades de electrones para completar niveles o subniveles alcanzando ciertas cargas eléctricas o estados de oxidación.
A continuación se señalan los estados de oxidación para átomos de elementos de presencia más corriente en un ordenamiento de grupos que, en parte, recuerda al del Sistema Periódico.

H +1 (-1) He0

Li +1 Be +2 B+3 C -4+2+4 N –3 (+1)+3 (+4)+5 O –2 F -1 Ne0

Na+1 Mg+2 Al+3 Si -4+2+4 P –3+3+5 S –2+2+4+6 Cl -1+1+3+5+7 Ar0

K +1 Ca +2 Br -1+1+3+5+7 Kr0

Rb+1 Sr +2 I -1+1+3+5+7 Xe0

Cs+1 Ba +2 Cr+3+6 Mn +2+4+6+7 Fe +2+3 Co+2 Ni +2 Cu (+1) +2 Zn +2 Rn0

Fr +1 Ra +2 Hg (+1)+2 Cd +2 Ag+1 Au +1+3 Pb +2+4 Sn+2+4

LA FORMACION DE LAS MOLECULAS

La formación de los iones o bién alcanzar ciertos estados de oxidación hay que observarlo como un proceso asociado entre distintos átomos y que conduce a la formación de las moléculas de las diferentes Sustancias Puras. Las fórmulas (atomicidades) de aquellas moléculas puede deducirse teniendo en cuenta el estado de oxidación de los iones estabilizados y fundamentalmente la necesidad que la estructura molecular resultante sea eléctricamente neutra. La atomicidad de un elemento se obtiene tomando en primer término el valor absoluto del estado de oxidación del átomo del otro elemento y viciversa, luego aquellas atomicidades se simplifican, de ser posible, llegándose a las definitivas.

M+m n N -n m

M = Metal N = No Metal

TIPOS DE COMPUESTOS FUNDAMENTALES

SU OBTENCIÓN FORMAL Y DENOMINACIÓN ACTUAL Y ANTIGUA

OXIDOS METALICOS

M 0 + O 0 2 ________ > M +m 2 O –2m

Ejemplos: Cu +12 O –2 Oxido de cobre I , antes Oxido cuproso

Cu +2 O –2 Oxido de cobre II , antes Oxido cúprico

OXIDOS NO METALICOS ( antes ANHIDRIDOS)

N 0 + O 0 2 _________> N +n2 O –2n

Ejemplos: C +2 O –2 Oxido de carbono II , antes Anhidrído carbonoso

C +4 O –22 Oxido de carbono IV, antes Anhidrído carbónico

Como se puede observar, la denominación antigua que es muy persistente, depende del Número de Oxidación con que interviene el elemento. Esta nomenclatura usa prefijos y terminaciones alrededor de la raíz del nombre del elemento de acuerdo al número de estados de oxidación que posee el elemento y a la posición, entre éstos, del número de oxidación en uso.

Así:

Número de estados 1 2 3 4

de Oxidación

hipo ------ oso hipo ------ oso

------- ------oso ------ oso ------ oso

-------ico ------ ico ------ ico

per ------ ico

------- = raíz del nombre del elemento

LOS HIDRÓXIDOS (OXIDO METALICO+ AGUA)

M +m2 O -2m + m H+12 O-2 = 2 M+m ( O-2 H+1)m

Ejemplo:

Al +32 O -23 + 3 H+12 O-2 = 2 Al+3 ( O-2 H+1)3 ( Al ( OH)3 )

Oxido de Aluminio Hidróxido de Aluminio

LOS OXACIDOS ( OXIDO NO METALICO + AGUA)

N +n 2 O -2n + H+12 O -2 = H+12 N+n2 O-2n+1

Ejemplo:

S+6 O-2 3 + H+12 O–2 = H+12 S+6 O-24 ( H2 S O4 )

Anhídrido Sulfúrico Acido Sulfúrico

LOS HIDRACIDOS (HIDROGENO +NO METALES)

n H 02 + N 02 = 2 H+1n N – n

Ejemplo:

n H 02 + S 02 = 2 H+12 S – 2 ( H2 S )

Acido Sulf hídrico

LOS ACIDOS Y LAS BASES

Mejor que un nuevo tipo de compuestos habría que señalar que son compuestos que poseen una propiedad relacionada a la reacción de disociación del agua y a los iones que allí son liberados:

H2O

H2O = H + + OH

ión hidrógeno ión hidroxilo

ACIDOS son sustancias de fórmula general HA que se disocian en agua liberando el ión hidrógeno

H2O

HA = H + + A

ácido ión hidrógeno anión del ácido

Así se comportan los oxácidos y los hidrácidos:

Ejemplos:

H 2 S O 4 = 2 H + + SO4 –2

Ácido sulfúr ico Anión sulf ato (1)

Observar como la denominación del ácido se transforma para el anión

oso _____________> ito

ico _____________> ato

H 2 S = 2 H + + S –2

Ácido sulf hídrico Anión sulf uro

Observar como la denominación del ácido se transforma para el anión

hídrico ___________> uro

BASES son sustancias de fórmula general BOH que se disocian en agua liberando el ión hidroxilo.

H20

BOH = B + + OH

base catión de la base ión hidroxilo

Así se comportan los hidróxidos:

Ejemplo:

u ( O H ) 2 = Cu+2 + 2 OH -

catión cúprico (1)

  1. Anión es un ión de carga negativa y Catión es un ión de carga positiva. Los nombres provienen de la Electroquímica

LAS SALES ( RESULTADO DE LA REACCION DE ACIDOS + BASES)

OXÁCIDOS + BASES = SAL + AGUA

m H+12 N+n2 O-2n+1 + 2 M+m ( O H )- m = M+m2 ( ( N+n2 O-2n+1 ) –2)m + 2m H2O

Ejemplo:

3 H+12 S+6 O -24 + 2 Al+3 ( O H)-3 = Al+32 ((S+6 O –24) -2)3 + 6 H2O

( 3 H2 S O4 + 2 Al ( O H) 3 = Al 2 (S O4) 3 + 6 H2O )

Acido Sulfúrico Hidróxido de Aluminio Sulfato de Aluminio Agua

HIDRACIDOS + BASES = SAL + AGUA

m H+1n N – n + n M+m ( O H ) m = M+mn N – nm + mn H 2 O

Ejemplo:

H+12 S–2 + 2 Al+3 ( O H ) -3 = Al +32 S– 23 + 6 H 2 0

( H2 S + 2 Al (OH )-3 = Al2 S3 + 6 H 2 0 )

Acido Sulfhídrico Hidróxido de Aluminio Sulfuro deAluminio Agua

LOS HIDRUROS ( IONES METALICOS CON IONES HIDRUROS)

M0 + m /2 H02 = M+m H -m

Ejemplo:

Mg0 + H02 = Mg+2 H2 ( Mg H2 )

Hidruro de Magnesio

EL ENLACE QUIMICO

El enlace químico es la fuerza que une a los atomos para formar las moléculas.

Como ya se ha dicho es un proceso de estabilización por interacciones electrónicas donde cada átomo trata de alcanzar la configuración electrónica del gas noble más cercano. Por lo general los gases nobles tienen 8 electrones de valencia, de allí se acostumbra a decir que el enlace químico se forma cumpliendo la "regla del octeto".

La energía de estabilización se denomina también la energía de enlace y corresponde además de la energía liberada cuando se forma el enlace a la energía necesaria para romper el enlace.

Los electrones de valencia son aquellos que se encuentran en los orbitales de mayor número cuántico principal más aquellos que están en orbitales con el número cuántico principal anterior al mayor a condición de estar incompletos.

TIPOS DE ENLACES Y POLARIDAD DE LOS ENLACES

Existen dos mecanismos para cumplir la regla del octeto.

a. ENLACE IONICO. Cesión de electrones, de parte de un átomo fuertemente electropositivo a otro fuertemente electronegativo. Formación de iones positivos y negativos y atracción electrostática entre ellos.

b. ENLACE COVALENTE. Compartición de parejas de electrones entre átomos de parecida o igual electronegatividad. Electrones compartidos con spines opuestos y atracción magnética.

Ejemplos de estas situaciones, donde se muestra la estructura electrónica a nivel molecular, se dan a continuación mediante las correspondientes notaciones de Lewis.



En la segunda parte de gráfico precedente se muestra como un enlace covalente deviene en covalente polar y luego en iónico polar simplemente al crecer la asimetría de la posición de la pareja de electrones compartida.

A continuación una visión total, o sea las diferentes situaciones en función de la diferencia de electronegatividad entre los átomos involucrados.

ENLACE COVALENTE DATIVO Y CARGAS FORMALES

Se presenta con relativa frecuencia la situación que para formar un enlace covalente o de compartición, es uno de los átomos participantes del enlace el queaporta la pareja de electrones del enlace. El enlace que se forma se llama covalente dativo y va acompañado de desbalances de cargas eléctricas que deben ser determinados para tener una clara visión de la situación molecular.

Los desbalances de cargas eléctricas se detectan mediante el cálculo de las cargas formales haciendo uso de la siguiente relación:

CF = N° de electrones de valencia - ( N° electrones no enlazantes + 1/2 N° electrones enlazantes )

Algunos ejemplos:

LA RESONANCIA ELECTRÓNICA

" Cuando para una molécula se puede escribir varias varias configuraciones de Lewis correctas ( sin cambiar de posición los átomos) , la verdadera configuración es una mezcla de todas ellas que se denomina hibrido de resonancia y dónde la importancia de cada estructura contribuyente es proporcional a sus estabilidad."

Ejemplo: el dióxido de carbono

Los porcentajes de contribución al híbrido en este caso son estimativos y se entregan sólo a forma de ilustración.

Otro ejemplo: el ión carbonato

En este caso la contribución es la misma pues las estructuras son equivalentes desde el punto de vista de la energía. Se ha demostrado por la técnica de difracción de los rayos x, que las distancias entre el carbono y los oxígenos es siempre la misma y corresponde a un valor intermedio entre la longitud de un enlace simple y uno doble.

Reglas de la resonancia electrónica

1).- Al escribir estructuras resonantes se desplazan electrones y nunca átomos.

2).- Todas las formas resonantes del híbrido deben tener el mismo número de electrones apareados.


3).- Las estructuras con mayor número de enlaces son más contribuyentes. La estructuras con cargas eléctricas son menos contribuyentes.


4).- Las estructuras con carga negativa en el átomo más electronegativo son más contribuyentes que aquellas que tienen la carga negativa en el átomo menos electronegativo.

