1.1 Introducción

1.1 Introducción
Una rudimentaria metalurgia del hierro se conocía hacia el año 3000 A. de C.; probablemente, en algunas
civilizaciones el uso del hierro procedió incluso al del bronce u del cobre. La primera producción del hierro
esponjoso puede situarse, pues en el citado milenio, en tanto las primeras técnicas para obtener el hierro
batido se remontan a los años 1600 y 1000 A.C. las primeras fusiones en fundición parecen haberse iniciado
en china hacia el siglo I antes de cristo; unos 1500 años después, la fusión en fundición comenzó en europa a
competir con la del bronce.
El lento perfeccionamiento de las técnicas correspondientes a la fusión, afinado y aligación de las aleaciones
ferrosas, alcanzaron su máximo desarrollo en los siglos XVIII y XIX, periode en que se afirmaron nuevos
métodos, algunos todavia utilizados en la antigüedad. Entre ellos el afinado por medio del convertidor
(Bessemer & Thomas) y en horno Martin−Siemens; la fabricación de fundición maleable; la producción por
horno electrico; la desoxidación mediante aluminiosilicio y manganeso; las técnicas de aligación que permiten
fabricar aceros al niquel, cromo, cobalto, volframio, etc.; las técnicas de estampación en caliente y las de
laminación.
Metalurgia extractiva
Es la tecnología de la extracción de metales a partir de sus menas y la refinación de los mismos para su
posterior tratamiento
Metelurgia física
Esta ciencia estudia las propiedades, estructura, comportamiento y composición de los metales asi como su
transformación para hacer productos útiles.
1.2 Metalurgia del cobre
El tratamiento metalurgico para la extracción del cobre, depende del mineral de procedencia, los distintos
procesos son:
• Cobre procedente de minerales que contienen el metal puro enestado nativo. El tratamiento de estos
minerales, actualmente escasos, es muy sencillo, debiendo solamente a la separación del metal más pesado,
englobado en una masa inerte en forma de granos o pajas, mediante procesos mecánicos capaces de separar
las masas, previamente machacadas, según las diferentes densidades. Después el metal obtenido y se limpia
de impurezas mediante un tratamiento metalúrgico normal.
• Cobre procedente de minerales que lo contienen en forma de óxidos. Si los minerales son ricos, puede ser
rentable el tratamiento pirometalurgico, que se efectua en un horno de fusión con adición de carbon como
elemento reductor.
El cobre bruto así obtenido a continuos tratamientos de purificación, para alcanzar el nivel de calidad
comercial; stos tratamientos son comunes a los cobres brutos obtenidos por cualquier procedimiento inicial de
extracción del metal.
Si se trata de minerales muy pobres en CuO, la metalurgía moderna procede a procesos hidrometalurgicos que
excluyen la fusión, obteniendo el metal mediante reactivos capaces de arrastrar el óxido de cobre en forma de
metal soluble; el más efectivo de estos reactivos es el ácido sulfúrico.
Lixiviando los minerales que contienen óxido de cobre, previamente triturados, se obtienene una solución de
1
sulfato de cobre (la lixibiación consiste en atravesar una sustancia pulverizada por un líqiudo a fin de extraer
de esta todos sus componentes solubles), de esta solución se recupera facilmente el cobre, mediante dos
procedimientos: a) proceso electrolítico, por el que el cobre de la solución se deposita en el cátodo y se
recupera el ácido sulfúrico (aspecto economíco importante en este proceso, que vuelve al ciclo para reaccionar
con nuevo mineral; b) cementación haciendo pasar la solución de CuSO4 entre chatarra de hierro, con lo cual,
en virtud de las caracteristicas electroquímicas del cobre respecto a hierro se desarrolla la reacción:
Cu² + SO²4 + Fe
Cu + Fe² SO²4
El cobre se precipita en forma pulverulenta y la solución del hierro en forma de sulfato.
• Cobre procedentes de minerales que lo contienen como sulfuro. En este caso, un proceso fisicoquímico
preliminar de flotación permite el enrriquecimiento del metal, separando las particulas del sulfuro de las de
la ganga.
El mineral así enrriquecido, con la adicción de escorificantes adecuados, a fin de eliminar la ganga contenido,
se carga en un horno de fusión en el cual a unos 1000°C, tras una serie de reacciones químicas, se forma una
escoria fluida y ligera (densida aprox. 3.5) a base de silicatos, que sobrenada y se retira continuamente del
horno; además de esta se forma otra capa fundida y más pesada (densidad aproximada 5) compuesta de
sulfuros de cobre y de hierro, denominada mata ó metalina , que se recoge en el fondo.
La metalina, todavía fundida y mantenida a unos 1000°C, se vierte directamente a un horno convertidor en el
que tiene lugar la reacción exotermica fundamental de oxidación del sulfuro de hierro:
2 FeS + 3 O2 2 FeO + 2 SO2 + 223980 cal
El FeO formado reacciona con las paredes del horno si éste es de paredes ácidas o con la añadidura durente el
proceso si las paredes son básocas; en cualquier caso, el FeO se escorifica en forma de silicato de hierro, que
flota y se elimina. La masa fundida residual, sobrecalentada por la propia reacción, está formada
esencialmente por CuS.
