OPCIÓN C QUÍMICA EN LA INDUSTRIA Y LA TECNOLOGÍA

1. OPCIÓN CQUÍMICA EN LA INDUSTRIA Y LA TECNOLOGÍA • Hierro • Acero • Aluminio

2. Hierro, acero y aluminio: • Hierro: • El horno alto • Materias primas • Reacciones • Productos • Acero: • Convertidor L-D • Reacciones • Propiedades y usos de aleaciones de acero • Aluminio: • Reacciones • Producción en celdas electrolíticas

3. Hierro: • Los minerales de hierro más comunes son los óxidos y los sulfuros y pueden ser reducidos a mineral de hierro en un alto horno. • Para la reducción se utilizan agentes reductores como el carbono, el monóxido de carbono y el hidrógeno.

4. El alto horno: • La carga se compone de: • Mineral de hierro (principalmente hematita, óxidos hidratados y limonita) • Coque • Caliza: para disolver y eliminar impurezas • Aire precalentado

5. Reacciones: COQUE-HIDROCARBUROS • Para formación de CO y H2 : • 2C(s) + O2(g)→2CO(g) • CH4(g) +½O2→CO(g)+2H2(g) • Para formación de hierro: • Fe2O3(s) + 3CO(g) → 2Fe(l) + 3CO2(g) • Fe3O4(s) + 4H2(g) → 3Fe(l) + 4H2O(g) • FeO(s) + CO(g) → Fe(l) + CO2(g) • Fe2O3(s) + 3C(s) → 2Fe(l) + 3CO(g) • Para eliminación de impurezas: • CaCO3(s)→CaO(s) + CO2(g) • CO2(g) + C(s)→2CO(g) y H2O(g) + C(s)→H2(g) + CO(g) • CaO(s) + SiO2(s)→CaSiO3(l) ARRABIO ESCORIA

6. PRODUCTOS: • Hierro fundido (arrabio), que contiene fósforo, azufre, manganeso, silicio y 4-5% de carbono. El hierro se puede aumentar su pureza en un convertidor y posteriormente ir a un laminado; alternativamente, se puede destinar a la fabricación de piezas de fundición. • Escoria, que se utiliza para construcción de carreteras, para fabricación de cemento y para aislamiento térmico. Acero Moldeo Productos laminados Laminación Arrabio

7. Acero: • El arrabio es llevado por canaletas hasta las vagonetas térmicas. • Una vez en las vagonetas, es trasladado a la Acería.

8. Acero: • El acero es una aleación base hierro-carbono, (1,7 % max) con el agregados de otros material para propósitos determinados, (aceros aleados). • El acero se obtiene purificando el arrabio en un horno conocido como convertidor L-D, en el cual gracias al aire caliente soplado al interior se quema el excedente de carbono obteniéndose Acero.

9. Electrodos Acero Liquido Cuchara Posicion descarga Acero: • En algunos hornos el calor para fundir y refinar el acero procede de la electricidad y no de la combustión de gas, a diferencia del convertidor L-D convencional. Estos hornos son sobre todo útiles para producir acero inoxidable y acero aleado. Con estos hornos disminuye el tiempo necesario para producir el acero.

10. Reacciones: • De oxidación para eliminación de impurezas: • C + O2→2CO2 • 4P+ 5O2→P4O10 • Si + O2 →SiO2 • Además se añade cal para formar: fosfato de calcio Ca3(PO4)2, y silicato de calcio, CaSiO3 • Para controlar la temperatura se añade chatarra de acero. • Para eliminar el oxígeno disuelto en acero, se añade aluminio y silicio. • Para obtener acero de diferentes características se añaden elementos aleantes como cromo y níquel .

11. Propiedades y usos: • EJEMPLOS DE USOS: • Acero inoxidable: 18% cromo y 8% níquel • Acero templado: 20% molibdeno • PROPIEDADES SEGÚN EL TRATAMIENTO TERMICO: • Temple (acero menos quebradizo): calentamiento hasta 400-600ºC y enfriamiento lento. • Recocido (acero más dúctil): calentamiento hasta 1040ºC y enfriamiento lento. • Templado (acero más duro): después del recocido y enfriamiento rápido.

12. Aluminio: • El principal mineral de aluminio es la bauxita (Al(OH)3) y las principales impurezas son óxido de hierro (III) y óxido de titanio. Eliminación de impurezas: • Al(OH)3(s) + NaOH(ac)→NaAlO2(ac) + 2H2O(l) Filtrado + calentamiento • 2Al(OH)3(s)→Al2O3(s) + 3H2O(1) Precipitación del fluoruro de aluminio y sodio Na3AlF6, (conocido como criolita): • NaAlO2(ac) + 6HF(g) + Na2CO3(ac)→ • Na3AlF6(s) + 3H2O(1) + CO2(g) Reacciones (I): ALUMINA

