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CIENCIAS (QUÍMICA)
MÓDULO 4 Eje temático: Química: (Fenómenos nucleares y sus aplicaciones
– Polímeros orgánicos e inorgánicos, sintéticos y naturales – Procesos químicos industriales)
FENÓMENOS NUCLEARES Y SUS APLICACIONES
Roentgen trabajaba con un tubo de rayos catódicos cuando inesperadamente, observó luz en una pantalla fluorescente, que se
encontraba fuera del aparato. Concluyó que la luz era producida por unos rayos desconocidos que salían del tubo: a estos rayos los llamó rayos X.
Otro hecho importante ocurrió cuando puso su mano en la trayectoria de los rayos X y sobre la pantalla vio la sombra de sus huesos. Posteriormente se supo que los rayos X no estaban compuestos por
partículas, como los rayos catódicos, sino que se trataba de una nueva forma de radiación electromagnética, como la
luz visible o las ondas de radio, pero mucho más energética, penetrante e ionizante.
Becquerel, al saber del descubrimiento de los rayos X, investigó si estos eran emitidos por sustancias fluorescentes (las que absorben luz y luego se
iluminan en la oscuridad) y para ello trabajó con una sal de uranio y una película fotográfica virgen. Así descubrió que el mineral de uranio emitía
una radiación desconocida, que luego denominó radioactividad. Marie Curie y su marido, Pierre, descubrieron que la radioactividad era
de naturaleza atómica y no molecular y además comprobaron que los
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elementos torio y uranio eran radioactivos. Su trabajo de análisis químico
sobre la pechblenda, un mineral de uranio, los condujo a encontrar dos nuevos elementos, el polonio y el radio.
El radio posee un gran poder radioactivo, y por su capacidad para matar células se convirtió en la base para la terapia radiológica contra el
cáncer. En 1903, Becquerel y los Curie compartieron el premio Nobel de Física y en 1911 Marie Curie obtuvo el de Química.
En 1899, el neozelandés Ernest Rutherford demostró que las sustancias radioactivas producen dos tipos de radiaciones, a las que llamó rayos
alfa y rayos beta, pero fue posteriormente Paul Villard quien descubrió el tercer tipo de radiación, a la cual denominó gamma.
Una característica de las sustancias radioactivas es la carga eléctrica. Fue posible comprobar la carga eléctrica de cada una de las radiaciones
cuando se las hizo pasar por un campo eléctrico, consistente en dos placas cargadas eléctricamente, quedando demostrado que las
radiaciones son de diferente naturaleza.
Las partículas alfa están cargadas positivamente, las beta negativamente y las gamma no tienen carga eléctrica.
Otra característica importante de las radiaciones es su poder de
penetración: los rayos alfa son poco penetrantes y pueden ser detenidos por una hoja de papel; en cambio, los rayos beta pueden atravesar una lámina de aluminio de
0,3 mm de espesor. Las radiaciones gamma, en tanto, son las más
penetrantes, pero son detenidas por una lámina de plomo de 10 cm, tal
como se observa en la siguiente figura.
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Propiedades de las emisiones radioactivas
Radia- ciones
Naturaleza Carga
Masa (g) Simbología
Poder de penetración
alfa partículas con la misma masa que el
núcleo de un átomo de helio
+2 6,65 x 10-24
He++ , α ,
2He4
,
2He++
poco
beta electrones -1 9,11 x 10-28
e, -1e0 , β regular
gamma radiación
electromagnética
0 0 γ mucho
En el átomo hay tres partículas fundamentales, dos de las cuales se encuentran dentro del núcleo, los protones y los neutrones, y que
se les denomina nucleones. Los electrones, en tanto, se encuentran en la parte externa del átomo.
Algunos núcleos son inestables, emiten partículas y/o radiación electromagnética espontáneamente. Este
fenómeno se conoce como radiactividad natural.
Una serie de desintegración es una serie de cambios que sufren los núclidos
radiactivos a medida que liberan partículas alfa y beta hasta convertirse en una sustancia estable (no radiactiva).
Un ejemplo es la serie de desintegración del uranio-238.
Este proceso se repite hasta que finalmentese forma un producto estable.
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La secuencia de desintegración por pasos se conoce como serie
de decaimiento.
Una serie radiactiva se inicia con un núclido radiactivo y finaliza con
un elemento estable. En la naturaleza se presentan tres series de este
tipo:
• La serie del U-238 que finaliza con el Pb-
206. • La serie del U-235, que termina con el Pb-207.
