Guia Completa d'Espectrometria, Reaccions Redox i Fabricació d'Acer

Espectrometria

L'espectrometria és una tècnica que permet determinar l'estructura interna de les molècules, la disposició dels àtoms i el tipus d'enllaços.

Espectroscòpia Infraroja (IR)

La tècnica d'infraroig (IR) funciona perquè els enllaços entre àtoms en les molècules poden absorbir energia de determinades radiacions en el rang de l'infraroig. Es pot elaborar una taula d'absorció (indicant els pics) i els enllaços corresponents:

• C-O: 1000-1300 cm⁻¹
• C=C: 1600-1700 cm⁻¹
• C=O: 1700-1800 cm⁻¹
• O-H (àcids carboxílics): 2500-3300 cm⁻¹ (banda ampla)
• C-H (alifàtics): 2850-2960 cm⁻¹
• C=C-H (aromàtics/alquens): >3000 cm⁻¹
• C-C-H (alifàtics): <3000 cm⁻¹
• O-H (alcohols): 3200-3600 cm⁻¹ (banda ampla)

La freqüència (ν) és la inversa del període (T), o la velocitat de la llum (c) dividida per la longitud d'ona (λ). L'energia (E) és igual a la constant de Planck (h) multiplicada per la freqüència (ν) (E = h·ν).

Espectrometria de Masses

Consisteix a irradiar una mostra amb radiació d'energia ionitzant, de forma que els enllaços es trenquin i es perdin electrons. Posteriorment, es realitza la fragmentació dels ions resultants per obtenir informació estructural.

Reaccions de Transferència d'Electrons (Redox)

Les reaccions redox són processos fonamentals en la química, incloent-hi la química orgànica. Alguns exemples de compostos orgànics que participen en reaccions redox són:

• Alcàns (enllaços C-C simples)
• Alquens (enllaços C=C dobles)
• Alquins (enllaços C≡C triples)
• Alcohols (-OH)
• Aldehids (-CHO)
• Àcids Carboxílics (-COOH)
• Diòxid de Carboni (CO₂)

En les reaccions redox, els electrons canvien de material: el reductor dona electrons i l'oxidant els accepta. La força amb què un reductor passa electrons a un oxidant s'anomena potencial de reducció, i es mesura en volts (V), que equivalen a joules per coulomb (J/C). Una reacció té lloc quan l'energia alliberada en els processos d'oxidació-reducció és positiva. Això passa quan el potencial de reducció de l'oxidant és més alt que el del reductor.

Magnituds Físiques a Considerar

• Potencial de reducció: Mesurat en volts (V).
• Constant de Faraday: 96500 C/mol (coulombs per mol d'electrons).
• Intensitat de corrent (A): Càrrega (C) / Temps (t).
• Energia (E): Càrrega (C) · Voltatge (V).
• Potència (P): Intensitat (I) · Voltatge (V).

Aplicacions de les Reaccions Redox i l'Acer

L'acer és un aliatge de ferro i carboni. El carboni es troba en una proporció petita. El ferro en estat pur és dúctil i té baixa resistència, per això es fan aliatges amb altres elements per millorar les seves propietats.

Tipus d'Acer

• Acer al Carboni: Aliatge de ferro amb una proporció de carboni inferior a l'1%. Elements comuns addicionals: manganès (Mn), silici (Si), coure (Cu), etc.
• Acer Especial: Aliatge de ferro amb carboni i un o més elements addicionals en proporcions significatives, com níquel (Ni), alumini (Al), crom (Cr), tungstè (W), etc. Depenent de la proporció d'aquests elements, pot ser de baix o alt aliatge.

Propietats Segons els Elements d'Aliatge

• Alumini (Al): Actua com a desoxidant.
• Crom (Cr): Augmenta la duresa i la resistència al desgast.
• Manganès (Mn): Present en tots els acers, actua com a desoxidant i augmenta la duresa.
• Níquel (Ni): Augmenta l'elasticitat i la resistència a la corrosió.
• Silici (Si): Present en tots els acers, millora l'elasticitat.
• Titani (Ti): Estabilitza i desoxida l'acer.
• Vanadi (V): Augmenta la resistència al desgast en calent.

Fabricació de l'Acer

La fabricació de l'acer comença amb la producció de ferro fos en un alt forn. Els minerals de ferro naturals (com hematites, magnetita, limonita, siderita), juntament amb carbonat càlcic i carbó de coc, es posen a l'alt forn i produeixen ferro fos i escòria.

Components i Procés de l'Alt Forn

L'alt forn funciona de manera contínua, subministrant constantment matèries primeres i retirant ferro colat i escòria.

