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A la memoria de mi hijo Pablo
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PRESENTACIÓN     A lo largo de este trabajo abarcamos los fun-     Más allá de los aspectos beneficiosos que     damentos ...
También se agregan algunos encuadres teóri-                Esperamos que el contenido de este trabajocos y referencias bio...
1. LA BAUXITA COMO MATERIA PRIMA     La bauxita es el mineral más comúnmente                              cantidad de esto...
1994 y 2004. Australia el es mayor productor      Obtención de alúmina a partir(38 %) seguido por Guinea (12 %). La pro-du...
La reacción de la gibbsita con el hidróxido de     mentación, del residuo insoluble presente en     sodio ocurre según:   ...
agitando la mezcla en grandes tanques de                                          En esta etapa, a unos 1100-1200 ºC, se f...
Producción mundial de alúmina (Miles de toneladas métricas)                  Grado     Período       de la              Ár...
Morveau propuso que esa "tierra" debería lla-   Algunos estudiosos de la historia antigua han         marse alumine. Sir H...
PROPIEDADES DEL ALUMINIO     Símbolo                 Al                       Calor de vaporización    293,4 kJ/mol     Nú...
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Charles Martin Hall                                  Paul Louis Toussaint Héroult                            (1863-1914)  ...
de concentración, pilas y electrodos reversi-      Las leyes de la electrólisisbles, puede omitirlas y dirigirse, directam...
En 1833, al estudiar los                                 Posteriormente, Faraday hizo circular una                        ...
y, cuando en ambas electrólisis la cantidad de    eléctrico, los cationes (iones con carga posi-electricidad es la misma q...
Conductividad molar            Actividad 1.1. Electrolizando la            sal de mesa sobre una servilleta          Algun...
El recíproco de la resistencia eléctrica es la                                      Cualquiera sea elconductancia eléctric...
Usualmente, se extrapolan los valores de               ductos y la conductividad molar se aproxi-     conductividad molar ...
para la relación entre la presión osmótica π,                           +   -la concentración c y la temperatura T. El fac...
conductividad de una solución de un elec-                                             Estos valores no pueden obtenerse so...
Si llamamos n- al número de equivalentes            transporte y se los representa mediante loselectroquímicos del anión q...
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  • saludo para todas. amigos yo lo que quiciera que alguien me ayuda en dar solucion a este problema tramo de trabajo unos 1035m de largo del puente en el mar . 1- en un puente transportador de fosfatosse va a quitar unas vigas hormigon de 45m de largo y reemplazaelas por unas vigas de cajon de acero sin que se pare la cinta de trabajar . -los riesgos y medidas de seguridad que se puede tomar antes que se realiza el trabajo. se los agredecere de todo corazon su respuesta. pueden entrar en el youtube ver Puentes acceso patalan de phosbucraa -
    mi email es kozar1980@hotmail.com
    su ayuda es importante
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  1. 1. Serie: Desarrollo de contenidosColección: Tecnología química en industrias de procesosLos minerales como materia prima–bauxita y minerales de hierro–Miguel KatzMinisterio de Educación, Ciencia y Tecnología.Instituto Nacional de Educación Tecnológica.Saavedra 789. C1229ACE.Ciudad Autónoma de Buenos Aires.República Argentina.
  2. 2. a u t o r i d a d e sPRESIDENTE DE LA NACIÓNDr. Néstor KirchnerMINISTRO DE EDUCACIÓN, CIENCIA Y TECNOLOGÍALic. Daniel FilmusDIRECTORA EJECUTIVA DEL INSTITUTO NACIONAL DEEDUCACIÓN TECNOLÓGICALic. María Rosa AlmandozDIRECTOR NACIONAL DEL CENTRO NACIONAL DEEDUCACIÓN TECNOLÓGICALic. Juan Manuel Kirschenbaum
  3. 3. Educación técnico-profesional Los minerales como materia prima _bauxita y minerales de hierro_ Serie: Desarrollo de contenidos Tecnología química en industrias de procesos
  4. 4. Serie “Desarrollo de contenidos”. Colección “Tecnología química en industrias de procesos” Distribución de carácter gratuito. Queda hecho el depósito que previene la ley n° 11.723. © Todos los derechos reservados por el Ministerio de Educación, Ciencia y Técnologia - Instituto Nacional de Educación Tecnológica. La reproducción total o parcial, en forma idéntica o modifi- cada por cualquier medio mecánico o electrónico incluyendo fotocopia, grabación o cualquier sistema de almacenamiento y recuperación de información no autorizada en forma expre- sa por el editor, viola derechos reservados. Industria Argentina. ISBN 950-00-0542-5 Katz, Miguel Los minerales como materia prima: bauxita y minerales de hierro, coordinado por Juan Manuel Kirschenbaum. Dirección del Programa: - 1a ed. - Buenos Aires: Ministerio de Educación, Ciencia yJuan Manuel Kirschenbaum Tecnología de la Nación. Instituto Nacional de Educación Coordinación general: Tecnológica, 2006. Haydeé Noceti 116 p.; 22x17 cm. (Desarrollo de contenidos; 3)0 Diseño didáctico: ISBN 950-00-0542-5 Ana Rúa Administración: 1. Tecnología Química. Adriana Perrone I. Kirschenbaum, Juan Manuel, coord. II. Título Diseño gráfico: Tomás Ahumada CDD 622.349 26 Carolina Macedra Fecha de catalogación: 3/01/2006 Diseño de tapa: Tomás Ahumada Con la colaboración Impreso en MDC MACHINE S. A., Marcelo T. de Alvear 4346del equipo de profesionales (B1702CFZ), Ciudadela, en setiembre 2006 del Centro Nacional de Educación Tecnológica Tirada de esta edición: 2.000 ejemplares
  5. 5. Instituto Nacional de Educación TecnológicaCentro Nacional de Educación TecnológicaCeNET-MaterialesSerie: “Desarrollo de contenidos” • Construcciones • Diseño industrial y gráfico • Electricidad, electrónica y sistemas de control • Empresa simulada • Fluídica y controladores lógicos programables (PLC) • Gestión de la calidad • Gestión de las organizaciones • Invernadero computarizado • Proyecto tecnológico • Tecnología de las comunicaciones • Tecnología de los materiales • Tecnología en herramientas de corte • Tecnología química en industrias de procesos 1. El aire como materia prima 2. El azufre como materia prima 3. Los minerales como materia prima –bauxita y minerales de hierro– • Unidades de Cultura TecnológicaTodos los libros están disponibles en la página web del INET. www.inet.edu.ar
  6. 6. A la memoria de mi hijo Pablo
  7. 7. ÍndiceLas metas, los programas y las 2 Los minerales de hierro comolíneas de acción del Instituto materia prima 70Nacional de Educación Tecnológica 8 • El hierro • El sistema hierro-carbonoLas acciones del Centro Nacional 9 • Fundiciones; clasificación y pro-de Educación Tecnológica piedadesPresentación 10 • Obtención del hierro a partir de los minerales1 La bauxita como materia prima 12 • Obtención de arrabio en el alto • Obtención de alúmina a partir de horno la bauxita. Proceso Bayer • Obtención de acero a partir del • El aluminio arrabio • Proceso de desgasificación del • Algunas nociones de electroquími- acero fundido ca • Proceso de colada continua • Obtención de aluminio por el pro- ceso Hall-Héroult • Tratamientos térmicos que se apli- can al acero • Consumo de energía en la fabrica- ción de aluminio • Producción de acero crudo • Aceros aleados • Productos comerciales • Aceros inoxidables • La producción de aluminio prima- rio en la Argentina • Principales establecimientos side- rúrgicos del país • Reciclaje del aluminio • La industria siderúrgica y el medio • Usos y aplicaciones del aluminio ambiente • Aspectos ambientales derivados de la producción de aluminio Bibliografía de consulta 116 Miguel Katz Profesor en Química (Instituto Nacional Superior del Profesorado "J. V. González"), licenciado en Enseñanza de la Química (Universidad CAECE). Es docente en el ISP "J. V. González" donde dicta diversas disciplinas en los Departamentos de Química y de Física, y en el Instituto de Educación Superior Nº 2 "Mariano Acosta" donde es profesor de "Termodinámica". Fue profesor adjunto de "Termodinámica" (Facultad Regional Buenos Aires. Universidad Tecnológica Nacional) y profesor asociado de Este libro "Química Orgánica" en la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Morón. En losfue desarrollado últimos años ha dictado gran cantidad de cursos de capacitación docente en temas de por: Química.