• Finalmente la serie que se inicia con el Th-232 y que concluye con el Pb-
208.
Decaimiento
alfa Ejemplos de emisión de una partícula alfa es la del elemento polonio,
descubierto por los Curie.
84Po210 →82Pb206 + 2He4
88Ra226
→86Rn222
+ α
El elemento que se forma después del decaimiento alfa tiene un
número atómico menor en dos unidades y un número másico menor en cuatro unidades respecto al elemento que lo genera.
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Decaimiento beta
Un neutrón puede transformarse en un protón al emitirse un electrón, reacción que puede escribirse de la siguiente forma:
0n1 →1p1 + -1e0 + energía
El electrón emitido abandona el núcleo a altísima velocidad. En este proceso, el número másico no se altera (disminuye un neutrón y se genera un
protón), pero el átomo que se forma tiene en su núcleo un protón más que el inicial, por lo tanto, el número atómico aumenta en una unidad.
Ejemplos de decaimiento beta es:
82Pb210 →83Bi210 + -1e0
92U239 →93Np239 + β
Emisión gamma
La radiación gamma se emite debido a cambios de energía dentro del núcleo. Su emisión no provoca variación en el número másico y tampoco en
el número atómico. Simplemente se trata de un núcleo excitado que libera energía de esta forma, por ejemplo:
52Te125 →52Te125 + γ
El isótopo radiactivo inicial es denominado padre o progenitor; el producto se conoce como descendiente.
Otros tipos de desintegración radiactiva
La mayoría de los elementos radiactivos decaen o se desintegran por la emisión de partículas, como el alfa y la beta, que pueden estar
acompañadas de radiación gamma. Sin embargo, al sintetizar nuevos elementos radiactivos por métodos artificiales, se observó que existían
otros métodos, como la emisión de positrones (+1e0 o β+) y la captura de
electrones ( -1 e 0 ).
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Emisión de positrones
Cuando un núclido radiactivo emite un positrón, el elemento que se forma tiene un número atómico menor en una unidad y el número másico permanece igual.
7N13 → +1e0 + 6C13
Un positrón es idéntico a un electrón, pero tiene carga positiva. Se
representa como +1e0 o bien β+ debido a que tiene carga +1 y masa 0.
Es muy probable que se forme en el núcleo cuando un protón se transforma
en un neutrón:
1p1 → 0n1 + +1e0
Al igual que una partícula beta, un positrón tiene un pequeño poder de
penetración.
Por ejemplo, el nitrógeno-13 se desintegra al liberar un positrón.
7N13 →+1β0 + 6C13
84Po207 →+1β0 + 83Bi207
Captura de electrones o captura-K
La captura de electrones es un proceso en el cual un núclido “atrapa”
un electrón de su nivel más interno (nivel 1 o capa K, según la antigua nomenclatura) convirtiendo al protón en un neutrón.
92U231 + -1e0 →91Pa231
Cuando un elemento experimenta el proceso de captura de electrones, su número atómico disminuye en 1, mientras que su número másico
permanece inalterado. Ejemplos de este tipo de reacción nuclear
son:
4Be7 + -1e0 →3Li7
7N13
+ -1e0
→6C13
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Comparación de las reacciones químicas con las reacciones nucleares:
Reacciones químicas Reacciones nucleares
1.- Los átomos se reordenan por
la ruptura y formación de enlaces químicos.
2.- Solo los electrones están implicados en la ruptura y formación de los enlaces.
3.- Las reacciones van acompañadas por la absorción o liberación de
cantidades de energía relativamente pequeñas. Ej CH4 + 2O2 → CO2 + 2 H2O +
200 kcal
4.- La temperatura, presión, concentración de los reactantes y
catalizadores, son factores que determinan la velocidad de una reacción.
1.- Los elementos o los isótopos
de un elemento generan otro elemento al cambiar la constitución
del núcleo del átomo. 2.- En las reacciones pueden participar protones, neutrones,
electrones y otras partículas elementales.
3.- Las reacciones van acompañadas
por la absorción o liberación de
enormes cantidades de energía. Ej
3Li7 + 1H1 → 2 2He4 +
23000000 Kcal
4.- Las velocidades de reacción generalmente no se ven afectadas por la temperatura, la
presión o los catalizadores.
Es necesario considerar cómo se escriben y balancean las
ecuaciones nucleares. Para ello se debe señalar los símbolos de los elementos químicos y además indicar explícitamente el número de protones y neutrones que tiene cada elemento.
