FACULTAD DE INGENIERÍA METALÚRGICA YDE MATERIALES INTRODUCCIÓN Una vez más en el avance de la carrera profesional tenemos el placer de haber estudiado y aprendido proresivamente los !procesos metal"ricos de la #etaluria $eneral% Conviene saber a estas alturas definir ya con más precisi&n lo 'ue es metaluria #etaluria( antes era un arte% )r*cola +silo ,-. en su obra Res Metallic a nos dice 'ue los procesos metal"ricos eran mal conocidos y sus e/plotaci&n era “fundamentalmente perjudicial en todas sus industrias y sazones”lo 'ue si nifica 'ue sensiblemente la metaluria no traspasaba la valla de arte cuyos 0/itos de sus operaciones eran producto de la intuici&n más 'ue de un control cient*fico% 1a metaluria 2/tractiva se divide en 34 partes( se"n O5eda y #ontero 6 • $eo metaluria • #ineraluria +Concentraci&n de #inerales. • #etaluria del Calor +7irometaluria. • #etaluria de las soluciones li'uidas +8idrometaluria. • #etaluria del refinamiento +2lectrometaluria. • #etaluria e/tractiva mi/ta +procesos hidro9electrometaluricos. De los procesos descritos( sin duda la 'ue esta en boa en el 7er" es la #ineraluria( ya 'ue e/iste una e/tensa bibliora f*a docume ntada al respecto 'ue pivotan desd e libros clásicos como :utulov hasta los modernos -illachica ( #anzaneda( etc% 2sta fuera del escape de nuestro estudio estos procesos% 1os temas a desarrollar como introducci&n son los siuientes6 • ;u*mica de las soluciones • Teor*a Clásica de la disociaci&n de electrolitos • Teor*a de )rrhenius • Reacciones 2lectro'u*micas • Termodinámica de la solubilidad • Termodinámica de las soluciones • 2ner*a 1ibre y )ctividad • 2cuaci&n de Nerst • Diarama 2h9p8 con aplicaciones informáticas 1
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FACULTAD DE INGENIERÍA METALÚRGICA Y DE MATERIALES
INTRODUCCIÓN
Una vez más en el avance de la carrera profesional tenemos el placer de haber estudiado
y aprendido proresivamente los !procesos metal"ricos de la #etaluria $eneral%
Conviene saber a estas alturas definir ya con más precisi&n lo 'ue es metaluria
#etaluria( antes era un arte% )r*cola +silo ,-. en su obra Res Metallica nos dice 'ue
los procesos metal"ricos eran mal conocidos y sus e/plotaci&n era “fundamentalmente
perjudicial en todas sus industrias y sazones” lo 'ue sinifica 'ue sensiblemente la
metaluria no traspasaba la valla de arte cuyos 0/itos de sus operaciones eran producto
de la intuici&n más 'ue de un control cient*fico%
1a metaluria 2/tractiva se divide en 34 partes( se"n O5eda y #ontero 6
• $eo metaluria• #ineraluria +Concentraci&n de #inerales.• #etaluria del Calor +7irometaluria.• #etaluria de las soluciones li'uidas +8idrometaluria.• #etaluria del refinamiento +2lectrometaluria.• #etaluria e/tractiva mi/ta +procesos hidro9electrometaluricos.
De los procesos descritos( sin duda la 'ue esta en boa en el 7er" es la #ineraluria( ya'ue e/iste una e/tensa biblioraf*a documentada al respecto 'ue pivotan desde libros
clásicos como :utulov hasta los modernos -illachica ( #anzaneda( etc% 2sta fuera del
escape de nuestro estudio estos procesos%
1os temas a desarrollar como introducci&n son los siuientes6
• ;u*mica de las soluciones• Teor*a Clásica de la disociaci&n de electrolitos• Teor*a de )rrhenius• Reacciones 2lectro'u*micas• Termodinámica de la solubilidad• Termodinámica de las soluciones• 2ner*a 1ibre y )ctividad• 2cuaci&n de Nerst• Diarama 2h9p8 con aplicaciones informáticas
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TEMA Nº 1: QUÍMICA DE SOLUCIONES
<%< Introducción.- )luna vez se han preuntado por'ue el aua al mezclarse con el
az"car se forma un l*'uido de color meloso y en caso de la sal( un color n*veo=%2sta preunta sure sobre todo por'ue conocemos las fases de los compuestos
mencionados ( el az"car como sacarosa +C>8<?O<<. y la sal como cloruro de sodio
+NaCl.( pero la naturaleza intima de los mismos nos intrian de cierta manera% ) primera vista podemos concluir 'ue los cubos de az"car y de sal se vuelven más
pe'ue@os y 'ue están en suspensi&n y por lo tanto los colores n*veos y azucarados
de los l*'uidos se debe a esa causa% :in embaro e/perimentos en condiciones mas