  8. 8. Programa 1. Formación técnica, media y superior no universitaria:LAS METAS, LOS PROGRAMAS 1.1. Homologación y validez nacional de títulos.Y LAS LÍNEAS DE ACCIÓN 1.2. Registro nacional de instituciones de forma-DEL INSTITUTO NACIONAL ción técnica. 1.3. Espacios de concertación.DE EDUCACIÓN TECNOLÓGICA 1.4. Perfiles profesionales y ofertas formativas.El Instituto Nacional de Educación Tecnológica -INET- 1.5. Fortalecimiento de la gestión institucional;enmarca sus líneas de acción, programas y proyectos, equipamiento de talleres y laboratorios.en las metas de: 1.6. Prácticas productivas profesionalizantes: Aprender emprendiendo. • Coordinar y promover programas nacionales y federales orientados a fortalecer la educación téc- Programa 2. Crédito fiscal: nico-profesional, articulados con los distintos 2.1. Difusión y asistencia técnica. niveles y ciclos del sistema educativo nacional. 2.2. Aplicación del régimen. • Implementar estrategias y acciones de coope- 2.3. Evaluación y auditoría. ración entre distintas entidades, instituciones y organismos –gubernamentales y no gubernamen- Programa 3. Formación profesional para el desarrollo tales-, que permitan el consenso en torno a las local: políticas, los lineamientos y el desarrollo de las 3.1. Articulación con las provincias. ofertas educativas, cuyos resultados sean conside- rados en el Consejo Nacional de Educación-Trabajo 3.2. Diseño curricular e institucional. –CoNE-T– y en el Consejo Federal de Cultura y 3.3. Información, evaluación y certificación. Educación. Programa 4.Educación para el trabajo y la integración • Desarrollar estrategias y acciones destinadas a vin- social. cular y a articular las áreas de educación técnico- Programa 5. Mejoramiento de la enseñanza y del apren- profesional con los sectores del trabajo y la produc- dizaje de la Tecnología y de la Ciencia: ción, a escala local, regional e interregional. 5.1. Formación continua. • Diseñar y ejecutar un plan de asistencia técnica a las jurisdicciones en los aspectos institucionales, 5.2. Desarrollo de recursos didácticos. pedagógicos, organizativos y de gestión, relativos a Programa 6. Desarrollo de sistemas de información y la educación técnico-profesional, en el marco de los comunicaciones: acuerdos y resoluciones establecidos por el Consejo Federal de Cultura y Educación. 6.1. Desarrollo de sistemas y redes. • Diseñar y desarrollar un plan anual de capacitación, 6.2. Interactividad de centros. con modalidades presenciales, semipresenciales y a Programa 7. Secretaría ejecutiva del Consejo Nacional distancia, con sede en el Centro Nacional de de Educación Trabajo –CoNE-T–. Educación Tecnológica, y con nodos en los Centros Regionales de Educación Tecnológica y las Unidades Programa 8. Cooperación internacional. de Cultura Tecnológica. • Coordinar y promover programas de asistencia Los libros que, en esta ocasión, estamos acercando a la económica e incentivos fiscales destinados a la comunidad educativa, se enmarcan en el Programa 5 actualización y el desarrollo de la educación técni- del INET; han sido elaborados por especialistas del co-profesional; en particular, ejecutar las acciones Centro Nacional de Educación Tecnológica del INET y relativas a la adjudicación y el control de la asig- por especialistas convocados a través del Programa de nación del Crédito Fiscal –Ley Nº 22.317–. las Naciones Unidas para el Desarrollo –PNUD– desde su línea “Conocimientos científico-tecnológicos para el • Desarrollar mecanismos de cooperación interna- desarrollo de equipos e instrumentos”, a quienes esta cional y acciones relativas a diferentes procesos de Dirección expresa su profundo reconocimiento por la integración educativa; en particular, los relaciona- tarea encarada. dos con los países del MERCOSUR, en lo referente a la educación técnico-profesional.Estas metas se despliegan en distintos programas y María Rosa Almandoz Directora Ejecutivalíneas de acción de responsabilidad de nuestra institu- del Instituto Nacional de Educación Tecnológica.ción, para el período 2003-2007: Ministerio de Educación, Ciencia y Tecnología
  9. 9. disponibles en el espacio web www.inet.edu.ar–:LAS ACCIONES • Educación Tecnológica, que abarca materiales queDEL CENTRO NACIONAL posibilitan una definición curricular del área de la Tecnología en el ámbito escolar y que incluyeDE EDUCACIÓN TECNOLÓGICA marcos teóricos generales, de referencia, acerca del área en su conjunto y de sus contenidos, enfo-Desde el Centro Nacional de Educación Tecnológica ques, procedimientos y estrategias didácticas más–CeNET– encaramos el diseño, el desarrollo y la imple- generales.mentación de proyectos innovadores para la enseñanzay el aprendizaje en educación técnico-profesional. • Desarrollo de contenidos, nuestra segunda serie de publicaciones, que nuclea fascículos de capaci-El CeNET, así: tación en los que se profundiza en los campos de problemas y de contenidos de las distintas áreas • Es un ámbito de desarrollo y evaluación de del conocimiento tecnológico, y que recopila, metodología didáctica, y de actualización de con- también, experiencias de capacitación docente tenidos de la tecnología y de sus sustentos cientí- desarrolladas en cada una de estas áreas. ficos. • Capacita en el uso de tecnología a docentes, profe- • Educación con tecnologías, que propicia el uso de sionales, técnicos, estudiantes y otras personas de la tecnologías de la información y de la comu- comunidad. nicación como recursos didácticos, en las clases de todas las áreas y espacios curriculares. • Brinda asistencia técnica a autoridades educativas jurisdiccionales y a educadores. • Educadores en Tecnología, serie de publicaciones • Articula recursos asociativos, integrando a los que focaliza el análisis y las propuestas en uno actores sociales involucrados con la Educación de los constituyentes del proceso didáctico: el Tecnológica. profesional que enseña Tecnología, ahondando en los rasgos de su formación, de sus prácticas,Desde el CeNET venimos trabajando en distintas líneas de de sus procesos de capacitación, de su vincu-acción que convergen en el objetivo de reunir a profe- lación con los lineamientos curriculares y consores, a especialistas en Educación Tecnológica y a repre- las políticas educativas, de interactividad consentantes de la industria y de la empresa, en acciones sus alumnos, y con sus propios saberes y modoscompartidas que permitan que la educación técnico-pro- de hacer.fesional se desarrolle en la escuela de un modo sistemáti-co, enriquecedor, profundo... auténticamente formativo, • Documentos de la escuela técnica, que difundetanto para los alumnos como para los docentes. los marcos normativos y curriculares que desde el CONET –Consejo Nacional de EducaciónUna de nuestras líneas de acción es la de diseñar y llevar Técnica- delinearon la educación técnica deadelante un sistema de capacitación continua para profe- nuestro país, entre 1959 y 1995.sores de educación técnico-profesional, implementandotrayectos de actualización. En el CeNET contamos con • Ciencias para la Educación Tecnológica, que presentaquince unidades de gestión de aprendizaje en las que se contenidos científicos asociados con los distintosdesarrollan cursos, talleres, pasantías, conferencias, campos de la tecnología, los que aportan marcosencuentros, destinados a cada educador que desee inte- conceptuales que permiten explicar y fundamentargrarse en ellos presencialmente o a distancia. los problemas de nuestra área.Otra de nuestras líneas de trabajo asume la respon- • Recursos didácticos, que presenta contenidos tec-sabilidad de generar y participar en redes que vinculan nológicos y científicos, estrategias –curriculares,al Centro con organismos e instituciones educativos didácticas y referidas a procedimientos de cons-ocupados en la educación técnico-profesional, y con trucción– que permiten al profesor de la edu-organismos, instituciones y empresas dedicados a la cación técnico-profesional desarrollar, con sustecnología en general. Entre estas redes, se encuentra alumnos, un equipamiento específico para inte-la Red Huitral, que conecta a CeNET con los Centros grar en sus clases.Regionales de Educación Tecnológica -CeRET- y conlas Unidades de Cultura Tecnológica –UCT– instaladosen todo el país. Juan Manuel KirschenbaumTambién nos ocupa la tarea de producir materiales de Director Nacionalcapacitación docente. Desde CeNET hemos desarrolla- del Centro Nacional de Educación Tecnológica.do distintas series de publicaciones –todas ellas Instituto Nacional de Educación Tecnológica