Al balancear una ecuación nuclear, se deberá cumplir
que:
1. El número total de protones y neutrones en los productos y en
los reactantes debe ser el mismo (conservación de la masa). 2. El número total de cargas nucleares en los productos y en los
reactantesdebe ser el mismo (conservación de la carga nuclear).
Estabilidad nuclear
El núcleo ocupa una porción muy pequeña del volumen total de un átomo,
pero contiene la mayor parte de la masa del mismo porque tanto los protones como los neutrones se encuentran allí. La estabilidad de los
núcleos atómicos queda determinada por su densidad, que informa acerca de la fuerza de unión de las partículas. La densidad del núcleo es tan grande que obliga a pensar que las partículas se encuentran extremadamente
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juntas. Son importantes las fuerzas de repulsión de tipo coulombiana
que operan entre las partículas de igual signo, como son los protones. Sin embargo, además de la repulsión, existen también atracciones de corto
alcance entre protón-protón, protón-neutrón, neutrón-neutrón. La estabilidad de cualquier núcleo está determinada por la diferencia entre la repulsión coulombiana y las atracciones de corta distancia.
Si la repulsión sobrepasa la atracción, el núcleo se desintegra, emitiendo
partículas y/o radiación. Si la atracción prevalece, el núcleo es estable. Factores que influyen en la estabilidad de un núclido
1. Los isótopos de los elementos que tienen número atómico mayor de
83 son radiactivos, como también lo son los isótopos del tecnecio (Z=43) y del prometio (Z=61).
2. Los núcleos que contienen 2, 8, 20, 50, 82 ó 126 protones o
neutrones
en general son estables. Estos números se llaman números mágicos.
La importancia de estos para la estabilidad nuclear es similar a la que presentan los gases nobles en su casi nula reactividad química.
3. Los núcleos con número par de protones y neutrones son, por
lo general, más estables que los que tienen números impares de estas partículas.
4. Un factor importante para determinar si el núcleo es estable es la relación neutrón - protón (n/p). Para átomos estables de elementos de bajo número atómico, el valor de n/p es cercano a 1. A
medida que el número atómico aumenta, la relación n/p también aumenta y, por supuesto, es superior a 1. Esta desviación se da en
los elementos de números atómicos altos porque se necesita un mayor número de neutrones para estabilizar al núcleo, contrarrestando la fuerte repulsión entre los protones.
Los elementos más estables se encuentran en el área que se denomina
el cinturón de estabilidad. Cabe notar que los elementos de bajo número atómico, (donde la relación de n/p es 1) caen en el cinturón de
estabilidad, comprobando lo que se había asegurado anteriormente. La mayor parte de los núcleos radiactivos se encuentran fuera de este cinturón.
El gráfico del número de neutrones (en la ordenada) contra el número de protones (en la abscisa) de varios isótopos, muestra la ubicación de
los elementos y permite observar qué núclidos son integrantes del cinturón de estabilidad.
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Arriba del cinturón de estabilidad el núcleo tiene una relación n/p mayor
que en aquellos que se encuentran dentro del cinturón. Para disminuir esta relación y de esta manera descender al cinturón de estabilidad, estos núcleos
deberán emitir partículas beta. Los núcleos que se encuentran bajo el cinturón de estabilidad tienen
una relación n/p menor que los que están en el cinturón, y para incrementar dicha relación, estos núcleos deberán emitir un positrón o bien capturar
electrones.
Vida media La desintegración de uranio es extremadamente lenta comparada con la desintegración de torio. Cada una de estas desintegraciones resulta tener
un periodo de semidesintegración, llamado también semivida, característico
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238 g
+
Th
para cada elemento. La semivida representa el tiempo necesario para que
la mitad de la materia radiactiva se desintegre. Además, es independiente de la cantidad de sustancia radiactiva presente y está
determinada únicamente por el tipo de núcleo radiactivo. Algunos isótopos radiactivos tienen semividas muy largas, mientras las de otros son extremadamente cortas.
Semivida de los elementos radiactivos naturales en la serie de
uranio-238
92U23
8
4,51x109
años
92U
238
234
90
1 Mol de Átomos
6,023 x 1023
áts 238 g
119g + 2He
4
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La velocidad de desintegración se analiza en función de su vida media. Dichas desintegraciones son de primer orden.