Termina da la reacción que elimina el Fe y continuando con la insulfación de aire a la masa se inicia la
oxidación del CuS según la reacción:
Cu2S + O2 Cu + SO2 + 52000 cal
Esta reacción tambien exotermica, separa el cobre metalico, que, debido al calor aportado por la propia
reacción, permanece fundido a una temperatura de unos 1300°c.
El metal obtenido en el convertidor se solidifica en forma de panes, porosos y de color oscuro, denominados
blister. El blister procedente del convertidor posee una riqueza del 98 al 99 % y para llegar al porcentaje
comercial, ha de someterse a procesos de depuración y enrriquecimiento. Para ello el blister se carga en un
horno tipo rotativo de 10 a 20 tm de capacidad, o un tipo estático (o de reververo), cuya capacida puede llegar
a los 200 tm, en el cual vuelve afundirse y se oxida mediante el aire introducido en el baño a traves de tubos
de hiero sumergidos en el mismo.
Este tratamiento hace pasar gradualmente todos los metales (impurezas) oxidables y, por tanto, menos nobles
que el cobre que posteriormente se eliminan escorificados en forma de silicatos, ya que han reaccionado con
las paredes del horno si son de masa silicea o con la silice añadida al metal fundido en el curso del proceso.
2
El tratamiento de afinado por oxidación implica evidentemente una oxidación parcial del cobre por lo cual,
determinada dicha fase y separada la escoria de silicatos que se ha producido, es necesario un tratamiento
reductor de óxido de cobre formado en la masa del metal para convertirlo en cobre metalico.
El cobre afinado con este proceso es una materia prima comercial directamente utilizable para fundiciones,
semifabricados, aleaciones etc. Se denomina cobre afinado térmicamente y su riqueza mínima es del 99.8% de
Cu.
Para obtener el cobre totalmente exento de impurezas residuales, algunas de ellas perjudiciales para el metal y
otras de importancia económica por tratarse de metales preciosos, se recurre a ulteriores afinaciones
electroliticas.
Metalurgia DEL HIERRO. −
En la antigüedad, el único método conocido para separar e¡ hierro de su mineral fue el proceso de la reducción
directa. Éste se hacia en una forja u horno con carbón vegetal. A diferencia de los minerales de cobre, los
cuales producen cobre fundido en éstos hornos, el hierro en su minera! no funde a temperaturas menores de
1537 °C (2799 °F) y !a temperatura más alla que se podía alcanzar en esas fundiciones primitivas parece
haber sido de alrededor de 1200 °C (2192 °F). El . mineral de hierro sometido a esta temperatura no se
transforma en una masa fundida de meta!, sino en una masa esponjosa mezclada con óxido de hierro y silicato
de hierro quizá con otras impurezas que Juntas constituyen la escoria.
El hierro dulce (trabajado) de la antigüedad tenia algunas ventajas sobre el acero. Tenia menos tendencia a
corroerse (oxidarse) y poseía una calidad fibrosa (por las fibras de escoria) que le daban cierta tenacidad.
Alrededor del año 1350 de ¡a era cristiana, todo el hierro que se producía en el mundo occidental conocido se
preparaba por e! proceso de reducción directa. Fue el avance del alto horno u horno de soplo que ocurrió en
ese tiempo (aunque pudo haber sido creado previamente en China) el que hizo posible la alta producción de
hierro que necesitó la Revolución Industrial. El alto homo hizo posible ¡a obtención de un producto fundido
de hierro listo para el vaciado el cual contiene alrededor de 4 por ciento de carbono y algo de impurezas El
alto contenido de Carbono le hacía ser un tanto frágil y por lo tanto tener poca utilidad para herramienta e
instrumentos de corte u otros productos. Cuando al hierro se le refina en hornos de cubilote, se convierte en un
metal excelente para algunas partes de maquinaria, utensilios para cocinar y otros productos de hierro vaciado.
Sin embargo, la mayor utilidad del alto horno radica en ser un paso intermedio en el proceso de fabricación
del acero.
Antes de que se agotaran los grandes depósitos de minerales ricos en hematita y magnetita de Mesabi Range
en el Lago Superior, como lo están ahora, resultaba provechoso extraer del 60 a! 70 por ciento del hierro
contenido en esos minerales. Existen todavía vastos depósitos de mineral de hierro en estas regiones, pero está
diseminado en una formación rocosa muy dura que es difícil de explotar y procesar que tiene un porcentaje
relativamente bajo de hierro.
A la operación del alto horno se le llama reducción. Este es un proceso en el cual se separa el oxígeno de un
compuesto, en este caso el mineral de hierro. El oxígeno se combina con el carbono para formar bióxido de
carbono (CO2), y el hierro metálico ya no está en su estado oxidado, quedando hierro fundido con
aproximadamente 4% de carbono.
metalurgía del aluminio.
El aluminioe se encuentra en las arcillas en cantidades importantes, sin embargo no sería redituable procesar
este material para extraer los metales.