  10. 10. PRESENTACIÓN A lo largo de este trabajo abarcamos los fun- Más allá de los aspectos beneficiosos que damentos teóricos de la producción de alu- brindan los productos de aluminio, hay per- minio, de hierro y de acero, así como una juicios ambientales que están causando preo- descripción de los principales procesos cupación: la emisión de contaminantes industriales que, en la actualidad, se efectúan atmosféricos; especialmente, CO2 y perfluo- para obtenerlos. rocarbonos. Estos últimos contribuyen en tal grado al efecto invernadero que se estima En apenas 120 años, la industria del alumi- que un kilogramo de tetraflurometano conta- nio experimentó un crecimiento vertiginoso, mina tanto como seis toneladas y media de suministrando un material de múltiples apli- CO2. caciones. Ese metal –que, a mediados del siglo XIX, era mucho más caro que el oro– La segunda parte de este trabajo está dedi- pasó a ser constituyente de una infinidad de cada la obtención del hierro y el acero. En artículos de nuestra vida cotidiana: marcos ciertas épocas, el conocimiento de la tecno- de ventanas, envases de bebidas gaseosas, logía de estos metales ha cambiado el curso baterías de cocina, etc. El método de su de la historia y es así que una de las transi- obtención es prácticamente único. ciones de la civilización está constituida Descubierto por un estudiante de escuela por el paso de la edad de bronce a la edad secundaria que experimentaba en el fondo de del hierro. Los objetos de hierro y acero son su casa, ha dado lugar a la formación de una parte de nuestra vida cotidiana y es de par- media docena de empresas multinacionales ticular interés que los estudiantes conozcan que proveen de este material a todo el los procesos mediante los cuales se obtie- mundo. nen. Pero, también es importante que tomen conciencia del efecto ambiental que La bauxita es la materia prima que más se provoca la reducción del mineral por el car- utiliza; es tan abundante sobre la corteza bón. La producción mundial de acero terrestre que asegura la producción de alumi- crudo ronda los 1000 millones de tonela- nio por muchas décadas. Pero, el costo das anuales y por cada tonelada de metal se mayor lo constituye la energía requerida para liberan a la atmósfera 2,0-2,2 toneladas de el proceso de obtención. La búsqueda de CO2, con lo que la industria siderúrgica se fuentes de energía baratas ha dado lugar a constituye en uno de los mayores emisores operaciones comerciales que parecen insóli- de ese gas. tas como, por ejemplo, que una empresa lleve la bauxita desde Australia hasta Para el docente que desee ampliar la infor- Islandia, obtenga allí el aluminio y lo expor- mación sobre algunos procesos, se indican te a los Estados Unidos. páginas de Internet, así como una bibliogra- fía de consulta.10
  11. 11. También se agregan algunos encuadres teóri- Esperamos que el contenido de este trabajocos y referencias biográficas de personas que sea de utilidad al docente y le sugiera algunashan contribuido al desarrollo de la ciencia o ideas para su traslado al aula.la tecnología. A lo largo de este material de capacitación apela- ¿Cómo funciona? ¿Cómo está hecho y de qué mate- mos al análisis de productos y de procesos tecno- rial? ¿Qué valor tiene? ¿Cómo está relacionado con lógicos, procedimiento clave de la Educación su entorno? ¿Cómo está vinculado a la estructura Tecnológica. sociocultural y a las demandas sociales?" (Gay, Aquiles; Ferreras, Miguel. 1997. La Educación "Las diversas etapas del método de análisis o lec- Tecnológica. Aportes para su implementación. tura surgen como respuesta a interrogantes que, Prociencia-CONICET. Ministerio de Cultura y normalmente, un observador crítico se plantearía Educación de la Nación. Buenos Aires). frente a los objetos en general y a un objeto en par- ticular: ¿Qué forma tiene? ¿Qué función cumple? Usted puede acceder a la versión digital de esta ¿Cuáles son sus elementos y cómo se relacionan? obra desde el sitio web: www.inet.edu.ar 11
  12. 12. 1. LA BAUXITA COMO MATERIA PRIMA La bauxita es el mineral más comúnmente cantidad de estos minerales presentes en la usado como materia prima para la obtención bauxita son las responsables de su aspecto de aluminio. Este mineral fue descubierto en físico; así hay bauxitas de color pardo oscu- 1821 por P. Berthier en un lugar próximo a ro, amarillo pálido, rosado, etc. Les Baux, en el sur de Francia, de donde deviene el nombre. La bauxita se presenta en A fines de 1995, la U. S. Bureau of Mines esti- tres formas mineralógicas que difieren en el maba las reservas mundiales de bauxita en número de moléculas de agua de hidratación 25.000 millones de toneladas, probadas y pro- y estructura cristalina. Las tres formas estruc- bables. Las estimaciones actuales apuntan a turales de la bauxita se llaman gibbsita, böh- 75.000 millones de toneladas. La mayor parte mita y diásporo. La gibbsita es un verdadero de las reservas de hidróxido de aluminio mientras que la böh- bauxita se encuen- mita y el diásporo son óxidos-hidróxidos de tra en zonas tropi- De acuerdo con la U.S. aluminio. La principal diferencia entre estas cales, en América Geological Survey "La dos últimas radica en la estructura cristalina. del Sur (33 %), magnitud de esas África (27 %), Asia reservas es suficiente para asegurar un En la bauxita, acompañan a los compuestos (17 %) y Oceanía suministro accesible y de aluminio: magnetita (Fe3O4), hematita (13 %). 1 fluido para el futuro". (Fe2O3), goethita (FeO(OH)), siderita (FeCO3), caolinita (H4Al2Si2O9), ilmenita (FeTiO3), anatasa, rutilo y brookita (estos La producción de bauxita creció casi un 20 % últimos minerales de TiO2). La naturaleza y (de 112 a 134 millones de toneladas) entre Unidades Gibbsita Böhmita Diásporo Composición Al(OH)3 AlO(OH) AlO(OH) Contenido máximo % 65,4 85,0 85,0 de alúmina Sistema cristalino Monoclínico Ortorómbico Ortorómbico Densidad g . cm-3 2,42 3,01 3,44 Temperatura para una deshidratación °C 150 350 450 rápida 1 U.S. Geological Survey (1996) "Bauxite and alumina".12
  13. 13. 1994 y 2004. Australia el es mayor productor Obtención de alúmina a partir(38 %) seguido por Guinea (12 %). La pro-ducción de Brasil creció, en ese período, del 7 de la bauxita. Proceso Bayeral 10 % del total mundial, superando a Jamaica(9 %). La producción de bauxita está crecien- En 1889, Karl Josef Bayer, hijo del fundadordo rápidamente en China y la India. de la empresa química del mismo apellido, desarrolló un método para la obtención deSegún la Africa Resources Corp., más de la alúmina a partir de la bauxita, proceso quemitad del costo de producción de bauxita desde entonces ha sufrido muy pocas modi-se debe a las cargas laborales (34 %) y a la ficaciones.energía (21 %). Más del 85 % de la pro-ducción mundial de bauxita se destina a la En el proceso Bayer, el mineral se hace pasarproducción de alúmina y aluminio. Las por quebrantadoras de rodillos y, luego, esempresas internacionales dedicadas a la molido en molinos de bolas. La bauxita moli-producción de aluminio participan en más da es dispersada en una lejía de soda cáusti-del 62 % de la producción mundial de bau- ca para extraer la gibbsita, la böhmita o elxita. Alcoa World Alumina and Chemicals diásporo presente y, así, separar selectiva-group (AWAC), un consorcio formado por mente los compuestos de aluminio de losAlcoa (60 %) y Western Minning Corp. (40 %), componentes insolubles (generalmente, óxi-produce más alúmina que cualquier otra dos). Para que la separación sea eficiente, secompañía en el mundo. Luego de su fusión requiere que el mineral de partida contengacon Reynolds Metal Co., Alcoa controla el 38 menos del 3 % de silicatos, ya que estos% del mercado mundial de alúmina y alu- compuestos tienden a solubilizarse por reac-minio. ción con hidróxido de sodio. Esquema del proceso Bayer para la obtención de la alúmina 13