Cada isótopo tiene una vida media característica. La vida media del Sr-90, por ejemplo, es 28,8 años. Si se tienen 10 g de Sr-90, luego de
115,2 años quedarán sin desintegrar 0,625 g; para ello deben haber transcurrido cuatro vidas medias, es decir
28,8 x 4 = 115,2 años,
La ecuación de desintegración del Sr-90 es:
38Sr90 → 39Y90 + β.
Aplicaciones de los isótopos radiactivos
Los isótopos estables y radiactivos tienen varias aplicaciones en la ciencia y en la medicina. En química se utilizan para determinar estructuras de compuestos, seguir el curso de una reacción química (determinación de
los pasos que se realizan en la fotosíntesis), determinar la edad de ciertos objetos (mediante la técnica del carbono-14 se logró determinar que los
papiros del Mar Muerto tienen aproximadamente entre 1917 a 2000 años), etc. En medicina se usan, por ejemplo, en el sodio-24, que inyectado al torrente sanguíneo como una solución salina puede ser
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monitoreado para rastrear el flujo de sangre y detectar posibles constricciones u obstrucciones en el sistema circulatorio. El yodo-131 se ha
utilizado para probar la actividad de la glándula tiroides, otro isótopo, el yodo-132, se usa para producir imágenes del cerebro, el cobalto-60 para la destrucción de tumores cancerosos, el arsénico-74 para localizar tumores
cerebrales, el cobalto-58 en la determinación del nivel vitamínico B, el cromo-51 en la estimación de volúmenes de líquidos del cuerpo, el
fósforo-32 en la detección de cáncer en la piel, el hierro-59 para calcular la rapidez de formación de glóbulos rojos y el oro-198 para el cáncer de próstata.
Fechado radiactivo
Sumado a todo esto, se puede determinar la antigüedad de objetos que en alguna época fueron o formaron parte de organismos vivos, como
pueden ser los huesos, utilizando la vida media del isótopo radiactivo carbono-14. En la materia viva, la relación entre el carbono-14 y el carbono-
12 (no radiactivo) permanece relativamente constante. El carbono-14 que hay en nuestra atmósfera se origina por la reacción entre un átomo de nitrógeno y
un neutrón que proviene de la atmósfera superior, como lo indica la siguiente reacción nuclear:
7N14 + 0n1 →6C14 + 1H1
El carbono-14 se desintegra formando una partícula beta, de acuerdo con la siguiente ecuación nuclear:
6C14 →7N14 + -1e0
Se considera que la relación entre el carbono-14 y el carbono-12 en el
tejido vivo es constante durante milenios. Cuando el tejido de una planta o un animal mueren, el contenido de carbono-14 disminuye porque ya no ocurre la ingestión ni la utilización del carbono-14. Por tanto, en el tejido
muerto la relación del carbono-14 y el carbono-12 disminuye con el tiempo, siendo así la relación una medida de la edad de la muestra.
De la misma manera, se utiliza la vida media del uranio-238 para determinar la edad de diferentes objetos no vivos, como por ejemplo las rocas. En
estos cálculos se emplea la relación del uranio-238 radiactivo con el plomo-
206 no radiactivo, con una vida media de 4,5 x 109 años. De acuerdo con los resultados de la aplicación de este método, la edad de las
rocas más antiguas sobre la Tierra parece ser cercana a 4 x 109 años.
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Reacciones nucleares artificiales
Fue Rutherford, en 1919, quien realizó la primera reacción nuclear artificial. Mediante el bombardeo de partículas alfa sobre una muestra de nitrógeno, Rutherford detectó un protón aislado; la explicación fue que la
energía cinética de la partícula alfa le permite chocar con un núcleo de nitrógeno y fusionarse con él. Así, se forma un núcleo inestable de flúor,
que decae eliminando un protón.
7N14 + 2He4 ====> ( 9F18 ) ====> 8O17 + 1H1
Si se sustituye el nitrógeno-14 por el berilio-9, en la reacción nuclear
se obtiene carbono-12 y un neutrón, tal como lo indica la siguiente ecuación:
4Be9 + 2He4 ====> ( 6C13 ) ====> 6C12 + 0n1
Esta es la reacción que le permitió a Chadwick comprobar la existencia del neutrón.
Elementos transuránicos
Los aceleradores de partículas hicieron posible la síntesis de elementos con números atómicos mayores que 92, llamados elementos transuránicos,
porque su número atómico supera el del uranio (Z=92).. Desde que el neptunio (Z=93) fuera preparado por primera vez en 1940, se han
sintetizado otros 16 elementos transuránicos. Todos los isótopos de estos elementos son radiactivos. Los que poseen números atómicos mayores de 100 han sido producidos utilizando elementos que luego han sido
bombardeados sobre otros que les han servido de blanco. Es muy probable que puedan producirse elementos con números atómicos aún mayores.
