Conceptos Esenciales de Química: Procesos Industriales, Propiedades Atómicas y Equilibrio Químico

Celdas de Combustible de Metanol Directo (DMFC)

La Celda de Combustible de Metanol Directo (DMFC) utiliza metanol, un líquido barato, fácil de almacenar y renovable. Sin embargo, presenta desafíos como la permeabilidad del metanol, la formación de CO₂ y el envenenamiento del catalizador.

Reacción general:

CH₃OH + 3/2 O₂ → CO₂ + 2H₂O

Baterías de Ácido-Plomo

En las baterías de coche, el ácido sulfúrico actúa como electrolito, facilitando que el Pb²⁺ se adhiera a los electrodos en forma de PbSO₄.

Reacción de descarga/carga:

Pb + PbO₂ + 4H⁺ + 2SO₄²⁻ ⇌ 2PbSO₄ + 2H₂O

Procesos Metalúrgicos: El Alto Horno

El alto horno es fundamental en la metalurgia del hierro y la producción de acero. Sus etapas principales incluyen:

• Reducción del mineral
• Fabricación de acero
• Laminación del acero

Síntesis de Amoniaco: Proceso Haber-Bosch

Este proceso es crucial para la producción industrial de amoniaco (NH₃).

Fracciones de Hidrocarburos y Destilación

La destilación del petróleo crudo separa los hidrocarburos según su longitud de cadena de carbonos y su intervalo de ebullición:

• C1-C4: Metano, Etano, Propano (C₃H₈), Butano (C₄H₁₀)
• C5-C9: Gasolina
• C10-C12: Nafta pesada
• C13-C16: Queroseno
• C15-C23: Gasóleo (Diésel)
• C20-C35: Fuelóleo
• >C35: Asfalto

Aparte de la longitud de la cadena de carbonos, la destilación se mide por el intervalo de ebullición, considerando la temperatura y la cantidad de volumen.

Mejora del Índice de Octano

Para mejorar el índice de octano de las gasolinas, se utilizan los siguientes procesos:

• Reformado catalítico
• Alquilación
• Isomerización
• Mezcla de gasolinas

Polimerización del Polietileno

La polimerización del polietileno ocurre a través de reacciones de adición. La masa del polímero es un múltiplo de la masa molecular del monómero.

Clasificación de Polímeros: Termoplásticos, Termoestables y Elastómeros

Los polímeros se clasifican en función de su estructura y comportamiento térmico:

Termoplásticos

• Estructura: Lineales
• Comportamiento térmico: Funden al calentarse
• Solubilidad: Solubles en ciertos disolventes
• Polimerización: Principalmente por adición
• Ejemplos: PVC, PP, PS (Polietileno, Polipropileno, Poliestireno), translúcidos.

Termoestables

• Estructura: Entrecruzados (red tridimensional)
• Comportamiento térmico: No funden al calentarse (se degradan)
• Solubilidad: No solubles
• Polimerización: Principalmente por condensación
• Ejemplos: Resinas epoxi, resinas fenólicas, baquelitas.

Elastómeros

• Estructura: Entrecruzados (con menor densidad de entrecruzamiento que los termoestables)
• Comportamiento térmico: No funden
• Solubilidad: No solubles
• Ejemplos: ABS (Acrilonitrilo Butadieno Estireno), Polibutadieno, Estireno-Butadieno, PC-ABS.

Propiedades Atómicas Periódicas

Radio Atómico

En un grupo: Aumenta al aumentar el número atómico (Z), ya que cada vez hay más capas electrónicas.

En un periodo: Disminuye al aumentar el número atómico (Z), debido a que hay más protones en el núcleo que atraen con mayor fuerza a los electrones.

Energía de Ionización

Es la energía necesaria para arrancar el electrón más externo de un átomo en estado gaseoso.

En un grupo: Disminuye, ya que los electrones de las capas más externas están menos atraídos por el núcleo.

En un periodo: Aumenta, cuanto más llena está la capa, más difícil es arrancar un electrón.

Afinidad Electrónica

Es la energía que se desprende cuando un átomo en estado gaseoso capta un electrón.

En un grupo: Disminuye, ya que los electrones de las capas más externas son menos atraídos por el núcleo.

