Química de Materiales: Propiedades, Extracción y Síntesis de Elementos

Tipos de Sólidos y Materiales

Los elementos como el Aluminio (Al) y el Tantalio (Ta) presentan empaquetamientos compactos. El Boro (B) es un sólido covalente.

Otros ejemplos de sólidos covalentes incluyen: Azufre (S2, S8) en formas cíclicas; Fósforo (P2) a altas temperaturas y P4 (fósforo blanco); Arsénico (As4), Antimonio (Sb4) y Bismuto (Bi4), que son metálicos en capas apiladas.

Estructuras Covalentes Destacadas

• Diamante: Estructura tridimensional cúbica unida por enlaces sencillos. Es un aislante eléctrico, extremadamente duro (utilizado como abrasivo).
• Grafito: Conductor eléctrico, de color negro, formado por capas hexagonales apiladas. Sus enlaces covalentes permiten la conductividad en dirección paralela a las capas.

Conductividad de Materiales

Conductividad Metálica

Se basa en enlaces metálicos deslocalizados, donde se consideran todos los orbitales del sólido (Teoría de Orbitales Moleculares, TOM).

Semiconductores

En un semiconductor, la agitación térmica a temperaturas mayores compensa el efecto de desplazar a los electrones de sus posiciones, permitiendo la conductividad.

Los semiconductores pueden ser combinaciones de elementos del grupo 13 y 15:

• Semiconductor extrínseco P (tipo p): Introduce una banda aceptora (agujeros electrónicos en la banda de valencia).
• Semiconductor extrínseco N (tipo n): Introduce una banda dadora (electrones adicionales).

Nota: El Latón (CuZn) es un compuesto intermetálico.

Extracción y Procesamiento de Metales

1. Preparación y Concentración del Mineral

La concentración del mineral (mena) implica separar la ganga (material no deseado) mediante diversos métodos:

• Por gravedad: Aprovecha la diferencia de densidad (ej. sílice, menos densa que óxidos o sulfuros metálicos).
• Magnética: Para minerales con propiedades magnéticas.
• Electrostática: Basada en diferencias de carga eléctrica.
• Flotación espumante: Repeliendo el agua para separar el mineral.

2. Tratamiento Químico

Los carbonatos e hidróxidos se tratan por vía térmica:

• CaCO3 → CaO + CO2
• Mg(OH)2 → MgO + H2O

Los sulfuros se transforman en óxidos por tostación (en presencia de O2):

• 2ZnS + 3O2 → 2ZnO + 2SO2

Los silicatos se convierten en óxidos mediante desplazamiento con óxido de calcio:

• MSiO3 + CaCO3 --(Calor)--> CaSiO3 + CO2 + MO

3. Reducción del Metal

Metales Muy Activos

Elementos como Na, Al, Ca, Mg, Li. Se obtienen por reducción electrolítica:

• Sodio: Na+ + 1e- → Na. La electrólisis se realiza en presencia de CaCl2 en sales anhidras fundidas para evitar la reducción del agua.
• Potasio (K), Rubidio (Rb) y Cesio (Cs): Se obtienen por reducción con Sodio (Na).

Metales de Actividad Intermedia

Se reducen pirometalúrgicamente a partir de sus óxidos. Los reductores comunes son carbono (C), hidrógeno (H2), aluminio (Al) o magnesio (Mg).

• PbO + C → Pb + CO
• B2O3 + 3Mg → 2B + 3MgO
• Cr2O3 + 2Al --(Calor)--> Al2O3 + 2Cr

Metales Poco Activos

Poseen un bajo potencial de reducción y se reducen con facilidad.

• Los óxidos de Plata (Ag) o Mercurio (Hg) se descomponen con calor: M2O → M + 1/2 O2
• Los sulfuros se obtienen por tostación: HgS + O2 --(Calor)--> Hg + SO2
• Otros casos por vía húmeda con otro metal: Cu2+ + Fe → Cu + Fe2+

Metales Menos Activos

Oro (Au), Plata (Ag) y Platino (Pt) aparecen en estado libre en la naturaleza debido a su muy baja reactividad.