3
El aluminio es el tercer elemento de mayor abundancia en la tierra, después del oxigeno y el silicio; sin
embargo solo unos cuantos depósitos de estos minerales aluminiferos se consideran con un potencial tal, que
su explotación sea redituable. Estos son la gibsita y la bohemita, los cuales estan formados por el óxido de
aluminio (alumina, Al2O3) y agua mezclados con arena o arcilla y otros minerales que deben ser separados. A
esta mezcla de minerales deben ser llamados bauxita, nombre que procede de la villa francesa, Les Baux,, en
la que se encontró el primer depósito en 1821. La bauxita se explota generalmente por el método cielo abierto
y se encuentra en todos los continentes, excepto en la antartida.
1.3 Desarrollo de la teoría átomica
Átomo, la unidad más pequeña posible de un elemento químico. En la filosofía de la antigua Grecia, la
palabra átomo se empleaba para referirse a la parte de materia más pequeño que podía concebirse. Esa
partícula fundamental, por emplear el término moderno para ese concepto, se consideraba indestructible. De
hecho, átomo significa en griego no divisible. El conocimiento del tamaño y la naturaleza del átomo avanzó
muy lentamente a lo largo de los siglos ya que la gente se limitaba a especular sobre él.
Con la llegada de la ciencia experimental en los siglos XVI y XVII (véase química), los avances en la teoría
atómica se hicieron más rápidos. Los químicos se dieron cuenta muy pronto de que todos los líquidos, gases y
sólidos pueden descomponerse en sus constituyentes últimos, o elementos. Por ejemplo, se descubrió que la
sal se componía de dos elementos diferentes, el sodio y el cloro, ligados en una unión íntima conocida como
compuesto químico. El aire, en cambio, resultó ser una mezcla de los gases nitrógeno y oxígeno.
Teoría de Dalton
John Dalton, profesor y químico británico, estaba fascinado por el rompecabezas de los elementos. A
principios del siglo XIX estudió la forma en que los diversos elementos se combinan entre sí para formar
compuestos químicos. Aunque muchos otros científicos, empezando por los antiguos griegos, habían afirmado
ya que las unidades más pequeñas de una sustancia eran los átomos, se considera a Dalton como una de las
figuras más significativas de la teoría atómica porque la convirtió en algo cuantitativo. Dalton mostró que los
átomos se unían entre sí en proporciones definidas. Las investigaciones demostraron que los átomos suelen
formar grupos llamados moléculas. Cada molécula de agua, por ejemplo, está formada por un único átomo de
oxígeno (O) y dos átomos de hidrógeno (H) unidos por una fuerza eléctrica denominada enlace químico, por
lo que el agua se simboliza como HOH o H2O. Véase Reacción química.
Todos los átomos de un determinado elemento tienen las mismas propiedades químicas. Por tanto, desde un
punto de vista químico, el átomo es la entidad más pequeña que hay que considerar. Las propiedades químicas
de los elementos son muy distintas entre sí; sus átomos se combinan de formas muy variadas para formar
numerosísimos compuestos químicos diferentes. Algunos elementos, como los gases nobles helio y argón, son
inertes; es decir, no reaccionan con otros elementos salvo en condiciones especiales. Al contrario que el
oxígeno, cuyas moléculas son diatómicas (formadas por dos átomos), el helio y otros gases inertes son
elementos monoatómicos, con un único átomo por molécula.
Ley de Avogadro
El estudio de los gases atrajo la atención del físico italiano Amedeo Avogadro, que en 1811 formuló una
importante ley que lleva su nombre (véase ley de Avogadro). Esta ley afirma que dos volúmenes iguales de
gases diferentes contienen el mismo número de moléculas si sus condiciones de temperatura y presión son las
mismas. Si se dan esas condiciones, dos botellas idénticas, una llena de oxígeno y otra de helio, contendrán
exactamente el mismo número de moléculas. Sin embargo, el número de átomos de oxígeno será dos veces
mayor puesto que el oxígeno es diatómico.
4
Masa atómica
De la ley de Avogadro se desprende que las masas de un volumen patrón de diferentes gases (es decir, sus
densidades) son proporcionales a la masa de cada molécula individual de gas. Si se toma el carbono como
patrón y se le asigna al átomo de carbono un valor de 12,0000 unidades de masa atómica (u), resulta que el
hidrógeno tiene una masa atómica de 1,0079u, el helio de 4,0026, el flúor de 18,9984 y el sodio de 22,9898.
En ocasiones se habla de peso atómico aunque lo correcto es masa atómica. La masa es una propiedad del
cuerpo, mientras que el peso es la fuerza ejercida sobre el cuerpo a causa de la gravedad.
La observación de que muchas masas atómicas se aproximan a números enteros llevó al químico británico
William Prout a sugerir, en 1816, que todos los elementos podrían estar compuestos por átomos de hidrógeno.
No obstante, medidas posteriores de las masas atómicas demostraron que el cloro, por ejemplo, tiene una
masa atómica de 35,453 (si se asigna al carbono el valor 12). El descubrimiento de estas masas atómicas
fraccionarias pareció invalidar la hipótesis de Prout hasta un siglo después, cuando se descubrió que
generalmente los átomos de un elemento dado no tienen todos la misma masa. Los átomos de un mismo
elemento con diferente masa se conocen como isótopos. En el caso del cloro, existen dos isótopos en la
naturaleza. Los átomos de uno de ellos (cloro 35) tienen una masa atómica cercana a 35, mientras que los del
otro (cloro 37) tienen una masa atómica próxima a 37. Los experimentos demuestran que el cloro es una
mezcla de tres partes de cloro 35 por cada parte de cloro 37. Esta proporción explica la masa atómica
observada en el cloro.