  14. 14. La reacción de la gibbsita con el hidróxido de mentación, del residuo insoluble presente en sodio ocurre según: la bauxita. El barro depositado por sedimen- tación, llamado "barro rojo", contiene óxidos Al(OH)3 + Na+ + OH- Al(OH)4- + Na+ de hierro, silicato de aluminio y sodio, óxido de titanio y otras impurezas, principalmente La böhmita y diásporo reaccionan con el óxidos. El tamaño de partícula del barro rojo hidróxido de sodio formando, también, alu- es muy pequeño –en algunos casos, menor minato de sodio: que 1 micrón–, por lo que deben regularse cuidadosamente las condiciones en que se AlO(OH) + Na+ + OH- + H2O produce su decantación y sedimentación. Al(OH)4- + Na+ Una vez separado el barro rojo, el remanente se filtra y los sólidos que quedan en los fil- La solución de aluminatos, conjuntamente tros se lavan, para recuperar el hidróxido de con los productos insolubles forma una sodio que se recicla al proceso principal. lechada que se envía a un digestor. Las con- diciones en el digestor (temperatura, presión Un problema bastante serio está constituido y concentración) se fijan de acuerdo con las por la deposición propiedades del mineral de partida. del barro rojo. Minerales con un alto porcentaje de gibbsita Generalmente, se Una planta que proce- pueden procesarse a 140 ºC; en cambio, si la lo deposita en se 3 millones de tone- bauxita contiene porcentajes importantes de zonas bajas y se lo ladas de bauxita por böhmita o diásporo requiere que el digestor cubre con agua, año, requiere un área opere entre 200 y 240 ºC. La presión de tra- de 1 km2 para el de- formando una pósito del barro. bajo es relativamente elevada y depende, suerte de laguna. también, de los porcentajes de los tres com- puestos de aluminio. Para un mineral rico en La lejía purificada contiene una relación böhmita –para el cual la temperatura en el molar Na2O:Al2O3 que varía entre 1,5 y 1,8. digestor es de 240 ºC–, la presión óptima es Esta lejía se transfiere a precipitadores donde de unas 35 atmósferas. se enfría a temperaturas entre 47 y 62 ºC, lo que induce una precipitación de alrededor Por consideraciones cinéticas sería provecho- del 50 % de su contenido en alúmina. Para so efectuar el proceso a temperaturas eleva- que la precipitación se produzca, se requiere das. Sin embargo, en la práctica surgen algu- la hidrólisis del aluminato de sodio: nos inconvenientes –corrosión en los apara- tos, disolución de componentes del mineral Al(OH)4- + Na+ Al(OH)3 + Na+ + OH- que a temperatura ambiente son escasamen- te solubles, etc.–, lo que obliga a los elabora- La hidrólisis del aluminato de sodio se logra dores a ajustar muy bien la temperatura del mediante la siembra de cristales de hidróxido digestor para obtener un rendimiento ópti- de aluminio. De esta manera, se produce una mo en la extracción de los compuestos de nucleación selectiva que permite la precipita- aluminio del mineral. ción del hidróxido de aluminio. La propor- ción de cristales de hidróxido de aluminio Después de la disolución, la lejía que contie- debe ser 3 a 4 veces mayor que la que se ne el aluminato de sodio se separa, por sedi- encuentra disuelta. El proceso se lleva a cabo14
  15. 15. agitando la mezcla en grandes tanques de En esta etapa, a unos 1100-1200 ºC, se formaacero, y dura entre 20 y 80 horas. alúmina según:Las partículas de hidróxido de aluminio se 2 Al(OH)3 → Al2O3 + 3H2Odepositan en el fondo del tanque, se remueveny son lavadas en filtros rotatorios. El proceso de calcinación debe ser controlado cuidadosamente, ya que determina las propie-La precipitación del hidróxido de aluminio es, dades del producto.esencialmente, el proceso inverso a la extrac-ción con soda cáustica. En esta etapa deben La alúmina obtenida es la materia prima pararegularse cuidadosamente las condiciones ope- la obtención de aluminio.rativas, tanto la temperatura como la velocidadde enfriamiento. A partir de la década de 1970, muchas refine- rías de alúmina se han mudado de Europa y losLos cristales de hidróxido de aluminio Estados Unidos a las zonas donde están las–comúnmente, llamados "hidrato"– se clasifi- minas de bauxita, especialmente a Australia,can por rangos de tamaño. Las partículas cuyos Brasil, Venezuela e India. Se ha encontrado quetamaños están por debajo de los valores reque- es más económico convertir la bauxita en alú-ridos se reenvían a los precipitadotes. mina in situ que afrontar los gastos de trans- porte de la bauxita. Cuatro países, AustraliaLos cristales de "hidrato" de tamaño apropia- (32 %), Estados Unidos, China y Jaaica produ-do, se envían a un horno rotatorio o a un cen más del 55 % de la alúmina mundial.horno de lecho fluidizado para su calcinación. Producción2 mundial de alúmina3 (Miles de toneladas métricas) Grado Período de la Área 2: Área 3: Área 6A: Área 6B: Área 14: Área 4/5: Área 7: alúmina América América Europa Europa Total África Asia Oceanía del Norte Latina Occ. Oriental Químico 0 236 58 239 354 156 61 1,1042º Meta-trimestre 188 1.474 3.230 1.090 1.244 1.174 4.176 12.576 lúrgico2004 Total 188 1.710 3.288 1.329 1.598 1.330 4.237 13.680 Químico 0 266 67 232 340 159 50 1.1143° Meta-trimestre 198 1.486 3.052 1.098 1.252 1.189 4.175 12.450 lúrgico2004 Total 198 1.752 3.119 1.330 1.592 1.348 4.225 13.5642 La producción total de alúmina es el peso del óxido de aluminio trihidrato expresado como 100 % de equivalente en Al O antes de su posterior tratamiento. La 2 3producción total de alúmina se desagrega según se utilice para la producción de aluminio (alúmina de grado metalúrgico) o para otros procesos químicos.3 International Aluminium Institute (2005) New Zealand House. Haymarket. United Kingdom.4 Área 1 África: Guinea. Área 2 América del Norte: Canadá, Estados Unidos de América. Área 3 América Latina: Brasil, Guyana, Jamaica, Surinam, Venezuela. Área4 Asia: China*, Japón, Corea del Sur*. Área 5 Asia (Sur): Azerbaijan*, India, Irán*, Kazakhstan, Turquía. Área 6A Europa Occidental: Francia, Alemania, Grecia,Irlanda, Italia, España. Área 6B Europa del Este: Bosnia & Herzegovina*, Hungría, Rumania*, Federación Rusa, Serbia & Montenegro, Ucrania. Área 7 Oceanía:Australia. Los asteriscos indican que la información no fue informada directamente a la IAI. 15
  16. 16. Producción mundial de alúmina (Miles de toneladas métricas) Grado Período de la Área 2: Área 3: Área 6A: Área 6B: Área 1: Área 4/5: Área 7: alúmina América América Europa Europa Total África Asia Oceanía del Norte Latina Occ. Oriental Químico 0 251 75 239 364 155 60 1.144 4º Meta- trimestre 204 1.504 3.275 1.158 1.256 1.203 4.234 12.834 lúrgico 2004 Total 204 1.755 3.350 1.397 1.620 1.358 4.294 13.978 Químico 0 992 252 937 1.395 610 229 4.415 Meta- 2004 779 5.895 12.824 4.460 4.982 4.771 16.746 50.457 lúrgico Total 779 6.887 13.076 5.397 6.377 5.381 16.975 54.872 Químico 0 240 60 216 391 144 68 1.119 1° Meta- trimestre 160 1.509 3.239 1.136 1.195 1.203 4.311 12.753 lúrgico 2005 Total 160 1.749 3.299 1.352 1.586 1.347 4.379 13.872 Químico 0 277 65 218 401 155 60 1.176 2º Meta- trimestre 195 1.499 3.259 1.115 1.180 1.195 4.450 12.893 lúrgico 2004 Total 195 1.776 3.324 1.333 1.581 1.350 4.510 14.069 PROPIEDADES DE LA ALÚMINA El aluminio Fórmula Al2O3 Si bien el aluminio es el elemento metálico Nº CAS 1344-28-1 más abundante de la corteza terrestre, su pro- Masa molar 101,96 uma ducción industrial recién pudo llevarse a Densidad 3,97 g . cm-3 cabo hace apenas algo más de un siglo. Punto de fusión 2030 ºC Varias civilizaciones utilizaron compuestos Punto de ebullición 2977 ºC naturales de aluminio para diversos usos. Así, las arcillas con alto contenido de silicatos de Solubilidad en agua Insoluble aluminio hidratados se usaron para produc- Color Blanco tos cerámicos y el sulfato de aluminio fue Calor estándar de formación 1675,69 kJ mol-1 conocido por los egipcios, griegos y romanos, quienes lo emplearon como mordientes en Capacidad calorífica molar los procesos de teñido de las telas. 78,766 J K-1mol-1 (a 25 ºC)16
