Estados o números de oxidación

El número de oxidación (n.o.) es el número de cargas que tendría un átomo en una molécula o en un compuesto iónico si los electrones fueran transferidos totalmente. Alternativamente, se le puede definir como la carga que tendría un átomo si los electrones en cada enlace fueran asignados al elemento más electronegativo.


Los números de oxidación permiten reconocer cuáles elementos se han oxidado o se han reducido. La oxidación de un elemento significa el aumento de su número de oxidación y l areducción una disminución del número de oxidación del elemento.

Reglas para determinar los números de oxidación:
1. el n.o. de un elemento libre o metalico es 0
2. el n.o. para iones monoatómicos simples es igual a la carga del ion
3. el n.o. del H es +1
4. el n.o. del O es -2 (excepciones: n.o. de H es -1 en hidruros metalicos; el O es -1 en peróxidos y +2 en compuestos con fluor)
5. la suma de los n.o. de un compuesto neutro es 0
6. la suma de los n.o. de un ion poliatomico es la carga del ion.

El numero de oxidación permite reconocer si una reacción es de oxido reducción o para balancear ecuaciones.

Oxidación y Reducción (Redox)

La Oxidación es la pérdida de electrones que experimenta una sustancia

La Reducción es la ganancia de electrones que puede experimentar una sustancia

Ejemplo: la reacción entre el sodio y el cloro para dar cloruro de sodio es una reacción redox. El sodio pierde un electrón para transformarse en ion sodio con carga +1. Se dice que el sodio ha sufrido una oxidación: Na -----> Na+ + e- (semireacción de oxidación)

Por otro lado, el cloro gana un electrón para convertirse en ion cloruro con carga -1. Se dice que el cloro ha experimentado una reducción: ½ Cl2 + e- ------> Cl-

El proceso de oxido reducción es una transferencia de electrones desde una sustancia que se oxida (Na) a otra que se reduce (Cl). Los dos procesos ocurren simultáneamente. Para obtener la ecuación global, se debe sumar ambas reacciones.
Semi reacción de oxidación: Na -----> Na+ + e-
Semi reacción de reducción: ½ Cl2 + e- ------> Cl-
Reacción global: Na + 1/2Cl2 --------> Na+ + Cl-; el producto es NaCl sólido cristalino.

El Na es un agente reductor del Cloro y el Cloro al recibir un electron del Na, se comporta como un agente oxidante.

Titulaciones ácido-base

Una titulación de ácido-base consiste en agregar gradualmente una solución de concentración conocida a otra solución de concentración desconocida, hasta que la neutralización se completa. El punto en que ha reaccionado completamente el ácido con la base se llama "punto de equivalencia". Para determinar este punto se utiliza un indicador, que se caracteriza porque tiene colores diferentes en medio ácido y en medio básico. La ecuación a utilizar es la siguiente: C1 x V1 = C2 x V2 

Indicador acido-Base
Un indicadore acido-base es un ácido (o una base) orgánico débil que tiene colores diferentes en medio ácido y básico.  Hln = indicador ácido Color A; ln = Base conjugada. Color B
Hln + H2O <---------> H3O+  + ln-
De acuerdo al Principio de Le Chatelier, en un medio ácido, el equilibrio se desplaza hacia el miembro de la izquierda con lo que predomina Hln, mientras que en un medio básico predomina ln-.  

Soluciones reguladoras de pH

Existen soluciones que pueden resistir en un amplio rango los cambios de pH cuando se le agregan acidos y bases. Estas soluciones son llamadas reguladora amortiguadora, tampón o buffer. Tienen también importancia en la regulación del pH de la sangre.
Una solución reguladora requiere dos componentes. Uno de ellos debe ser capaz de neutralizar las bases y el otro los ácidos. Para esto, la solución reguladora esta formada por:
a) mezcla de un ácido débil y la base conjugada
b) mexcla de una base débil y el ácido conjugado
Ejemplo: se puede preparar un Buffer mezclando en medio acuoso acido acetico (CH3COOH) y acetato de sodio (CH3COONa), sal que contiene la base conjugada CH3COO-. Del mismo modo, se puede obtener una solución reguladora mezclando en partes iguales amoniaco (NH3) y cloruro de amonio (NH4Cl).
Ejemplo 1:
CH3COOH + H2O <----------> H3O+  + CH3COO-
CH3COONa ---------> CH3COO- + Na+