5).- Las estructuras con cargas de distinto signo más próximas, son más contribuyentes.

6).- Las estructuras con cargas de igual signo muy próximas, tienen poca contribución.

Ejemplo: Formas resonantes del propenaldehído en fórmulas abreviadas

Ejemplo: Formas resonantes del propenaldehído en fórmulas abreviadas

La I es la más estable ( Regla 3 y 6)

La VI es la más inestable ( Regla 3)

La II y III son más estables que IV y V ( Regla 4)

La II es más estable que la III ( Regla 5 )

La IVs más estable que la V ( Regla 5 )

EL ENLACE QUÍMICO Y LA MECANICA CUANTICA

La Mecánica Cuántica contempla la combinación matemática de las funciones de ondas de orbitales atómicos para dar orbitales moleculares ( pertenecen a la molécula). La combinación produce dos orbitales moleculares.

ENERGÍA DE LOS ORBITALES MOLECULARES ENLAZANTES Y ANTIENLAZANTES EN FUNCIÓN DE LA DISTANCIA INTERATÓMICA

La suma de funciones atómicas da un orbital molecular enlazante donde se sitúa la pareja de electrones con spines opuestos . Este se puede visualizar como la superposición de los orbitales atómicos. En el grafico siguiente se muestra la energía de éste orbital molecular en función de la distancia internuclear. Existe una estabilización a medida que los átomos se acercan pues predominan las fuerzas de atracción entre los atomos sin embargo si los átomos se acercan demasiado hay una desestabilización producto de fuerzas de repulsión interatómica. La menor energía corresponde a un pozo de energía en que se encuentran los átomos en equilibrio respecto de las atracción y la repulsión interatómicas. Este pozo de energía determina la distancia internuclear llamada también longitud de enlace.

La diferencia de funciones atómicas genera un orbital molecular antienlazante marcado por fuerzas de repulsión en donde la la mayor estabilidad se alcanza cuando los átomós están separados a gran distancia. En este orbital los electrones se encuentran con spines paralelos. Corrresponde al proceso de ruptura d el enlace.

TIPOS DE UNIONES

Los gráficos siguientes además de reforzar los conceptos de orbitales moleculares enlazantes y antienlazantes y sus implicancias desde el punto de vista de la energía nos muestran dos situaciones que apuntan más bién al tipo de orbitales que intervienen o a distintas formas de unión.

Unión s (sigma)

Orbital Molecular enlazante con superposición de orbitales atómicos sobre linea internuclear

Combinación de orbitales atómicos p.

Unión p (pi)

Orbital Molecular Enlazante con superposición de orbitales atómicos fuera de linea internuclear.

TIPOS DE ENLACES Y UNIONES


CUADRO COMPARATIVO DE ENERGÍAS Y LONGITUDES DE ENLACE

ENLACES

C-C

C = C

H - H

C - H

C - O

C = O

ENERGÍAS DE ENLACE Kcal/mol

83

146

200

104

99

85

179

LONGITUDES DE ENLACE A°

1,54

1,35

1,2

1,07

1,43

1,22

GEOMETRÍA MOLECULAR


LA HIBRIDACIÓN DE ORBITALES

La disposición de los átomos en el espacio se determina experimentalmente mediante la técnica de difracción de rayos X. Para hacer concordar la información experimental con aspectos teóricos se ha visto la necesidad de formular un modelo de reordenamiento posicional de los orbitales atómicos. Esta formulación de orden matemático se conoce como hibridación de los orbitales atómicos (mezcla matemática de funciones de onda).

Existen diferentes formas de hibridación y la forma que en definitiva adopte un átomo decidirá la orientación espacial de sus orbitales y por consecuencia la GEOMETRIA MOLECULAR .

Veamos las hibridaciones más simples.

CRITERIOS PARA DECIDIR LA HIBRIDACIÓN

Hay que observar la multiplicidad de los enlaces, esto es, cuántas uniones pi deben formarse. Para cada unión pi un átomo debe disponer un orbital p.


Dos uniones pi obligan a un átomo a tener 2 orbitales p, o sea que, la hibridación debe ser sp.

Una unión pi requiere un orbital p. Por lo tanto el átomo puede tener hibridación sp o sp2,pero no sp3 (esta no tiene orbitales p). La ambigüedad se resuelve mediante el siguiente criterio complementario.

2.-CRITERIO DE REPULSIÓN DE PAREJAS DE ELECTRONES


Las parejas de electrones, ya sean enlazantes o bién no enlazantes, se repelen por tener igual carga. Entonces el criterio obliga a dar
el máximo ángulo de separación a todas las parejas de electrones.

En los graficos siguientes los electrones del átomo cuya hibridación tratamos de determinar los representamos como puntos azules y los electrones del átomo vecino con el que se enlaza como puntos rojos. Así, las parejas enlazantes se grafican como puntos azul y rojo indicando electrones que pertenecen al átomo en cuestión y al otro átomo respectivamente y las no enlazantes del átomo como un par de puntos azules.

Como se puede observar, si el número de parejas de electrones alrededor de un átomo es tres la hibridación es sp,

En cambio, si el número de parejas de electrones es cuatro la hibridación es sp2.

Cuando existen solamente uniones s la hibridación se determina sólo en base del criterio de repulsión de parejas.

Cuando hay sólo una unión s no hay hibridación.


Dos parejas de electrones la hibridación es sp , tres parejas de electrones la hibridación es sp2 y cuatro parejas de electrones la hibridación es sp3 .


OTRAS HIBRIDACIONES Y LAS PRINCIPALES GEOMETRIAS MOLECULARES

ALGUNAS APLICACIONES


LA LONGITUD Y LA ESTABILIDAD DE LOS ENLACES DE ATOMOS HIBRIDIZADOS.

Puesto que los orbitales s son pequeños y de baja energía comparados con los orbitales p que son de mayor alcance y mayor energía, los enlaces de átomos hibridizados mantendrán aquellas características según el grado de carácter s o p tenga cada situación.

Tipo de enlace

(simple)

Caracter s (%)

Radio Covalente Medio ( A°)

Longitud de Enlace (A°)

Estabilidad

Cp -Cp

0 %

-

+

Csp3 - Csp3

25 %

0,763

0,763+0,763 = 1,526

++

Csp3 - C sp2

0,763+0,743 = 1,506

+++

Csp3 - C sp

0,763+0,691 = 1,454

++++

Csp2 - C sp2

33,3 %

0,743

0,743+0,743 = 1,486

+++++

Csp2 - C sp

0,743+0,691 = 1,434

++++++

Csp - C sp

50 %

0,691

0,691+0,691 = 1,382

+++++++

PROPIEDADES FISICOQUIMICAS DE LAS SUSTANCIAS PURAS

Los tipos de enlaces, la direccionalidad de éstos, los rasgos eléctricos y otras características moleculares determinan las propiedades fisicoquímicas de las sustancias.

Parece conveniente referirse en éste momento a la fortaleza comparada de los distintos tipos de enlaces interatómicos. La fortaleza del enlace está dada por la energía necesaria para romper el enlace y ésta a su vez es directamente proporcional a la energía de estabilización o energía liberada cuando el enlace se forma.

El enlace covalente es el más fuerte, lo sigue el iónico y finalmente el metálico que es el más débil.

A continuación trataremos de visualizar las distintas categorías de sustancias y sus propiedades fisicoquímicas principales.

MOLECULAS GIGANTES

Son arreglos de átomos, unidos mediante fuerzas de enlace químico (interatómico), en que no está definido el tamaño del sistema. Por lo general son arreglos de gran tamaño y de allí el nombre de la categoría. La proporción de distintos átomos se conoce y se representan estos sistemas por su fórmula empírica. La fórmula verdadera es (F.E.) n , pero n es indeterminada.

Hay tres grandes tipos de moléculas gigantes, las de enlace iónico, las de enlace covalente y las de enlace metálico.

COVALENTES TRIDIMENSIONALES

Son arreglos tridimensionales de átomos iguales o diferentes unidos por enlaces covalentes y dispuestos en el espacio siguiendo las reglas de la hibridación. Son las estructuras más rígidas, duras o resistentes que se conocen.

Sus temperaturas de fusión son muy altas ( miles de°C) y en muchos casos se descomponen químicamente por el calor antes de entrar en fusión. Por otra parte la separación de las partículas por acción de moléculas de un solvente es imposible, por lo tanto son completamente insolubles.

El Carbono en su forma de diamante ( hibridación sp3 ) es un ejemplo típico de ésta categoría. Las láminas de Silicio de la nariz del Discovery son otro ejemplo.

COVALENTES BIDIMENSIONALES

Es cuando la red de enlaces covalentes se teje en dos dimensiones. Los mismos conceptos de infusibilidad e insolubilidad que para las mallas trididimensionales pero no así en lo que se refiere a la dureza pues las fuerzas de atracción entre las mallas bidimensionales es débil. Por esa razón estas sustancias son blandas en el sentido del desprendimiento de las mallas.

El ejemplo típico es el Carbono en su forma de grafito en que los C están hibridizados sp2 . Es interesante consignar que en cada orbital pz existen un electrón. Estos electrones se pueden desplazar sobre la malla y en consecuencia el grafito es conductor de la corriente eléctrica.

COVALENTES UNIDIMENSIONALES

Corresponde a las sustancias denominadas polímeros, largas cadenas de unidades conectadas por enlaces covalentes.

Los homopolímeros que repiten unidades iguales (-A-A-A-A-A-A- ; -(A)- n ).

Los copolímeros que repiten unidades distintas ( A-B-A-B-A-B- ; ( -A-B-) n ).

Son cadenas largas llamadas también macromoléculas y por ésta razón es que interaccionan unas con otras de manera significativa. Las interacciones entre macromoléculas son fuerzas de distintos tipos y que veremos más adelante en el caso de moléculas pequeñas.

En los polímeros, en primer término, la fusión y la solubilización están determinadas por la magnitud de las fuerzas de atracción entre las macromoléculas, en principio altas, precisamente por la longitud de las cadenas. Sin embargo, existe un segundo factor determinante, el factor entrópico o desorden que pueden alcanzar las estructuras una vez solubilizadas o fundidas.

Los polímeros flexibles o plegables forman estructuras sólidas bifásicas (cristalinas – amorfas) que son quebradizas, éstas estructuras se pueden disolver o fundir con relativa facilidad pues cuando alcanzan tales estados la macromoléculas están muy enroscadas, plegadas u ovilladas, en suma desordenadas lo que favorece el proceso de separación de las macromoléculas.

