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Capítulo 22: Los elementos en la naturaleza y la industria

Capítulo 22: Los elementos en la naturaleza y la industria. 22.1 Cómo se encuentran los elementos en la naturaleza 22.2 El ciclo de los elemntos a través del ambiente 22.3 Metalurgia: Extracción de un metal a partir de su mena 22.4 Perforación de la corteza: Aislamiento y usos de los elementos

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Capítulo 22: Los elementos en la naturaleza y la industria

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  1. Capítulo 22: Los elementos en la naturaleza y la industria 22.1 Cómo se encuentran los elementos en la naturaleza 22.2 El ciclo de los elemntos a través del ambiente 22.3 Metalurgia: Extracción de un metal a partir de su mena 22.4 Perforación de la corteza: Aislamiento y usos de los elementos 22.5 Manufactura química: Dos estudios de caso

  2. Abundancia cósmica y terrestre de elementos seleccionados (% masa) CORTEZA MANTO NÚCLEO UNIVERSO ELEMENTO TIERRA Núcleo Manto Corteza Fig. 22.1

  3. Diferenciación geoquímica de los elementos Atmósfera (corteza)Fase silicato (corteza y manto)Fase sulfuro (manto)Fase (hierro) Fig. 22.2

  4. Abundancia de elementos seleccionados en la corteza, sus regiones y el cuerpo humano como representante de la biosfera (% masa) Elemento Corteza Litosfera Hidrosfera Atmósfera Humano O 49.5 45.5 85.8 23.0 65.0 C 0.08 0.018 - 0.01 8.0 H 0.87 0.15 10.7 0.02 10.0 N 0.03 0.002 - 75.5 3.0 P 0.12 0.11 - - 1.0 Mg 1.9 2.76 0.13 - 0.50 K 2.4 1.84 0.04 - 0.34 Ca 3.4 4.66 0.05 - 2.4 S 0.06 0.034 - - 0.26 Na 2.6 2.27 1.1 - 0.14 Cl 0.19 0.013 2.1 - 0.15 Fe 4.7 6.2 - - 0.005 Zn 0.013 0.008 - - 3 x 10-6

  5. Fuentes de los elemntos Carbonatos/Sulfatos ÓxidosSales dehaluroFosfatosSilicatos FosfatosSilicatos Fig. 22.4

  6. El ciclo del carbono C inórganico(mayormente CO2)700 Fotosín-tesis100 Respiracióny fuego60 Actividad humanay combustión5 ATMÓSFERA Plantas800 Descomposición37 Entrada desolución100 Salida desolución98 Transfe-renciadedetritus60 Materiaorgánicamuerta700 Agua natural300 Salida deagua natural0.5 Fotosíntesis50 SUPERFICIE DEL OCÉANO Respiración25 Fitoplancton–1 C inorgánico500 Zooplancton, peces–0.5 TIERRA Transferenciade detritus25 C inorgánico35,000 OCÉANOPRO-FUNDO Combustible fósil300 Materia orgánica muerta1,000 Sedimentos inorgáanicos20,000,000 Fig. 12.5

  7. El ciclo del nitrógeno ATMÓSFERA N inorgánico (mayormente N2)3,900,000 Bacteriafijadora denitrógeno Fijaciónatmósfericasobre la tierra Plantas yanimales > 12 Fijaciónindustrial36 Fijación biológicasobre la tierra140 N2 Planta deamoniaco N disuelto22,000 AGUA Bacteriafijadora denitrógeno N2O UreaNH3 Desnitrificación NO2– Fijaciónbiológicaacuática 80 NO2– Descompo-siciónorgánica Bacterianitrificante NO2– Plantas y animales 0.5 N inorgánico (mayor-mente NO3–) 590 Materiaorgánica muerta550 Bacteriadesnitri-ficante TIERRA Sedimentos400,000 Corteza140,000,000 Fig. 12.6

  8. El ciclo del fósforo Mina de fosfato[Ca5(PO4)3X] Detergentes Fosfato del sueloH2PO4 Aguas residuales Fertilizante Rocas de fosfato CICLO BIOLÓGICOBASADO ENLA TIERRA Cosechas Erosión Erosión Excrecióny descomposición Animales Fosfatosdisueltos CICLOINORGÁNICO Excreción y descomposición CICLO BIOLÓGICOBASADO ENLA TIERRA Levantamientogeológico Animales Sedimentos Plantas Fig. 22.7

  9. Usos industriales del fósforo ROCA DE FOSFATO(100%) Ácido fosfórico(impuro) (90%) Fosfóro elemental (10%) Ácido fosfórico(puro) (12.5%) Fertilizante(85.5%) Sulfuros de fósforo,cloruros de fósforo,compuestos orgánicosde fósforo (2%) Farmacéuticosdetergentes de fosfatofosfato industrial,fosfato alimenticio (10%) Tratamiento metálico (p. ej.,recolección,limpieza, protección de laoxidación, encerado (2.5%) Fig. 22.8

