Materiales en la Industria Química

Balotario de materiales

Principales materiales usados en la industria de la química

El metal que más se emplea es el hierro, en sus diferentes formas de obtención se usan también metales con peso específico menor que 6. Se usan también sales de Ca, Mg, y bases metálicas como Ca(OH)2, resinas, elastómeros, fibras.

Características principales del hierro y tipos de hierro

Característica: es un metal maleable, tenaz de color gris plateado y presenta propiedades magnéticas, es ferromagnético a temperatura ambiente. Se encuentra en la naturaleza formando parte de numerosos minerales, entre ellos, mucho óxido.

Tipos: hierro alfa, hierro beta, hierro, hierro.

Abundancia y minerales que contiene el hierro

Es el metal de transición más abundante en la corteza terrestre y cuarto de todos los elementos, también abunda en todo el universo. Se encuentra formando parte de numerosos minerales (hematita Fe2O3, limonita 2Fe2O3 3H2O, siderita FeCO3, pirita FeS2, ilmenita FeTiO3).

Reducción de óxido para la obtención de hierro en alto horno

Se añaden los minerales de hierro en presencia de coque y carbonato de calcio CaCO3.

Concepto Hierro cochino

Es el metal que se obtiene en alto horno, que contiene impurezas, cierto porcentaje de C, P, Mn y menores cantidades de S. Por lo general se le convierte en fundición.

• Fundición gris: se obtiene cuando se deja enfriar lentamente el hierro cochino de manera que el carbono se separa del Fe como grafito.
• Fundición blanca: se obtiene al enfriar rápidamente el hierro cochino fundido, el carbono permanece combinado con el hierro formando el carburo de hierro Fe3C, este producto es claro debido a que el carburo de hierro es blanco.
• Hierro forjado: es una forma bastante pura del hierro, se obtiene fundiendo Fe cochino con un exceso de óxido de Fe, el que oxida la mayor parte de impurezas. El hierro forjado tiene menos de 0,2% de C y es dúctil y maleable.

Acero definición

Los aceros son aleaciones de hierro – carbono forjable, con porcentajes de carbono variables entre 0.03 y 1.76%.

Diferencia entre acero y fundiciones

La diferencia fundamental entre ambos materiales es que los aceros son, por su ductilidad, fácilmente deformables en caliente utilizando forjado, laminación o extrusión, mientras que las fundiciones son frágiles y se deben moldear.

Densidad promedio del acero

La densidad promedio del acero es 7850kg/m3.

Impureza y aleantes del acero

Se denomina impureza a todos los elementos indeseables en la composición de los aceros porque disminuyen las características de la aleación que deseamos de nuestro acero o fundiciones.

Aleaciones eutécticas, porcentaje de carbono y punto de fusión mínimo, punto de fusión del hierro

La aleación que contiene el 4.3% de C se conoce como eutéctica y es aquella donde el punto de fusión es mínimo 1130°C y el punto de fusión de hierro puro 1537°C.

Siderurgias y acerías

Se denomina siderurgia a la técnica del tratamiento del mineral de hierro para obtener diferentes tipos de este o de sus aleaciones. Los más utilizados por la siderurgia son los óxidos, hidróxidos y carbonato. Acerías: se le denomina a una planta industrial dedicada exclusivamente a la producción y elaboración de acero partiendo de otro acero o de hierro.

Tipos de acero

Acero de cromo: contiene 12-14% de cromo y 0.1-0.4% de carbono. Acero inoxidable: contiene 27-30% de Cr, es un acero termo resistente. Acero de Cr – Ni: contiene de 17-20% Cr, 8-10 Ni. Acero con 25% Cr y 20% de Ni. Acero ferrítico.

Tratamientos térmicos del acero

En general son 4 tipos básicos de tratamiento térmico del acero: calentamiento del acero hasta una temperatura determinada, permanece a esa temperatura a cierto tiempo, enfriamiento más o menos rápido.