En cambio, las macromoléculas rígidas no tienen favorable el factor entrópico y así son dificiles de fundir y solubilizar. Estos polímeros rígidos, en el sólido son monofásicos y de mucha resistencia ( Kevlar).

En la práctica un gran número de macromoléculas se encuentran entre estas dos situaciones extremas y el grado de endurecimiento o ablandamiento depende de las temperaturas a que se encuentran sometidos los sistemas.

Los procesos de ablandamiento sobrevienen en zonas de temperaturas bien definidas para cada tipo de macromoléculas.

Muchas veces las cadenas macromoléculares sintéticas o naturales se conectan entre sí mediante átomos o grupos de átomos enlazados covalentemente ( polímeros reticulados) con propósitos tecnológicos precisos. En estos casos las estructuras resultantes semejan a las redes covalentes bi o tridimensionales y así también son sus propiedades, nula solubilidad y puntos de fusión demasiado elevados que amenazan la estabilidad química de las sustancias.

Copolímero de estireno-butadieno (neumáticos) vulcanizado con S.

Este tipo de productos son difíciles de recuperar y reutilizar ( Reciclaje) precisamente por las razones ya mencionadas y constituyen un problema para la ecología por la contaminación del ambiente.

La celulosa es un polímero natural de características estructurales semirígidas y si a ello agregamos que entre las cadenas macromoleculares existen fuerzas de atracción, de alta magnitud como los puentes de H debido a la presencia de mucho grupos de -OH son comprensibles las dificultades para la fusión y la solubilización.

Estructura tipo celulosa

IONICAS.

En estas moléculas gigantes los átomos están unidos por enlaces iónicos. Es decir son un arreglo de iones positivos y negativos que se disponen alternadamente en el espacio compensando sus cargas . La geometría del arreglo es simple cuando los iones positivos y negativos son monoatómicos y además se encuentran en relación 1:1 como en el caso del Na+Cl -. Cuando los iones son complejos, con grandes diferencias de tamaños o la proporción entre ellos no es simple, los arreglos son complicados y son materia de estudio de la Cristalografía que hace uso de las técnicas de difracción de rayos X para resolver estas situaciones.

Son estructuras de temperatura de fusión elevadas , alrededor de los 1000°C de acuerdo a la fortaleza del enlace iónico. En estado sólido o cristalino, donde los iones se encuentran atrapados no conduce la corriente eléctrica, pero sí la conducen en estado fundido.

Estas estructuras pueden ser solubilizadas, aunque no siempre, mediante solventes con moléculas polares como el caso de agua. Las moléculas del solvente rodean los iones apuntando sus fracciones de carga al ión de carga opuesta. Así los iones solvatados son separados al debilitarse el enlace iónico. De ésta forma los iones disueltos (móviles) constituyen partículas para el flujo eléctrico.

METALICAS

Corresponde al caso de los metales. Los átomos metálicos , al ser muy electropositivos se desprenden de sus electrones de valencia pasando a formar iones positivos. Por su parte los electrones que han perdido su pertenencia a un átomo determinado se mueven entre los iones constituyendo una nube de electrones delocalizados. Esta nube de electrones que une a iones positivos es el enlace metálico.

Ya nos hemos referido a la fortaleza del enlace metálico y podemos generalizar diciendo que los puntos de fusión de los metales son medianamente altos. Señalemos que metales como el Hg, Cs, y Fr son líquidos a temperatura ambiente.

La naturaleza de movilidad del enlace metálico confiere a los metales su blandura, es decir los convierte en dúctiles y maleables.

La movilidad de los electrones se traduce en la capacidad de conducción de la corriente eléctrica y también es responsable de la conductividad térmica.

Es interesante observar la relación entre las conductividades eléctricas y térmicas y la situación de los diagramas de energía de los orbitales llenos y vacíos de metales y no metales. Los metales promueven sus electrones de valencia de orbitales s a los orbitales p vacíos que se encuentran energéticamente cercanos formando éstos últimos orbitales o bandas de conducción. Por el contrario, los no metales tienen los electrones en orbitales p y los orbitales s siguientes vacíos se encuentran energéticamente lejanos por lo que no se produce la promoción y los electrones permanecen ligados a sus respectivos átomos.

MOLECULAS CONVENCIONALES O SUSTANCIAS MOLECULARES

Son aquellos sistemas formados por moléculas que se encuentran claramente definidas, se conoce el número exacto de átomos y de qué elementos está constituída la molécula. Se representan por las llamadas fórmulas moleculares reales.

En su gran mayoría las moléculas de ésta categoría unen sus átomos con enlaces covalentes y al expresar esto pensamos en muchas moléculas simples formadas entre no metales y en la inmensa cantidad de compuestos orgánicos constituídos principalmente por los elementos C, H, O, N, P, S.

Sin embargo al momento de racionalizar las propiedades fisicoquímicas de este tipo de estructuras, el tipo de enlace interatómico ( covalente) y su fortaleza no cuenta pués en este caso lo determinante son las fuerzas entre moléculas o fuerzas intermoleculares y en algunos casos son fuerzas intramoleculares ( fuerzas dentro de las moléculas; pero no interatómicas o de enlace químico ) las determinantes de las propiedades.

En todo caso las fuerzas intermoleculares son de naturaleza eléctrica, pero las hay de diferente naturaleza y magnitudes pero siempre dependen en definitiva de las características eléctricas, del tamaño y geometría de las moléculas.

En los comentarios generales cabe señalar que estos sistemas no conducen la corriente eléctrica en ningún estado físico y también son malos conductores del calor.

FUERZAS INTERMOLECULARES

TIPO MOLECULAR FUERZA MAGNITUD FENÓMENO SOLUBILIDAD PUNTO DE FUSIÓN Y EBULLICIÓN
APOLAR VAN DER

WAALS

DEBIL POLARIZABILIDADELECTRONICA SOLVENTE APOLARMUY BAJOS
POLAR ATRACCIÓN DIPOLO-DIPOLOMEDIANA POLARIDAD MOLECULAR PERMANENTE SOLVENTE POLAR BAJOS
____ X - H

( X= F, O, N )

PUENTE HIDROGENO FUERTE POLARIDAD PERMANENTE LOCALIZADA SOLVENTE POLAR MEDIANOS

EFECTOS COMPARADOS DE DISTINTAS FUERZAS INTERMOLECULARES SOBRE LAS TEMPERATURAS DE EBULLICIÓN

Las fuerzas de Van der Waals son comparativamente las fuerzas intermoleculares de menor intensidad pero pueden existir grandes diferencias de sus magnitudes entre moléculas que las poseen como único factor de atracción.

Estas diferencias pueden ocasionarse por :

a) por significativa diferencia del tamaño de las moléculas.

b) por la presencia de átomos de mucha diferencia en la cantidad de electrones o de muy distinta polarizabilidad electrónica.

c) por la circunstancia de presentar una geometría muy diferente.

RESUMEN

MAPA CONCEPTUAL

ACERCA DE LAS PROPIEDADES FISICO QUIMICAS

DE LAS SUSTANCIA PURAS



EL CONCEPTO DE MOL Y SUS APLICACIONES

Hemos estudiado a la materia en su dimensión submicroscópica, es decir la realidad de átomos y moléculas. Hemos profundizado el estudio de tal forma que incluso hemos comprendido el comportamiento de las propiedades fisico químicas de sustancias puras, éstas, perfectamente perceptibles y medibles en una dimensión macroscópica ( de laboratorio o industria ).

A esta altura de nuestro estudio reconocemos, que en la dimensión macroscópica, no hemos desarrollado las herramientas para trabajar con las sustancias desde el punto de vista cuantitativo, esto es, trabajar con cantidades (masas) definidas de las sustancias que participan en los fenómenos químicos.

No obstante lo expresado, cuando hablamos al comienzo del curso del Peso Relativo de los Atomos o bien del cálculo del Peso Atómico a partir de mezclas de isótopos algo muy importante avanzábamos en el sentido del trabajo cuantitativo. En efecto, cuando determinábamos aquellas magnitudes siempre estaba presente el hecho que comparábamos una misma cantidad de atomos de cada elemento.

La Química cuantitativa comienza con la pregunta fundamental.

¿ Qué cantidad de átomos del elemento hay en el Peso Atómico del elemento expresado en gramos?

Daremos la respuesta más simple, en base a un experimento también simple esquematizado en el siguiente gráfico.

Aprovechamos la doble circunstancia que la radiación alfa está constituída por nucleos de Helio, el primero de los gases nobles, cuyo Peso Atómico se ha determinado igual a 4,0026 y que podemos medir la cantidad de núcleos que en la radiación pasan a través del detector de un Contador Geiger.

Colectamos 4,0026 gr. de Helio y leemos en el contador la cantidad de núcleos detectados y luego transformados en átomos. Hemos colectado 6,023. 10 23 átomos de Helio. Esta es la respuesta, válida para todos los elementos, a la pregunta formulada:

En el Peso Atómico de un elemento expresado en gramos existen 6,023 .10 23 átomos del Elemento.

Si pesaramos en la balanza de una confitería 51 de gramos de virutas de vanadio metálico estaríamos pesando aproximádamente 6,023 10 23 átomos de vanadio puesto que el Peso Atómico de ese metal se ha determinado como igual a 50,94.

El valor 6,023 1023 fué determinado por Avogadro mediante cálculos estadísticos acerca de sistemas gaseosos y de ahí que se reconoce como el Número de Avogadro ( N ).

N = 6,023 .10 23

Este valor pasa a ser de importancia central en la química cuantitativa y es la base de la definición del concepto de mol

DEFINICIÓN DE MOL

Un Mol es 6,023 10 23 unidades.

Así el mol pasa a ser una forma adecuada de medir cantidades de partículas de la química, como recién lo dijimos, podemos medir cómodamente un mol de átomos de Vanadio o un mol de átomos de cualquier otro elemento en la balanza de una confitería.

Pero el Número de Avogadro de átomos es una cantidad tan grande de átomos o bién los átomos son tan pequeños y livianos que son magnitudes que desafían nuestra imaginación. Según nos hizo notar recientemente un colega, si tuvieramos una hilera de 1 mol de hormigas de 1mm cada una separadas cada una de la precedente por una distancia también de 1mm, la longitud de la hilera cubriría 1,2046 10 18 Km. Tal hilera cubriría mil doscientos setenta y ocho millones de veces la trayectoria circular de la Tierra alrededor del Sol.