Si a la solución reguladora se le agrega una pequeña cantidad de ácido fuerte (HCl), el ion H3O+ es neutralizado por el ion CH3COO-, formando una cantidad equivalente de CH3COOH. En el caso que se añada una pequeña cantidad de base fuerte, el ion OH- es neutralizado por el CH3COOH para dar una cantidad equivalente de CH3COO-.
El pH de la solución amortiguadora depende de la constante Ka y de las concentraciones relativas de acido y base que la forman: HA + H2O <-------> H3O+  + A-; donde la constante es Ka=[H3O+][A-]/ [HA]
reordenando la ecuación resulta: [H3O+]= Ka [HA]/ [A-]
tomando el logaritmo de ambos miembros de la ecuación:
pH= pKa + log [A-]/[HA] ; también se expresa como:
pH= pKa + log [base]/[ácido], conocida como ecuación de Henderson-Hasselbach. 

Equilibrio iónico de ácidos y bases

Fuerzas de los acidos y bases: Los ácidos y bases fuertes son electrolitos fuertes, es decir, tienen la capacidad de ionizarse completamente en agua. Los ácidos y bases débiles son electrolitos débiles
Ej de Acidos fuertes: HCl, HBr, HI, HNO3, HClO4, H2SO4
Ej de Bases fuertes: LiOH, NaOH, KOH, Mg(OH)2, Ca(OH)2, Ba(OH)2

Constantes de acidez y basisidad: La mayoría de los ácidos y bases son electrolitos débiles. Por lo tanto, al disolverse en agua solo se ionizan parcialmente. Ejemplo:
HNO2 + H2O <---------> H3O+  + NO2-
según la ecuación anterior se establece un equilibrio que se caracteriza por una constante de equilibrio Ka
Ka = [H3O+][NO2-]/ [HNO2];  la constante Ka se llama constante de acidez o de ionización. El valor de la constante indica el grado de ionización y por lo tanto la fuerza del ácido.
De la misma manera se puede caracterizar una base débil por la constante Kb, la constante de basisidad o de ionización de la base. Ejemplo:
Kb = [NH4+][OH-]/ [NH3]

Acidos y bases fuertes: Un acido fuerte esta totalmente disociado en solución, de modo que la concentración de H3O+ formado tiene que ser igual a la concentración del ácido inicialmente disuelto en agua. Así, si la concentración de un ácido es 0,1 mol/L, se forma 0,1 mol/L de ion H3O+ y 0,1 mol/L de ion Cl-. Por esto el pH se determina tomando la concentración del ácido. pH = -log 0,1 = 1

Acidos y bases débiles: En este caso la situación es muy diferente porque estas especies no se ionizan totalmente. Para calcular el pH hay que determinar la concentración de ion H3O+ a partir de la ecuación estequiometrica y la expresión de Ka. Ej. si quiere averiguar el pH de una solución 0,1 mol/L de acido nitroso se procede del siguiente modo:
HNO2 + H2O <----------> H3O+ + NO2-;  la constante es Ka= [H3O+][NO2]/ [HNO2]
Las concentraciones de cada expresion son:
Concentración inicial  [HNO2] =0,1 mol/L
Concentración inicial [H3O+] = 0 mol/L
Concentración inicial [NO2]= 0
Cambio [HNO2] = -x
Cambio [H3O] = +x
Cambio [NO2] = +x
Equilibrio [HNO2] = 0,1-x
Equilibrio [H3O] = +x
Equilibrio [NO2] = +x
Se incorporan los datos a la ecuación Ka = x^2/(0,1-x) = 7,2x10^-4
produce una ecuación de segundo grado con dos valores para x: +8,13x10^-3 y -8,85x10^-3
la primera es la solución correcta porque no existen concentraciones negativas.
Sin embargo en la ecuación Ka = x^2/ 0,1-x , se puede simplificar a Ka= x^2/0,1
resolviendo x = 8,48x10^-3 y por lo tanto [H3O]=8,48x10^-3 es decir pH=2,07.

pH y pOH

Soren Sorensen definió el concepto de pH para facilitar el trabajo con las concentraciones de iones H3O+, que son cantidades muy pequeñas en disoluciones acuosas y son exprersadas en potencias negativas de diez. Sorensen propuso:
pH = - log [H3O+]/ 1 mol/l; la expresión 1 mol/l se hace para eliminar las unidades. Por lo tanto se abrevia:
pH = -log [H3O+] o más comunmente como pH = -log [H+].