controladas desecharon dicha hip&tesisA entonces B'u0 es lo 'ue ocurre=2s evidente 'ue el az"car al disolverse en el aua tiene ese color caracter*stico
azucarado y lo mismo puede decirse de la sal%2l problema siui& sin soluci&n hasta 'ue ante los !proresos de la ;u*mica en el
:ilo de las 1uces +silo ,-II. un 'u*mico llamado 8enry Cavendish( al estudiar las
propiedades 'u*micas del aua%( racias al avance de la teor*a molecular se pudo
lorar avances sinificativos en la 'u*mica de las soluciones% 7or e5emplo se
descubri& 'ue el cloruro de hidroeno aseoso +8Cl. se pod*a disolver en aua as*9
mismo se descubri& 'ue el ácido sulf"rico +8?:O. es una soluci&n importante en
diversos procesos 'u*micos% 7ero las teor*as 'ue pretend*an e/plicar ( basados en los
traba5os de $ay 1usacc incluso de Neton eran incompletos y se tuvo 'ue esperar lateor*a Dalt&nica del Etomo para avanzar la teor*a de la 'u*mica de solucionesDalton +<F3?9<FGH. al desarrollar la teor*a at&mica y e/tender a la teor*a molecular(
además intuyendo de los traba5os de -olta en electricidad suiri& ala comunidad
cient*fica un ordenamiento de las soluciones% 2n efecto fue el f*sico araday 'uien
suiri& los t0rminos electrolitos( electrodos( cati&n( ani&n y por "ltimo el tan conocido
t0rmino ion 'ue paulatinamente fue introducido en la literatura 'u*mica y 'ue sin ellos
es muy dif*cil e/plicar los fen&menos fisico'u*micos de las soluciones%2l silo ,I, representa un triunfo sinificativo en la teor*a de las soluciones y con el
descubrimiento de fisico'u*mica se efectuaron estudios termodinámicos y seintrodu5eron nuevos t0rminos de ener*a libre ( potencial de solubilidad( actividad
e'uilibrio 'u*mico( etc% 2stos estudios se deben sobre todo a Ostald( )rrehnius(
-anttJ off( $ibbs( entre otros%
<%? Teorí de ! "uí#ic de $o!ucione$.- :abemos 'ue al disolverse la sal K'ue en
adelante lo llamaremos soluto9( por e5emplo( en el aua K 'ue en adelante lo
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llamaremos disoluto9se forma un l*'uido9 'ue en adelante lo llamaremos soluci&n9 de
color n*veo( como lo hab*amos e/plicado en l*neas arriba( pero en esta ocasi&n
e/plicaremos 'ue es lo 'ue pasa realmente% Debemos anticipar 'ue esto solo es una
sucinta e/plicaci&n de lo 'ue en la Teor*a de )rrehnius se detallara mucho más en
l*neas más adelante% 1o 'ue ocurre al disolverse la sal en el aua la mol0cula del
cloruro de sodio se disocia electrol*ticamente%
NaCl NaL LCl9
2s decir 'ue el átomo de sodio se transforma en un átomo el0ctricamente carado es
decir en un ion de sodio( lo mismo puede decirse del cloro% 2n t0rminos de enlace
+puesto 'ue el enlace es i&nico. los lazos de enlace entre los dos átomos se hace
más d0bil y el aua propicia la formaci&n de otros elementos 'u*micos si es 'ue lo
hubiera en el aua%
Disoluto :oluto +2lectrolito.
Fig. Nª 01 Esquem !e u" s#$u%i&"
)l medio l*'uido en el cual se produce la disociaci&n electrol*tica del soluto se llama
electrolito% 2l electrolito universal es el aua% :in embaro e/isten otros electrolitos
'ue de acuerdo a su naturaleza 'u*mica pueden clasificarse como electrolitos fuertes
y d0biles%2ntre los electrolitos fuertes tenemos el 8Cl( 8?:O( 8NO4( etc%2ntre los electrolitos d0biles tenemos el 8?:( C849COO8( el az"car( etc%
<%4 So!u%i!idd.- 2s termino 'u*mico 'ue se aplica para ciertos compuestos yMo
elementos 'ue son solubles en el disoluto o electrolito% )s* por e5emplo la sal sedisuelve con facilidad en el aua( pero el )u nativo no ( ni si'uiera se forman
corrosiones h"medas( pero en cambio el )u se disuelve con facilidad en sales
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1aboratorio #etal"rico en la 7UC7
& TEMA Nº &: TEO'ÍA CL(SICA DE LA DISOCIACI)N DE ELECT'OLITOS
?%< De*inición.- 8emos definido lo 'ue son electrolitos( aora podemos estudiar con masdetalles lo 'ue es una disociaci&n electrol*tica de soluciones% 7or razones didácticas
comenzaremos con el aua%?%? +ro,iedde$ i$ico"uí#ic$ de! Au /0&O
• Densidad 6 < M cm4• Calor espec*fico6 < M C• 2ntalpia de solubilidad6 <4P Mmol
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• Temperatura de fusi&n6 3CQ ?G4%<P • Tipo de enlace6 covalente polar
)luna vez aluien se ha preuntado por'ue el aua por mas cambios de fase deenfriamiento o de calentamiento mantiene la misma estructura molecular= 2sto se debe a
