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 emplean sales de Ca, Mg, y bases metálicas como Ca(OH)2. Asimismo se utilizan resinas, elastómeros y 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 muchos óxidos.

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 en abundancia entre 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 y forma 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, que oxida la mayor parte de las 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 forjables, 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 mediante forjado, laminación o extrusión, mientras que las fundiciones son más frágiles y se deben moldear.

Densidad promedio del acero: la densidad promedio del acero es 7 850 kg/m3.

Impurezas 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 en nuestro acero o fundiciones.

Aleaciones eutécticas, porcentaje de carbono y punto de fusión mínimo

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. El punto de fusión del hierro puro es 1537 °C.

Siderurgias y acerías

Siderurgia: 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 carbonatos.

Acerías: Se denomina así 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 termorresistente.
• Acero Cr–Ni: contiene 17–20% Cr y 8–10% Ni.
• Acero con 25% Cr y 20% Ni.
• Acero ferrítico.

Tratamientos térmicos del acero

En general son cuatro tipos básicos de tratamiento térmico del acero:

1. Calentamiento del acero hasta una temperatura determinada.
2. Permanece a esa temperatura durante cierto tiempo.
3. Enfriamiento más o menos rápido.

11. 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 carácter anfótero. 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.

12. 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. Es la 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: Na3AlF6: Es un fluoruro de aluminio y sodio. En estado natural se encuentra en Ivittuut (Groenlandia). Su importancia proviene de su facilidad para 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.
• Caolín o caolinita: Es una arcilla blanca muy pura que se utiliza para la fabricación de porcelanas y de aprestos para almidonar. También se utiliza en ciertos medicamentos y como agente adsorbente. Cuando la materia no es muy pura, se utiliza en la fabricación de papel. Conserva su color blanco durante la cocción. Su fórmula es Al2Si2O5(OH)4 ó Al2O3·2SiO2·2H2O.
• Feldespatos: KAlSi3O8: Son un grupo de minerales tectosilicatos y aluminosilicatos que corresponden en volumen hasta el 60% de la corteza terrestre. La composición que caracteriza a los tectosilicatos es un armazón tridimensional de tetraedros. La serie incluye ortoclasa (KAlSi3O8), albita (NaAlSi3O8) y anortita (CaAl2Si2O8). Los feldespatos con composición entre anortita y albita se llaman plagioclasas; los que tienen composición entre albita y ortoclasa se llaman feldespatos potásicos. El feldespato es componente esencial de muchas rocas ígneas, sedimentarias y metamórficas.
• Óxido de aluminio anhidro: corindón (Al2O3): En estado de pureza es de gran dureza. Se presenta en una gran variedad de colores según las impurezas: incoloro, blanco, pardo, violeta, verde, amarillo, azul o rojo. Su brillo es vítreo. La variedad roja es conocida como rubí y la azul como zafiro, consideradas piedras preciosas.

13. Propiedades del aluminio

• Es plateado, tiene lustre blanco opaco.
• Es muy liviano.
• Es aproximadamente 2 veces mejor conductor de la electricidad que el cobre (según ciertas comparaciones específicas).
• 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.
• La capa de óxido se disuelve fácilmente con ácidos con halógenos como HCl, H2SO4 y CH3COOH.
• Se disuelve en álcalis concentrados formando aluminatos e hidrógeno. Ejemplo de reacción:
  2Al + 2NaOH + 6H2O → 2NaAl(OH)4 + 3H2
• El hidróxido de aluminio tiene carácter anfótero: actúa como ácido frente a bases fuertes y como base frente a ácidos fuertes. Ejemplos:
  Al(OH)3 + NaOH → NaAl(OH)4
  Al(OH)3 + 3HCl → AlCl3 + 3H2O

14. 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).

En el proceso Bayer, la bauxita es lavada, pulverizada y disuelta en sosa cáustica (hidróxido de sodio) a alta presión y temperatura; el líquido resultante contiene una disolución de aluminato de sodio y residuos de bauxita que contienen hierro, silicio y titanio. Estos residuos se depositan gradualmente en el fondo del tanque y luego son eliminados. Se los conoce comúnmente como «barro rojo».