Los producidos hasta ahora se caracterizan por tener bajos rendimientos y vida media muy corta. Originalmente, solamente se prepararon unos pocos átomos de los elementos 103 al 109 y tenían vidas medias de
segundos. Los científicos nucleares creen que pueden producirse elementos con números atómicos tan altos como el 126.
Reacciones de fisión nuclear
En la fisión nuclear, un núcleo de número másico mayor que 200, al chocar
con un neutrón, se divide para formar núcleos más pequeños de masa intermedia y uno o más neutrones. Ya que los núcleos pesados son menos
estables que sus productos, este proceso libera una gran cantidad de energía.
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La primera reacción de fisión nuclear estudiada fue la del uranio-235
bombardeado con neutrones lentos, cuya velocidad es comparable a la de las moléculas de aire a temperatura ambiente. Como producto de tal bombardeo, se han encontrado más de 30 elementos distintos.
Aunque se puede provocar la fisión de muchos núcleos pesados,
únicamente la del uranio-235 es de ocurrencia natural. La del plutonio-239 es artificial y tiene poca importancia práctica.
La característica más relevante en la fisión del uranio-235 no es solo la enorme cantidad de energía liberada, sino el hecho de que se producen más
neutrones que los capturados originalmente en el proceso.
Esta propiedad hace posible una reacción nuclear en cadena, que es una secuencia de reacciones de fisión nuclear autosostenidas.
Los neutrones generados durante los procesos iniciales pueden inducir la fisión en otros núcleos de uranio-235, que a su vez producirán más
neutrones y así sucesivamente. En menos de un segundo, la reacción puede ser incontrolable, liberando una enorme cantidad de calor hacia los alrededores.
La reacción de fisión es el principio de la primera bomba atómica,
manifestación explosiva que mata por el calor generado y por la radiación esparcida en una amplia zona. Afortunadamente, la reacción en cadena ha podido controlarse y ser aprovechada. Un reactor nuclear
puede aprovechar la energía liberada durante la fisión y transformarla, por ejemplo, en electricidad.
Existen factores económicos y tecnológicos a favor y en contra de la
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nucleoelectricidad. Algunos argumentos en contra son:
• El uranio natural contiene un bajo porcentaje de uranio-235 y se hace necesario plantas de enriquecimiento en este isótopo.
• El mayor porcentaje en el uranio natural es el isótopo uranio-238,
que absorbe fácilmente neutrones y produce el elemento plutonio (elemento que se utiliza en la fabricación de bombas atómicas).
• Los núcleos productos de la fisión del uranio son sumamente radiactivos,
en especial el kriptón-85.
• El manejo de los reactores nucleares no es totalmente seguro, tal como ha quedado en evidencia en Three Mile Island (ver información
en http://www.paralibros.com/passim/p20-cat/pg2079tm.htm) en Estados Unidos, y Chernobyl (ver información en
http://www.paralibros.com/passim/p20-cat/pg2086ch.htm), en la ex Unión Soviética.
Fusión nuclear
A diferencia del proceso de fisión nuclear, la fusión nuclear es la combinación de pequeños núcleos para formar otros mayores.
En los elementos livianos, la estabilidad nuclear se incrementa cuando aumenta el número másico. Esto sugiere que si dos núcleos
ligeros se combinan o se fusionan para formar uno mayor (un núcleo más estable) se liberará una cantidad apreciable de energía en el proceso.
La fusión nuclear ocurre constantemente en el sol, que está constituido en su mayor parte por hidrógeno y helio. En él la temperatura es cercana a
15 millones de grados Celsius y las reacciones que allí ocurren se denominan termonucleares.
La fusión nuclear tiene sus ventajas por sobre la fisión
nuclear:
• Los combustibles son baratos y casi inagotables.
• El proceso produce poco desperdicio (pero sí algo de contaminación térmica).
• Son procesos seguros en su ejecución y si se apagase una máquina de fusión nuclear, se apagaría completa e instantáneamente y no existiría posibilidad de que se fundiese.
El problema es que aún no se ha construido un reactor de fusión nuclear, debido a que hay que mantener los núcleos juntos a una
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temperatura apropiada para que ocurra la fusión. A temperaturas de unos 100 millones de grados Celsius, las moléculas no pueden existir y todos o la
mayor parte de los átomos son despojados de sus electrones. Este estado de la materia, en el que un gas consta de iones positivos y electrones, se denomina plasma.