'ue el enlace del hidr&eno con el o/*eno es de puente de hidroeno%
7uente de 8idroeno
Fig. Nª 02 E"$%e !e$ gu7ero )rrehnius( Davy y 8umphrey( al estudiar las disociaciones y basados en los traba5os
de araday propusieron 'ue el aua al actuar como un electrolito sus átomos se pueden
disociar en iones 'ue propician las soluciones de otros iones 'ue están presentes como
solutos% 2n efecto el aua al disociarse como medio disoluto se forman iones de
hidroeno y los iones o/hidrilo6
8?O 84OL L O89
2l ion 84OL se denomina ion hidronio y el ion O89 se denomina ion hidr&/ido% 7ero para
fines de cálculo el ion hidronio es poco práctico y la disociaci&n más utilizada es la 'ue se
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6.& De*inición ,0.- 2s la cantidad adimensional para determinar la basicidad o acidez de
una soluci&n%
6.6 5$icidd.- 2s la cuantificaci&n del p8 mayor a G% 2n t0rminos 'u*micos es la
preponderancia de la concentraci&n de iones O89
6.< 5$icidd.- 2s la cuantificaci&n del p8 menor a G% 2n t0rminos 'u*micos es la
preponderancia de la concentraci&n de iones 8L %
6.< Neutr!idd.- 2s la cuantificaci&n del p8 iual a G% 2n t0rminos 'u*micos no hay
preponderancia de la concentraci&n de iones%
) pesar de los resultados satisfactorios 'ue e/plicaban muchos fen&menos
electro'u*micos( la e/plicaci&n resultaba incompleta y )rrehnius( basados en los traba5os
de Thompson( reformulo los t0rminos de basicidad y acidez en los siuientes t0rminos6
Acide=6 V2s toda soluci&n cuyo disolvente cede protones a los solutosW%
5$icidd: V2s toda soluci&n cuyo disolvente recibe protones de los solutosW%
2sta e/plicaci&n pudo entender con mayor facilidad las reacciones electro'u*micas dereducci&n y o/idaci&n determinando si el medio en el 'ue se !produce la reacci&n es
acido básico o neutro% )demás racias a esta e/plicaci&n se pudo utilizar otras soluciones
e incluso compuestos de fase s&lida para neutralizar si una soluci&n era muy acida o muy
básica%
2n conclusi&n( )rrehnius determino 'ue la acidez y basicidad es de acuerdo al siuiente
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@. TEMA Nº 7@: TE'MODIN(MICA DE LA SOLU5ILIDAD
@.1 De*inición.- Za hemos estudiado los 'ue primero la 'u*mica de soluciones(
solubilidad( las teor*as 'ue rien en ellas y las reacciones electro'u*micas% 7or esoconviene realizar un pe'ue@o resumen para entender me5or los temas a estudiar6
;u*mica de soluciones es una parte de la 'u*mica 'ue estudia los fen&menos 'u*micos en
soluciones de fase li'uida%
Teor*a clásica de solubilidad es el desarrollo te&rico e/perimental del comportamiento de
dichas soluciones%
Teor*a de )rrehnius es la e/plicaci&n cient*fica del rado de concentraci&n de los iones del
disolvente caso% 7ara ello introdu5o el t0rmino de p8 para saber num0ricamente la acidez
o basicidad de una soluci&n%
Reacciones electro'u*micas es un tipo de reacci&n 'u*mica 'ue se enera por aentes de
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∆ G=∫Ti
T 2
CpdT 9 T ∫T 1
T 2
Cp /T dT 2cuaci&n de irchhoff
1a 2ner*a 1ibre tiene como unidad en el :I los 5oules +.
.& Actiidd.- 1a actividad de una reacci&n 'u*mica en sistema abierto es la capacidad
de transformaci&n en la concentraci&n i&nica o de elemento de un reactivo o producto y su
simbolo*a es la letra WaW
.6 Enerí !i%re rección e!ectro"uí#ic.- 1a ener*a 1ibre de formaci&n esta en
fi]uncion a la concentraci&n de las soluciones y se puede desinar con la siuiente
ecuaci&n6
[$Q [$ 9 RT ln e'
Donde e'Q )XM )X % )hora bien( se debe atender la fase en el 'ue se encutran los
reactivos y productos( por lo tanto si la fase de los reactivos o productos es aseosa(
entonces la concentraci&n se manifiesta como la presi&n parcial del sistema( en cambiode los cambios i&nicos como actividades( debido a 'ue el cambio 'u*mico de los iones
solo es de transferencia la actividad de estos es iual a la unidad( es decir%
e'Q 7a%7b%+a)/aX.M )X
1a e/plicaci&n disertada es importante por'ue nos permitirá e/plicar la ecuaci&n de Nesrt
'ue es el fundamento de la 8idrometaluria desde un punto de vista matemático%
2l potencial 2 está en funci&n de la ener*a libre mediante la ecuaci&n6