Si [H+] > 10^-7, el pH < 7 y la solución es ácida.
Si [H+] = 10^-7, el pH es = 7 y la solución es neutra
Si [H+] < 10^-7, el pH > 7 y la solución es básica.

El pOH = -log [OH-]
La escala de pH comienza en 0 y termina en 14; la escala de pOH es inversa, cuando pH =0, pOH =14
cuando pH=14, pOH=0, y cuando pH = 7, pOH =7.

Relación entre pH, pOH y pKw:
Kw = [H][OH], se aplica logaritmo:
logKw = log ([H][OH]) = log [H] + log [OH], se multiplca por -1 y se obtiene:
-log Kw = - (log [H]) + (- log[OH])
si pKw = -logKw, entonces:
pKw = pH + pOH
Dado que pKw= -log (1x10^-14), entonces:
pH + pOH = 14

Neutralización
La neutralización es la reacción entre un ácido y una base. Ejemplo:
HCl (ac) + NaOH (ac) ---------> NaCl (s) +  H2O (l)  (una sal + agua)

¿Por qué hay ácidos más fuertes que otros?
La explicación no es simple porque tiene relación con la electronegatividad y las energías de enlace. Observa el siguiente orden de acidez: HI > HBr > HCl > HF.  Como la energía de enlace aumenta desde HI hasta HF, el HI se disocia más facilmente que HBr y asi sucesivamente. En la siguiente secuencia observa como cambia la acidez: HClO4 > HClO3 > HClO2 > HClO
Como el oxígeno es más electronegativo que el cloro, mientras más átomos de oxígeno tenga la molécula, el enlace O-H es más polar.

Acidos y Bases

Según Arrhenius (en medio acuoso):
Acido: toda sustancia que libera H+
Base toda sustancia que libera iones hidroxilos (OH-)
Ej. ácido: HCl -----> H+  + Cl-
Ej. Base: NaOH -----> Na+  +  OH-

Según Lowry-Bronsted:
Acido: toda sustancia que libera H+
Base: toda sustancia que acepta H+
Ej. acido: HNO3 + H2O -------> H3O+  +  NO3-
Ej. base: NH3 + H2O --------> NH4+  + OH-

Según Lewis:
Acido: toda sustancia que absorbe electrones
Base: toda sustancia que libera electrones
En solución acuosa no se forman H+ solos sino iones hidronios H3O+

Pares conjugados Acido-base
En las ecuaciones anteriores se dan los pares HNO3/NO3- , NH4+/NH3 , H3O+/H2O, etc. En este caso primero se ha descrito el ácido y luego la base. Una reacción acido-base, se caracteriza por un intercambio de protones entre dos pares conjugados:
acido1 + base1 --------> acido2 + base2

Autoionización del agua: El agua actúa como ácido y como base. Experimentalmente se ha demostrado que: H2O (l) + H2O (ac) --------> H3O+(ac) + OH- (ac); a este proceso se le llama autoionización del agua.

Producto ionico del agua: La constante de equilibrio de agua se designa como:
K = [H3O][OH]/ [H2O]^2
por mediciones de conductividad electrica, se sabe que la cantidad de iones H3O+ y OH- es extraordinariamente pequeños. Esto significa que casi toda el agua existe como moléculas y por lo tanto la concentración del agua practicamente no cambia. El agua pura por lo tanto es un electrolito muy debil. Así el termino anterior se reduce a:
Kw = [H3O+][OH-]; a la constante Kw se le llama producto ionico del agua. Para simplificarla se escribe
Kw = [H+] [OH-].  Kw a 25°C vale 1x10^-14; pero como [H+] = [OH-], entonces [H+] = 1x10^-7
y [OH-]= 1x10^-7