Durante la primera mitad del siglo XX era corriente utilizar el oxígeno natural como patrón para expresar las
masas atómicas, asignándole una masa atómica entera de 16. A principios de la década de 1960, las
asociaciones internacionales de química y física acordaron un nuevo patrón y asignaron una masa atómica
exactamente igual a 12 a un isótopo de carbono abundante, el carbono 12. Este nuevo patrón es especialmente
apropiado porque el carbono 12 se emplea con frecuencia como patrón de referencia para calcular masas
atómicas mediante el espectrómetro de masas. Además, la tabla de masas atómicas basada en el carbono 12 se
aproxima bastante a la tabla antigua basada en el oxígeno natural.
El átomo nuclear de Rutherford
El descubrimiento de la naturaleza de las emisiones radiactivas permitió a los físicos profundizar en el átomo,
que según se vio consistía principalmente en espacio vacío. En el centro de ese espacio se encuentra el núcleo,
que sólo mide, aproximadamente, una diezmilésima parte del diámetro del átomo. Rutherford dedujo que la
masa del átomo está concentrada en su núcleo. También postuló que los electrones, de los que ya se sabía que
formaban parte del átomo, viajaban en órbitas alrededor del núcleo. El núcleo tiene una carga eléctrica
positiva; los electrones tienen carga negativa. La suma de las cargas de los electrones es igual en magnitud a
la carga del núcleo, por lo que el estado eléctrico normal del átomo es neutro.
El átomo de Bohr
Para explicar la estructura del átomo, el físico danés Niels Bohr desarrolló en 1913 una hipótesis conocida
como teoría atómica de Bohr (véase teoría cuántica). Bohr supuso que los electrones están dispuestos en capas
definidas, o niveles cuánticos, a una distancia considerable del núcleo. La disposición de los electrones se
denomina configuración electrónica. El número de electrones es igual al número atómico del átomo: el
hidrógeno tiene un único electrón orbital, el helio dos y el uranio 92. Las capas electrónicas se superponen de
forma regular hasta un máximo de siete, y cada una de ellas puede albergar un determinado número de
electrones. La primera capa está completa cuando contiene dos electrones, en la segunda caben un máximo de
ocho, y las capas sucesivas pueden contener cantidades cada vez mayores. Ningún átomo existente en la
naturaleza tiene la séptima capa llena. Los últimos electrones, los más externos o los últimos en añadirse a la
estructura del átomo, determinan el comportamiento químico del átomo.
5
Todos los gases inertes o nobles (helio, neón, argón, criptón, xenón y radón) tienen llena su capa electrónica
externa. No se combinan químicamente en la naturaleza, aunque los tres gases nobles más pesados (criptón,
xenón y radón) pueden formar compuestos químicos en el laboratorio. Por otra parte, las capas exteriores de
los elementos como litio, sodio o potasio sólo contienen un electrón. Estos elementos se combinan con
facilidad con otros elementos (transfiriéndoles su electrón más externo) para formar numerosos compuestos
químicos. De forma equivalente, a los elementos como el flúor, el cloro o el bromo sólo les falta un electrón
para que su capa exterior esté completa. También se combinan con facilidad con otros elementos de los que
obtienen electrones.
Las capas atómicas no se llenan necesariamente de electrones de forma consecutiva. Los electrones de los
primeros 18 elementos de la tabla periódica se añaden de forma regular, llenando cada capa al máximo antes
de iniciar una nueva capa. A partir del elemento decimonoveno, el electrón más externo comienza una nueva
capa antes de que se llene por completo la capa anterior. No obstante, se sigue manteniendo una regularidad,
ya que los electrones llenan las capas sucesivas con una alternancia que se repite. El resultado es la repetición
regular de las propiedades químicas de los átomos, que se corresponde con el orden de los elementos en la
tabla periódica.
Resulta cómodo visualizar los electrones que se desplazan alrededor del núcleo como si fueran planetas que
giran en torno al Sol. No obstante, esta visión es mucho más sencilla que la que se mantiene actualmente.
Ahora se sabe que es imposible determinar exactamente la posición de un electrón en el átomo sin perturbar
su posición. Esta incertidumbre se expresa atribuyendo al átomo una forma de nube en la que la posición de
un electrón se define según la probabilidad de encontrarlo a una distancia determinada del núcleo. Esta visión
del átomo como nube de probabilidad ha sustituido al modelo de sistema solar.
TEORÍA CUÁNTICA
El desarrollo de la teoría cuántica y su aplicación a la estructura atómica, enunciada por el físico danés Niels
Bohr y otros científicos, ha aportado una explicación fácil a la mayoría de las características detalladas del
sistema periódico. Cada electrón se caracteriza por cuatro números cuánticos que designan su movimiento
orbital en el espacio. Por medio de las reglas de selección que gobiernan esos números cuánticos, y del
principio de exclusión de Wolfgang Pauli, que establece que dos electrones del mismo átomo no pueden tener
los mismos números cuánticos, los físicos pueden determinar teóricamente el número máximo de electrones
necesario para completar cada capa, confirmando las conclusiones que se infieren del sistema periódico.