Aluminio - Características principales

• Es un metal ligero, blando pero resistente, de color blanco brillante.
• Su densidad es aproximadamente un tercio de la del acero o el cobre.
• Es muy maleable y dúctil y es apto para el mecanizado y la fundición.
• Debido a su elevado calor de oxidación se forma rápidamente al aire una fina capa superficial de óxido de aluminio (Alúmina Al2O3) impermeable y adherente que detiene el proceso de oxidación proporcionándole resistencia a la corrosión y durabilidad.
• El aluminio tiene características anfóteras. Esto significa que se disuelve tanto en ácidos (formando sales de aluminio) como en bases fuertes (formando aluminatos con el anión [Al(OH)4] liberando hidrógeno.
• La capa de óxido formada sobre el aluminio se puede disolver en ácido cítrico formando citrato de aluminio.
• El principal y casi único estado de oxidación del aluminio es +III como es de esperar por sus tres electrones en la capa de valencia.

Minerales que contienen aluminio (estado natural)

• BAUXITA: AL2O3.2H2O MINERAL MÁS IMPORTANTE: Es una roca sedimentaria de origen químico compuesta mayoritariamente por alúmina (Al2O3) y, en menor medida, óxido de hierro y sílice. Principal mena del aluminio utilizada por la industria. Se origina como residuo producido por la meteorización de las rocas ígneas en condiciones geomorfológicas y climáticas favorables. Recibió su nombre en alusión a la ciudad de Les Baux, en Provenza (Francia), donde fue identificada por el geólogo Pierre Berthier en 1821.
• CRIOLITA: NA3AL F6: Es un mineral del grupo III (halogenuros) según la clasificación de Strunz. Es un fluoruro de aluminio y sodio (Na3AlF6). En estado natural se encuentra en Ivittuut (Groenlandia). Su importancia proviene de su facilidad de disolver el óxido de aluminio (Al2O3); por esta razón se emplea fundida como fundente de la alúmina en la obtención de este metal por electrólisis.
• EL CAOLÍN O CAOLINITA: Es una arcilla blanca muy pura que se utiliza para la fabricación de porcelanas y de aprestos para almidonar. También es utilizada en ciertos medicamentos y como agente adsorbente. Cuando la materia no es muy pura, se utiliza en fabricación de papel. Conserva su color blanco durante la cocción. Su nombre viene del chino kao (alta) y ling (colina), que indicaba, en la provincia de Kiangsi, cerca de Jauchu Fa, el lugar donde los chinos encontraron por primera vez este tipo de arcilla al natural. Su fórmula es: Al2Si2O5(OH)4 ó Al2O32SiO22H2O.
• FELDESPATOS: KALSI3O8: Son un grupo de minerales tecto y aluminosilicatos que corresponden en volumen a tanto como el 60% de la corteza terrestre. (La estructura que caracteriza a los tectosilicatos es un armazón tridimensional de tetraedros) La composición de feldespatos constituyentes de rocas corresponde a un sistema ternario compuesto de ortoclasa (KAlSi3O8), albita (NaAlSi3O8) y anortita (CaAl2Si2O8). Feldespatos con una composición química entre anortita y albita se llaman plagioclasas, en cambio los feldespatos con una composición entre albita y ortoclasa se llaman feldespatos potásicos. El feldespato es un componente esencial de muchas rocas ígneas, sedimentarias y metamórficas de tal modo que muchas de estas rocas se clasifican según su contenido de feldespato.
• ÓXIDO DE ALUMINIO ANHIDRO: CORINDÓN. CORINDÓN: AL2O3, AL ESTADO DE PUREZA, ES DE GRAN DUREZA: El corindón (del sánscrito korivinda) es un mineral del grupo IV (óxidos) según la clasificación de Strunz. Está formado por óxido de aluminio (Al2O3). Se presenta en una gran variedad de colores atendiendo a las impurezas que tenga: incoloro, blanco, pardo, violeta, verde, amarillo, azul o rojo, por ejemplo. Su brillo es vítreo. La variedad roja, conocida como rubí, y la azul, conocida como zafiro, se consideran piedras preciosas.

Propiedades del aluminio

• Es plateado, tiene lustre blanco opaco.
• Es muy liviano.
• Es 2 veces mejor conductor de la electricidad que el cobre.
• Es un metal altamente reactivo.
• Es resistente a los ácidos débiles y diluidos.
• En su superficie se forma una tenaz capa de óxido hidratado (Al2O3. 2H2O), que lo protege de la acción corrosiva de la atmósfera.
• Cuando en estado finamente dividido se calienta al aire, se quema con una luz brillante.
• Es fácilmente disuelta la capa de óxido con ácidos con halógenos como HCl, H2SO4 y CH3COOH.
• Se disuelve en álcalis concentrados formando aluminatos e hidrógeno.