Electrolitos

Los electrolitos son sustancias  que en estado líquido o en solución conducen la electricidad por el movimiento de sus iones. Los electrolitos pueden ser fuertes o débiles. Los electrolitos fuertes son aquellas sustancias que conducen bien la electricidad en disoluciones acuosas y están totalmente disociadas o ionizadas en solución.  Los electrolitos débiles conducen debilmente la electricidad. Son sustancias que están parcialmente ionizadas en solución. 
Ejemplo de disociación de NaCl y HCl en agua:
NaCl (s) --------> Na+ (ac) + Cl- (ac)
HCl (g) ---------> H+ (ac) + Cl- (ac)

Ejemplo de electrolitos fuerte: HClO4, HCl, HNO3, H2SO4, NaOH, NaCl, KNO3
Ejemplo de electrolitos debiles: HF, HNO2, CH3COOH, H3PO4, NH3, H2O
No electrolito: CH3OH, CH3CH2OH, C6H12O6, C12,H22,O11,(NH2)2CO, C6H6
Los electrolitos son indispensables para mantener una vida sana.

Cerámicas

El uso de la ceramica se remonta a la edad de piedra, cuando los aborigenes se vieron en la necesidad de disponer de recipientes para almacenar alimentos. Las ceramicas son solidos inorgánicos no metalicos que se endurecen al ser calentados a alta temperatura. Su manejo y dominio a través del tiempo ha producido valiosas obras de arte como vasijas, ollas y objetos decorativos como funcionales. Se usan tambien en la construcción como ladrillos, baldosas, tejas, placas de recubrimiento de pisos, paredes y muebles de madera.
Ceramica deriva del griego "Keramikos" que significa quemada. Los materiales ceramicos son duros, quebradizos y estables a alta temperatura.
Aunque la base de la ceramica son mezcla de varios minerales, el principal es la arcilla, la que esta constituida por caolita Al2Si2O5(OH)4 (silicato de aluminio hidratado). La arcilla mezclado con agua forma una pasta moldeable y al calentar el objeto moldeado se pierde el agua:
Al2Si2O5(OH)4 (s) ---------> Al2Si2O7 (s) + 2 H2O (g)
durante el calentamiento se reordena el sólido formando nuevos enlaces Si-O-Si lo que le da rigidez al material.
Propiedades de la arcilla:
a. Plasticidad: se moldea facilmente
b. Dureza: al calentar sobre 800°C se vuelve muy duro
c. Refractariedad: soportan altas temperaturas sin alterarse
d. Alta capacidad de absorción y adsorción
e. Bajo costo: muy abundante
f. Usos variados: fabricación de multiples cosas, entre ellas las losas que recubren al transbordador espacial Atlantis y cerámica funcional (http://www.esmaltadospiffaut.cl/)

Vidrio

El elemento central del vidrio es el Silicio (Si). El Silicio es el segundo elemento más abundante en la superficie de la Tierra con un 25,7% y es comun en el universo. El vidrio es un sólido inorgánico, rigido y transparente. Esta compuesto de una mezcla de oxido de Silicio SiO2 (arena), carbonato de sodio (baja el punto de fusion a 900°C) y otros oxidos. Cuando esta mezcla es fundida a 1500°C y se enfria se origina el vidrio. Aunque el vidrio es sólido tiene propiedades que se asemejan a un liquido (fluido).

El vidrio de cuarzo o amorfo, se caracteriza por un desorden estructural.

Un vidrio se debe a el uso de oxidos SiO2, Na2O, CaO en diferentes proporciones y que resultan en diferentes calidades. El color se debe a diferentes oxidos:

amarillo - oxido de hierro

violeta - oxido de manganeso o permanganato

verde - oxido de cromo

azul - oxido de cobalto

cafe - oxido de niquel

Proceso de fabricación:
a. Fusión de la materia prima en hornos
b. Formado del vidrio por soplado utilizando un molde
c. Recocido: la pieza se vuelve a calentar y se enfria lentamente para liberar las tensiones del material
d. Molienda de scrap: aquellos que presentan defectos se muelen y se procesan nuevamente.