NUEVA DEFINICIÓN DE PESO ATOMICO

El Peso Atómico de un elemento ( A r ) es la masa de un mol de átomos de tal elemento

expresada gramos.

Sus unidades de medidas serán por consiguiente gramos / Mol de átomos

EL MOL DE MOLECULAS

Volvamos a nuestra experiencia de recolección de Helio puesto que podemos sacar mucho más provecho de ella y coloquemos a nuestro sistema en situación comparativa con otros.


Recordemos que nuestra muestra de Helio gaseoso ocupa un volumen de 22,4 Litros medidos en TPE y hay en ella N átomos, que son también N moléculas, pues el Helio tiene la molécula monoatómica. ( He1 )

Tomemos idéntico volumen de otros gases por ejemplo cloro gasoso ( Cl2 ) y de metano ( CH4 ) medidos también en TPE. De acuerdo a lo establecido por Avogadro en su célebre hipótesis, en los tres sistemas hay igual número de moléculas. Esto quiere decir que en cada uno de los tres casos hay N moléculas. También quiere decir que en cada uno de los casos nos encontramos frente a un mol de moléculas de cada gas.

Podemos generalizar:

Un mol de moléculas de cualquier gas medido en TPE. ocupa un volumen de 22,4 Litros.

Recién hemos definido que la masa expresada en gramos de un mol de átomos es el Peso Atómico.

Ahora..... ¿Cuál es la masa expresada en gramos de 1 mol de moléculas? La respuesta a esta pregunta nos lleva a otra definición:

DEFINICIÓN DE PESO MOLECULAR

El Peso Molecular ( M r ) de una sustancia es la masa de un mol de moléculas de tal sustancia expresada en gramos.

Sus unidades de medidas serán por consiguiente gramos / Mol de moléculas

CALCULO DEL PESO MOLECULAR

Generalizando, si una Sustancia tiene por Fórmula AaBbCc........

A nivel submicroscópico su molécula está formada por a átomos de A, b átomos de B y c átomos de C etc...

y a nivel macroscópico el mol de moléculas está formada por a moles de átomos de A, b moles de átomos de B y c moles de átomos átomos de C etc... y de allí que el Peso Molecular se calcule con la siguiente fórmula.

Mr AaBbCc........ = a * Ar A + b * Ar B + c * Ar C +........

¿Cuánto vale el Peso molecular del Cloroformo CHCl3?

Mr CHCl3 = 1 *12 + 1 * 1 + 3 * 35,5 = 119,5 g/mol

También podemos generalizar importantes conceptos acerca de un doble significado, a nivel submicroscópico y a nivel macroscópico, de la notación química de Símbolos, Fórmulas y Ecuaciones.

Presentaremos este doble significado valiéndonos de representaciones gráficas para las entidades submicroscópicas y las representaciones gráficas ampliadas para los conceptos (de moles) usados a nivel macroscópico.

NOTACIÓN QUÍMICA

Nivel Submicrocópico Nivel Macroscópico

SÍMBOLO

1 átomo 1 mol de átomos

FÓRMULA

1 molécula 1 mol de moléculas

ECUACIÓN

1 reordenamiento

1 mol de reordenamientos

TRABAJO CON FRACCIONES DE MOLES

EJERCICIO DE PRESENTACIÓN DE RELACIONES DE CALCULO

Dados 0,16 g. de metano gaseoso ( CH4 ).

¿Cuántos moles de moléculas son? Ar C = 12 ; Ar H = 1

M r = 1 * 12 + 4 * 1 = 16 (g/mol)

n = N° moles de moléculas Sustancia = masa Sustancia / M r Sustancia =

= 0,16 (g) / 16 (g/mol) = 0,01 moles de moléculas.

¿ Cuántas moléculas de metano son?

N° de moléculas Sustancia = N° de moles de moléculas Sustancia* N =

= 0,01 (moles) * 6,023.1023 (moléculas/mol) = 6,023. 1021 (moléculas )

¿Cuántos átomos de carbono y cuántos átomos de hidrógeno?

N° de átomos Elemento = N° moléculas Sustancia * Atomicidad Elemento

N° de átomos C = 6,023. 1021 (moléculas ) 1 (átomo/molécula) = 6,023. 1021 átomos C

N° de átomos H = 6,023. 1021 (moléculas ) 4 (átomo/molécula) = 24,092. 1021 átomos H

¿ Cuántos moles de átomos de carbono y cuántos moles de átomos de hidrógeno?

N° de moles de átomos Elemento= N° de moles de moléculasSustancia* Atomicidad Elemento

N° de moles de átomos C = 0,01 ( moles de moléculas)* 1( mol de átomos/mol de moléculas)

= 0,01 (moles de átomos de C)

N° de moles de átomos H = 0,01 ( moles de moléculas)* 4( mol de átomos/mol de moléculas)

= 0,04 (moles de átomos de C)

Otra forma de calcular el número de átomos:

N° de átomos Elemento = N° de moles de átomos Elemento * N

N° de átomos C = 0,01 moles de átomos C * 6,023. 1023 (átomos/mol) = 6,023. 1021 átomos C

N° de átomos H = 0,04 moles de átomos H * 6,023. 1023 (átomos/mol) = 24,092. 1021 átomos H

¿Cuántos gramos de carbono y cuántos gramos de hidrógeno?

masa Elemento = N° de moles de átomos Elemento * A r Elemento

masa C = 0,01 moles de átomos C * 12 g/mol = 0,12 g C

masa H = 0,04 moles de átomos H * 1 g/mol = 0,04 g H

¿ Cuál es la composición porcentual en peso de cada elemento?

% Elemento = (masa Elemento/ masaSustancia ) 100

% C = (0,12 / 0,16 ) 100 = 75 %

% H = (0,04/ 0,16 ) 100 = 25 %

PROPIEDADES INTENSIVAS Son aquellas propiedades del sistema cuyo valor no depende del tamaño del mismo, es decir son independientes de la masa del sistema.

PROPIEDADES EXTENSIVAS Son aquellas propiedades del sistema cuyo valor depende del tamaño del mismo, es decir son dependientes de la masa del sistema.

La composición de un sistema expresada en % en peso es una magnitud INTENSIVA.

Una magnitud intensiva debe poder calcularse con una relación independiente del tamaño del sistema.

% Elemento = (Atomicidad Elemento A r Elemento / M r Sustancia )*100

% C = ( 1 * 12 / 16 )100 = 75 %

% H = ( 4 * 1 / 16 )100 = 25 %

¿Cuál es el volumen del sistema en TPE.?

Volumen Gas TPE = N° de moles de moléculas 22,4 (L/mol)

Volumen Gas TPE = 0,01 (moles) * 22,4 (L/mol) = 0,224 (L)

¿ Cuál es la densidad del sistema a TPE.?

Densidad = masa / Volumen

Densidad = masa / Volumen = 0,16 (g) / 0,224 (L) = 0,714 (g/L)

La densidad es una propiedad intensiva, que depende sólo de la Presión y la Temperatura luego:

Densidad Gas TPE = M r / 22,4

Densidad Gas TPE = 16 (g/mol) / 22,4 (L/mol) = 0,714 (g/L)

¿Cuál sería el valor del volumen del sistema y el valor de su densidad si las condiciones de Presión y Temperatura fueran cualesquieras otras, distintas de TPE?

LA ECUACIÓN DE ESTADO DE LOS GASES IDEALES.

Para dar adecuada respuesta a la pregunta planteada es necesario averiguar las relaciones matemáticas que expresan el comportamiento de las distintas variables que determinan el estado de un sistema gaseoso. Un sistema gaseoso se encuentra en un estado definido cuando, además de precisarse la naturaleza del gas, se conocen tres de las siguientes cuatro variables:

n = Número de moles, V = Volumen, P = Presión y t = temperatura.

Para comenzar el estudio de las relaciones es conveniente definir el Volumen Molar

Volumen Molar = V = V / n (L/mol)

Ley de Boyle

Volumen Molar vs. Presión

Ley de Charles

Volumen Molar vs. temperatura

Ambas leyes se pueden agrupar en una sóla expresión:

(V P) /( n T) = k1 k2 = R = 22,4 (L)*1 (atm) /1 (mol)* 273,16 ( °K) = 0,082 (L atm / mol °K)

Esta relación corresponde a la a Ecuación de Estado de los Gases Ideales cuya expresión más común es :

PV = n R T donde R = 0,082 (L atm / mol °K)

Esta relación es aplicable a los gases reales dentro de márgenes no extremos de Presión y temperatura.

Reiterando la pregunta: ¿Cuál sería el valor del volumen del sistema y el valor de su densidad si las condiciones de Presión y Temperatura fueran cualesquieras otras, distintas de TPE?

¿Si por ejemplo la muestra de metano estuviera a 100 °C y 1000 mmHg. (1atm = 760 mmHg)?

V = nRT/P = 0,01(mol) 0,082 (L atm / mol °K) 373,16 °K / (1000 mmHg / 760 mmHg/atm) = 0,232 (L)

densidad P,T = masa / Volumen = 0,16 (g) / 0,232 ( L ) = 0,69 ( g / L )

Pero como ya hemos establecido, la densidad es una propiedad intensiva y debería poder calcularse de datos independientes del tamaño del sistema.

densidad P,T = masa / Volumen = n M r / ( n R T / P) = Mr P / R T

densidad P,T =

=16 ( g/mol)* (1000 (mmHg) / 760 (mmHg/atm)) / 0,082 (L atm / mol °K)* 373,16 °K =

= 0,69 ( g / L )

MÉTODO DE DETERMINACIÓN DEL PESO MOLECULAR

La determinación experimental del valor de Mr es de fundamental importancia cuando no se conoce la fórmula de alguna sustancia. Si la sustancia se puede evaporar podemos aplicar la ecuación anterior pero para calcular el Peso Molecular.

Mr = densidad P,T RT / P

DETERMINACIÓN

DE FÓRMULAS EMPÍRICAS Y MOLECULARES

Mostraremos a continuación la forma sistemática de determinar las fórmulas empíricas y las moleculares haciendo uso de los conceptos de Ar y Mr.