POLÍMEROS ORGÁNICOS E INORGÁNICOS SINTÉTICOS Y
NATURALES
Los polímeros son compuestos químicos muy importantes. Existen polímeros naturales y polímeros sintéticos, pero ambos están basados en el mismo principio: son macromoléculas que se forman a partir de
moléculas más pequeñas denominadas monómeros. En muchos casos una molécula de un polímero está compuesta de miles de moléculas de
monómeros. Los monómeros son los pequeños eslabones de los cuales están formados los
polímeros. La polimerización, en tanto, consiste en el proceso por el cual los monómeros dan origen a los polímeros.
Polímeros naturales
El almidón es un polímero, donde el monómero es la glucosa. El algodón está hecho de celulosa, que también es un polímero de la glucosa, y la madera
está compuesta en gran proporción de celulosa. Las proteínas son polímeros donde el monómero son los aminoácidos. La lana y la seda son
dos de las miles de proteínas que existen en la naturaleza. Los seres vivos no podrían existir sin polímeros: toda planta y animal
requiere de ellos. Entre los polímeros naturales más importante están los ácidos nucleícos, que contienen la información genética codificadora
que hace que cada individuo sea único.
Caucho natural
El caucho natural es el poli-cis-isopreno, que se extrae del árbol Hevea
brasiliensis,es un polímero elástico y semisólido, y posee la siguiente
estructura donde el monómero es el isopreno, el 2-metil-1,3-butadieno. El
isopreno es un líquido volátil.
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Proteínas
Las proteínas funcionan como material estructural en los animales, tal como lo es la celulosa en las plantas. Todas las proteínas contienen los elementos carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno, y casi todas ellas
contienen azufre.
Las proteínas son copolímeros (polímero que contiene dos o más monómeros distintos), de cerca de 20 aminoácidos diferentes. Los aminoácidos tienen dos grupos funcionales. El grupo amino (-NH2) está unido a un carbono que
es vecino del grupo carboxilo (-COOH).
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Estas figuras muestran la fórmula estructural. El modelo es de un segmento de una molécula de proteína.
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En la fórmula estructural destacan las cadenas laterales de hidrocarburos, una cadena lateral básica y una cadena lateral ácida, además de otra
cadena lateral que contiene azufre. Los aminoácidos tienen un grupo ácido y uno básico. En solución acuosa, el
ión hidrógeno del ácido carboxílico es transferido al grupo básico que es el amino: el producto resultante es una molécula polar.
Las proteínas son poliamidas. El enlace amida (-CONH-) entre un aminoácido y otro aminoácido se denomina enlace peptídico. Se puede observar que sigue existiendo un grupo amino reactivo a la izquierda y un grupo
carboxilo a la derecha.
Cuando se unen dos aminoácidos, el producto es un dipéptido.
Glicilfenilalanina
Cuando se combinan tres aminoácidos, se forma un
tripéptido.
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Serilalanilcisteína
Cada uno de los terminales puede seguir reaccionando para unir más
unidades de aminoácidos.
El extremo de la molécula de proteína que tiene un grupo carboxilo libre se
denomina terminal C. El extremo que tiene un grupo amino libre se denomina N.
Una molécula con más de diez unidades de aminoácidos se llama polipéptido.
Cuando la masa molar de un polipéptido es mayor de 10000, se denomina proteína. La distinción entre los polipéptidos y las proteínas es arbitraria, y no siempre se aplica.
Polímeros sintéticos
Durante la Segunda Guerra Mundial, Japón cortó el suministro de caucho natural proveniente de Malasia e Indonesia a los aliados. La búsqueda de un sustituto dio como origen al caucho sintético, y con ello surgió la
industria del plástico.
El caucho natural es un polímero del isopreno. El polibutadieno, un elastómero sintético, se fabrica a partir del monómero butadieno, que no posee un metil en el carbono número dos, siendo esta la diferencia con el
isopreno. CH2 = CH – CH =
24
CH2
1,3-butadieno
n CH2 = CH – CH = CH2 + CH2 – CH = CH –
CH2 +
El polibutadieno tiene regular resistencia a la tensión y muy poca frente a la
gasolina y a los aceites. Estas propiedades limitan las posibilidades de fabricar con ellos los neumáticos.
Policloropreno o neopreno.