En un periodo: Aumenta, debido a la mayor carga nuclear efectiva.

Electronegatividad

Es la capacidad de un átomo para atraer hacia sí los electrones compartidos en un enlace químico.

Los elementos más electronegativos son: F > O > N.

En un grupo: Disminuye, los electrones están menos atraídos por el núcleo.

En un periodo: Aumenta, debido a la mayor carga nuclear.

Tipos de Reacciones Químicas

• Combinación (o Síntesis)
• Desplazamiento (o Sustitución)
• Redox (Oxidación-Reducción)
• Combustión (reacción con O₂)
• Ácido-Base (Neutralización)
• Precipitación

Cinética Química: Velocidad de Reacción

La velocidad de reacción es la relación entre la concentración de los reactivos y el tiempo.

Para una reacción genérica A + B → C, la velocidad se expresa como:

v = -d[A]/dt = -d[B]/dt = +d[C]/dt

La ley de velocidad general es: v = k[A]ˣ[B]ʸ

Órdenes de Reacción

• Orden 0:
  • Ley de velocidad: r = k[A]⁰
  • Ecuación integrada: [A] = [A]₀ - kt
  • Vida media (T½): T½ = [A]₀ / 2k
• Orden 1:
  • Ley de velocidad: r = k[A]
  • Ecuación integrada: ln[A] = ln[A]₀ - kt
  • Vida media (T½): T½ = ln(2) / k
• Orden 2:
  • Ley de velocidad: r = k[A]²
  • Ecuación integrada: 1/[A] = 1/[A]₀ + kt
  • Vida media (T½): T½ = 1 / (k[A]₀)

Para determinar el orden de reacción (n) y la constante de velocidad (k):

ln(v) = ln(k) + n * ln([ ])

Formulario de Química Fundamental

• Ley de los Gases Ideales: PV = nRT (donde n = g/Mm)
• Fórmula Molecular: Mm = n * (Masa Atómica Total)
• Energía Reticular (Born-Landé): E_r = ((-A * N_A * Z⁺ * Z⁻ * e²) / d) * (1 - 1/n)
• Energía Reticular (Coulómbica simplificada): E_r = (-Z⁺ * Z⁻) / (r⁺ + r⁻)
• Ecuación de Arrhenius: k = A * e^(-Ea/RT)
  • Forma linealizada: ln(k) = ln(A) - (Ea/R) * (1/T)
  • Relación con la velocidad: r = k * Cⁿ
  • Para regresión lineal: y = a + b * x (donde y = ln(k), a = ln(A), b = -Ea/R, x = 1/T)

Cálculo de la Recta de Regresión

Para calcular la recta de regresión con una calculadora (ej. Casio):

MENU → 6 (Estadística) → 2 (y=a+bx) → Rellenar tabla → OPTN → 4 (Reg)

Termodinámica y Equilibrio Químico

Energía Libre de Gibbs (ΔG)

Entalpía de Reacción: ΔH_r = ∑ΔH_f (productos) - ∑ΔH_f (reactivos)

Constantes de Equilibrio (Kp y Kc)

• Kp (en función de presiones parciales): Kp = (P_Cᶜ * P_Dᵈ) / (P_Aᵃ * P_Bᵇ) = e^(-ΔG°/RT) = Kc * (RT)^Δn
• Kc (en función de concentraciones molares): Kc = ([C]ᶜ * [D]ᵈ) / ([A]ᵃ * [B]ᵇ) = Kp / (RT)^Δn
• Si Δn = 0, entonces Kp = Kc.

Ecuación de Van't Hoff

Relaciona la constante de equilibrio con la temperatura:

ln(Kp₂ / Kp₁) = (-ΔH / R) * (1/T₂ - 1/T₁)

Principio de Le Chatelier

Describe cómo un sistema en equilibrio responde a perturbaciones:

• Aumento de presión (↑P) o disminución de volumen (↓V): El sistema evoluciona hacia donde haya menor número de moles gaseosos.
• Aumento de temperatura (↑T): El sistema evoluciona en el sentido en que la reacción es endotérmica (ΔH > 0).
• Eliminación de reactivos o adición de productos: El equilibrio se desplaza hacia la izquierda.
• Eliminación de productos o adición de reactivos: El equilibrio se desplaza hacia la derecha.