ANALISIS QUÍMICO _ Ar__> FÓRMULA EMPÍRICA _Mr_> FÓRMULA MOLECULAR

Composición % Relación en el número de Atomos Número Exacto de átomos

Los datos de composición de un compuesto entregados por el Análisis Químico a la forma de composición porcentual de los elementos, es por lo general, el punto de partida. Como ya hemos establecido éstas magnitudes son de tipo Intensivas. Sin embargo, para poder calcular el número de moles de átomos, que es esencialmente de tipo extensivo, es preciso trabajar con un sistema de tamaño definido y adecuado a los datos y cálculos. Esto es, nos damos una Base de Cálculo (B.C.),por lo general 100 g. de la Sustancia, y así trabajamos con masas determinadas de los diferentes elementos.

Ejemplo: Dada la composición en % que se indica y Ar C = 12 y Ar H = 1

En la molécula, el número de átomos de H es el doble que el número de átomos de C.

Esto equivale decir que la fórmula empírica es CH2. Además " Mr " Empírico = 12*1+1*2= 14 (g/FE)

Fórmula Empírica

%

Base de Cálculo.

masa elemento (g)

N° moles de átomos =

MasaElemento /Ar

Relación entre los números de moles de átomos. Se divide por el menor valor N° de moles de átomos (*)

85,71 % C

100 g. Compuesto

85,71

85,71 / 12 = 7,1425 *

7,1425 / 7,1425 = 1

14,28 % H

14,28

14,28 / 1 = 14,28

14,28 / 7,1425 = 1,999 = 2

En la molécula, el número de átomos de H es el doble que el número de átomos de C.

Esto equivale decir que la fórmula empírica es CH2. Además " Mr " Empírico = 12*1+1*2= 14 (g/FE)

Fórmula Molecular

La Fórmula Molecular indica la cantidad exacta de átomos de cada elemento en la molécula. Esa cantidad exacta de átomos debe mantener la proporción observada en la fórmula empírica, por lo tanto, la fórmula Molecular debe ser (CH2 )m donde m es un número entero por determinar.

Si m = 1 Mr CH2 = 14 * 1 (g/mol)

Si m = 2 Mr ( CH2 ) 2 = 14 * 2 (g/mol)

Si m = 3 Mr ( CH2 ) 3 = 14 * 3 (g/mol)

Si m = m Mr ( CH2 ) m = Mr Empírico * m (g/mol)

m = Mr / "Mr" Empírico

Si el problema de ejemplo continúa : la sustancia es un gas a 90 °C y 1 atm y en estas condiciones tiene una densidad de 2,82 (g/L). Es la información requerida para el cálculo de Mr y de allí calcular m.

Recordamos la relación para calcular Pesos Moleculares experimentalmente:

de la Ecuación de estado de los Gases Ideales obteníamos:

densidad P,T = Mr P / R T y de allí :

Mr = densidad P,T RT / P

Mr = 2,82 (g/L) 0,082 ( L atm/mol °K) 363,16 °K / 1 atm = 83,97 (g/mol)

m = Mr / Mr Empírico = 83,97 ( g/mol ) / 14 ( g /F.E ) = 5,99 = 6

Por lo tanto la Fórmula Molecular, también conocida como Real o Verdadera es :

( CH2 )6 = C6 H12


NOTA IMPORTANTE: Cuando se calcula la relación o proporción en que se encuentran los moles de átomos no siempre resulta ser de números enteros, en ese caso la relación debe ser llevada a números enteros por amplificación o, con decimales muy próximos a enteros, por aproximación. Los siguientes ejemplos son ilustrativos:

relación

A 1 * 2 = 2

B 2,5 * 2 = 5

relación

A 1 * 3 = 3

B 1,33 * 3 = 4

relación

A 1 * 4 = 2

B 2,25 * 4 = 9

relación

A 1 * 5 = 5

B 1,20 * 5 = 6

relación

A 1

B 2.9 = 3


EJERCICIOS ESPECIALES DE DENSIDAD Y PESO MOLECULAR.

FORMULAS EMPIRICAS Y MOLECULARES. Ar A = 9 g/mol; Ar B = 16 g/mol y Ar C = 1 g/mol

1.- Cuál es el valor de la densidad del gas ABC4 a 300° C y 2 atm.

1, 65 g/L 1,29 g/L 1,23 g/L 2,35 g/L 2,23 g/L

2.- Cuál es la fórmula de un compuesto que a 150°C y 1 atm es un gas de densidad 3,199 g/L y cuya composición es :

48,64% de A, 43,24% deB y 8,11% de C.

ABC4 A2BC3 A4B2C6 A6B3C9 A2B2C3

SOLUCIONES

Al comienzo del curso señalamos que las soluciones son sistemas homogéneos( por lo tanto son una sóla fase), formado por mezclas de diferentes sustancias puras ( diferentes tipos de moléculas). También vimos que éstas mezclas homogéneas pueden ser sólidas, líquidas o gaseosas.

Estos sistemas tienen una importante presencia, tanto en sistemas de materia viviente como en materia inerte y en muchos sistemas de interés técnico. Pueden ser muy complejos cuando el número de diferentes sustancias mezcladas es muy elevado o bién simples como ternarios( 3 ) y binarios (2).

Las sustancias presentes en sistemas simples se denominan:

Soluto : Componente (s) que se encuentra (n) , comparativamente, en menor proporción y

Solvente: Componente que se encuentra, comparativamente en mayor proporción.

Sin embargo, cuando una sustancia originalmente sólida es disuelta en líquido es el soluto y el líquido es el solvente.

Similarmente, cuando una sustancia originalmente gas es disuelta en líquido es el soluto y el líquido es el solvente.

Sistemas de Solubilidad infinita

El soluto y el solvente se mezclan en proporciones variables, algunas veces sin limitaciones. Los gases se mezclan entre sí sin limitaciones, los líquidos de igual polaridad o apolaridad también se mezclan sin limitaciones. Son situaciones de solubilidad infinita. El concepto de solubilidad ya ha sido presentado con anterioridad.

Sistemas Saturados

Las limitaciones aparecen con mucha claridad cuando se mezclan sustancia originalmente sólida o bién originalmente gas con líquidos. Estas situaciones límites se analizan fundamentalmente usando el concepto de solubilidad y que ahora parece oportuno volver a recordar.

La solubilidad es la mayor cantidad de soluto, que en forma estable, puede disolverse (mezclarse) en una determinada cantidad de solvente bajo condiciones determinadas de Presión y Temperatura.

Un sistema tiene la cantidad de soluto disuelta correspondiente a la solubilidad cuando no se puede disolver en mayor cantidad aún cuando haya la sustancia en su forma original en contacto con el solvente. En estas condiciones la solución está saturada, y además hay un equilibrio entre la Sustancia original y la Sustancia disuelta. Para que una solución se considere saturada basta que la cantidad de soluto disuelto corresponda a la solubilidad haya o no tal equilibrio.

Por lo general, la solubilidad de los sólidos originales en líquidos aumenta al aumentar la Temperatura del solvente. Las variaciones de Presión no tienen gran efecto.

En cambio, la solubilidad de gases originales en líquidos crece al aumentar la Presión y disminuye al aumentar la Temperatura.

Sistemas Sobresaturados.

En algunas situaciones la cantidad de soluto disuelta es mayor que la que corresponde a la solubilidad ?, pero es una situación inestable y se conoce como sobresaturación. Se obtienen llevando al sistema a la situación de saturación a alta temperatura y se baja bruscamente la temperatura. Mientras el sistema no se estabilice se encuentra en situación de sobresaturación. El sistema vuelve a la normalidad cuando se den las condiciones cinéticas para que el soluto en exceso precipite como sólido o bién sea liberado como gas.

Sistemas Diluídos.

Son aquellos en que la cantidad de soluto disuelto es menor que la que corresponde por la Solubilidad. Son los casos más numerosos y en torno de ellos se desarrolla el tema de Soluciones y sus propiedades.

Relaciones fundamentales para el trabajo cuantitativo con soluciones.

En primer lugar, para trabajar cuantitatívamente con soluciones es preciso visualizar los componentes del sistema para asignar sin confusiones los conceptos de soluto, solvente, solución, las respectivas masas, volumenes y densidades. El siguiente gráfico puede ayudar en ese sentido:

En el gráfico anterior representamos, en amarillo, moles de partículas de una sustancia ( " soluto") antes de disolverla, se indica el N° de moles y se calcula la masa de la sustancia conociendo el Peso Molecular de la misma. Luego, representamos, en celeste, el líquido que disolverá la sustancia ( " solvente " ), se indica el volumen del líquido y se calcula su masa conociendo la densidad del líquido puro. Estos sistemas se mezclan formando la solución representada en color verde, las partículas de soluto las graficamos del color de la solución (aúnque sabemos que son invisibles), se indica un hipotético volumen de solución ( ligeramente mayor al del líquido puro) y se calculan la masa y la densidad de la solución.

Recalquemos las relaciones más importantes y hagamos algunos comentarios de importancia.

Masa de solución = Masa de soluto + Masa de solvente

Todas estas magnitudes son Extensivas pues dependen del tamaño de la solución

Obsérvese que el volumen que tiene la sustancia que va a disolverse ,en su estado original, no guarda ninguna relación con el volumen que vaya a ocupar el soluto en la solución. De allí que sea muy difícil estimar el volumen de una solución a partir de la información de las sustancias de partida. El volumen de una solución es un dato que se obtiene experimentalmente ( por medición).

Teniendo claros los conceptos de masa y volumen de solución comprendemos el concepto de:

Densidad de solución = Masa de solución / Volumen de solución

La Densidad de la solución es Intensiva, no depende del tamaño de la solución, es un cuociente de propiedades Extensivas.

LA CONCENTRACION DE LAS SOLUCIONES

La forma usada para caracterizar una solución, luego de especificar el soluto y el solvente, es establecer la relación entre las cantidades de ellos. Esta relación es la Concentración, que implica un cuociente entre una cantidad de soluto y una cantidad de solución, o bien de solvente. Nuevamente por ser la concentración un cuociente entre magnitudes Extensivas es una magnitud Intensiva. Se comprende el caracter intensivo de la concentración, es decir el de una magnitud propia de la solución e independiente de la cantidad de la solución, si pensamos en una bebida de fantasía que tiene siempre las mismas características (color, sabor, concentración), no importando si se adquiere en tamaño individual, mediano o familiar. De lo dicho se infiere que la concentración las soluciones es un concepto de vastísima aplicación ligado al estudio de múltiples sistemas y procesos productivos.

