INTRODUCCIÓN

Una forma en la cual se organizan los elementos de la tabla periódica es a través de las familias químicas. Estas abarcan un amplio rango de temas, mas este informe se centra en los siguientes elementos; carbono, oxígeno, nitrógeno, fósforo y azufre, elementos muy utilizados, no solo en la industria, sino además, en el día común, por ejemplo en las cerillas de fósforos.

El objetivo de este informe es exponer detalladamente, las características de cada uno de los elementos mencionados, así como las reacciones más importantes entre estos y los demás elementos de la tabla periódica, para así conocer la importancia de estos y de cómo estos afectan la vida.

El propósito final de este informe es dar conocer las diferentes propiedades y estado de los elementos, identificar las diferencias entre los usos de uno u otro elemento, y comprender algunas reacciones importantes entre estos elementos y los demás elementos de la tabla periódica, además de las propiedades generales de estos.

LAS FAMILIAS QUÍMICAS II












CARBONO

El carbono sólo constituye aproximadamente el 0,025% de la corteza terrestre, en la que se encuentra principalmente en forma de carbonatos.

Forma parte de todos los seres vivos y compuestos orgánicos, en los compuestos inorgánicos se encuentra formando carbonatos de calcio, magnesio, ferroso y otros metales. El carbono es el estado libre y se presenta en varias formas alotrópicas: el grafito, el diamante, el fulereno, los nanotubos; también está en estado amorfo como carbono.

Como el carbono es un no metal una de sus principales propiedades es ser mal conductor del calor y de la electricidad y no tiene brillo. Por su fragilidad, no se pueden usar para formar láminas ni hilos. Es un elemento químico de color negro (grafito) incoloro (diamante).

Entre sus usos se puede destacar la forma de hidrocarburos, principalmente el metano y el petróleo crudo. El petróleo crudo una vez destilado se puede usar para producir gasolina y queroseno. Los plásticos se producen a partir de polímeros sintéticos de carbono. El grafito, que es una forma del carbono se mezcla con arcilla y da el principal componente de los lápices. Esta misma forma se utiliza como lubricante, como pigmento, como un material de moldeo en fabricación de vidrio y como moderador de neutrones en los reactores nucleares.

NITRÓGENO
  
Es un gas en condiciones normales. El nitrógeno molecular es el principal constituyente de la atmósfera ( 78% por volumen de aire seco). Es de aspecto incoloro y pertenece al grupo de los no metales.

Entre sus principales usos están la conservación de alimentos envasados ya que detiene la oxidación de los alimentos. Se usa muchas veces en la parte superior de los explosivos líquidos para evitar una detonación. Se utiliza en la fabricación de acero inoxidable. El gas nitrógeno se utiliza para llenar las gomas de aviones y los automóviles.

Los principales compuestos del nitrógeno son:
       Amoniaco: utilizado en los fertilizantes y productos de limpieza.
       Hidracina: se emplea como combustible de naves espaciales, en la industria de polímeros y en la manufactura de pesticidas.

Existen muchos óxidos de nitrógeno, los más importantes son:
       Óxido nitroso: se usa como anestésico dental y en otras cirugías menores.
       Óxido nítrico: es utilizado como vasodilatador, ya que aumenta el flujo sanguíneo.
       Dióxido de nitrógeno: se utiliza en las mezclas de gases de calibración para la industria petroquímica, en la monitorización de emisiones ambientales, control de higiene industrial y traza de impurezas en analizadores.
       Ácido nítrico: usado en la manufactura de fertilizantes, colorantes, fármacos y explosivos.

 FÓSFORO
  
El fósforo se presenta en distintas variedades alotrópicas que difieren bastante en sus propiedades. Las dos variedades más importantes son el fósforo rojo y el fósforo blanco.

El fósforo blanco (P4) es un sólido blando, translúcido, de olor aliáceo y de aspecto ceroso, que se obtiene por condensación de los vapores de fósforo.
No se disuelve en el agua ni en el alcohol, pero es soluble en sulfuro de carbono, benceno, aceites vegetales, amoníaco líquido y éter.

El fósforo rojo está constituido por pequeños cristales y alguna otra modificación amorfa y tiene la apariencia de un polvo rojo. Se obtiene cuando se calienta fósforo blanco a 250ºC en ausencia de aire.

Los compuestos comerciales más importantes de fósforo son el ácido fosfórico y sus sales, llamadas fosfatos. La mayoría de los compuestos fosforados se usan como fertilizantes, también se usan para aclarar las soluciones de azúcar de remolacha y en aleaciones especiales como bronces al fósforo.