Obtención de alúmina

La industria emplea el proceso Bayer para producir alúmina a partir de la bauxita. La alúmina es vital para la producción de aluminio (se requieren aproximadamente dos toneladas de alúmina para producir una tonelada de aluminio).

Aplicaciones y usos del aluminio

• CORINDÓN ARTIFICIAL: Alundum, Al2O3, se fabrica fundiendo bauxita en un horno eléctrico, es usado como material abrasivo en la molienda y pulido y como refractario y medio filtrante para líquidos corrosivos.
• ESMERIL, AL2O3. FE3O4, se usa como abrasivo.
• ALÚMINA ACTIVADA, se usa como agente deshidratante y como catalizador.
• HIDRÓXIDO DE ALUMINIO, AL(OH)3, se usa para fijar tintes sobre los tejidos. Los tejidos humedecidos con una solución caliente de acetato de aluminio se llegan a impregnar de hidróxido de aluminio formado por la hidrólisis de la sal Al(CH3COO)3 + 3H2O → 3CH3COOH + Al(OH)3.
• CLORURO DE ALUMINIO ANHIDRO, ALCL3, es un sólido blanco cristalizado, sublimable a 183ºC y soluble en solventes orgánicos. Se usa como catalizador en reacciones orgánicas. Ejemplo: craqueo de la gasolina.
• SULFATO DE ALUMINIO, AL2(SO4)3, se prepara a partir de bauxita o arcilla con H2SO4. Al2Si2O5(OH)4 + 3H2SO4 → 2H2SiO3 + Al2(SO4)3 + 3H2O Se usa en purificación de agua, impermeabilización de telas, aprestos de papel y teñido de tejidos.
• ALUMBRE: Cuando las soluciones de K2SO4 y Al2(SO4)3 se mezclan y se concentran por evaporación, se forman cristales de alumbre de potasio KAl(SO4)2.12H2O (sal doble más conocida como alumbre.

Aleaciones del aluminio

DURALUMINIO: Es una aleación que contiene Al, Cu, Mn y Mg. Es liviano pero casi tan fuerte como el acero, de modo que se usa en construcción de naves aéreas. BRONCES DE ALUMINIO: Contienen Cu y ocasionalmente algo de Si, Mn, Fe, Ni y Zn. Son aleaciones resistentes a la corrosión y a los esfuerzos de tracción, por lo que se les emplea mucho para fabricar cajas de cambio y barras de transmisión para motores de gasolina. EL ALNICO: es una aleación magnética que contiene 50% de Fe, 20% de Al, 20% de Ni y 10% de Co, puede levantar una cantidad de Fe superior a 4000 veces su propio peso. Se fabrica prensando en conjunto los metales constituyentes pulverizados y calentando la mezcla a temperatura exactamente por debajo de su punto de fusión: Metalurgia del polvo. Se usa también para reducir los óxidos metálicos cuya reducción por el carbono es difícil. Ejemplo: óxidos de Mn, Cr. Mo y W.

Cobre

Aplicaciones del cobre

• El cobre es el metal no precioso con mejor conductividad eléctrica. Todos los equipos informáticos y de telecomunicaciones contienen cobre en mayor o menor medida en sus circuitos integrados, transformadores y cableado interno.
• Las fuentes de energía renovable serán cruciales para abastecer la creciente demanda de energía que acompañará a la continua industrialización del mundo. Una simple aeroturbina contiene más de una tonelada de cobre. Todos estos sistemas dependen en gran medida del cobre para transmitir la energía que generan con la máxima eficacia y el mínimo impacto medioambiental.

Aplicaciones de sus compuestos

• Las principales aplicaciones de los compuestos de cobre las encontramos en la agricultura en especial como fungicida e insecticidas.
• Como pigmentos.
• En soluciones galvanoplásticas.
• En celdas primarias.
• Como mordentes en teñido.
• Como catalizadores.