  17. 17. Morveau propuso que esa "tierra" debería lla- Algunos estudiosos de la historia antigua han marse alumine. Sir Humpry Davy, quien sugerido que hace más de 2.000 años hubo una determinó que todas las "tierras" eran combi- pequeña producción de aluminio, sosteniendo naciones de algún metal con oxígeno, inten- que, en su enciclopedia Historia Naturalis tó obtenerlo por destilación de una amalga- Plinio el Viejo mencionó la existencia de un metal plateado particularmente sonoro: ma de cloruro de aluminio y potasio metáli- co. No logró aislar el metal; pero, a pesar de "Un día, se le permitió a un joyero en Roma ello, propuso llamarlo alumium. mostrar al Emperador Tiberio un plato hecho de un metal nuevo. El plato era muy liviano y, al John Dalton creía que el óxido de aluminio menos, tan brillante como la plata. El joyero le era una sustancia simple y, en su particular dijo al Emperador que había obtenido el metal manera de representar a los elementos, le de arcilla común. También le aseguró al asignó el símbolo: Emperador que sólo él y los Dioses sabían cómo producir ese metal a partir de arcilla. El Emperador se interesó mucho y como un experto en finanzas comenzó a preocuparse. El Emperador se dio cuenta que sus tesoros de oro y plata perderían bastante valor si la gente comenzaba a producir ese metal brillante a partir de la arcilla. Por eso, en lugar de darle al joyero la recompensa que aquél esperaba, En 1825, el físico dinamarqués Hans Christian ordenó decapitarlo." Øersted perfeccionó la técnica de Davy y logró obtener pequeñas cantidades de aluminio Obviamente, no hay manera de comprobar la veracidad de esta historia (la Historia Naturalis haciendo reaccionar una amalgama diluida de de Plinio el Viejo no se caracteriza por su rigor potasio con cloruro de aluminio anhidro y científico). separando el mercurio por destilación: 3 K(Hg) + AlCl3 → 3 KCl + Al + Hg↑Los romanos llamaban alumen a toda sus-tancia de sabor astringente. Es por ello que,en la Edad Media, se le dio el nombre de En 1827, Friedrichalumen (también alumbre) a la sal doble Wöhler mejoró elAl2(SO4)3 . K2SO4 . 24 H2O obtenida de un método de Øerstedmineral llamado alunita, que contiene por- de reacción de pota-centajes apreciables de este sulfato de alu- sio con cloruro deminio y potasio. aluminio anhidro, logrando obtenerCon el desarrollo de la Química, y el enten- aluminio puro endimiento del proceso de neutralización se polvo. Wöhler des-sospechó que la "tierra" que por neutraliza- cribió algunas de lasción con ácido sulfúrico formaba el sulfato propiedades físicasde aluminio debería contener un elemento del aluminio: la den-metálico aún no aislado. En 1761, el quími- Hans Christian Øersted sidad, la conductivi-co francés Louis-Bernard Guyton de (1777-1851) dad eléctrica, etc. 17
  18. 18. PROPIEDADES DEL ALUMINIO Símbolo Al Calor de vaporización 293,4 kJ/mol Número atómico 13 Calor de fusión 10,56 kJ/mol (a 933,45 K) Familia Elementos térreos Presión de vapor 2,42 x 10-6 Pa a 933 K Grupo y período 13 (IIIA), 3 Velocidad del sonido 5100 m/s a 933 K Densidad 2700 kg/m3 1,61 Electronegatividad Apariencia Metálica, plateada (Escala de Pauling) Masa atómica 26,981538 uma Calor específico a 25 ºC 897,1 J/(kg K) Radio atómico (calc.) 125 pm (118 pm) 28,0892 - 5,414849 θ + Capacidad calorífica + 8,560423θ2 + 3,42737θ3 - Radio iónico Al3+ 68 pm del Al sólido - 0,277375/θ2 Configuración [Ne] 3 s2 3 p1 (θ = K/1000) en kJ/mol 31,751+ 3,936.10-8 θ - Niveles electrónicos 2, 8, 3 - 1,7865.10-8 θ2 + Capacidad calorífica Estados de oxidación + 2,6942.10-9 θ3 + 3 (anfotéro) del Al líquido + 5,480.10-9/θ2 (Óxido) (θ = K/1000) en kJ/mol Cúbica centrada en las Estructura cristalina Conductividad eléctrica 37,7 106/m ohm caras Modo de agregación Sólido Conductividad térmica 237 W/(m K) Punto de fusión 933,45 K (1220,58 °F) Energía de 1ª ionización 577,5 kJ/mol Punto de ebullición 2792 K (4566 °F) Energía de 2ª ionización 1816,7 kJ/mol Volumen molar 10,00 ×10-6 m3/mol Energía de 3ª ionización 2744,8 kJ/mol En 1852, Robert Pero, en esa época no había dispositivos eléc- Wilhelm Bunsen tricos adecuados para ese proceso, de modo había electrolizado que comenzó a investigar si se podía mejorar el cloruro de magnesio método de Wöhler. Para ello, luego de varios en un crisol de porce- intentos, encontró que se podía obtener alumi- lana utilizando elec- nio de buena pureza empleando cloruro doble trodos de grafito, de aluminio y sodio. El sodio no sólo era obteniendo magnesio mucho más barato que el potasio sino que la metálico en el cátodo. sal doble es mucho menos volátil que el cloru- Henri Etienne Sante- ro potasio. Presentó su memoria ante la Claire Deville tomó la Academia de Ciencias en marzo de 1854 y en idea de Bunsen e la Exposición Universal de París de 1855 exhi- intentó electrolizar bió un lingote de aluminio de 7 kg. Su amistad Friedrich Wöhler cloruro de aluminio. con el Ministro de Educación de Francia le per- (1800-1882)18
  19. 19. ¿Sabía usted que… ¿Sabía usted que… a mediados del siglo XIX el aluminio Jules Verne, en su De la Tierra a la era un metal más caro que el oro? Luna (1865), describió al aluminio como el metal ideal para el proyectil En 1853, el emperador Napoleón III que los norteamericanos enviarían a la usó platos y cubiertos de aluminio en Luna? un banquete ofrecido al rey de Siam. En esa época, el aluminio era un metal Al respecto escribió: tan precioso que esa vajilla se utilizaba para recepciones a reyes, mientras que "Este valioso metal posee la blancura en las recepciones a dignatarios no tan de la plata, la indestructibilidad del importantes, la vajilla era de oro. oro, la tenacidad del hierro, la fusibili- dad del cobre, la luminosidad del vidrio, se forja con facilidad, está dis-mitió interesar a Napoleón III en un proyecto tribuido ampliamente formando lapara instalar la primera fábrica de aluminio. El base de la mayoría de las rocas, es tresemperador contribuyó con la financiación del veces más liviano que el hierro y pare-proyecto y la planta de elaboración, inicial- ce haber sido creado para el expresomente en Javel (París), se trasladó luego en propósito de proveernos de materialNanterre. En 1859, la fábrica produjo unos para nuestro proyectil."500 kg de aluminio destinados, principalmen-te, a la fabricación de bijouterie. El proceso deSante-Claire Deville provocó una caída del pre-cio del aluminio que, antes de su obtenciónindustrial, era mucho más caro que el oro o elplatino, logrando que a fines de la década de1860, costase una centésima parte que en ladécada anterior. Aún con métodos industriales de producción, el alu- minio seguía sien- do un metal caro. Así, por ejemplo, el ápice del obelis- co de Washington, –que se representa en los billetes de un dólar– es una pirámide de alumi-Henri Ettienne Sante- nio de sólo 22 cmClaire Deville de alto y 13,9 cm(1818-1881) 19
  20. 20. Charles Martin Hall Paul Louis Toussaint Héroult (1863-1914) (1863-1914) Charles Martin Hall fue alum- no de Frank F. Jewett en el Paul Louis Toussaint Héroult Oberlin College de Ohio. nació en 1863 en Thury- Jewett, quien había sido dis- Harciurt, Normandía, en una cípulo de Wöhler en Gotinga, pequeña curtiduría, propie- solía describir a los alumnos los trabajos de dad de su padre, cerca de París, transformada Wöhler para obtener aluminio y las dificultades en laboratorio de pruebas. Disponiendo de una de su producción industrial. Este tema le intere- máquina de vapor de débil potencia y de una só al joven Hall quien eligió la obtención de alu- pequeña dinamo Gramme, realizó los primeros minio como trabajo final de su curso de Química. ensayos de electrólisis de la alúmina, experi- En el fondo de su casa montó un pequeño taller, mentando diversos fundentes, hasta llegar a la armó una batería eléctrica y un horno, e intentó criolita. fundir bauxita para electrolizarla. Dada la alta temperatura de fusión del mineral, el resultado El procedimiento electrolítico inventado por de su experimento fue negativo, por lo que se Heroult consiste en electrolizar la alúmina dedicó a buscar algún material que bajase la disuelta en la criolita fundida, con ánodo de temperatura de fusión de la bauxita. Luego de carbono, para recolectar el aluminio fundido. varios intentos, encontró que disolviendo bauxi- ta en criolita fundida que contenía algo de espa- Con Charles Hall entablaron una amistad que to flúor se obtenía una masa pastosa susceptible duró hasta la muerte. Curiosamente, ambos de electrolizar. Variando el amperaje de la cuba nacieron y murieron en los mismos años. en que se encontraba la masa fluida, el 23 de febrero de 1886, logró que se formaran unos gló- bulos de aluminio en el cátodo. Ni bien el alumi- En 1886, dos jóvenes, Charles Martin Hall en nio se enfrió, lo tomó y fue corriendo a mostrár- los Estados Unidos y Paul Louis Toussaint selo a su maestro Jewett. Héroult en Francia, trabajando separadamente y sin conocer el uno el trabajo del otro, inven- Hall patentó su invento; pero, inicialmente, no taron un nuevo proceso electrolítico, llamado encontró quien financiase su producción indus- hoy "Proceso Hall-Héroult", que es la base de trial. Recién en 1888 se contactó con la toda la producción actual de aluminio. Pittsburgh Reduction Company (que, más tarde, se convertiría en la Aluminium Company of América y es hoy el primer producto mundial de aluminio), de la que fue su vicepresidente hasta su muerte. Algunas nociones de electroquímica de lado de la base que pesa 2,85 kg. En 1884 costó 225 dólares, cuando el salario de un ope- rario era de 1 dólar diario. La obtención del aluminio es uno de los pro- cesos más representativos de la industria elec- En 1885, Hamilton Y. Cassner mejoró el pro- troquímica. Por ello, en las páginas siguientes ceso de Sante-Claire Deville, logrando una se presentan algunas nociones de electroquí- producción anual de 15 toneladas. mica. El docente avezado en temas tales como la conducción por electrolitos, pilas químicas y20