Existen varias formas de expresar la concentración, las mostraremos en el gráfico siguiente, indicando las ecuaciónes que las definen y mostrando un ejemplo de su cálculo con los datos del sistema ya entregados:

Un alumno perspicaz podría pensar, "¿ no bastaría con la densidad de la solución para caracterizarla...? ¿Para qué la concentración y de tantas formas ?". En cierto modo el alumno tendría razón pues existe una relación entre la densidad de una solución y la concentración de su soluto. En verdad hay razones de: 1) comodidad en la preparación de soluciones, pues como se ha dicho no se sabe el volumen que tendrá la solución, 2) es difícil medir el valor de la densidad con la prontitud o la precisión requerida y 3) existen fenómenos, que veremos más adelante, que quedan descritos por leyes cuyas expresiones usan aquellas formas especiales de concentración.

En las servitecas se mide la "concentración" del ácido sulfúrico de las baterias mediante un densímetro. La medición indica si la bateria tiene mucho o poco uso. En el capítulo de Oxido Reducción veremos que relación tiene la concentración del ácido con el uso de la bateria. El densímetro es un aparato de vidrio de forma alargada, con un lastre de peso regulado en un extremo, que se hunde más o menos en una solución según si la densidad del líquido sea baja o alta respectivamente. El método se basa en el principio de Arquímedes que todo alumno debe ya conocer y comprender.

En el trabajo de laboratorio se determina aproximádamente la concentración ( % p/p ) de las soluciones "concentradas" ( alto valor de concentración) de los reactivos más usados midiendo la densidad de la misma mediante un densímetro y recurriendo posteriormente a valores tabulados.

Por ejemplo una solución de NaOH de densidad 1,48 g/mL es 45,22 % p/p, según la siguiente tabla.

CONVERSIÓN DE UNIDADES DE CONCENTRACIÓN

Una forma de conocer la comprensión y el dominio del tema de soluciones por parte de los alumnos, es plantearles una situación problemática que implique la conversión de las unidades de concentración. Se señala la concentración con una determinada modalidad y algunos otros datos y se pide la concentración en otra modalidad. La mayor dificultad por parte de los alumnos es comprender que para usar y aplicar las ecuaciones enmarcadas, ya entregadas, deben tener una solución, es decir un sistema con todas sus magnitudes extensivas definidas aúnque en un comienzo desconocidas. La información de propiedades Intensivas como la Concentración y la Densidad de la solución es fundamental para el cálculo pero las ecuaciones no operan sólo con ellas. Es preciso darse una base de cálculo que defina el tamaño de un sistema para comenzar a establecer las relaciones que sean de interés. La base de cálculo puede ser cualquiera, pero en este curso se recomienda darse un tamaño de solución dictado por el denominador de la la ecuación de definición de tal forma que el valor numérico (A) de la concentración dada sea igual al valor numérico (A) de la cantidad de soluto en la solución base de cálculo.

Esto es:

Dato inicial Concentración Ecuación de definición Base de calculo Cantidad de soluto

A % p/p % p/p = (MASAsoluto(g) / MASAsolución(g))*100 100g.solución A g.de soluto

A M M = n soluto / V (L) solución 1(L) solución A moles soluto

A m m = n soluto / MASA solvente(Kg) 1Kg. solvente A moles soluto

X soluto = A X soluto = n soluto/(nsoluto + nsolvente) (nsoluto + n solvente) =1 A moles soluto

Ejemplo:

Otro ejemplo:

PREPARACIÓN DE SOLUCIONES

En este punto es conveniente decir que las expresiones encerradas por marcos rojos en el gráfico de definición de unidades de concentración, además de ser la definición matemática de una determinada forma de concentración, son ecuaciones matemáticas que pueden y deben ser operadas con las reglas del Algebra.El alumno deberá ser capaz de despejar la variable que interese, establecer cadenas de ecuaciones etc. Además, el alumno deberá prestar especial atención al significado de cada una de las variables visualizándolas mentalmente junto al sistema que se trate en cada caso . Una vez más se insta al alumno en este curso a usar el Algebra y abandonar el uso de las reglas de tres, procedimiento mecánico que puede conducir a graves errores.

PREPARACIÓN DE UNA SOLUCIÓN A PARTIR DE OTRA SOLUCIÓN CONCENTRADA

A modo de ejemplo de lo que se preconiza se presenta la siguiente situación problemática de preparación de una solución a partir de una solución concentrada ( la misma solución con que se trabajó en el primer problema de conversión de unidades).

PREPARACIÓN A PARTIR DE UNA SUSTANCIA Y EL DISOLVENTE SEPARADOS

SUSTANCIA NO SOLVATADA

Otra forma de preparar soluciones, y de muy común ocurrencia, es es partiendo de la sustancia a disolver en forma pura, que se coloca en la masa requerida en un matraz aforado de volumen adecuado, y al que se agrega el líquido solvente puro hasta llegar al enrase. Este tipo de preparación hace uso sólo de las dos primeras relaciones del ejercicio anterior. ( La sustancia debe pesarse seca, sin muestras de humedad)

SUSTANCIA SOLVATADA

Muchas sustancias, especialmente sales, tienen sus moléculas rodeadas con un determinado número de moléculas de agua y se conocen como moléculas hidratadas. Las moléculas existen como complejos, es decir iones metálicos rodeados por moléculas que se les unen por enlaces de coordinación. Existe una estequiometría definida y no se trata de agua de humedad de la muestra. Un caso típico son las sales de Cu +2 que se rodean por 5 moléculas de agua formando un complejo que da coloración azul a las sales de cobre pentahidratadas. Un ejemplo concreto es el CuSO4 x 5 H2O, sulfato de cobre II pentahidrato.

La preparación de una solución acuosa de una sustancia hidratada no ofrece nuevas dificultades, el agua de hidratación pasará a formar parte del solvente que se agregará en la cantidad requerida hasta el enrase del matraz aforado. La masa de sustancia a pesar debe tomar en cuenta la masa del agua de hidratación y esto se consigue calculando el Peso Molecular Hidratado, como se indica en el ejemplo a continuación. La muestra debe ser pesada seca, sin humedad, pues como ya se ha expresado el agua de humedad no es el agua de hidratación.

LA CANTIDAD DE SOLUTO

Nunca es insistir demasiado en el trabajo con las ecuaciones de definición como expresiones algebraicas. En varias ocasiones ya hemos determinado la cantidad de moles de soluto que teóricamente debe tener una solución para cumplir los requisitos de Molaridad y Volumen de solución. Utilizamos la expresión:

n soluto = M * Vsolución(L) ; que se deriva de la definición de Molaridad.

Así también podríamos utilizar las fórmulas:

n soluto = m * MASA solvente (Kg) que se deriva de la definición de molalidad,

MASA soluto (g) = (% p/p * MASA solución (g)) / 100 que se deriva de la definición de % p/p etc.

Ejemplo:

De las ecuaciones anteriores, la más importante, por ser la de más corriente aparición es: n soluto = M * V solución (L); esta ecuación la encontraremos más adelante constituyendo parte fundamental en ecuaciones de procesos de dilución, evaporación de solvente, mezcla de soluciones y Titulación.

CAMBIOS DE CONCENTRACIÓN POR VARIACIÓN DE LA CANTIDAD DE SOLVENTE

Se trata de operaciones de manejo de soluciones en que la cantidad de soluto permanece constante.

Cuándo a una solución se le agrega solvente, la concentración disminuye a otro valor, cuanto menor mientras mayor sea la cantidad de solvente agregado. El proceso se llama "dilución".

Si por el contrario, a una solución se le quita cierta cantidad de solvente, por evaporación, la concentración se incrementa proporcionalmente a la cantidad de solvente evaporado. La acción de aumentar la concentración por evaporación del solvente se llama "concentrar"

¿Cómo se obtiene la relación que describe estos procesos? Se expresa la cantidad de soluto al comienzo y también al final, como la cantidad de soluto se conserva se igualan las expresiones, apareciendo la relación que liga las concentraciones y las cantidades de solución, iniciales y finales.

M i * V i = M f * V f

Apliquemos la ecuación al siguiente ejemplo:

MEZCLA DE SOLUCIONES

Seguir las cantidades de soluto es también la clave para resolver problemas de mezcla de soluciones.

Ejemplo:

PREPARACIÓN DE UNA SOLUCIÓN MÁS DILUIDA A PARTIR DE OTRA DE BAJA CONCENTRACIÓN.

Otra forma de preparar soluciones es por "dilución" de una más "concentrada". Se toma un determinado volumen de la solución más concentrada con una pipeta y se vacía en un matraz aforado de capacidad adecuada.

Nuevamente el cálculo se basa en el hecho que la cantidad de soluto es la misma, antes y después de diluir.

Otro ejemplo:


EQUILIBRIO QUÍMICO


CARACTERIZACIÓN CUANTITATIVA DEL EQUILIBRIO QUÍMICO

Recordemos, con la matriz de análisis, los aspectos más sobresalientes del ejemplo de presentación de la situación de equilibrio químico que vimos en la unidad anterior.

2 H2 + O2 = 2 H2O

t = 0 Situación inicial ( i ) 2 moles 1 mol 0 mol

Variación en moles = Δ n ( r ) - 2x -x 2x

tf = te Equilibrio ( e ) 2-2x 1-x 2x

2(1-x)

x es constante e indica la razón de transformación alcanzado el equilibrio y nos orienta de la posición del equilibrio.

Desde un punto de vista sólo conceptual la situación de equilibrio esta bien descrita pero desde un punto de vista práctico o cuantitativo poco significado tiene tal descripción si no se sabe directa o indirectamente el valor de x. Observamos que x está relacionada con las cantidades o concentraciones de las sustancia en equilibrio pero que éstas a su vez , además de x, dependen también de las cantidades o concentraciones iniciales. Tratemos de buscar relaciones de carácter más general.

Ya hemos expresado que, por convención, se acostumbra a analizar la situación de equilibrio arribando a ella desde los reactivos formales y que por otra parte esa situación de equilibrio es el resultado de la igualación en valor absoluto de las velocidades de reacción directa e inversa.

Se observa que a partir del momento inicial y en cada instante, las velocidades directa e inversa varían conforme a lo expresan sus respectivas leyes de velocidad. Esto es, si las reacciones directa e inversa quedan expresadas por la ecuación generalizada siguiente y además son elementales ( Estado Transición de un choque)

a A + b B = c C + d D

velocidad instantánea directa = kd [ A ]a [ B ]b disminuye pues [ A ] y [ B ] disminuyen.

velocidad instantánea inversa = ki [ C ]c [ D ]d aumenta pues [ C ] y [ D ] aumentan.