Vidrios fotocromáticos:
El vidrio de los lentes esta dopado con sales cloruro de plata y de cobre (I), las que estan uniformemente distribuidas:
a) cuando la intensidad de luz es alta la plata se reduce
Ag+ + Cl- -------> Ag° + Cl (el vidrio se oscurece al formarse cristales de plata)

b) cuando baja la intensidad de la luz, el Cu+ reduce el cloro y forma Cu+2
Cu+ + Cl --------> Cu+2 + Cl- (El Cu+2 formado oxida la plata metalica a Ag+ y el vidrio del lente se aclara y recupera su estado inicial).
Cu+2 + Ag ---------> Ag+ + Cu+

Azufre

No es muy abundante en la corteza terrestre (0,06%) pero se le encuentra en depositos sedimentarios volcanicos. Algunos ejemplos son Galena (PbS), Pirita (FeS) y Yeso (CaSO4.2H2O).
El dioxido de azufre se forma al quemar azufre en el aire:
S (s) + O2 (g) ------> SO2 (g) un gas toxico.
El dioxido se disuelve en agua para formar acido sulfuroso
SO2 (g) + H2O (l) ------> H2SO3 (ac)

El Yodo

Es un elemento muy escaso en la corteza terrestre, sin embargo gracias a su gran solubilidad, se ha concentrado en el agua de mar. A temperatura ambiente cristaliza como I2 y tiene color violeta con brillo metálico. Si se le calienta sublima facilmente I2 (s) ----> I2 (g). El yodo es muy soluble en solventes apolares como benceno o tetracloruro de carbono, dando lugar a soluciones violetas. Tambien es soluble en alcohol dando un color marrón. Una solución alcoholica al 50%, la tintura de yodo, se usa como antiseptico (povidona). Se le reconoce con almidón con quien toma un color azul oscuro.

Obtensión de yodo:

NaIO3 + 3 NaHSO3 --------> NaI + 3 NaHSO4

NaIO3 + 3 SO2 (g) + 3 H2O -------> NaI + 3 H2SO4

5 NaI + NaIO3 + 3 H2SO4 --------> 3 I2 + 3 NaSO4 + 3 H2O

La Caliza

La caliza es un mineral no metalico formado por carbonato de calcio, CaCO3. puede contener impurezas como CaO, MgO, MgCO3 y arcillas. Es el aglomerante principal del cemento y se usa en la obtención de hierro de alto horno.

Por calcinación se obtiene el oxido de calcio o calviva (CaO)

CaCO3 (s) a 895°C --------> CaO (s) + CO2, el CaO es el aglomerante principal del cemento.

Cuando el oxido se deposita en agua se forma hidroxido de calcio Ca(OH)2 o cal apagada: CaO (s) + H2O (l) -------> Ca(OH)2 (ac)

En la construcción para pegar ladrillos se emplea mortero, una mexcla de agua, cal apagada y arena en una proporción de 1:3, que endurece rapidamente.

Cuando la solución de bicarbonato se filtra hacia el subsuelo y alcanza una caverna, el goteo permanente libera agua por evaporación, desplazando el equilibrio hacia la formación del carbonato sólido. Este es el mecanismo de formación de estalactitas y estalagmitas en las cuevas.

Nitratos y Salitre

El Nitrogeno licúa a -196°C y se utiliza como refrigerante industrial y en aparatos científicos, en congelamiento de embriones (criopreservación) y en tratamientos cutáneos (verrugas) o cancerosos (criocirugía). El Nitrato de potasio (KNO3) se utilizó en la fabricación de polvora negra. Los nitratos son sales del ácido nítrico. Sin embargo, este ácido no se obtiene de los nitratos. El ácido se produce comercialmente mediante el proceso de Ostwald, que comprende las siguientes etapas:

a) oxidación del amoniaco a 900°C en presencia de catalizador platino-radio.