  21. 21. de concentración, pilas y electrodos reversi- Las leyes de la electrólisisbles, puede omitirlas y dirigirse, directamente,al título "Obtención de aluminio por el proce- de Faradayso Hall-Héroult". Hay sustancias, como la sacarosa, cuyas solu- ciones acuosas son tan malas conductoras de ELECTROQUÍMICA la electricidad como el agua pura. Tales sus- tancias reciben el nombre de no electrolitos. Las leyes de la electrólisis Otras sustancias, como el cloruro de sodio o el ácido acético, cuyas soluciones acuosas de Faraday conducen mejor la corriente eléctrica que el agua pura, se llaman electrolitos. También, Conductividad molar son electrolitos sustancias que al estado sóli- do no son conductoras de la corriente eléc- trica –como los óxidos básicos, las sales, los Electrolitos débiles. hidróxidos metálicos, etc.–, pero que se vuel- ven conductoras cuando, por fusión, son lle- La teoría de Arrhenius vadas al estado líquido. La circulación de una corriente eléctrica a tra- FEM y su medición vés de una solución de electrolito o de un elec- trolito fundido, suele provocar distintas trans- formaciones en ellos. En algunos casos, se Pilas químicas deposita sobre alguno o ambos electrodos del y de concentración generador de corriente eléctrica una sustancia simple que se encontraba formando parte del compuesto electrolítico. En otros casos, algún Pilas reversibles elemento presente en el electrolito se libera como sus- La comprensión de los Variaciones de energía libre tancia simple gase- procesos electroquími- en pilas reversibles osa. Hay casos en cos se inicia con los que el electrodo se trabajos de Michael Faraday, quien encon- Potenciales de electrodos disuelve. También tró la relación entre la reversibles hay casos en que circulación de corrien- se descompone el te en soluciones de solvente. sales, y las masas Fenómenos eléctricos depositadas o liberadas en las interfases. El conjunto de las en los electrodos. Doble capa eléctrica transformaciones químicas originadas por la circulación de una Electrólisis y polarización. corriente eléctrica a través de un electrolito Tensión de descomposición fundido o una solución de electrolito se llama electrólisis. 21
  22. 22. En 1833, al estudiar los Posteriormente, Faraday hizo circular una fenómenos de electrólisis, corriente eléctrica a través de varias cubas Michael Faraday encontró conectadas en serie, conteniendo cada cuba una relación entre la canti- un electrolito distinto, y encontró que las dad de electricidad que masas de las distintas sustancias simples circula a través de la solu- que reaccionaban en los electrodos por el ción de electrolito y la paso de esa corriente eran proporcionales a masa de sustancia que sus respectivos pesos equivalentes quími- reacciona en los electrodos cos5. Es decir, si por el paso de una corrien- por efecto de la corriente. te de q coulomb en la cuba 1 reacciona una Michael Faraday Sean w , w , ... , w las masa w1 de sustancia simple cuyo equiva- 1 2 n (1791-1869) masas que se depositan, lente químico en el electrolito es Eq1, y en liberan, disuelven, etc., por la acción de las res- la cuba 2 reacciona una masa w2 de sustan- pectivas cargas q1, q2, ... , qn. cia simple cuyo equivalente químico en el Experimentalmente, Faraday encontró que: electrolito es Eq2, ... , y en la cuba n reac- ciona una masa de sustancia simple wn cuyo equivalente químico en el electrolito w1 w2 wn es Eqn se verifica: q1 = q2 = ... = qn = EEQ (1) w1 w2 w Ésta constituye la expresión matemática de la = = ... = n (2) Eq1 Eq2 Eqn llamada Primera Ley de Faraday, cuyo enun- ciado es: Ésta constituye la expresión matemática de la llamada Segunda Ley de Faraday cuyo enun- La masa de sustancia que sufre una transforma- ciado es: ción química por el paso de una corriente eléctrica a través de un electrolito es proporcional a la can- tidad de electricidad que ha circulado. Las cantidades de sustancias distintas que se depositan, disuelven o liberan por el paso de la misma cantidad de electricidad son proporcionales EEQ recibe el nombre de equivalente electro- a sus respectivos pesos equivalentes químicos. químico del elemento que se transforma en el electrodo. Resulta evidente que el equi- valente electroquímico de un elemento en En rigor, las dos leyes de Faraday se pueden un compuesto viene medido por la masa de compendiar en una sola. En efecto, si aplica- dicho elemento que se transforma (en el mos la primera ley sucesivamente a dos ele- electrodo) por la acción de la unidad de mentos distintos cuando son producidos por carga. dos cargas distintas q y q" tendremos: Si bien en el Sistema Internacional se lo wE1 = EEQ1 . q’ y wE2 = EEQ2 . q” expresa en kg C-1 usualmente se usa g C-1. 5 El peso equivalente químico, también llamado "equivalente químico", "masa de combinación" o "equivalente gramo" de un elemento en un compuesto es una magnitud que viene dada por la relación entre el átomogramo de dicho elemento y la valencia con la que actúa en el compuesto.22
  23. 23. y, cuando en ambas electrólisis la cantidad de eléctrico, los cationes (iones con carga posi-electricidad es la misma q = q" = q, la segun- tiva) migran hacia el cátodo donde captanda ley nos autoriza a escribir: los electrones de la corriente eléctrica, mientras que los aniones (iones con carga wE1 = Eq1 . q y wE2 = Eq2 . q negativa) se descargan en el ánodo. Si el proceso catódico o anódico de un equiva- lente gramo requiere el paso de un faradayDe esto: de electricidad, es razonable suponer que esta cantidad de electricidad representa la carga que lleva un equivalente gramo de Eq1 Eq2 cualquier ión. Si el ión tiene valencia z, en = = constante (3) EEQ1 EEQ2 un mol de iones habrá z equivalente-gramo y, por lo tanto, su carga total será z cou- lomb. Como en un mol de iones hay elEl equivalente químico de un elemento en número de Avogadro (NA) iones, la cargaun compuesto es una constante caracterís- que transporta cada ión será z / NA.tica del elemento en ese compuesto. Elequivalente electroquímico de un elemen- La valencia z es un número entero: 1 para unto, también lo es. Por lo tanto, el cociente ión monovalente, 2 para un ión divalente, 3entre ambos es una constante que tiene el para un ión trivalente, etc. Esto implica quemismo valor, cualquiera sea el electrolito; la carga que transporta cualquier ión es unes decir, es una constante universal. Esa múltiplo de una unidad de carga eléctricaconstante universal, que se ha determinado fundamental cuyo valor es / NA. Mediantecon bastante precisión, recibe el nombre de un gran número de experimentos indepen-constante de Faraday y se indica con la letra dientes se logró identificar esta unidad de . Su valor es: carga eléctrica con el valor absoluto de la car- ga del electrón. = 96485,31 C / Eq (4) La determinación más precisa del número de Avogadro (en la escala de masas atómicas relativas que establece un valor 12,00000Las unidades surgen del hecho que el equi- para el 12C) arroja un valor:valente químico se expresa en gramos/equi-valente químico y el equivalente electroquí-mico se expresa en gramos/coulomb. NA = 6,022137 . 1023 mol-1 (5)Para los cálculos comunes, se suele aproxi-mar el valor de a 96500 C/Eq. En elec- Por lo tanto, el valor absoluto de la carga deltricidad, a 96500 coulomb se lo llama electrón es:"faraday". 96485,31/6,022137.1023 = 1.60217733.10-19 CAdemás de su valor práctico, las leyes deFaraday tienen un significado teórico degran importancia. Por acción del campo 23