Estas variaciones cesan cuando las velocidades se igualan en valor absoluto y se alcanza la situación de equilibrio en el instante te. De allí en adelante en el tiempo las velocidades no cambian ni tampoco cambian las concentraciones de las especies involucradas en las reacciones.

velocidad instantánea directa = velocidad instantánea inversa ( a partir de te )

kd [ A ]ea [ B ]eb = ki [ C ]ec [ D ]ed (*)

La ecuación (*) sugiere que existe una constante, la constante del equilibrio, K eq, asociada al mismo y que definimos mediante la siguiente expresión:

Esta constante de equilibrio, K eq, es de carácter más general o intensiva que x pues es igual a una expresión matemática cuociente de concentraciones de equilibrio y no depende de las particularidades extensivas de un sistema en particular. Mejor que x su valor nos indica la posición del equilibrio aunque ambas estén relacionadas.

¿Cuál es la relación entre Keq y x ?... Recordemos la condición de estequiometría para una situación de equilibrio químico:

- Δ nA/a = - Δ nB/b = Δ nC/c = Δ nD/d = x (Razón de transformación en el equilibrio) (*)

- ( neA - niA) / a = - ( neB - niB ) / b = ( neC - niC ) / c = ( neD - niD) / d = x (**)

y de forma esquemática, la matriz de análisis de las situaciones:

a A + b B = c C + d D

t = 0 Situación inicial ( i ) niA niB niC niD

Variación en moles = Δ n ( r ) -ax -bx +cx +dx

tf = te Equilibrio ( e ) ( niA - ax ) ( niB - bx ) ( niC + cx ) ( niD + dx)

Así y recordando que la expresión muestra concentraciones molares o Molaridades ( moles /L) y si V es el Volumen del sistema :

SITUACIONES ESPECIALES DE EXPRESIONES DE CONSTANTES DE EQUILIBRIO

El estudiante debe observar que en la expresión de la constante de equilibrio aparecen las concentraciones de las sustancias que formalmente afectan las velocidades de reacción tanto directa ( en el denominador) como la inversa ( en el numerador ). Ya sabemos que en el equilibrio estas concentraciones no cambian espontáneamente pero si alguna de ellas variara provocaría el efecto de desigualar las velocidades directa e inversa y como consecuencia de ello la posición del equilibrio cambia a otro valor de x. Dicho de otra manera, en la expresión de la constante de equilibrio aparecen sólo las concentraciones de las especies que pueden variar significativamente y al hacerlo afectarán la posición del equilibrio. De esta forma se podrán comprender la mayor parte de los casos de las siguientes situaciones especiales:

EQUILIBRIOS QUE INVOLUCRAN REACTIVOS O PRODUCTOS GASEOSOS

La expresión de la constante de equilibrio de sistemas que presentan sustancias en estado gaseoso , sólo por convención y formalismo, cambia la concentración por la presión parcial de la sustancia gaseosa. La constante en función de la presiones parciales se llama Kp y aquella que mantiene la expresión en función de las concentraciones se llama, comparativamente Kc

Ejemplo: N2 (g) + 3 H2 (g) = 2 NH3 ( g)

EQUILIBRIOS QUE COMPROMETEN FASES CONDENSADAS EN SISTEMAS HETEROGÉNEOS.

Se trata del caso de sustancias que presentan pobre solubilidad entre sí o tienden a la inmiscibilidad.

La fase condensada o aquella que no corresponde a una concentración, no aparece en la expresión de la constante de equilibrio.

como por ejemplo el Br2 ( l ) en H2O:

o bien el PbCrO4 ( s) en H2O:

En estos casos la constante de equilibrio se conoce como constante del Producto de Solubilidad o K P.S

Cabe hacer notar que la condición de saturación de una solución corresponde a la situación de equilibrio de la reacción de solubilización.

EQUILIBRIOS QUE COMPROMETEN AL SOLVENTE.

Cuando una reacción involucra al solvente o medio en que se realiza la reacción este no aparece en la constante de equilibrio pues la variación de su concentración como consecuencia de la reacción es irrelevante frente al valor normal de su concentración . Recordemos que el agua pura de densidad 1g/mL o 1000 g/L es 1000/18 moles/L o 55,55 Molar

Ejemplo:

NUESTRO PRIMER PROBLEMA DE EQUILIBRIO QUIMICO

Sírvanos nuestro primer problema para ilustrar los dos casos fundamentales de análisis de situaciones de equilibrio.

En a)

Información de las concentraciones de equilibrio nos permiten calcular la constante de equilibrio.

y en b), el caso inverso

Conocido el valor de la constante de equilibrio determinar las concentraciones de equilibrio


a) Al reaccionar 1 mol de acido acético con 1 mol de alcohol etílico alcanzado el equilibrio existe 2/3 de mol de éster. Determine el valor de la constante de equilibrio. ( Todas las especies reaccionantes son líquidas y miscibles a la temperatura ambiente de reacción).

Matriz de Información de Partida


CH3COOH + CH3CH2OH = CH3COOCH2CH3 + H2O

ácido alcohol éster agua

t = 0 Situación inicial ( i ) 1 1 0 0

Variación en moles = Δ n ( r )

tf = te Equilibrio ( e ) 2/3


Determinación posible de una primera variación en moles o Δ n

Si en el equilibrio hay 2/3 de mol de ester y al comienzo nada había, podemos concluir que para el éster,

Δ n = +2/3 y escribimos en la matriz:

CH3COOH + CH3CH2OH = CH3COOCH2CH3 + H2O

ácido alcohol ester agua

t = 0 Situación inicial ( i ) 1 1 0 0

Variación en moles = Δ n ( r ) + 2/3

tf = te Equilibrio ( e ) 2/3

Determinación de las otras variaciones con la Condición de estequiometría

- Δ n acido / 1 = - Δ n alcohol / 1 = Δ n ester / 1 = Δ n agua / 1 pero

- Δ n acido / 1 = - Δ n alcohol / 1 = + 2/3 / 1 = Δ n agua / 1 luego

CH3COOH + CH3CH2OH = CH3COOCH2CH3 + H2O

ácido alcohol éster agua

t = 0 Situación inicial ( i ) 1 1 0 0

Variación en moles = Δ n ( r ) - 2/3 - 2/3 +2/3 +2/3

tf = te Equilibrio ( e ) 2/3


Determinación de las cantidades de moles en el equilibrio

Como ya sabemos las cantidades iniciales y las variaciones de todas las sustancias podemos concluir de elaborar la matriz de análisis escribiendo la situación en el equilibrio.

CH3COOH + CH3CH2OH = CH3COOCH2CH3 + H2O

ácido alcohol ester agua

t = 0 Situación inicial ( i ) 1 1 0 0

Variación en moles = Δ n ( r ) - 2/3 - 2/3 +2/3 +2/3

tf = te Equilibrio ( e ) 1/3 1/3 2/3 2/3

Cálculo de la Constante de equilibrio

b) Se mezclan para hacer reaccionar 1 mol de acido acético con 3 moles de alcohol etílico. La temperatura del sistema es la misma ambiental bajo cuyas condiciones se determinó el valor de la constante de equilibrio. ¿Cuales son las concentraciones en equilibrio de todas las especies?

Matriz de Información de Partida

CH3COOH + CH3CH2OH = CH3COOCH2CH3 + H2O

t = 0 Situación inicial ( i ) 1 3 0 0

Variación en moles = Δ n ( r )

tf = te Equilibrio ( e )

Como la temperatura es la ambiental el valor de la K = 4.

Una constante de equilibrio cambia su valor si cambia la temperatura.

Determinación de las variaciones de moles o Δ n con la Condición de estequiometría y la Razón de transformación de equilibrios X

No disponemos de datos de concentraciones de equilibrio por lo tanto expresaremos los Δn en función de la razón de transformación de las situaciones de equilibrio x que pasa a constituirse en una incógnita matemática que debemos calcular:

CH3COOH + CH3CH2OH = CH3COOCH2CH3 + H2O

ácido alcohol éster agua

t = 0 Situación inicial ( i ) 1 3 0 0

Variación en moles = Δ n ( r ) - x - x + x + x

tf = te Equilibrio ( e )

Determinación de las cantidades en el equilibrio, primero, como función de x

Como ya sabemos las cantidades iniciales y las variaciones de todas las sustancias podemos concluir el análisis escribiendo la situación en el equilibrio.

CH3COOH + CH3CH2OH = CH3COOCH2CH3 + H2O

ácido alcohol éster agua

t = 0 Situación inicial ( i ) 1 3 0 0

Variación en moles = Δ n ( r ) - x - x + x + x

tf = te Equilibrio ( e ) 1-x 3-x x x


Cálculo de la Incógnita X

La expresión se transforma en la ecuación general de segundo grado 3x2 -16x +12 = 0 que tiene 2 raíces siendo una consistente y otra inconsistente con los datos del problema.

x = 0,9 (consistente) y x = 4,4 ( inconsistente)

Matriz de visión total

CH3COOH + CH3CH2OH = CH3COOCH2CH3 + H2O

ácido alcohol éster agua

t = 0 Situación inicial ( i ) 1 3 0 0

Variación en moles = Δ n ( r ) - 0,9 - 0,9 + 0,9 + 0,9

tf = te Equilibrio ( e ) 0,1 2,1 0,9 0,9

de todas formas es interesante observar que:

0,9 * 0,9 / 0,1 * 2,1 = 4 ( aproximadamente)

MODIFICACIONES DE LA SITUACIÓN DE EQUILIBRIO

PRINCIPIO DE LE CHATELIER

"Cuando un sistema que se encuentra en la situación de equilibrio químico es sometido a una modificación (por ejemplo una variación de temperatura, variación de la concentración de una de las especies presentes en el equilibrio, variación de la presión u otra ), busca una nueva posición de equilibrio y al hacerlo contrarresta la modificación"

EFECTO DE VARIACIÓN DE LA TEMPERATURA SOBRE EL EQUILIBRIO.

Antes de empezar a tratar el asunto propiamente tal, es necesario hacer ciertas precisiones en los diagramas de energía potencial versus coordenada de reacción. Existen dos tipos de diagramas:

a) los que corresponden a reacciones que liberan calor o reacciones exotérmicas en que las moléculas de reactivos almacenan más energía potencial que los productos y

b) los que corresponden a reacciones que absorben calor o reacciones endotérmicas donde las moléculas de los productos son las que almacenan más energía potencial que las de los reactivos.