4 NH3 (g) + 5 O2 (g) -------> 4 NO (g) + 6 H2O (g)

b) Oxidación con oxígeno a 25°C

2 NO (g) + O2 (g) -------> 2 NO2 (g)

c) Disolución del dioxido de nitrógeno en agua

3 NO2 (g) + H2O (l) --------> 2 HNO3 (ac) + NO (g)

El NO formado se recicla para formar NO2

Salitre: En el desierto de Atacama, se encuentran los nitratos, formando parte del mineral llamado "caliche" con propiedades fertilizantes. El caliche es un mineral blanco y brillante y esta compuesto de nitrato de sodio (NaNO3) y nitrato de potasio (KNO3). Se le encuentra asociado a los depositos de yeso, cloruro de sodio, otras sales y arena, conformando el caliche.

El Litio (Lithos = piedra)

El litio es un elemento que se usa cada vez más en el mundo moderno. Se ocupa en esmaltes, cerámicas, barnices, tinturas, farmacos, catalizadores, energía nuclear, pilas y baterías. El Litio es el metal más reductor que se conoce y por ello no se le encuentra en estado nativo en la naturaleza, sino formando compuestos oxidados.
Para extraer el Litio, las salmueras de cloruro de litio son bombeadas desde diferentes pozos y llevados por tuberías hasta piscinas de evaporación. El cloruro de Litio se trata con cal y carbonato de sodio formando carbonato de litio y cloruro de sodio. Al calentar a 90°C el carbonato de litio, este precipita. Luego se filtra y se seca el carbonato al vacio.

El Hierro

En la corteza terrestre el Hierro es muy escaso en estado nativo, pero muy abundante en minerales, ocupando un 4,7%. En el núcleo de la Tierra su abundancia alcanza un 88,6% .

Pirometalurgia: Es el método de obtención del hierro consistente en calentar los minerales de oxido de hierro con carbón vegetal en hornos. El proceso de alto horno funde juntos un mineral de hierro, carbón coque y carbonato de Calcio (piedra caliza), que actúa como fundente. Por la parte posterior del horno introducen la mena, el coque y la piedra caliza. Por la parte inferior, ingresa aire caliente que reacciona con el carbón coque, originando CO y CO2; a medida que ascienden los gases reductores, reaccionan con los óxidos de hierro a diferentes temperaturas.

Algunas reacciones a 200°C son:

3 Fe2O3 (s) + CO (g) --------> 2Fe3O4 (s) + CO2 (g)

Fe3O4 (s) + CO (g) ---------> 3 FeO (s) + CO2 (g)

CaCO3 (s) ------------------> CaO (s) + CO2 (g)

Acero: El hierro en bruto obtenido del alto horno se conoce como arrabio. Contiene 95% de hierro, con 3% de carbono. El arrabio se transforma en acero en un horno especial (convertidor Bessemer) en el cual se oxidan todas las impurezas indeseables. Esto se realiza haciendo pasar oxígeno por el hierro fundido, que oxida las impurezas. Tanto el carbono como el azufre se eliminan formando los gases CO2 y SO2. Con este procedimiento se logra un acero 99% de Fe y 1% de C. Las distintas calidades de acero se diferencian en el contenido de otros metales.

Lixiviación bacteriana o biolixiviación

Es un proceso hidrometalurgico que se emplea para extraer metales desde minerales de baja ley. El proceso utiliza bacterias como Ferrooxidans thiobacillus, thiooxidans y sulfolobus acidocaldarius. Estos microorganismos actúan sobre compuestos sulfurados oxidandolos hasta sulfato cúprico.

El Cobre

Metal escaso en la corteza terrestre. Los yacimientos chilenos poseen una ley promedio de 1% de cobre. Es un excelente conductor de electricidad y de calor, resistente a la corrosión y no reacciona facilmente con ácidos, sin embargo puede formar una patina verde en presencia de lluvia ácida:

3 Cu(s) + 2 H2O (l) + SO2 (g) + 2 (O2) (g) ---------> 2 Cu(OH)2 . CuSO4 (s)

En Chile el Cobre se extrae desde minerales oxidados y sulfurados.

Procesos en la elaboración:

1. Extracción subterranea o a rajo abierto.

2. Molienda en molinos de trituración. La molienda se hace en seco y se obtienen rocas de unos 10 mm. En la molienda humeda, se agrega agua al mineral y se vuelve a triturar en molinos rotatorios de bolas de acero, en donde se logra un tamaño de 0,2 mm.