  10. Fuentes minerales comunes de algunos elementos Elemento Fórmula, mineral Al Gibsita (en la bauxita), Al(OH)3 Ba Barita, BaSO4 Be Berilo, Be3Al2Si6O18 Ca Piedra caliza, CaCO3 Fe Hematita, Fe2O3 Hg Cinabrio, HgS Na Halita, NaCl Pb Galena, PbS Sn Casiterita, SnO2 Zn Sfalerita, ZnS Tabla 22.2 (p. 982)

  11. Pasos en metalurgia Conversión(mineral acompuesto) Pirometalurgia(calcinado, etc.) Hidrometalurgia PretratamientoAtracción magnéticaseparación ciclónicaFlotaciónLixiviación Minado Conversión(compuesto a metal)Redox química(fundición, etc.)Redox electroquímica RefinaciónElectrorrefinaciónDestilaciónRefinación de zona Aleación Fig. 22.9

  12. El separador ciclónico Partículas ligeras(ganga) Mena pulverizada Mena pulverizada Corriente de aire moviéndosehacia arriba Partículas máspesadas(mineral) Fig. 22.10

  13. Agitador Elproceso deflotación Mezcla de mena/aceite/detergente Aire comprimido Suspensión demineral cubiertode detergente Ganga (roca, arena) Fig. 22.11A

  14. Conversión de un mineral a elemento Sin combimar en la naturaleza Reducción del óxudo/haluro conAl o H2 Reducción de un haluro (u óxido)fundido electrolíticamente Reducción del óxido con C Reducción de un haluro con un metalactivo (p. ej., Na, Mg, Ca) Reducción del anión (u oxianión)químicamnete y/o electrolíticamente Fig. 22.13

  15. Algunas aleaciones comunes y su composición Nombre Composición (masa %) Usos Acero inoxidable 73-79 Fe, 14-18 Cr,7-9 Ni Cubiertos, instrumentos Acero niquelado 96-98 Fe, 2-4 Ni Cables, engranes Aceros de alta 80-94 Fe, 14-20 W Herramientas de corte velocidad (o 6-12 Mo) Aleación de acero y níquel 78 Ni, 22 Fe Cables océanicos Bronces 70-95 Cu, 1-25 Zn, 1-18 Sn Estatuas, moldes Latones 50-80 Cu, 20-50 Zn Chapado, objetos ornamentales Plata Sterling 92.5 Ag, 7.5 Cu Joyería, cubiertos Oro de 14 quilates 58 Au, 2-28 Ag, 14-28 Cu Joyería Oro blanco de 18 q. 75Au, 12.5 Ag, 12.5 Cu Joyería Soldadura típica de estaño 67 Pb, 33 Sn Conexiones electricas Amalgama dental 67 Ag, 18 Sn, 12 Cu, 1 Zn Empastes dentales (disuelto en Hg) Table 22.3 (p. 970)

  16. Tres aleaciones binarias A Carburo de vanadio B b-Latón C Cu3Au Fig. 22.14

  17. Celda deDowns para laproducciónde sodio Entrada paraNaCl Electrólito fundido(NaCl/CaCl2, 2/3) Na fundido Cátodo (reducción) Ánodo (oxidación) Fig. 22.15

  18. Minerales importantes de hierro Tipo de mineral Fórmula del mineral Óxido Hematita, Fe2O3 Magnetita, Fe3O4 Ilmenita, FeTiO3 Carbonato Siderita, FeCO3 Sulfuro Pirita, FeS2 Pirrotita, FeS Table 22.4 (p. 990)

  19. Carga(mena, piedra caliza, coque) Gases desperdiciados(CO, CO2, NO2) Materias primas precalentadas Reducción parcial de la mena de hierro Reducción final Fusión del Fe impuro y escoria Entradadeairecaliente–900°C Fosfatos y silicatos reducidosP, Si y otras impurezas entran en el Fe fundido Las principalesreacciones queocurren en un altohorno Escoria Corazón Fe fundido(hierro colado) Humano Fig. 22.16

  20. Gas O2 El procesooxígeno-básicopara fabricaracero Flujo(CaO) Metal fundido Fig. 22.17A

  21. La electrorrefinación del cobre Ánodo Cátodo AcidificadoCuSO4(ac) Cobreimpuro Metalfundido Fangodelánodo Fig. 22.18A

  22. La celda electrolítica en la manufactura de aluminio Varillas de grafito Ánodos: Carga sólida Electrólito fundido Burbujas de CO2 Al fundido Fuentede poder Horno recubierto de grafito Ánodos: Fig. 22.19

  23. Los varios usos familiares y esencialesdel alumino Transportación(17.8%)Autos , camiones, tráilers,automotores, aeronaves Líneas eléctricas(13.5%) Otros(6.5%)Pinturas, propelentesde cohetes Productos noperecederosde consumo(17.8%)Vigas, puentes,artículos domésticos,equipo de deportes Maquinaria(7.6%)Intercambiadores decalor, equipo químico,montacargas Empaquetamiento(16.6%)Láminas, latas, tubosde pasta dental,contenedores decomida congelada Construcción(22.6%)Ventanas, puertas,pantallas, casas rodantes,paneles Exportación(6.9%) Fig. 22.20