13. Aluminio: Reacciones (II): • Electrolisis de la alúmina fundida: para bajar el punto de fusión de la alúmina (2400ºC) se agrega criolita y el punto de fusión se reduce a 950ºC (permite ahorrar energía). • El cátodo (electrodo negativo) está formado por un revestimiento de grafito: Al3+(1) + 3e→Al(l) • El ánodo (electrodo positivo) está hecho de un bloque de grafito que se va consumiendo: 2O2- (l)→O2(g) + 4e- C(s) + O2(g)→CO2(g) Producción en celdas electrolíticas:

14. LA INDUSTRIA DEL PETRÓLEO • El petróleo como materia prima para los alcanos y los alquenos a través del craqueo. • Tipos de craqueo: • Craqueo a vapor: precalentada, vaporizada y mezclada con vapor. Alquenos con masa molecular baja. • Craqueo catalítico: con catalizadores, permiten que ocurra a baja temperatura. • Hidrocraqueo: materia prima mezclada con hidrógeno. Alcanos ramificados, cíclicos y componentes aromáticos de la gasolina.

15. POLÍMEROS DE ADICIÓN • Fabricados a partir de los alquenos obtenidos en el craqueo del petróleo. • Sus propiedades dependen de: • Ramificación • Orientación de los grupos funcionales • Sus propiedades pueden modificarse con: • Plastificantes • Inyección de hidrocarburos volátiles

16. POLÍMEROS DE ADICIÓN RAMIFICACIÓN: Según las propiedades de la reacción, el eteno puede formar: - Polieteno de alta densidad (HDPE): fuerte, denso y rígido. - Polieteno de baja densidad (LDPE): resistente y flexible. Envoltorios de alimentos

17. POLÍMEROS DE ADICIÓN ORIENTACIÓN DE LOS GRUPOS LATERALES: En el polipropeno, los grupos metil pueden estar: - Todos orientados igual en la cadena del polímero: polímero isotáctico. Cristalinos y duros (parachoques, alfombras…) - Orientados libremente: polímero atáctico. Blando y flexible (sellado, techumbres…)

18. POLÍMEROS DE ADICIÓN PLASTIFICANTES: Pequeñas moléculas que pueden encajar entre largas cadenas de polímeros. Actúan como lubricantes debilitando la atracción entre las cadenas, hacen el plástico más flexible. Según la cantidad de plastificante añadido, los plásticos pueden pasar de rígido a plegable.

19. POLÍMEROS DE ADICIÓN HIDROCARBUROS VOLÁTILES Si añadimos pentano en la formación del poliestireno, vaporiza y produce poliestireno expandido, que es más ligero, un buen aislante térmico y con buenas propiedades de absorción de choques.

20. DESVENTAJAS DEL USO DE LOS POLÍMEROS • Agotamiento de los recursos naturales: los polímeros son carbono, procedente del petróleo, que es un combustible fósil. • Disposición: no es fácil deshacerse de los plásticos: • Reciclados (PVC y polipropeno) • Debilitados y descompuestos por los rayos UV (nylon) • Quemado, se producen venenos (ácidos cianhídrico y clorhídrico) • Biodegradabilidad: los plásticos pueden hacerse más biodegradables añadiendo polímeros naturales (almidón).

21. CATALIZADORES - Pueden ser: • Homogéneo: misma fase que reactivos y productos • Heterogéneo: distinta fase que reactivos y/o productos - En la industria maximizan la producción y los beneficios. - Elección: eficiencia, impacto ambiental, trabajo en condiciones extremas de presión y temperatura. - Pueden ser inutilizados por los venenos (azufre, monóxido de carbono y cianuro).

22. CATALIZADORES • HETEROGÉNEOS: • Fácil de extraer de los productos. • Menos específicos • Sólo activos en la superficie, menos efectivos • HOMOGÉNEOS: • Difícil separación de los productos • Muy específicos en las reacciones • Eficaces, pues reacciona todo el catalizador y no sólo la superficie.

23. BATERÍAS RECARGABLES Y CÉLULAS DE COMBUSTIBLE • Batería: celdas electroquímicas o voltaicas donde la energía química se transforma en eléctrica. • Los electrones transferidos en la reacción espontánea redox que tiene lugar en la celda voltaica producen la electricidad. • Almacenan y transportan cantidades de energía pequeñas. • Celdas Primarias, usadas sólo una vez. • Celdas Secundarias, se pueden recargar.

24. BATERÍAS DE PLOMO-ÁCIDO • Ejemplo de celda secundaria utilizada en los automóviles. • Consiste en 6 celdas conectadas en series, que producen un voltaje total de 12 V. • Los electrodos negativos están hechos de plomo, y los electrodos positivos están hechos de óxido de plomo (IV). • Oxidación (electrodo -): Pb + SO42- → PbSO4 + 2e- • Reducción (electrodo +): PbO2 + 4H+ + SO42- + 2e- → PbSO4 + 2H2O • La reacción global que tiene lugar es, por lo tanto: Pb + PbO2 + 4H+ + 2SO42- → 2PbSO4 + 2H2O La reacción inversa tiene lugar durante la carga. Inconvenientes: son muy pesadas y tanto el plomo como el ácido sulfúrico son contaminantes.