3. Concentración: consiste en separar el mineral de la ganga por hidrometalurgia y flotación.

Flotación: proceso fisico-quimico que permite separar minerales sulfurados. Consiste en mezclar la pulpa del mineral con agua, aceites minerales, espumantes, colectores y depresantes. Luego se insufla aire a la mezcla produciendo una espuma donde se adhiere el mineral sulfurado que flota en la superficie de las celdas. Por rebalse se separa el mineral sulfurado (la ley incrementa de 1% a 30%).

Refinado a fuego: El mineral se somete a tostación en hornos de reverbero (horno refractario) en presencia de aire o oxígeno inyectado. En este proceso el sulfuro de hierro (II) se oxida y el sulfuro cuproso permanece como tal. La pureza aumenta hasta un 95% (Cobre Blister).

4 FeS + 7 O2 --------> 4 SO2 + 2 Fe2O3

Cu2S + 2O2 --------> 2 CuO + SO2

2CuO + Cu2S -------> 4 Cu + SO2

El Cobre blister puede ser tratado por procesos de oxidación de las impurezas hasta obtener cobre RAF (refinado a fuego), el cual alcanza una pureza de 99%.

Lixiviación: Es un proceso en el cual se disuelve selectivamente el compuesto de cobre del resto del mineral. Este proceso se utiliza en la concentración de minerales oxidados (proceso hidrometalurgico). En este caso, el mineral de cobre oxidado se coloca en una plataforma plástica en forma de pilas sobre las cuales se riega con una solución acuosa de ácido sulfurico. Mientras el ácido escurre se forma el sulfato de cobre. La solución de sulfato de cobre escurre a piscinas de concentración de sal y el cobre metal se extrae mediante electrólisis.

4. Obtención de Cobre metalico: se ocupan dos técnicas:

Cementación: Se pone en contacto directo la solución de sulfato de cobre con materiales oxidados, con chatarra de fierro. Mediante un proceso de oxido-reducción, el Cu+2 es reducido a cobre metalico y el hierro metalico oxidado a Fe+2. El polvo obtenido se llama cemento de cobre.

Refinación electrolítica: Esta tecnica de refinación utiliza la electrolisis de una solución concentrada de sulfato de cobre, acidulada con H2SO4 proveniente de la lixiviación de minerales oxidado. La solución se dispone en celdas electroliticas, donde los electrodos estan formados por un cátodo de cobre puro y un ánodo de cobre impuro de cobre blister, de una pureza de 99,5% .

En la celda electrolitica, los catodos y ánodos van en forma alternada. Cada celda contiene 60 catodos. El cobre del ánodo se oxida a Cu+2 el cual ingresa hidratado a la solución. El ion Cu+2 migra hacia el catodo, donde se reduce y se deposita como Cu°. Finalmente a los 7 días se logra un catodo de 70 kg con un cobre de pureza 99,99%. Las impurezas son basicamente azufre.

Origen de los elementos en las estrellas

El Big-Bang dió origen al universo y con ello origen al espacio y al tiempo. Se estima que había una esfera con un diametro de 10 (-28) cm con una densidad de 10(96)g/ml. y una temperatura de 10 (32)°K. En pocos segundos el universo se expandió, gestando neutrones, protones y electrones. En los minutos siguientes, el universo se convirtió en un verdadero reactor de fusión creando los primeros núcleos atómicos más pesados que los protones: Deuterio, Helio-3 y He-4. Transcurridos unos 10 min más del 10% de la masa del universo existía como Helio. Despues de unos millones de años surgieron las fuerzas gravitacionales que congregaron las particulas cósmicas, dando origen a las estrellas más primitivas. En las estrellas con masas de 10 a 100 veces mayores al Sol se desarrollaron en tiempos remotos una serie de etapas de formación de elementos en conjunto con una contracción de las estrellas. Las etapas más importantes son:

a) La estrella quema Hidrógeno y produce Helio.