El fósforo blanco se usa en la elaboración de veneno para las ratas, insecticidas y en la industria pirotécnica y el fósforo rojo se usa para fabricar cerillas.
En los fósforos ordinarios la cabeza se compone de una mezcla combustible de azufre y clorato de potasio bañada en sulfuro de fósforo que se inflama por el calor producido en la fricción y produce a su vez la inflamación de la mezcla combustible.

OXÍGENO

Elemento químico gaseoso más abundante en la corteza terrestre. Es el elemento esencial en los procesos de respiración de la mayor parte de las células vivas y en los procesos de combustión. Cerca de una quinta parte (en volumen) del aire es oxígeno.

En condiciones normales el oxígeno es un gas incoloro, inodoro e insípido; se condensa en un líquido azul claro.

Casi todos los elementos químicos, menos los gases inertes, forman compuestos con el oxígeno. Entre los compuestos binarios más abundantes de oxígeno están el agua, H2O, y la sílica, SiO2; componente principal de la arena. De los compuestos que contienen más de dos elementos, los más abundantes son los silicatos, que constituyen la mayor parte de las rocas y suelos.
En medicina se utiliza con frecuencia, especialmente en aquellos pacientes que sufren de afecciones respiratorias, a quienes se les suele administrar oxígeno.
También es fundamental en la combustión, por lo que se utiliza ampliamente en cohetes. Se  emplea para fundir acero y las soldaduras de oxiacetileno. Con oxígeno se sintetiza el amoníaco, el metano y el óxido de etileno, además, se emplea en gases para hornos de acero.
AZUFRE

El azufre es un elemento químico de carácter no metálico, de color amarillo, es blando, frágil, ligero, que a su vez desprende un olor característico a huevo podrido y arde con llama de color azul desprendiendo dióxido de azufre. Es insolubleen aguapero se disuelve en disulfuro de carbono.

El estado del azufre en su forma natural es sólido. A continuación se presenta una lista de sus posibles usos:
       La mayoría de azufre se convierte en ácido sulfúrico. Este ácido es extremadamente importante para muchas industrias de todo el mundo. Se utiliza en la fabricación de fertilizantes, refinerías de petróleo, tratamiento de aguas residuales, baterías de plomo para automóviles, extracción de mineral, eliminación de óxido de hierro, fabricación de nylon y producción de ácido clorhídrico.
       Puede ser utilizado como un pesticida y fungicida. Muchos agricultores que cultivan alimentos orgánicos lo usan  como un pesticida natural y fungicida.
     El sulfato de magnesio, que contiene azufre, se utiliza como laxante, en sales de baño y como un suplemento de magnesio para las plantas.
     El disulfuro de carbono, un compuesto de azufre, se utiliza para hacer celofán y rayón.

METALURGIA Y QUÍMICA DE LOS METALES
















ABUNDANCIA DE LOS METALES

La mayor parte de los metales proviene de los minerales (sustancia de origen natural). Un depósito mineral cuya concentración es adecuada, en el aspecto económico, para extraer el metal deseado, se conoce como mena.

Los metales más abundantes que existen como minerales en la corteza terrestre son aluminio, hierro, calcio, magnesio, sodio, potasio, titanio y manganeso. El agua de mar es una rica fuente de algunos iones metálicos, como Na+, Mg2+ y Ca2+. Grandes zonas de la plataforma oceánica están cubiertas por nódulos de manganeso, los cuales se componen principalmente por manganeso, junto con hierro, níquel, cobre y cobalto en estado de combinación química.
  
 PRINCIPALES TIPOS DE MINERALES METALÚRGICOS: PRODUCCIÓN DE METALES

En el tratamiento preliminar de una mena, el mineral deseado se separa de los materiales de desecho, casi siempre arcillas y minerales de silicatos, que en general reciben el nombre de ganga. Un método muy utilizado para llevar a cabo esta separación se denomina flotación. En este proceso, la mena se muele finamente y se vierte en agua que contiene aceite y detergente. Por lo general, los principales procesos metalúrgicos que se utilizan en la actualidad constituyen la pirometalurgia, procesos que se llevan a cabo a temperaturas elevadas. En estos procedimientos se logra la reducción por medios químicos.