Producción de Hierro (Alto Horno)

La producción de hierro se realiza a partir de mena de hierro (Fe2O3), carbono impuro (coque) y Calcita (CaCO3).

Reacción global: Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2

El proceso ocurre en diferentes zonas del alto horno:

1. En la zona superior (200ºC): Fe2O3 + CO → Fe3O4(s) + CO2 (el carbono reduce lentamente).
2. A 800ºC: Fe3O4 + CO → FeO + CO2
3. A 1000-1200ºC: FeO + C → Fe + CO. Reacciones secundarias importantes son: C + CO2 → 2CO y FeO + CO → Fe + CO2.
4. A 1200-1500ºC: El hierro funde. El CaO, formado por la descomposición de la calcita en la parte superior, reacciona con las impurezas de SiO2 de la mena de hierro para producir Silicato de calcio (escoria), que flota sobre el hierro fundido.

Purificación de Metales

Purificación Electroquímica

El metal impuro se disuelve por oxidación electroquímica en el ánodo de la celda y se deposita purificado en el cátodo por reducción.

Purificación de Silicio (Si)

El silicio se obtiene inicialmente con impurezas por reducción pirometalúrgica: SiO2 + 2C → Si + 2CO.

Su purificación se realiza en dos pasos:

1. Oxidación: Si + 3HCl → SiHCl3(g) + H2
2. Reducción: La reacción inversa se realiza a 1200ºC (no a 300ºC como en la oxidación).

También se utiliza el refinado por zonas, donde las impurezas no penetran en la red del metal que solidifica, concentrándose en la zona fundida.

No Metales y Metaloides

Características Generales y Ocurrencia

Los Gases Nobles son inertes. El Oxígeno (O2) y el Nitrógeno (N2) del aire son poco reactivos. Los Halógenos son muy reactivos, encontrándose como halogenuros; el yodo también puede presentarse en yodatos con estado de oxidación positivo.

El Azufre (S8) se encuentra nativo, y también se obtiene por calentamiento de sulfuros o por oxidación de sulfatos. El Selenio y el Telurio son elementos similares.

Los metaloides como Arsénico (As), Antimonio (Sb), Silicio (Si), Germanio (Ge) y Boro (B) se encuentran en estados de oxidación positivos en óxidos, oxoaniones o sulfuros.

Obtención de No Metales

Componentes del Aire

Se obtienen por el Método Linde, que implica la destilación fraccionada de aire líquido. El aire licúa a aproximadamente -200ºC. El Helio (He) y el Neón (Ne) no licúan fácilmente y se separan por sus bajos puntos de ebullición.

Halógenos

Se obtienen por oxidación de halogenuros.

• Flúor (F2) y Cloro (Cl2): Requieren potenciales muy elevados y se obtienen por oxidación electroquímica.
• Proceso Cloro-Álcali (para Cloro): 2NaCl(aq) + 2H2O(l) → Cl2(g) + H2(g) + 2NaOH(aq)
• Flúor: Se obtiene por electrólisis en un medio anhidro de HF y KF (en proporción 1:2), produciendo H2 y F2.
• Bromo (Br2) y Yodo (I2): Se obtienen por oxidación con cloro: Cl2 + 2X- → 2Cl- + X2

Azufre (Proceso Claus)

Es un método para recuperar azufre elemental a partir de sulfuro de hidrógeno (H2S):

• H2S + 3/2 O2 --(1200ºC)--> SO2 + H2O
• 2H2S + SO2 --(CAT)--> 3S(l) + 2H2O

Otros Métodos de Obtención

Algunos metales y metaloides se obtienen por reducción o procesos específicos, como el siguiente ejemplo de tostación oxidativa:

• Cu2Se + Na2CO3 + O2 → 2CuO + Na2SeO3 + CO2