Posteriores desarrollos de la teoría cuántica revelaron por qué algunos elementos sólo tienen una capa
incompleta (en concreto la capa exterior, o de valencia), mientras que otros también tienen incompletas las
capas subyacentes. En esta última categoría se encuentra el grupo de elementos conocido como lantánidos,
que son tan similares en sus propiedades que Mendeléiev llegó a asignarle a los 14 elementos un único lugar
en su sistema.
1.4 Tabla Periódica y Enlace químico
Antecedentes
El descubrimiento de un gran número de elementos y el estudio de sus propiedades puso de manifiesto entre
algunos de ellos ciertas semejanzas. Esto indujo a los químicos a buscar una clasificación de los elementos no
solo con objeto de facilitar su conocimiento y su descripción, sino, más importante, para las investigaciones
que conducen a nuevos avances en el conocimiento de la materia.
6
• Primera tentativa de clasificación: Triadas de Döbereiner. Entre 1817 y 1829, J. W. Döbereiner,
profesor de Química de la Universidad de Jena, expuso su ley de las triadas, agrupando elementos con
propiedades semejantes.
Segunda tentativa de clasificación: Ley de las octavas de Newlands. En 1864, el químico inglés J. A.
•
R. Newlands observó que dispuestos los elementos en orden crecientes a sus pesos atómicos, después de
cada siete elementos, en el octavo se repetían las propiedades del primero y por analogía con la escala
musical enunciaba su ley de las octavas.
• Tercera tentativa de clasificación: Sistema periódico de Mendelejeff. Fue el químico ruso Dimitri I.
Mendelejeff el que estableció la tabla periódica de los elementos comprendiendo el alcance de la ley
periódica
Tabla Periódica
Los primeros trabajos de Mendelejeff datan de 1860 y sus conclusiones fueron leídas 1869 en la sociedad
Química Rusa. El mismo resumió su trabajo en los siguientes postulados:
• 1. Si se ordenan los elementos según sus pesos atómicos, muestran una evidente periodicidad.
• 2. Los elementos semejantes en sus propiedades químicas poseen pesos atómicos semejantes (K, Rb, Cs).
• 3. La colocación de los elementos en orden a sus pesos atómicos corresponde a su valencia.
• 4. Los elementos más difundidos en la Naturaleza son los de peso atómico pequeño. Estos elementos
poseen propiedades bien definidas. Son elementos típicos.
• 5. El valor del peso atómico caracteriza un elemento y permite predecir sus propiedades.
• 6. Se puede esperar el descubrimiento de elementos aún desconocidos.
• 7. En determinados elementos puede corregirse el peso atómico si se conoce el de los elementos
adyacentes.
He aquí una síntesis clara y muy completa no solo de la construcción de la tabla, sino también de su
importancia química.
La tabla periódica moderna consta de siete períodos y ocho grupos.
Ventajas del sistema de Mendelejeff
• 1.
Corrigió los pesos atómicos y las valencias de algunos elementos por no tener sitio en su tabla de la
7
forma en que eran considerado hasta entonces.
• 2. Señaló las propiedades de algunos elementos desconocidos, entre ellos, tres a los que llamó eka−boro,
eka−aluminio, y eka−silicio.
• 3. En 1894 Ramsy descubrió un gas el que denominó argón. Es monoatómico, no presenta reacciones
químicas y carecía de un lugar en la tabla. Inmediatamente supuso que debían existir otros gases de
propiedades similares y que todos juntos formarían un grupo. En efecto, poco después se descubrieron los
otros gases nobles y se les asignó el grupo cero.
• 4. Todos los huecos que dejó en blanco se fueron llenando al descubrirse los elementos correspondientes.
Estos presentaban propiedades similares a las asignadas por Mendelejeff.
Defectos de la tabla de Mendelejeff
• 1. No tiene un lugar fijo para el hidrógeno.
• 2. Destaca una sola valencia.
• 3. El conjunto de elementos con el nombre de tierras raras o escasas (lantánidos) no tiene ubicación en la
tabla o es necesario ponerlos todos juntos en un mismo lugar, como si fueran un solo elemento, lo cual no
es cierto.
• 4. No había explicación posible al hecho de que unos períodos contarán de 8 elementos: otros de 18,
otros de 32, etc.
• 5. La distribución de los elementos no está siempre en orden creciente de sus pesos atómicos.
Tabla periódica moderna
En el presente siglo se descubrió que las propiedades de los elementos no son función periódica de los pesos
atómicos, sino que varían periódicamente con sus números atómicos o carga nuclear. He aquí la verdadera
Ley periódica moderna por la cual se rige el nuevo sistema: Las propiedades de los elementos son función
periódica de sus números atómicos
Modernamente, el sistema periódico se representa alargándolo en sentido horizontal lo suficiente para que los
períodos de 18 elementos formen una sola serie. Con ello desaparecen las perturbaciones producidas por los
grupos secundarios. El sistema periódico largo es el más aceptado; la clasificación de Werner, permite
apreciar con más facilidad la periodicidad de las propiedades de los elementos.