El policloropreno o neopreno, se fabrica a partir del 2-cloro-1,3-butadieno. El neopreno presenta mejor resistencia a la gasolina y los aceites y se
utiliza en la fabricación de mangueras para gasolinas y otros artículos usados en las estaciones de servicio.
Un copolímero es el producto que se forma por la mezcla de dos monómeros, y en cuya cadena existen las dos unidades. El caucho
estireno-butadieno (SBR) es un copolímero que contiene un 25% de estireno y un 75% de butadieno. Un segmento de este copolímero es el siguiente:
Este polímero sintético es más resistente a la oxidación y a la abrasión que el caucho natural, pero sus propiedades mecánicas no son tan óptimas. Al
igual que el caucho natural, el caucho estireno-butadieno contiene dobles enlaces capaces de formar enlaces cruzados por vulcanización. Este material se usa, entre otras cosas, para la fabricación de neumáticos.
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Se ha logrado sintetizar el poliisopreno, una sustancia idéntica en todos los sentidos al caucho natural, solo que no se extrae del árbol del caucho.
Vulcanización
Las moléculas de cadena larga que constituyen el caucho se pueden enroscar, torcer y entrelazar unas con otras. El caucho natural es suave
y pegajoso cuando está caliente, pero se puede endurecer cuando reacciona con azufre. Este proceso se denomina vulcanización, y en él se forman enlaces cruzados entre las cadenas de hidrocarburos por medio
de los átomos de azufre. El descubridor de la vulcanización fue C. Goodyear. La estructura tridimensional con enlaces cruzados hace del
caucho vulcanizado una sustancia más dura y resistente, ideal para la confección de neumáticos. La estructura cruzada sorprendentemente mejora la elasticidad del caucho.
El caucho vulcanizado tiene cadenas de hidrocarburo unidas por
enlaces cruzados de átomos de azufre. El subíndice x indica un número no definido de átomos de azufre.
Polimerización por adición
La polimerización por adición s e forman por la unión sucesiva de monómeros, que tienen uno o más enlaces dobles, los monómeros se
adicionan unos con otros, de tal manera que el producto polimérico contiene todos los átomos de los monómeros iniciales. Un ejemplo de esto es la polimerización del etileno para formar el polietileno; tal como se
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observa, se mantiene en el polímero el número de átomos de los monómeros.
Representación del polietileno mediante barras y
bolas.
Representación del polietileno, mediante semiesferas. .... CH2 = CH2 + CH2 = CH2 + CH2 = CH2 + …. - CH2 – CH2 –
CH2 – CH2
-
Los puntos suspensivos en los reactantes y los guiones en el producto indican que el número de monómeros se puede extender por ambos extremos.
Las representaciones anteriores del polímero son muy cortas y no señalan
la verdadera extensión del polímero.
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Las moléculas reales de polietileno tienen un número variable de átomos de
carbono, desde unos pocos cientos de átomos de carbono hasta varios miles de ellos.
PROCESOS QUÍMICOS INDUSTRIALES Algunos metales, tales como el oro, la plata y a veces el cobre, se
encuentran en la naturaleza como elementos libres; sin embargo, la mayoría de los metales se encuentran como óxidos o bien como sales.
La metalurgia es la ciencia y la tecnología de la extracción de metales de sus fuentes naturales y de su preparación para usos prácticos. En
general contempla los siguientes pasos:
• Explotación de yacimientos. • Concentración de la mena. • Reducción de la mena para obtener el metal libre.
• Refinación o purificación del metal. • Mezclado del metal con otros elementos a fin de modificar sus
propiedades, caso donde se obtiene una aleación. Es importante distinguir en un yacimiento la mena, que corresponde
al material de un depósito mineral suficientemente concentrado para permitir la recuperación económica del metal deseado, y la ganga, que
consiste en las impurezas como arena y barro con las que está mezclada la mena y que no posee valor económico.
Una vez extraída la mena del yacimiento, se tritura, se muele y posteriormente se trata para concentrar el mineral y separarlo de la ganga.
Posteriormente, de la mena se extrae el metal por un proceso de reducción, que puede ser la pirometalurgia, cuando se usan altas
temperaturas o la hidrometalurgia, cuando se utiliza agua en el proceso. Pirometalurgia del hierro
La hematita, Fe2O3, y la magnetita, Fe3O4, son dos minerales donde el
hierro se encuentra como óxido y es mediante el proceso de la pirometalurgia que se puede obtener este elemento.
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La reducción del hierro ocurre en un “alto horno”, que consiste en un reactor
químico capaz de trabajar de manera continua.