Matèries Primeres

• Minerals de ferro: De manera natural (hematites, magnetita, limonita, siderita).
• Carbó de coc: Combustible per obtenir les altes temperatures necessàries per fondre els materials.
• Carbonat càlcic: Es combina amb els compostos de fusió (fundent) per formar l'escòria.

Estructura de l'Alt Forn

Els alts forns són grans estructures de fins a 30 metres d'alçada i 6 metres d'amplada, construïts amb cubes d'acer revestides de material refractari.

Cúpula o Cisterna

És la part superior, on les matèries primeres s'introdueixen per la boca de la cisterna, que està proveïda de dispositius d'obertura i tancament per evitar fuites de gasos.

Ventre

La part més ampla de l'alt forn, que connecta la cúpula amb l'etallatge.

Etallatge

Espai troncocònic a l'interior del qual la temperatura arriba aproximadament als 1800°C.

Gresol

Cilindre de gran capacitat situat a la part inferior, on es recull el ferro fos i l'escòria. Inclou:

• Toneres: Canonades per on s'injecta aire calent per a la combustió del carbó de coc.
• Forat d'escòria: Per a la retirada de l'escòria.
• Forat de colada: Per a la retirada del ferro fos.

Zones de l'Alt Forn

• Zona de Deshidratació (aprox. 400°C): Eliminació de la humitat dels compostos i descomposició del carbonat càlcic.
• Zona de Reducció (aprox. 700°C): Producció de ferro reduït, provinent de la combustió del carbó de coc.
• Zona de Carburació (aprox. 1200°C): El carboni es combina amb el ferro per formar l'aliatge.
• Zona de Fusió (aprox. 1800°C): Fusió del ferro amb l'aliatge.

Refinament de l'Aliatge (Fabricació d'Acer)

Un cop obtingut el ferro fos, es realitza un conjunt de processos per eliminar impureses i reduir l'alt contingut de carboni, transformant-lo en acer. La instal·lació on es duu a terme aquest procés és el convertidor d'oxigen. S'injecta oxigen (O₂) a pressió, que reacciona amb el carboni i altres impureses, formant diòxid de carboni (CO₂) i altres òxids que són eliminats.

Electroquímica

L'electroquímica estudia els fenòmens redox que es produeixen quan s'aplica un corrent elèctric a una dissolució (electròlisi) o quan una reacció química genera electricitat (piles galvàniques). En una cel·la electrolítica, el càtode és el pol negatiu (on es produeix la reducció) i l'ànode és el pol positiu (on es produeix l'oxidació).

Pila Voltaica (Galvànica)

Consisteix a disposar dos materials amb diferent tendència a la reducció, de manera que l'energia alliberada per un sigui superior a la que absorbeix l'altre, permetent l'alliberament i el flux d'electrons, generant així un corrent elèctric.

Tipus d'Elèctrodes

• Elèctrodes Metàl·lics: Barra metàl·lica que, a més de transferir electrons, participa directament en el procés redox.
• Elèctrodes Inerts: Filament de platí (Pt) o barra de grafit que transfereixen electrons sense participar en la reacció química.
• Elèctrodes de Gas: Fil de platí (Pt) embolcallat per un recipient de vidre on s'injecta un gas que participa en la reacció redox (p. ex., elèctrode d'hidrogen).

El potencial estàndard de la cel·la (E⁰_cel·la) es calcula com la diferència entre el potencial de reducció del càtode i el de l'ànode: E⁰_cel·la = E⁰_càtode - E⁰_ànode.

Diagrama de Pila

La representació esquemàtica dels components d'una pila segueix el format: Ànode | Reactius ànode || Reactius càtode | Càtode. El doble barra (||) representa el pont salí, que permet el flux d'ions per mantenir la neutralitat elèctrica.

Tipus de Piles

• Pila Seca: Pot ser salina o alcalina, i genera electricitat mitjançant un electròlit pastós (sense pont salí extern). Són d'un sol ús.
• Pila Recarregable: Conté materials que poden oxidar-se i reduir-se de manera reversible, permetent la seva recàrrega mitjançant l'aplicació d'un corrent elèctric extern.
• Bateries: Conjunt de piles connectades en sèrie o paral·lel per augmentar el voltatge o la capacitat. Si la bateria es connecta a un carregador, les reaccions succeeixen en sentit invers (es recarrega).
• Pila de Combustible: Genera electricitat a partir de la reacció contínua d'un combustible (sovint hidrogen) i un oxidant (sovint oxigen), alliberant aigua (H₂O) com a subproducte. Són molt eficients i no es descarreguen mentre tinguin subministrament de combustible.