1.5 Tipos de enlace
8
En la unión o enlace de los átomos pueden presentarse los siguientes casos:
• 1.
• 2.
• 3.
• 4.
Enlace iónico, si hay atracción electrostática.
Enlace covalente, si comparten los electrones.
Enlace covalente coordinado, cuando el par de electrones es aportado solamente por uno de ellos.
Enlace metálico, so los electrones de valencia pertenece en común a todos los átomos.
Enlace iónico o electrovalente
Fue propuesto por W Kossel en 1916 y se basa en la transferencia de electrones de un átomo a otro. La
definición es la siguiente: Electrovalencia es la capacidad que tienen los átomos para ceder o captar electrones
hasta adquirir una configuración estable, formándose así combinaciones donde aparecen dos iones opuestos.
Exceptuando solamente los gases nobles todos los elementos al combinarse tienden a adquirir la misma
estructura electrónica que el gas noble más cercano. El átomo que cede electrones se transforma en ion
positivo (catión), en tanto que el que los gana origina el ion negativo (anión).
Propiedades generales de los compuestos iónicos
En general, los compuestos con enlace iónico presentan puntos de ebullición y fusión muy altos, pues para
separarlos en moléculas hay que deshacer todo el edificio cristalino, el cual presenta una elevada energía
reticular.
Enlace covalente normal
Se define de la siguiente manera: Es el fenómeno químico mediante el cual dos átomos se unen compartiendo
una o varias parejas de electrones; por lo tanto, no pierden ni ganan electrones, sino que los comparten.
Un átomo puede completar su capa externa compartiendo electrones con otro átomo.
9
Cada par de electrones comunes a dos átomos se llama doblete electrónico. Esta clase de enlace químico se
llama covalente, y se encuentra en todas las moléculas constituidas por elementos no metálicos,
combinaciones binarias que estos elementos forman entre sí, tales como hidruros gaseosos y en la mayoría de
compuestos de carbono.
Cada doblete de electrones (representado por el signo :) Intercalado entre los símbolos de los átomos, indica
un enlace covalente sencillo y equivale al guión de las fórmulas de estructura.
En enlace covalente puede ser: sencillo, doble o triple, según se compartan uno, dos o tres pares de electrones.
Enlace covalente coordinado
Se define de la siguiente forma: Es el enlace que se produce cuando dos átomos comparten una pareja de
electrones, pero dicha pareja procede solamente de uno de los átomos combinados.
En este caso el enlace se llama covalente dativo o coordinado. El átomo que aporta la pareja de electrones
recibe el nombre de donante, y el que los recibe, aceptor. Cuando queremos simplificar la formula electrónica
se pone una flecha que va del donante al aceptor.
Enlace metálico
La estructura cristalina de los metales y aleaciones explica bastante una de sus propiedades físicas.
La red cristalina de los metales está formada por átomos (red atómica) que ocupan los nudos de la red de
forma muy compacta con otros varios.
En la mayoría de los casos los átomos se ordenan en red cúbica, retenido por fuerzas provenientes de los
electrones de valencia; pero los electrones de valencia no están muy sujetos, sino que forman una nube
electrónica que se mueve con facilidad cuando es impulsada por la acción de un campo eléctrico.
Enlace de Van der Waals
10
Las energías caracteristicas de enlazamiento primario van de 200 a 700 kJ/mol (aprox. 50 a 170 Kcal/mol). Es
posible obtener cierto enlazamiento con energías bastante menores sin transferencia o distribución compartida
de electrones. A esto se le llama enlazamiento secundario o de van der waals. El mecanismo de enlazamiento
secundario es algo semejente al ionico, esto es, por la atracción de cargas opuestas. La diferencia clave es que
no se transfieren electrones. La atarcción depende de distribuciones asimetricas de carga positiva dentro de
cada unida atómica o molecular que se elnlaza. Esa asimetria de carga se llama dipolo. El enlazamiento
secundario puede ser de dos tipos, según lod dipolos sean (1) temporales, o (2) permanentes.
Como ejemplo dos atomos neutros pueden desarrollar una fuerza debil de enlazamiento entre ellos, un
ejemplo de ello es el Argon un elemento que no tiende a formar enlaces primarios por tener un orbital lleno y
estable. Un átomo de Argon tiene una distribución de electrones perfectamente esferica, carga negativa que
rodea a su nucleo positivo, sin embargo cuando se le acerca un átomo de argon, la carga se aparta ligeramente
hacia el átomo positivo del átomo adyacente. Como resultado se tiene un dipolo inducido, la magnitud del
dipolo resultante espequeño y roduce una energia de enlazamiento relativamente pequeña, 0.99 Kj/mol, o 0.24
Kcal/mol.
Las energías de enlazamiento secundario son algo mayores cuando se trata de unidades moleculares que
contienen dipolos permanentes. La mayor separación de carga en una de esas moleculas polares produce un
momento dipolar mayor. El momento dipolar es el producto de la carga por la distancia entre centros de
cargas opuestas. La carga es por consiguiente mayor, en este caso de 21 Kj/mol o 5 Kcal/mol. El enlazamiento
secundario entre las cadenas polimericas adyacentes en plasticos como el polietileno es de este tipo.