Aleaciones del cobre

. • BRONCE AL ESTAÑO: con un contenido hasta del 13% de Sn, es mas resistente que el Cu puro. • BRONCE AL ALUMINIO: aleación de Cu al que tiene hasta 10% de aluminio con buena resistencia en los ácidos diluidos(excepto el acido nítrico) y en muchas soluciones salinas se utiliza en la industria química. • BRONCE AL SILICIO: aleación de Cu-Si, con 3% a 4% de silicio tiene buena resistencia y una aplicación especialmente amplia. • LATÓN: aleación de Cu- Zn, contiene 40% de Zn y es de gran aplicación, se usa para piezas que trabajan en agua natural y expuestas al aire húmedo (no se corroen), tienen tendencia a la descincificación (perdida de Zn) y el agrietamiento corrosivo bajo la acción agresiva y tensiones mecánicas (tracción) especialmente en presencia de amoniaco. 19. ALEACIONES DEL NÍQUEL. a. METAL MONEL: es una aleación que contiene 68% de ni y 28% de Cu, con otra adiciones como Fe, Mn, Si. Es mas resistente que el Ni puro. b. ALEACION DE NI-MO:CONTIENE el 20% de Mo y el resto de Ni (con mezcla de Fe), tiene muy alta resistencia hasta en HCl caliente. Tiene buenas propiedades mecánicas. 20. PROPIEDADES DE LOS MATERIALES USADOS EN LA INDUSTRIA QUÍMICA. SEGÚN SU ORIGEN ▪ Materiales naturales: son aquellos que se encuentran en la naturaleza, las personas utilizamos materiales naturales con diferente origen: mineral, vegetal o animal. ▪ A partir de rocas y minerales se obtienen los materiales de origen mineral. Los metales, la piedra o la arena son materiales de origen mineral. ▪ A partir de las plantas obtenemos los materiales de origen vegetal. El material de origen vegetal más importante es la madera, pero también existen otros que empleamos de forma habitual, como las fibras vegetales (algodón, lino, mimbre) o el corcho. ▪ Otros son materiales de origen animal. Por ejemplo, el cuero o la lana que usamos en muchas prendas de vestir, en bolsos, zapatos, etc. ▪ Materiales sintéticos: son aquellos creados por las personas a partir de materiales naturales; por ejemplo, el hormigón, el vidrio, el papel o los plásticos. SEGÚN SUS PROPIEDADES Según estas propiedades, podemos clasificar los materiales más usuales en los siguientes grupos: maderas, metales, plásticos, materiales pétreos, cerámicas y vidrios o materiales textiles. 21. REFRACTARIOS DEFINICIÓN: propiedad de ciertos materiales de resistir altas temperaturas sin descomponerse. Estos se utilizan para hacer crisoles y recubrimientos de hornos e incineradoras. No hay una frontera clara entre los materiales refractarios y los que no lo son, pero de las características habituales que se pide a un material para considerarlo como tal es que pueda soportar temperaturas de mas de 1100 °C sin ablandarse. La mayor parte de los refractarios son materias cerámicas fabricadas con óxidos de elevado punto de fusión, particularmente de SiO2, Al2O3 y MgO. CLASIFICACIÓN DE LOS REFRACTARIOS • REFRACTARIOS ÁCIDOS: Se basan en SiO2 e incluyen la sílice y las series de arcilla refractarias conteniendo 30- 42% de Al2O3 , silemanita (63% Al2O3 ) y andalucita con aproximadamente 60% de Al2O3. Tenemos la coarzita, sílice y materiales que antes se usaban en estado natural y triturados, hoy se usan en forma de ladrillo pre fabricado. • BÁSICOS: Se basan en el contenido de MgO e incluyen la magnesita (MgCO3) y la dolomita (CaCO3 y MgCO3), cromo – magnesita y magnesita – cromo. También se clasifican como básicos las briquetas de alúmina y de mullita y en la misma categoría se incluyen algunos refractarios especiales como ThO2 y BeO. • NEUTROS. Se refieran a las arcillas o tierras refractarias, a los minerales de cromo y carbón y a los metales. • Son relativamente inertes tanto a las escorias silíceas como a las calizas; en este grupo se incluyen las briquetas de carbón, cromita (FeO . Cr2O3) y la forsterita (2MgO . SiO2). 22. FABRICACIÓN DE LIBRILLOS REFRACTARIOS. • Generalmente su fabricación sigue la misma técnica que un ladrillo común. • Como cemento de unión de los ladrillos debe usarse el mismo refractario molido y crudo y es recomendable aumentar el contenido de alúmina.