En estos casos la energía almacenada se asocia, en vez de la energía potencial, a una función de estado termodinámica llamada entalpía o "contenido de calor" ( H ), que veremos con más detalle en otra unidad. Así en el transcurso de una reacción hay una variación de la entalpía o Δ H que corresponde al calor transferido desde el interior de las moléculas al exterior de ellas o viceversa.

Ahora estamos en condiciones de ver el efecto que las variaciones de temperatura provocan en situaciones en equilibrio.

Un sistema varía su temperatura o varía la energía cinética de sus moléculas cuando intercambia ésta energía al interior de las moléculas a la forma de energía potencial o bien la intercambia con el medio ambiente a la forma de calor.

Las diferentes situaciones respecto,

a) del carácter endotérmico o exotérmico de las reacciones,

b) del calentamiento o enfriamiento del sistema en equilibrio,

c) de la conversión de energía potencial en cinética o viceversa al interior del sistema a fin de contrarrestar la modificación de la temperatura y

d) del desplazamiento de la posición del equilibrio con el correspondiente enriquecimiento de los reactivos o productos se indican en el siguiente diagrama.

EFECTO DE VARIACIÓN DE LA CONCENTRACION SOBRE EL EQUILIBRIO.

Nuestro primer ejercicio de equilibrio nos proporciona situaciones muy adecuadas para visualizar el efecto que la variación de concentración de una especie tiene sobre la situación de equilibrio.

¿Que efecto tendrá sobre el equilibrio del caso a) si se agregan 2 moles adicionales de alcohol etílico?

Ahora Q = 0,66 * 0,66 / 0,33 * 2,33 = 0,56

Los valores de concentración en la expresión de la constante no satisfacen el valor de la constante igual a 4. Las concentraciones en el denominador son muy elevadas, donde el valor de la concentración de alcohol es claramente un exceso. En consecuencia el equilibrio se desplazará en el sentido de disminuir el exceso de alcohol o bien se desplazará hacia la formación de los productos de tal forma que los valores den a la expresión el valor 4.

¿Cuánto reaccionará el sistema hasta llegar a la nueva posición de equilibrio, o cuál es la nueva posición de equilibrio? Buscar una respuesta vía cálculos puede ser engorroso, para nosotros la respuesta es más fácil pues el sistema llega a la situación de equilibrio descrita por el caso b)

b) CH3COOH + CH3CH2OH = CH3COOCH2CH3 + H2O

ácido alcohol éster agua

t = 0 Situación inicial ( i ) 1 3 0 0

Variación en moles = Δ n ( r ) - 0,9 - 0,9 + 0,9 + 0,9

tf = te Equilibrio ( e ) 0,1 2,1 0,9 0,9

Se llega a tal situación de equilibrio de b) pues no importa el momento en que se agrega el alcohol, si al comienzo ( caso b) o en el equilibrio del caso a).

En ambas situaciones se han colocado tres moles de alcohol.

Como conclusión podemos decir:

"Toda variación de concentración de un sistema en equilibrio significará un déficit o un exceso y el sistema buscará un nuevo equilibrio desplazándose en el sentido de eliminarlos".

EFECTO DE VARIACIÓN DE LA PRESIÓN SOBRE EL EQUILIBRIO.

En primer lugar debemos aclarar que este caso tiene importancia sólo en sistemas de reacción que presentan gases en situación de equilibrio químico. Recordaremos que en estos casos la constante de equilibrio se expresa en función de las presiones parciales de los gases reaccionantes y productos. Ahora bién, de la variación de las presiones parciales uno o varios gases participantes del equilibrio de trata precisamente este asunto.

Sabemos que la presión de un sistema es proporcional al número de moléculas presentes en él, es inversamente proporcional al Volumen del sistema y proporcional a la temperatura absoluta del mismo conforme a lo establecido en la ecuación de los gases ideales. La variación de cualquiera de aquellos parámetros provocará una variación de la presión. P= nRT/V

Según una ley establecida por Dalton, en un sistema que consiste en una mezcla de gases ( A,B...etc ) la presión total es la suma de las presiones parciales de los gases A , B y etc...

Ptotal = PA+ PB +... +...

y cada gas se comporta en forma independiente de los demás, como si estuviese sólo, esto es:

PA= nART/V PB= nBRT/V y ....etc

De igual manera que en los gases puros la variación de cualquiera de aquellos parámetros provocará una variación de la presión parcial respectiva y de allí también variará la presión total.

Sin embargo al estudiar los efectos de la variación de presión sobre el equilibrio, según el principio de Le Chatelier, nos preocuparemos sólo de las variaciones de presión provocadas por variación del volumen ,o sea por compresiones ( disminución del volumen ) o descompresiones ( aumento del volumen ) en sistemas cerrados , es decir, que no aceptan intercambio de materia con el medioambiente y que además estableceremos como adiabáticos o aislados, esto es que no intercambian calor o energía con el medioambiente.

¿Porqué tal exclusiva preocupación?

1) Puesto que las variaciones de temperatura tienen su propio efecto ya discutido.

2) Tampoco variaremos el número de moléculas de algún reactivo o producto gaseosos desde el exterior pues sería variar la presión parcial de un gas situación equivalente a un cambio de concentración cuyo efecto también acabamos recién de analizar.

3) El agregar un gas inerte o que no participa de la reacción de equilibrio si bien significa una variación de la presión total no significa variación de la presión parcial de los gases participantes de la reacción por lo que en este caso no se afecta el valor de la expresión de la constante de equilibrio.

¿ Cómo puede un sistema cerrado y adiabático contrarrestar una variación de presión ( compresión o descompresión por variación de volumen ) que afecta su situación de equilibrio?

Aunque a primera vista parezca extraño el sistema puede, en algunos casos, variar la presión interna variando la cantidad total de moléculas. ¿Cómo? si el sistema es cerrado. Precisamente variando la posición del equilibrio en aquellos sistemas en que la suma de los coeficientes estequiométricos de gases reactivos es diferente de la suma de los coeficientes estequiométricos de gases productos.

Ejemplo N2 (g) + 3 H2 (g) = 2 NH3 (g)

4 moléculas reaccionantes --- 2 moléculas producto

La reacción directa hace disminuir el número total de moléculas. Recordemos el caso particular ya estudiado.

Supongamos que el equilibrio esté en x = R = 3 ( 19 moléculas totales ) y hay una expansión del volumen del sistema. La presión baja, el sistema contrarresta la baja , es decir sube la presión aumentando el número de moléculas, por ejemplo a 21 moléculas en una nueva posición de equilibrio donde x' = R = 2 . De x = 3 se ha pasado a x = x' = 2. La posición de equilibrio se ha desplazado hacia los reaccionantes.

Hay casos en que la diferencia en la suma de los coeficientes estequiométricos de reaccionantes y productos no existe.

Ejemplo: H2(g) + Cl2 (g) = 2 HCl (g)

2 moléculas reaccionantes --- 2 moléculas producto

En éstos casos las variaciones de presión no afectan la posición del equilibrio.

EFECTO DE INTRODUCIR O QUITAR UN CATALIZADOR.

Los catalizadores afectan, en principio, de igual forma tanto a la velocidad de reacción directa como a la velocidad de la reacción inversa. De esta forma su presencia o ausencia no afecta la posición del equilibrio.

EQUILIBRIO QUIMICO EN SISTEMAS GASEOSOS.

A continuación desarrollaremos un ejercicio de equilibrio que involucran gases y que nos permitirá aplicar la situación de expresión de constante que corresponde. En este caso trabajaremos con coeficientes estequiométricos no todos iguales a uno y que nos permitirá introducir el concepto de grado de reacción además de otras particularidades propias del tema.

Ejercicio: A 1 atm y 26,7°C el N2O4 se encuentra disociado (ha reaccionado) en un 20,1 % según la reacción

N2O4 (g) = 2 NO2 (g)

(Suponga la concentración inicial del N2O4 de 1 mol / L)

Hallar el valor de las constantes de equilibrio Kp y Kc

Comenzaremos dando a este problema un tratamiento lo más general o algebraico posible y luego introduciremos los valores numéricos que corresponda en cada caso.

Pero antes introduciremos aquí el concepto de grado de disociación α ( alfa ) o "tanto disociado por uno" o "tanto disociado de cada uno" respecto de alguna sustancia.

Esto es, si fuese 1 mol ,el inicial de alguna sustancia, la cantidad en moles que se disocia es α ( alfa )

y siempre que señalemos que la cantidad inicial en moles de una sustancia en moles es ni la cantidad que se disocia es niα .

Observemos que niα es positivo.

¿Cómo funciona el (r) de la matriz de análisis y la condición de estequiometría con el α ?

Recordemos que si a A + b B = c C + d D y

- Δ nA/a = - Δ nB/b = Δ nC/c = Δ nD/d = x

Si ni y α se refieren a A y como Δ nA es negativo y lo que se disocia es niα .

- ( - niAα ) /a = - Δ nB/b = Δ nC/c = Δ nD/d = x

de donde - ( - niAα ) /a = x = niAα / a

Recordando que:

t = 0 Situación inicial ( i ) niA niB niC niD

Variación en moles = Δ n ( r ) -ax -bx +cx +dx

Remplazando el valor de x

Variación en moles = Δ n ( r ) -a *niAα / a -b*niAα / a +c*niAα / a +d*niAα /a

Reordenando

Variación en moles = Δ n ( r ) - niAα -b/a * niAα c/a * niAα d /a * niAα

y no olvidar que α = ax / niA y que además

α = % dis / 100 = ax / niA o bien

100 α = % dis = ax *100 / niA

Esta es la presentación rigurosa del concepto de grado de disociación y su relación con otras magnitudes de interés.

Sin embargo en los ejercicios su tratamiento es menos engorroso.

N2O4 (g) = 2 NO2 (g)

t = 0 Situación inicial ( i ) n 0 ( Matriz en moles)

Variación en moles = Δ n ( r ) - + 2

tf = te Equilibrio ( e ) n - 2

n ( 1- α )

Calculemos primero Kc

Ahora calculemos Kp

Para calcular Kp se utiliza muchas veces el siguiente procedimiento:

Recordar que para un gas P V = n R T y P = ( n / V) R T pero n / V =[ ]

Por lo tanto P = [ ] R T

P NO2 = [ NO2 ] R T

P N2O4 = [N2O4] R T

Observación importante y un ejercicio para demostrar.

Si a A (g) + b B (g) = c C (g) + d D (g)

Kp = Kc*( RT) (c+d) - (a+b)