25. BATERÍA DE NÍQUEL-CADMIO Y DE IÓN-LITIO • Son recargables y se usan en electrónica y juguetes. • Potencial de celda de 1,2V • El electrodo positivo está hecho de hidróxido de níquel, que está separado del electrodo negativo hecho de hidróxido de cadmio. El electrolito es hidróxido de potasio. • Durante la descarga ocurre la siguiente reacción: 2NiO (OH) + Cd + 2H2O → 2Ni (OH) 2 + Cd (OH) 2 • Inconvenientes: el Cadmio es un metal pesado muy tóxico. • Usos: ordenadores portátiles, móviles y dispositivos de mano. Contienen átomos de litio,p.ej. LixCoO2, y son estos iones más que el litio en sí mismo los que sufren las reacciones redox. Son mucho más ligeras que las baterías de NiCd, y producen un voltaje mayor(3,6 V) pero no tienen una vida útil tan larga.

26. CÉLULAS DE COMBUSTIBLE • Utilizan la reacción entre el oxígeno y el hidrógeno para producir agua. • La energía se libera como electricidad. Pueden proporcionar alimentación continua de la misma.

27. CÉLULAS DE COMBUSTIBLE • La célula contiene el electrolito mediante electrodos porosos. Oxidación (electrodo -): H2 + 2OH  2 H2O + 2e- Reducción (electrodo +): O2 + 2H2O + 4e- 4OH- • Ventajas: • No necesitan recargas. • No contaminan. • Inconveniente: • Son muy caras de producir

28. CRISTALES LÍQUIDOS • Son una fase o estado de la materia que está entre los estados sólido y líquido. • Sus propiedades físicas dependen de la orientación de las moléculas relativa a ciertos ejes fijos en el material. • Ejemplos: • ADN. • Grafito.

29. CRISTALES LÍQUIDOS • Esencialmente pueden dividirse en dos tipos: • Thermotropic:sustancias puras que muestran comportamiento de cristal líquido en un rango de temperatura entre los estados sólido y líquido. Ej.Nitrilos bifeniles. • Lyotropic:soluciones que muestran la fase de cristal líquido en ciertas concentraciones. Ej.Soluciones de jabón; en concentración elevada las moléculas polares se agrupan en micelles.

30. CRISTALES LÍQUIDOS • Las moléculas con forma de barra existen en grupos o dominios. • Fase neumatic:dentro de cada dominio todas las moléculas apuntan en la misma dirección. • Fase líquido normal: con el incremento de temperatura finalmente el orden direccional se pierde.

31. CRISTALES LÍQUIDOS. • La orientación de las moléculas afecta a la capacidad de las moléculas de cristal líquido de transmitir luz. • Ventaja de los LCDs: • Usan corrientes eléctricas extremadamente pequeñas. • Desventaja: • Trabajan solamente dentro de un cierto rango de temperatura.

32. CRISTALES LÍQUIDOS • Para ser usado en un LCD un cristal líquido debería: • Ser un compuesto químico estable. • Contener moléculas polares. • Permanecer estable en la fase de cristal líquido en un rango apropiado de temperatura. • Ser capaz de orientarse rápidamente.

33. NANOTECNOLOGÍA. • Ha sido definida como la investigación y la tecnología de compuestos dentro del rango de 1,0 x 10-9 m a 1,0 x 10-7m. • Cubre muchas disciplinas científicas distintas. • Hay dos aproximaciones principales: • Bottom-up: a partir de átomos individuales, moléculas o componentes. • Top-down: a partir de entidades mayores.

34. NANOTUBOS. • A partir de átomos de carbono colocados en anillos hexagonales con anillos pentagonales cerrando la estructura en los extremos. • Tubos de: • Pared simple. • Pared múltiple. • Tienen una relación de área superficial a volumen enormemente incrementada.

35. NANOTUBOS. • Tienen una enorme fuerza de tensión. • El efecto cuántico es apreciable. • Actualmente se está investigando para utilizar nanotubos de carbono para crear transistores y otros aparatos electrónicos mucho más pequeños que los que pueden ser creados usando chips de silicio.

36. IMPLICACIONES DE LA NANOTECNOLOGÍA • Tiene el potencial de resolver muchos problemas: incremento de la producción de comida, cura de enfermedades, mejora de la tecnología de la información y comunicación… • El Task Force de Naciones Unidas de 2004 notó que la nanotecnología tiene ventajas como: alta productividad, bajo coste, necesidades modestas de materiales…

37. IMPLICACIONES DE LA NANOTECNOLOGÍA • Se conoce poco acerca de los riesgos potenciales asociados con su desarrollo: • Riesgos asociados con pequeñas partículas transportadas por el aire. • El sistema inmune humano puede estar indefenso contra nuevos productos a nanoescala. • Problemas sociales.