1.6 Estructuras cristalinas y sus consecuencias en las propiedades fisico−químicas de los materiales.
Cuando los metales se enfrían desde el estado líquido y se solidifican, forman una estructura cristalina
llamada celda o estructura espacial. Si se trazan líneas imaginarias para unir los centros de los átomos, ésta
recibe e! nombre de red cristalina. Las investigaciones recientes han dado origen a una excepción del
enunciado anterior. En la actualidad los metales pueden enfriarse rápidamente desde el estado liquido a!
estado sólido en forma tal que no hay oportunidad para que se forme !a estructura cristalina. A éstos se les
llama con toda propiedad vidrios metálicos o metales amorfos.
Cuerpos amorfos y cristalinos: cada cuerpo está compuesto de moléculas y las moléculas de átomos, en los
cuales los átomos están agrupados de una manera desordenada, sin ningún sistema, éstos se llaman amorfos
tales como el vidrio , la cera, la resina, etc.
Sustancias amorfas son aquellas cuya estructura no está definida, es isótropa, es decir, que sus' propiedades
físicas son iguales en todas direcciones. Por el contrario, en el cuerpo cristalino, donde los átomos están
agrupados en un orden definido se pueden encontrar propiedades físicas muy distintas en diversas direcciones,
es decir, el cuerpo cristalino es anisotropo.
Actualmente sólo se produce una pequeña cantidad de vidrios metálicos . Debido a sus buenas propiedades
eléctricas y magnéticas, resulta útil para fabricar núcleos de transformadores. Sin embargo, cuando los
metales se enfrían a velocidades normales, siempre se crea una estructura cristalina formada por filas
ordenadas de átomos.
Distancias interatómicas: como las cargas eléctricas similares tienden a repelerse y las cargas diferentes se
atraen, las capas exteriores cargadas de electrones en los iones metálicos tienden a poseer una fuerza
repulsiva. Si no fuera por los electrones de valencia libres que vibran entre los átomos para producir fuerzas
de atracción, los átomos de los metales quedarían libres. Sin embargo, existe un equilibrio distintivo de
fuerzas que da lugar al enlace de los metales. Estos átomos mantienen una distancia en la que éstas dos
fuerzas están en equilibrio. Las distancias interatómicas pueden ser modificadas por fuerzas externas como la
energía térmica y las fuerzas eléctricas o mecánicas. Esta es la razón por la que los materiales se dilatan al ser
11
calentados y se contraen al enfriarse. La distancia entre átomos no es la misma para los diferentes materiales
debido a que está relacionada con e! número de capas u órbitas y el número de electrones de valencia. Los
átomos de los distintos elementos tienen tamaños diferentes. Por ejemplo, un átomo de hierro es mucho más
grande que un átomo de carbono. La separación de electrones de la capa exterior, como la que se hace en un
ion metálico, reduce el tamaño del átomo.
1.7 Estado sólido cristalino, estructuras cristalinas básicas
El metal está compuesto de muchos cristales y es un cuerpo policristalino La orientación arbitraria de cada
cristal en el metal conduce a que las propiedades del meta! policristalino resulten ser prácticamente iguales en
todas direcciones. Este fenómeno se denomina cuasisotropía (fa!sa isotropia) Es natural que cuanto más finos
sean los granos, mayor es la isotropía de! metal Sin embargo, como consecuencia de algunas deformaciones
en frió, surge una orientación predominante de los granos, los ejes se sitúan a lo largo de la línea de
deformación o sea a lo largo del laminado o estirado.
Mecanismo del proceso de cristalización. Se compone de dos procesos elementales
1.− Formación de los núcleos de cristalización o gérmenes.
2.− Crecimiento de les cristales desde estos núcleos − gérmenes.
Al principio estando el metal líquido a la temperatura de cristalización se forman los núcleos de cristalización
alrededor de los cuales se agrupan los átomos formando cristales de forma geométrica regular. Aparecen
muchos gérmenes, el crecimiento de los cristales se extienden en todas direcciones −> impiden el crecimiento
independiente. El crecimiento más rápido de los cristales se observa en dirección del flujo térmico. Todo esto
conduce a que ios cristales adquieran una forma externa irregular, suelen denominarse cristalinos, poliedros o
granos.
Estructuras cristalinas unitarias.
Se puede describir una red cristalina como una formación repetitiva de bloques unitarios en toda la estructura.
A estos bloques se les llama estructuras unitarias. Los metales se solidifican en 14 estructuras cristalinas
conocidas, pero la mayoría de los metales de importancia comercial se solidifican sólo en tres tipos de
estructuras cristalinas. Estas son: la cúbica centrada en el cuerpo (CC), la cúbica centrada en las caras (CCCa)
y la hexagonal compacta (HC).
En enlace metálico, la maleabilidad máxima y otras propiedades necesarias, son mejores cuando los átomos
están estrechamente distribuidos como en las estructuras cúbicas centradas en el cuerpo las cuales forman un
cubo con su átomo en su centro. La estructura cúbica centrada en las caras es aún superior para la
deformación. La estructura unitaria hexagonal compacta tiene algunos planos entre los cuáles el espacio es
muy reducido, pero en otra dirección los átomos están separados por distancias aún mayores que en la CCC y
la CCCa, ocasionando que estos metales tengan una conformación deficiente.