  24. 24. Conductividad molar Actividad 1.1. Electrolizando la sal de mesa sobre una servilleta Algunos electrolitos en soluciones acuosas de Le proponemos realizar con sus alumnos el la misma molaridad conducen la corriente eléctrica mejor que otros; esto sugiere que, al siguiente experimento que ejemplifica la disolverse, forman más partículas con carga ocurrencia de una reacción electroquímica eléctrica (iones) que otros, ya sea por diso- y que puede servir como experiencia intro- ciación iónica o por ionización. ductoria para desarrollar los conceptos Los procesos electroquímicos no sólo depen- vinculados con la electrólisis de la alúmina: den de la intensidad de corriente y de la con- • Coloquen, aproximadamente, media centración de electrolito disuelto sino que varían según la naturaleza del electrolito. Es cucharadita de sal de mesa (que contenga por ello que se los clasifica en electrolitos menos de 1 % de MgCO3) sobre una ser- fuertes y débiles. villeta de papel doblada por la mitad. • Doblen suavemente la servilleta tapando la • Aquellos electrolitos que en solución acuo- sa se consideran disociados o ionizados en sal y cuidando que ésta no se desparrame. su casi totalidad se llaman electrolitos fuer- • Mediante un gotero, humedezcan con tes. Son ejemplos de electrolitos fuertes las agua la zona del papel debajo de la cual sales inorgánicas, los hidróxidos metálicos se encuentra la sal. y algunos ácidos minerales como el sulfúri- co, nítrico o clorhídrico. • Viertan una gota de solución de fenolftaleí- • Otros electrolitos, como el amoníaco, los na sobre la zona humedecida que cubre a la ácidos orgánicos, que se consideran par- sal. Si se forma una mancha rosada, esto se cialmente ionizados se dicen electrolitos debe a que la sal contiene demasiado débiles. MgCO3. Utilicen, entonces, otra marca de La resistencia de un conductor eléctrico sal para la cual no se observen cambios de depende no sólo de su naturaleza sino tam- color por el agregado de fenolftaleína. bién de la temperatura, su longitud y su sec- • Mediante pinzas de cocodrilo, sujeten dos ción. A una temperatura dada, la resistencia eléctrica R de un conductor de longitud l y cables a los bornes de una batería de 9 V sección A se expresa como: y apoyen los otros terminales de estos cables sobre la zona húmeda de la servi- l lleta que cubre a la sal. R=ρ (6) A • Observen el cambio de coloración y plan- teen las ecuaciones que correspondan a los procesos que, presumiblemente, han Donde: ocurrido. • ρ se denomina resistividad del conductor.24
  25. 25. El recíproco de la resistencia eléctrica es la Cualquiera sea elconductancia eléctrica (G), cuya unidad en el electrolito, su con- La conductividad molarSistema Internacional es el siemens (S ≡ Ω -1). ductividad molar suministra información disminuye a medi- acerca de la conducti-La inversa de la resistividad se llama conduc - da que la concen- vidad de los iones pre-tividad (antes conductividad específica) y se tración aumenta. sentes en una solución que contiene un mol desimboliza con la letra griega κ. Es decir: Este descenso res- electrolito; su depen- ponde a dos patro- dencia con la concen- nes bien diferen- tración es marcada- A ciados: para los G=κ (7) mente diferente según l electrolitos fuertes, el electrolito sea fuerte la conductividad o débil. molar desciendePara el caso particular en que el conductor muy poco a medida que la concentracióneléctrico sea una solución de electrolito, κ se aumenta; en cambio, para los electrolitosdenomina conductividad electrolítica. Su débiles, el descenso de la conductividadunidad en el Sistema SI es S . m-1. molar con el aumento de la concentración es marcado, especialmente en el rango de con-La conductividad electrolítica no es una centraciones bajas (0-0,5 M6).magnitud apropiada para comparar las con-ductividades de diferentes soluciones. Siuna solución de cierto electrolito estámucho más concentrada que otra, puedetener una conductividad electrolítica másalta –simplemente, por contener másiones–. Por ello, en 1883 FriedrichWilhelm Georg Kohlrausch propuso usaruna magnitud que hoy se denomina con -ductividad molar (anteriormente conductivi-dad equivalente) que se representa mediantela letra griega mayúscula Λ y que se obtie-ne dividiendo la conductividad electrolíticapor la concentración de electrolito. κ Λ= (8) cDonde: Conductividad molar en función de las concentraciones, para el cloruro de potasio• c es la concentración molar de electrolito. (electrolito fuerte) y para el ácido acético (electrolito débil)6 M es el símbolo de la concentración molar en moles/litro. Hay otras formas de expresar la concentración. 25
  26. 26. Usualmente, se extrapolan los valores de ductos y la conductividad molar se aproxi- conductividad molar de un electrolito para ma a Λ0. concentración igual a cero. El valor así halla- • A medida que la concentración aumenta, el do se denomina conductividad molar a dilu- estado de equilibrio se desplaza hacia los ción infinita (Λ0). Sin embargo, para electro- reactantes y la conductividad molar dismi- litos débiles los valores de conductividad nuye a valores de Λ menores que Λ0. molar a dilución infinita calculados por extrapolación son poco confiables. El grado de disociación (es decir, la fracción de la concentración original de AB que se ha transformado en A+ y B-) viene medida por Λ/Λ0 y se representa mediante la letra griega α: Para explicar las diferencias observadas entre las conductividades de electrolitos fuer- tes y débiles, Svante Arrhenius supuso que Λ α = (9) los electrolitos débiles no están completa- Λ0 mente disociados en iones conductores de la electricidad. Cuando la concentración de electrolito es tan baja que su solución puede considerarse infi- nitamente diluida, puede presumirse que dicho electrolito está completamente disocia- do en sus iones y α tiende a 1. Electrolitos débiles. La teoría La teoría de Arrhenius explica por qué el de Arrhenius calor de neutralización por mol de agua pro- ducida es constante: los ácidos y bases fuer- Los datos de conductividades molares y el tes en solución acuosa pueden considerarse hecho de que, en la neutralización de áci- casi completamente disociados, por lo que la dos fuertes con bases fuertes, el calor de neutralización consiste, simplemente, en la neutralización por mol de agua formado es reacción de los iones H+ con los iones HO- prácticamente el mismo (aproximadamen- para formar agua. te, 54,7 kJ/mol de agua), condujeron a Svante Arrhenius a proponer una nueva teo- Jacobus Hendericus vant Hoff corroboró la ría sobre las soluciones electrolíticas. Según teoría de Arrhenius mediante mediciones de esta teoría, en las soluciones acuosas de elec- presión osmótica de soluciones de electroli- trolitos débiles existe equilibrio entre el elec- tos, las que son siempre mayores que las trolito sin disociar y los iones productos de soluciones de no electrolitos de las mismas su disociación. Así, para un electrolito AB en concentraciones y a las mismas temperatu- solución acuosa, se cumple: ras. Así, vant Hoff propuso la ecuación AB A+ + B- π = icRT (10) • A concentraciones muy bajas, el estado del equilibrio está desplazado hacia los pro-26