Producción de metales

Debido a que los metales en sus formas combinadas siempre tienen números de oxidación positivos, la producción de un metal libre es un proceso de reducción. En ocasiones es necesario realizar operaciones preliminares para llevar el metal a un estado químico más adecuado para la reducción. Por ejemplo, una mena es calcinada para eliminar las impurezas volátiles, y al mismo tiempo convertir los carbonatos y sulfuros en los óxidos correspondientes, los cuales se pueden reducir mejor para producir los metales puros:
 CaC03(s) à  CaO (s) + CO2(g)
2PbS(s) + 302(g) à 2PbO(s) + 2S02 (g)

REDUCCION QUIMICA

Es posible utilizar como agente reductor un metal más electropositivo que otro para separar a este último a partir de sus compuestos a altas temperaturas:
V20S(S) + 5Ca (l) —+ 2V (I) + 5CaO(s)
TiCI4 (g) + 2Mg (l) —+ Ti(s) + 2MgCI2 (l)
Cr203(s) + 2Al(s) —+ 2Cr (l) + AI203(s)
3Mn304(S) + 8Al(s) —+ 9Mn (l) + 4AI203(s)
 En algunos casos, incluso el hidrógeno molecular se emplea como agente reductor, como en la preparación del tungsteno a partir del óxido de tungsteno(VI):
WO3 (s) + 3H2 (g) à W (s) + 3H2O (g)
  
REDUCCIÓN ELECTROLÍTICA

La reducción electrolítica se aplica a los metales más electropositivos, como sodio, magnesio y aluminio. Por lo general, el proceso se lleva a cabo con el óxido o el halógeno del metal, anhidro y fundido:
2MO(l) —+ 2M (en cátodo) + O2 (en ánodo)
2MCl(l) —+ 2M (en cátodo) + Cl2 (en ánodo)

 METALURGIA DEL HIERRO

El proceso metalúrgico del hierro implica la reducción química de los minerales con carbón (en forma de coque) en un alto horno. Por la parte alta del horno se introducen la mena concentrada de hierro, piedra caliza (CaC03) y coque. Se hace pasar una corriente de aire caliente desde la parte inferior del horno hacia arriba. El oxígeno gaseoso reacciona con el carbono del coque para formar principalmente monóxido de carbono y un poco de dióxido de carbono. Estas reacciones son muy exotérmicas, y a medida que se elevan los gases calientes CO y CO2, reacciona con los óxidos de hierro en diferentes zonas de temperatura.
La mezcla de silicato de calcio y aluminato de calcio que se mantiene fundida a la temperatura del horno se conoce como escoria. Conforme transcurre el tiempo, la mena desciende hacia la parte inferior del horno; para entonces, la mayor parte ha sido reducida a hierro. La temperatura de la parte baja del horno es superior al punto de fusión del hierro impuro.

 MANUFACTURA DEL ACERO

Uno de los métodos utilizados en la manufactura del acero es el proceso básico con oxígeno. El hierro fundido proveniente del alto horno se vierte en un recipiente cilíndrico que se encuentra en posición vertical. Se introduce oxígeno gaseoso a presión sobre el metal fundido, a través de un tubo enfriado con agua. En estas condiciones, el manganeso, el fósforo, el silicio, así como el exceso de carbono reaccionan con el oxígeno para formar óxidos. Estos óxidos reaccionan con los fundentes apropiados para formar escoria, seleccionados dependiendo de la composición del hierro. Cuando se ha alcanzado la mezcla deseada de carbono y otras impurezas, se hace girar el recipiente hasta una posición horizontal, de modo que se pueda decantar el acero.

TEORÍA DE LA BANDA DE CONDUCTIVIDAD: CONDUCTORES Y
SEMICONDUCTORES

La teoría de las bandas establece que los electrones deslocalizados se mueven libremente a través de “bandas” que se forman por el traslado de orbitales moleculares.

Conductores: Los metales son conductores, es decir, capaces de conducir la corriente eléctrica

Semiconductores: Estos por lo general no son conductores, pero conducen la corriente eléctrica a elevadas temperaturas o cuando se combinan con una pequeña cantidad de algunos otros elementos. Por ejemplo: el silicio y el germanio. El uso de los semiconductores en transistores y en celdas solares ha revolucionado la industria electrónica durante las últimas décadas, lo que ha permitido la fabricación de equipo electrónico en miniatura.


BIBLIOGRAFÍA

·         CHANG R. 2010 Química. 10ma Edición. México: Editorial Mc Graw Hill.
·         WHITTEN K. W., DAVIS R. D., PECK M. L. y STANLEY G. G. 2008. Química 8va Edición. México: Editorial Cengage Learning


 Área de Ciencias Básicas y Ambientales

“Las familias químicas II”
“Metalurgia y química de los metales”
Química 2 (CBQ 202)

Presentado por:
Zamira Bachá (12-0715) (Medicina)
César Montás (12-0413) (BioIngeniería)
Luis Aquino (12-0636) (Ing. Industrial)
Marcos Dalmasí (12-0237) (Ing. Civil)

Sección: 06

Facilitador: Prof. David Montalvo

26 de septiembre de 2013
Santo Domingo, República Dominicana



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