  24. La producción de Mg elemental del agua de mar MgCl2(ac)(diluido) Evaporación HCl(ac) MgCl2(ac)(concentrado) Filtros SecadoMgCl2•nH2O CONVERSIÓN Tanque desedimentación ElectrólisisMg(s) + Cl2(g) Ca(OH)2(ac) Mg(OH)2(s)tanquealimentador Filtros MINADO Mg2+(ac) Conchas Entrada del agua de mar Fig. 22.21

  25. Algunas propiedades moleculares y físicas del protio deuterio y tritio diatómicos Propiedad H2 D2 T2 Masa molar (g/mol) 2.016 4.028 6.032 Longitud de enlace (pm) 74.14 74.14 74.14 Punto de fusión (K) 13.96 18.73 20.62 Punto de ebullición (K) 20.39 23.67 25.04 Hofus (kJ/mol) 0.117 0.197 0.250 Hovap (kJ/mol) 0.904 1.226 1.393 Energía de energía 432 443 447 (kJ/mol at 298 K) Tabla 22.5 (p. 998)

  26. Producción en laboratorio del hidrógeno La reacción de metales activos con agua produce gas hidrógeno y el metal y el ion hidróxido en solución: Grupo I metales: 2 K(s) + 2 H2O(l) H2 (g) + 2 KOH(ac) Grupo II metales (Ca, Sr, Cs) Sr(s) + 2 H2O(l) Sr(OH)2 (ac) + H2 (g) Otra reacción usa el ion hidruro bastante reductor: CaH2 (s) + 2 H2O(l) Ca(OH)2 (ac) + 2 H2 (g) Los metales menos activos reducen el H+ en ácidos: 2 Cr(s) + 6 H+(ac) 3 H2 (g) + 2 Cr3+(ac) S han concebido más de 10 000 esquemas para producir H2: 3 FeCl3 (s) + 4 H2O(g) Fe3O4(s) + 6 HCl(g) + H2O(g) Fe3O4 (s) +3/2 Cl2 (g) + 6 HCl(g) 3 FeCl3 (s) + 3 H2O(g) + 1/2 O2 (g) 3 FeCl3 (s) 3 FeCl2 (s) + 3/2 Cl2 (g) H2O(l) H2 (g) + 1/2 O2 (g)

  27. Usos industriales del hidrógeno Típicamente, una planta produce H2 para obtener otro producto como amoniaco en el proceso de Haber. Una reacción típica de una planta de Amoniaco, donde el metano es el punto de partida, es la siguiente: CH4 (g; exceso) + H2O(g) CO(g) + 3 H2 (g) La mezcla de producto se quema en una cantidad insuficiente de aire para efectuar la combustión completa, pero lo suficiente para consumir el O2, calentar la mezcla y formar agua adicional: 4 CH4 (g; exceso) + 7 O2 (g) 2 CO2 (g) + 2 CO(g) + 8 H2O(g) 2 H2 (g) + O2 (g) 2 H2O(g) 2 CO(g;exceso) + O2 (g) 2 CO2 (g) Cualquier exceso de metano reacciona con la reacción de vapor, y el resto de CO reacciona por la reacción cambio gas-agua para producir más H2, y el CO2 se elimina con CaO. H2O(g) + CO(g) CO2 (g) + H2 (g)

  28. (p. 1001)

  29. (p. 1001)

  30. (p. 1002)

  31. (p. 1003)

  32. (p. 1003)

  33. (p. 1004)

  34. (p. 1004)

  35. (p. 1005)

  36. (p. 1005)

  37. El proceso de Frasch para la extracción de azufre elemental Airecomprimido Taladroy tubosconcéntricos Azufre fundido aereado Aguasupercalentada Aguasupercalentada Capa de roca Capa de roca Azufrefundido Azufrefundido Azufresólido Azufresólido Aguacaliente Aguacaliente Fig. 22.22A, B

  38. Las muchas aplicaciones indispensables del ácido sulfúrico Productos químicos(19%)Detergentes, alimentos, resinas, cubiertas, teñidode tejidos, catalizadores, papel, tratamiento deaguas, fármacos, insecticidas, anticongelantes Otras industrias(7%)Explosivos, metales no ferrosos,caucho sintético, baterías Titanio y otros pigmentos(6%)Pinturas, linóleo, hilos, papel, tintas Rayón y películas(3%)Llantas, textiles, celofán,películas fotográficas Petróleo(2%)Aviación, gasolina, lubricantes Fertilizantes(61%)Superfosfatos, fosfatos de amonio y sulfato,fertilizantes mixtos Hierro y acero(2%)Autos, aparatos, contenedores,productos galvanizados Fig. 22.23

  39. Un diagrama de la celda clor-alcali Fuentede poder NaCl (ac) Flujo neto Ánodo (+) Cátodo (–) Diafragmade asbesto Fig. 22.24

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