El alto horno se carga por la parte superior con una mezcla de mena de hierro, coque ( C ) y piedra caliza. El coque sirve como combustible, es
decir, entrega la energía necesaria para producir las altas temperaturas y además aporta los gases reductores CO y H2.
La piedra caliza, CaCO3, sirve como fuente de CaO, que reacciona con
los silicatos y otras sustancias para formar la escoria. Otra materia
prima importante es el aire, ya que se requiere para la combustión del coque.
Nótese la diferencia de temperatura en las diferentes partes del alto horno. El
proceso químico que ocurre es el siguiente: 1. En el horno el oxígeno reacciona con el coque y se forma monóxido
de carbono, liberándose energía calórica.
C(s) + O2(g) →2 CO(g)
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2. El vapor de agua reacciona con el carbono, produciendo monóxido de carbono e hidrógeno. Esta reacción es endergónica y además sirve
para regular la temperatura en el alto horno.
H2O(g) + C(s) →CO(g) + H2(g)
3. Estos dos gases son los encargados de reducir los óxidos de hierro a hierro metálico.
Fe3O4(s) + 4 CO(g) →3 Fe(s) + 4 CO2(g)
Fe3O4(s) + 4 H2(g) →3 Fe(s) + 4 H2O(g)
El hierro fundido se acumula en la base del alto horno y sobre él queda una capa de escoria que impide que el hierro reaccione con el oxígeno
que entra.
La mayor parte del hierro que se obtiene se ocupa en la preparación del acero.
4. La piedra caliza por efecto de la temperatura se descompone en óxido de calcio y anhídrido carbónico, tal como lo expresa la ecuación:
CaCO3 CaO + CO2
El óxido de calcio reacciona con el óxido de silicio, que generalmente
se encuentra presente en los minerales de hierro, y se forman silicatos de calcio:
SiO2 + CaO CaSiO3
El silicato de calcio es fundido debido a las altas temperaturas del horno
y, dado que es menos denso que el hierro, flota sobre él. Otros óxidos no metálicos se mezclan con el silicato de calcio y forman la escoria, la que puede ser removida fácilmente.
Hidrometalurgia
La hidrometalurgia consiste en procesos en solución acuosa mediante los cuales se extrae el metal de una mena.
El proceso hidrometalúrgico más importante es la lixiviación, en el cual
el mineral que contiene el metal que se desea extraer se disuelve de un modo selectivo. Si el compuesto es soluble en agua, entonces el agua resulta
ser un buen agente para la lixiviación, pero en general, para la lixiviación se ocupa una solución acuosa de un ácido, una base, o una sal.
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Cabe destacar que en los minerales de cobre oxidados se aplica la lixiviación y en los minerales cobre sulfurados la flotación para la obtención de cobre
metálico En la obtención de cobre de la calcopirita (CuFeS2), este mineral se
trata con una solución acuosa de cloruro cúprico ( CuCl2). En la reacción
todo el cobre precipita como cloruro cuproso (CuCl), el cual se separa
fácilmente del azufre y del hierro que queda como cloruro ferroso, tal como lo señala la reacción:
CuFeS2(s)+ 3 CuCl2(ac) 4 CuCl(s)+ FeCl2(ac)+ 2 S(s)
Al cloruro cuproso se le agrega una solución acuosa de cloruro de sodio, lo que provoca la disolución del precipitado y la formación del complejo ión
dicloro cobre (I), CuCl21- , que queda en solución acuosa.
CuCl(s) + Cl1-
(ac) CuCl21-
(ac)
Los compuestos de cobre (I) son inestables. El Cu1+ dismuta a cobre
metálico y a Cu2+ en forma de CuCl2, sustancia que se ocupa
nuevamente para el tratamiento del mineral.
2 CuCl2
1-(ac) Cu(s) + CuCl2(ac) + 2 Cl- (ac)
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Electrorrefinación del cobre
El cobre se purifica por electrólisis, proceso que consiste en lo siguiente:
Grandes planchas de cobre sirven de ánodos de la celda, mientras los cátodos son láminas delgadas de cobre. Ambos electrodos se encuentran en una solución acuosa de sulfato cúprico (CuSO4). Al aplicar
una diferencia de potencial apropiada, provoca la oxidación del Cu
metálico a Cu2+ en el ánodo y la reducción del Cu2+ a Cu metálico en el cátodo.
El proceso ocurre gracias a que es más fácil que ocurra la reducción del
Cu2+que la del agua.