4 H(A=1,Z=1) -------> He (A=4,Z=2) + 2 Beta (A=0, Z=1) + 2 Gamma

b) La combustión del Helio produce C, O, Ne y Mg

Después de varios miles de millones de años se ha consumido el 10% del hidrógeno. El Helio comienza a quemarse formando núcleos más pesados y el hidrógeno restante se desplaza a la envoltura de la estrella aumentando su tamaño en unas 100 veces. Se convierte en una gigante roja.

¿Cómo se gestan los elementos?

He (A=4,Z=2) + He (A=4,Z=2) -------> Be (A=8, Z=4)

El Berilio y forma C:

Be (A=8,Z=4) + He (A=4,Z=2) --------> C (A=12, Z=6)

C (A=12, Z=6) + He (A=4,Z=2) --------> O (A=16, Z=8)

O (A=16, Z=8) + He (A=4,Z=2) -------> Ne (A=20, Z=10)

Ne (A=20, Z=10) + He (A=4,Z=2) ------> Mg (A=24,Z=12)

Además en el nucleo de las estrellas ocurren reacciones como:

C (A=12,Z=6) + C (A=12,Z=6) --------> Na (A=23,Z=11) + H (A=1,Z=1)

mediante varias posibilidades de combinaciones de núcleos el proceso termina en los núcleos más estables como Fe (A=56,Z=26) y Ni (A=58,Z=28).

Nuestro Sol esta en la etapa en que el Hidrógeno se esta convirtiendo en Helio.

Reactor de fusión (Tokamak)

1. La elevación de la temperatura para alcanzar el estado de plasma se logra con lasers de alto poder y circulacion de corriente a modo de un horno microondas. Además se requiere una presión alta que mantenga una densidad de 10 elevado a 14 partículas/cm3.

2. El control de la liberación de la energía termonuclear debe ser autosustentable.

3. El contenedor debe ser efectivo para el plasma, para no bajar la temperatura. Una manera de evitar el contacto del plasma con la materia es la generación de campos magnéticos intensos que aíslen el plasma caliente.

Fusión nuclear

La fusión nuclear consiste en hacer reaccionar núcleos muy livianos para formar núcleos de mayor masa. Este proceso puede liberar enormes cantidades de energía. Sin embargo el proceso no es tan simple, requiere de una enorme energía de activación a una temperatura del orden de los millones de grados. De haber esta energía, surge otra dificultad: la estructura material de un reactor puede fundirse a tan elevada temperatura.

La fusión es la forma como las estrellas producen energía. Nuestro Sol consiste en un 73% de hidrógeno, 26% de helio y 1% de otros elementos, genera energía mediante la fusión de hidrógeno hasta formar helio según la reacción global:

4 H(A=1,Z=1) ------> He (A=4, Z=2) + 2 e (A=0, Z=1) + 26 MeV

Esta ecuación se obtiene sumando las siguientes reacciones:

H (A=1,Z=1) + H (A=1,Z=1) --------> D (A=2, Z=1) + e (A=0, Z=1); siendo D deuterio

H (A=1, Z=1) + D (A=2, Z=1) -------> He (A=3, Z=2)

He (A=3, Z=2) + H (A=1, Z=1) -------> He (A=4, Z=2) + e (A=0, Z=1)

Los nucleos deben chocar a muy altas velocidades y que se logran con energías superiores a 0,1 MeV, lo que significa que la temperatura debe ser del orden de 100 millones de °K (reacciones termonucleares). A estas temperaturas los átomos pierden sus electrones, generando iones positivos, neutrones que se mueven libremente. Esta forma de materia se denomina Plasma.

Reactor nuclear

Un reactor nuclear de fisión permite el control de la reacción en cadena, mientras la central aprovecha la alta temperatura generada por la fisión durante la reacción en cadena para calentar agua y producir vapor, con el que se puede producir electricidad. Sus partes principales son el núcleo del reactor, un intercambiador de calor que produce vapor, una turbina eléctrica y un condensador de vapor.

El nucleo usa Oxido de Uranio (UO2) con un 3% de U-235 y en forma de pellets en delgados tubos de Zirconio y acero inoxidable. Entre las barras de combustible se deslizan las barras de control, compuestas de Boro o Cadmio, que regulan la cantidad de neutrones proyectiles mediante absorción neutrónica.