La solución de aluminato de sodio clarificada es bombeada dentro de un enorme tanque llamado precipitador. Se añaden finas partículas de alúmina con el fin de inducir la precipitación de partículas de alúmina puras (proceso de siembra) una vez que el líquido se enfría. Las partículas se depositan en el fondo del tanque, se extraen y luego se someten a 1100 °C en un horno o calcinador, a fin de eliminar el agua contenida por la cristalización. El resultado es un polvo blanco, alúmina pura. La sosa cáustica es devuelta al comienzo del proceso y reutilizada.

15. Aplicaciones y usos

• Corindón artificial (Alundum, Al2O3): Se fabrica fundiendo bauxita en un horno eléctrico. Se usa como material abrasivo en la molienda y pulido, como refractario y como 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 impregnan 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 183 °C y soluble en solventes orgánicos. Se usa como catalizador en reacciones orgánicas (por 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 conocida como alumbre).

16. Aleaciones del aluminio

Duraluminio: Es una aleación que contiene Al, Cu, Mn y Mg. Es liviana pero casi tan fuerte como el acero, por lo que se usa en la 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; se emplean para fabricar cajas de cambio y barras de transmisión para motores de gasolina.

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 hierro 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 óxidos metálicos cuya reducción por carbono es difícil (por ejemplo, óxidos de Mn, Cr, Mo y W).

17. 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 dependen en gran medida del cobre para transmitir la energía con eficacia. Una aeroturbina simple contiene más de una tonelada de cobre.

Aplicaciones de sus compuestos:

• Uso en agricultura como fungicida e insecticida.
• Como pigmentos.
• En soluciones galvanoplásticas.
• En celdas primarias.
• Como mordentes en teñido.
• Como catalizadores.

18. Aleaciones del cobre

• Bronce al estaño: con contenido hasta del 13% de Sn; es más resistente que el Cu puro.
• Bronce al aluminio: aleación de Cu con hasta 10% de Al; tiene buena resistencia en ácidos diluidos (excepto el ácido nítrico) y en muchas soluciones salinas; se utiliza en la industria química.
• Bronce al silicio: aleación de Cu-Si; con 3–4% de silicio tiene buena resistencia y amplias aplicaciones.
• Latón: aleación de Cu-Zn; puede contener alrededor de 40% de Zn y se usa para piezas que trabajan en agua natural y expuestas al aire húmedo (no se corroen fácilmente). Tienen tendencia a la descincificación (pérdida de Zn) y al agrietamiento corrosivo bajo acción agresiva y tensiones mecánicas, especialmente en presencia de amoníaco.

19. Aleaciones del níquel

• Metal Monel: es una aleación que contiene 68% de Ni y 28% de Cu, con otras adiciones como Fe, Mn y Si. Es más resistente que el Ni puro.
• Aleación Ni–Mo: contiene aproximadamente 20% de Mo y el resto Ni (con mezcla de Fe); presenta muy alta resistencia incluso en HCl caliente y buenas propiedades mecánicas.

20. Propiedades de los materiales usados en la industria química

Sectores según su origen:

• Materiales naturales: son aquellos que se encuentran en la naturaleza; los utilizamos 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 vegetal más importante es la madera, pero también existen fibras vegetales (algodón, lino, mimbre) o el corcho.
• Otros son materiales de origen animal, por ejemplo cuero o lana.
• Materiales sintéticos: son aquellos creados por las personas a partir de materiales naturales; por ejemplo, el hormigón, el vidrio, el papel o los plásticos.

Sectores según sus propiedades: Según estas propiedades, podemos clasificar los materiales más usuales en: maderas, metales, plásticos, materiales pétreos, cerámicas y vidrios, o materiales textiles.

21. Refractarios

Definición: Propiedad de ciertos materiales de resistir altas temperaturas sin descomponerse. Se utilizan para fabricar crisoles y recubrimientos de hornos e incineradoras. No hay una frontera clara entre los materiales refractarios y los que no lo son, pero una característica habitual requerida para considerar un material como refractario es que pueda soportar temperaturas de más 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 arcillas refractarias conteniendo 30–42% de Al2O3, sillimanita (63% Al2O3) y andalucita con aproximadamente 60% de Al2O3. También tenemos la corindita, sílice y materiales que antes se usaban en estado natural y triturados; hoy se usan en forma de ladrillo prefabricado.
• 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 refieren 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 ladrillos 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.

Fin del documento.