  27. 27. para la relación entre la presión osmótica π, + -la concentración c y la temperatura T. El fac- Kc = [A ][B ] (12) [AB]tor i se llama factor de vant Hoff.Vant Hoff encontró que, para electrolitos fuer- Si se disuelven n moles de electrolito AB entes, el factor i es prácticamente igual al núme- un volumen V y la fracción disociada es α, laro de iones que se forman por disociación fracción no disociada será 1 - α. Alcanzado eltotal. Así, para el NaCl o el HCl, etc., i = 2; equilibrio, las concentraciones de las trespara el Ca(NO3)2, H2SO4, etc., i = 3; y, así, especies serán:sucesivamente. En cambio, un electrolito débilque en el caso de estar totalmente disociado [AB] = n (1 - α) / Vprodujera ν iones, al estar parcialmente diso- [A+] = nα / Vciado con un grado de disociación α, produci- [B-] = nα / Vría να iones por mol de electrolito originalmientras que en la solución quedaría una frac- Por consiguiente, la constante de equilibrioción 1 - α sin disociar. De modo que el núme- estará dada por:ro de partículas que se forman por unidad deelectrolito original es: (nα / V)2 nα2 Kc = = [n (1 - α)] / V V (1 - α) i = 1 - α + ναPor lo tanto: Siendo n/V = c, la concentración inicial de electrolito, la ecuación anterior puede escribirse: α = i - 1 (11) v-1 Kc = cα2 (13) 1-αEsta expresión permite calcular el grado dedisociación a partir de mediciones de presiónosmótica. Esta expresión permite calcular el grado de disociación de un electrolito en función de suEn 1888, Friedrich Wilhelm Ostwald concentración (a una temperatura dada).expresó de manera cuantitativa la concep-ción de Arrhenius. Si, en solución acuosa, Como α = Λ/Λ0, la ecuación anterior toma laun electrolito AB se disocia parcialmente en formaiones A+ y B-: Kc = c (Λ / Λ )0 (14) AB A+ + B- 0 2 1 - (Λ / Λ )una vez que se alcanza el equilibrio, y supo-niendo comportamiento ideal, la constantede equilibrio toma la forma: Siendo Λ0 y Kc constantes para un electrolito dado, esta ecuación permitiría encontrar la 27
  28. 28. conductividad de una solución de un elec- Estos valores no pueden obtenerse solamen- trolito de concentración conocida; de hecho, te a partir de los valores de Λ0 sino que se los resultados experimentales muestran que calculan a partir de las velocidades con que esta relación entre c y Λ es satisfactoria para se desplazan los iones bajo condiciones electrolitos débiles. En cambio, para electro- estandarizadas. litos fuertes se observan desviaciones impor- tantes respecto de los valores calculados a Si bien los cationes y aniones se neutralizan partir de esta ecuación. en cantidades equivalentes en ambos electro- dos, estos iones no se mueven con la misma En 1923, Petrus Debye y Erich Hückel pro- velocidad bajo la acción de la FEM –fuerza pusieron una ecuación teórica7 que es aplica- electromotriz– aplicada. Esto se debe a que, ble para soluciones diluidas de electrolitos en muchos casos, la carga que transporta tanto débiles como fuertes: cada ión es diferente a la que transporta el ión de carga opuesta o –como en el caso de ciertas sales fundidas– la corriente es trans- Λ = Λ0 - (P + QΛ0) c P (15) portada por un solo tipo de iones. Consideremos el caso en que el electrolito está disuelto en agua y la carga de los catio- Donde: nes es diferente a los aniones –supongamos que la relación de cargas es 1 a 3–. Dado • P y Q pueden expresarse en términos de que se deben cumplir las leyes de Faraday, diversas constantes y propiedades de la los cationes se deben mover más rápido por solución. acción del campo eléctrico ya que por cada anión que se descarga en el ánodo se deben En 1875, Kohlrausch efectuó un número cargar 3 cationes en el cátodo, de manera considerable de determinaciones de conduc- de mantener una circulación uniforme de tividades molares a dilución infinita, encon- corriente. A partir de este caso –y de cual- trando que cada uno de los iones que produ- quier otro que se considere–, encontramos ce un electrolito efectúa su propia contribu- que el número total de iones descargados o ción al valor de Λ0, sin importar la naturale- cargados en cada electrodo en un intervalo za del otro ión con el cual está asociado. Esto de tiempo, depende de la velocidad que puede expresarse: tenga cada especie iónica. O, en forma más general: Λ = λ 0 + λ0 + - Donde: El número de equivalentes electroquímicos que reaccionan en cada electrodo por la circulación de • λ0 y λ0 son, respectivamente, las conducti- + - la corriente eléctrica en la unidad de tiempo es vidades iónicas a dilución infinita del proporcional a la velocidad de la especie iónica que interactúa con cada electrodo. catión y del anión. 7 Si desea consultar la Teoría de Debye-Hückel sobre la conductividad de soluciones de electrolitos, puede recurrir a: - Laidler, K. J.; Meiser, J. H. (1997) Fisicoquímica. CECSA. México. - Castellan, G. W. (1987) Fisicoquímica. Addison-Wesley Iberoamericana. México.28
  29. 29. Si llamamos n- al número de equivalentes transporte y se los representa mediante loselectroquímicos del anión que interactúa en símbolos t- y t+. Por lo tanto, el número deel ánodo y n+ al número de equivalentes elec- transporte del anión será:troquímicos del catión que interactúa en elcátodo: u- t- = (19) u- + u+ n- = k u- (16) yy u+ t+ = (20) u- + u+ n+ = k u+ (17) de modo que:Donde: t- + t+ = 1• u- es la velocidad del anión. Se han desarrollado varios métodos para• u+ es la velocidad del catión. determinar el número de transporte. Uno de ellos fue ideado en 1853 por JohannPor lo tanto, el número total de equivalente Wilhelm Hittorf y consiste en medir los cam-electroquímicos ntotal será: bios de concentración en las proximidades de los electrodos. Otro, llamado método de la frontera móvil, analiza con qué velocidad se ntotal = k (u- + u+) (18) desplaza el límite entre dos soluciones por acción de una corriente eléctrica. Como la velocidad de un ión es proporcional a su conductividad iónica, en el caso de unaDe las expresiones anteriores se deduce que la dilución infinita, las ecuaciones (19) y (20)fracción de carga eléctrica que transportan los pueden escribirse:aniones en la unidad de tiempo será n- / ntotaly la fracción de carga eléctrica que transportanlos cationes en el t+ = λ0 + y t- = λ0 - (21)mismo intervalo Λ0 Λ0será n+ / ntotal. Se llama número deCada fracción de transporte a la frac-corriente total que ción de corriente eléc- Una vez que se establece alguno de los valo-transporta cada trica que transporta res de λ0 o λ0, se puede calcular todo el con- + -especie iónica se cada especie iónica en junto a partir de los valores disponibles dellama número de solución. Λ0. Por otra parte, a partir de los datos tabu- 29
  30. 30. lados de conductividades iónicas a dilución te manera: las fases o soluciones de diferen- infinita, se pueden obtener los valores de Λ0 tes composiciones concentraciones en con- para electrolitos débiles, valores que cuando tacto se separan mediante líneas verticales. se extrapolan a partir de mediciones de con- Deben indicarse las concentraciones de las centraciones finitas no son muy confiables. soluciones, pues éstas afectan la FEM En nuestro caso, la pila de Weston se representa: 12,5 % Cd en Hg | 3 CdSO 4 . 8 H2O (s) | | Los cálculos termodinámicos establecen que, CdSO4 (sol. sat) | Hg2SO4 (s) | Hg en las condiciones de temperatura y concen- tración en que se produce industrialmente la electrólisis de la alúmina, si el proceso fuese reversible, se requeriría una diferencia de potencial de 1,222 V. Sin embargo, en los procesos más modernos de obtención del aluminio por electrólisis se requie- ren diferencias de potencial de 4,1-4,3 volt. En las secciones siguientes hacemos una rese- ña de los factores que inciden en esa diferencia. FEM y su medición Esquema de la pila Weston; las conexio- En las mediciones de FEM suele utilizarse nes a la amalgama de cadmio y al electro- do de mercurio son de platino. Su FEM es una pila de referencia llamada pila patrón. La de 1,018636 volt absolutos a 0 ºC y varía pila patrón que se utiliza con mayor frecuen- unos 4. 10-8 por cada grado de aumento cia es una variante de la pila de Weston cuyas de temperatura principales ventajas son que su FEM perma- nece constante durante mucho tiempo y que su coeficiente térmico es muy bajo. El electrodo "negativo" de una pila de Pilas químicas y de concen- Weston consiste en una solución saturada de sulfato de cadmio 3 CdSO4 . 8 H2O que con- tración tiene un 12,5 % de amalgama de cadmio; el electrodo "positivo" es mercurio, cubierto Cuando una pila galvánica funciona, genera con sulfato mercurioso sólido (Hg2SO4) en la energía. En muchos casos, la energía provie- misma solución. ne de transformaciones químicas que se pro- ducen en los electrodos. Las pilas que sumi- Convencionalmente, las características de nistran energía debido a transformaciones una pila galvánica se expresan de la siguien- químicas en sus electrodos se llaman pilas30

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