Algunos materiales tienen dos o más de éstas estructuras bajo diferentes condiciones como el cambio de
temperatura. A este tipo de material se le llama alotrópico. Por ejemplo, las tres formas alotrópicas de!
carbono son la amorfa (carbón de madera, negro de humo y carbón mineral), el grafito y el diamante. El hierro
existe también en tres formas alotrópicas que dependen de ia temperatura. (El término hierro se refiere al
hierro elemental o puro a no ser que se especifique como forjado o vaciado), abajo de 704 °C (1300 °F) el
hierro es CCC, y se !e llama ferrita o hierro alfa, el cual es ferromagnético. Se transforma en no magnético a
la temperatura de Curie 782 °C (1440 °F), llamado a veces hierro beta Entre 908 °C (1666 °F) y 1401 °C
(2554 °F) el hierro es CCCa y se le llama austenita o hierro gama. Entre 1401 °C (2554 °F) y 1538 °C (2800
°F) el hierro es también CCC, y se le llama hierro delta, el cual tiene poca importancia en la manufactura. A
12
estos tres estados del hierro se les llama fases, siendo las fases de ferrita y austenita de gran importancia en el
tratamiento térmico y la manufactura.
1,8 Defectos en estructuras cristalinas básicas
Defectos puntuales.
Son discontinuidades de la red que involucran uno o varios átomos, defecto intersticial se forma
cuando se inserta un átomo adicional en la estructura de la red en un lugar que es un nodo modo
normal.
Defectos de punto
Los defectos de punto son discontinuidades de átomos, esto ocurre cuando se enfría poco a poco.
Defectos sustitucionales
Un defecto sustitucional se introduce cuando un átomo de la red es reemplazado por un tipo
diferente de átomo.
Defectos puntuales.
Un defecto puntual distorsiona el acomodamiento perfecto de los átomos circundantes. Cuando se
tiene una vacante o un pequeño átomo sustitucional, los átomos circundantes se colapsan hacia el
defecto puntual, estirando los enlaces entre los átomos y produciendo un campo de esfuerzos de
atracción.
Defectos de superficie.
Los defectos de superficie son los limites que separan a un material en regiones, cada una de ellas
teniendo la misma estructura cristalina pero diferentes orientaciones.
1.9 Clasificación moderna de los materiales
METALES.
Aproximadamente las tres cuartas partes de todos los elementos se consideran como metales. Los elementos
químicos pueden clasificarse de manera preliminar en tres grupos: metales, no metales y gases inertes.
Algunos no metales, como el carbono, el germanio y el silicio, se asemejan a los metales en una u otra forma,
por le que a veces se les llama metales. Estos pueden tener brillo metálico y micro estructura cristalina, y
pueden ser semiconductores de la electricidad, sin embargo no pueden ser deformados sin fracturarse por ser
frágiles, como son todos los metales. Algunas de las propiedades que debe tener un elemento para ser
considerado como meta!, son:
1.− Capacidad de donar electrones para formar un ion positivo.
13
2.− Estructura cristalina.
3.− Alta conductividad térmica y eléctrica.
4.− La capacidad de ser maleables para dejarse deformar.
5.− Brillo metálico o reflectividad.
Los metales son los elementos más importantes desde el punto de vista metalúrgico, pero los plásticos, los
cauchos o hules y demás productos sintéticos se producen a partir de no metales.
POLÍMEROS.
Los mater¡ales orgánicos naturales como el cuero, la madera, el algodón y el caucho o hule natural
típicamente son polímeros, formados por moléculas de cadena larga. Los primeros descubrimientos logrados
en química orgánica para producir substitutos de los materiales orgánicos no fueron muy aceptados, y se les
consideró como substitutos deficientes. Por ejemplo, en 1866 John Wesley Hyatí produjo por primera vez un
material sintético al que llamó celuloide, combinando alcanfor con nitrocelulosa (algodón pólvora) preparado
con un poco menos de ácido nítrico que lo usual. Este nuevo producto se utilizó como substituto del marfil.
Una gran gama de plásticos, cauchos sintéticos, fibras textiles, adhesivos y pinturas han sido obtenidas por los
químicos. Éstas sustancias, a las que a menudo se les llama plímeros de alto orden, tienen pesos moleculares
que son con frecuencia centenares de veces mayores que ios materiales ordinarios.
La polimerización es un proceso químico en el cual se unen muchas moléculas para formar una molécula
grande. El primer polímero de alto orden que fue sintetizado a partir de materias primas formadas por
moléculas pequeñas; fue un plástico resistente y duro llamado baquelita, e! cual fue obtenido por el químico
belga Leo Baekeland en 1908.
CERAMICOS.
El término cerámica comprende una extensa gama de productos. Los ladrillos de arcilla, los tubos de drenaje,
los aisladores, loas bujías para motores, los diamantes sintéticos, los abrasivos, el vidrio, los materiales
pétreos para construcción y el concreto se encuentran entre los diversos materiales cerámicos que se utilizan
en la actualidad.
14