Upload
emilio-wonder-aleman
View
216
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
7/24/2019 Unidad 1 Apuntes caracterizacion
http://slidepdf.com/reader/full/unidad-1-apuntes-caracterizacion 1/30
Universidad Autónoma de Coahuila Caracterización de MaterialesFacultad de Metalurgia
Noviembre 2008 1
CONTENIDO
INTRODUCCION…………………………………………..……………………………2
CONCEPTOS……………………………………………………………….…………..3
Análisis Químico….……….……………………..... ......................3
Procedimiento del Análisis Químico.………………………...….4
Espectrometría………….…..……………………………………...7
Ejemplos de algunos tipos de espectrometría ……………….10
Vía Húmeda………………………….……………………………15
Rayos X……………………………………………………………..16
ARTICULO………………………………………………………………………………21
APLICACIONES DE UNA MEJORA EN EL SECTOR INDUSTRIAL...…………..27
CONCLUSION……………………………………………..……………….…………..29
DIFICULTADES……………………………………………………………...………….29
BIBLIOGRAFIA………………………………………………………………..……..…30
7/24/2019 Unidad 1 Apuntes caracterizacion
http://slidepdf.com/reader/full/unidad-1-apuntes-caracterizacion 2/30
Universidad Autónoma de Coahuila Caracterización de MaterialesFacultad de Metalurgia
Noviembre 2008 2
INTRODUCCION
Junto con la necesidad de crear y fabricar nuevos tipos de materiales, está la
necesidad de poder caracterizarlos apropiadamente.
El desarrollo tecnológico está basado sobre la explotación apropiada de las
propiedades de los matearles. Es imposible saber como utilizar cualquier material
sólo si tenemos la capacidad previa de poder caracterizarlos con un conjunto
apropiado de técnicas experimentales.
Usualmente la composición superficial de un material cambia respecto a la de su
interior. Por esto dependiendo del estudio que se desea realizar habrá que utilizar
la técnica más apropiada. Hay técnicas que dan información más del interno del
sólido y otras que más bien lo hacen sólo de su superficie.
También, podemos tener técnicas que permitan estudiar composición y
conformación de la superficie.
Este trabajo describirá los análisis de diferentes procesos para el estudio de la
composición de diferentes materiales, además se mostrara el fundamento,
características y aplicaciones de estos.
7/24/2019 Unidad 1 Apuntes caracterizacion
http://slidepdf.com/reader/full/unidad-1-apuntes-caracterizacion 3/30
Universidad Autónoma de Coahuila Caracterización de MaterialesFacultad de Metalurgia
Noviembre 2008 3
CONCEPTOS
ANÁLISIS QUÍMICO
Es un conjunto de técnicas y procedimientos empleados para identificar y
cuantificar la composición química de una substancia; este tipo de análisis se
divide en dos grandes análisis como es el cualitativo y cuantitativo.
Análisis Cualitativo
Trata de la identificación de substancias. Esta interesado en que elementos o
compuestos estas presentes en una muestra. La muestra en cuestión puede ser
un puro elemento o una sustancia químicamente pura o cualquier mezcla posible.
En el desarrollo de un análisis cualitativo no solamente se llega a demostrar la
presencia de determinados constituyentes, sino que puede también obtenerse
una aproximación relativa de las cantidades de cada una de ellos en la muestra
tomada.
Análisis Cualitativo
Se interesa en la determinación de que cantidad de substancia en particular esta
presente en una muestra.
La substancia determinada muchas veces se llama componente deseado o
analita y puede constituir una pequeña o gran parte de la muestra analizada.
Procedimiento Del Análisis Químico
7/24/2019 Unidad 1 Apuntes caracterizacion
http://slidepdf.com/reader/full/unidad-1-apuntes-caracterizacion 4/30
Universidad Autónoma de Coahuila Caracterización de MaterialesFacultad de Metalurgia
Noviembre 2008 4
La realización del análisis químico, esta precedida por una serie de pasos, que
deben ser realizados concienzudamente, ya que son muy elaborados, tanto o mas
que la medición en si.
Fig. 1 Procedimiento del Análisis Químico
1. Elección del método de análisis.
La elección del método a usar es potestad del analista, este debe tener en cuenta
varios factores, como la cantidad de muestra que se le va a suministrar, el equipo
y reactivos disponibles para realizar la medición, la exactitud con que se necesita
el análisis, tiempo disponible, entre otros factores.
2. Toma de la Muestra.La muestra que llegue a las manos del analista, debe ser representativa de la
totalidad del producto o población. Cuanto más pulverizado u homogeneizado
este el producto, más fácil será obtener una muestra. Cuando se trabaja con
gases o líquidos, el grado de homogeneidad molecular asegura que una muestra
muy pequeña es representativa de una gran cantidad de material.
7/24/2019 Unidad 1 Apuntes caracterizacion
http://slidepdf.com/reader/full/unidad-1-apuntes-caracterizacion 5/30
Universidad Autónoma de Coahuila Caracterización de MaterialesFacultad de Metalurgia
Noviembre 2008 5
Contrario a lo anterior, el trabajo con materiales sólidos y heterogéneos, como
muestras de material particulado, de diferentes diámetros, hace de la toma de
muestra un procedimiento difícil, ya que lo que se lleve al laboratorio debe
representar el total del material. Incluso existen normas internacionales para la
toma de muestras, y su tratamiento, la ASTM regula estos estándares, así pues,
un cliente puede exigir que las pruebas de una producto se hagan bajo estas
directrices, de lo contrario dará como no validos los resultados.
3. Transformación de la muestra
Preparación de la Muestra
Si la muestra es un sólido, se debe someter a un tratamiento previo, como
pulverizarse para reducir el tamaño de sus partículas y lograr homogeneidad.
También se puede eliminar la humedad de la muestra para que esta no tenga
inferencia en los resultados.
Medición de la Muestra.
Se refiere a cuantificar la cantidad de materia disponible para análisis, en las
unidades más convenientes; masa, volumen o numero.
Disolución de la muestra.
La mayoría de los análisis químicos se realiza vía fase húmeda, debido a que de
esta forma las reacciones químicas son mas rápidas y completas, el solvente
utilizado debe disolver toda la muestra, preferiblemente se usa agua a menos que
la muestra sea insoluble en ella.
Eliminación de Interferencias
Algunas veces al disolverse la muestra, algunos residuos no lo hacen con el
solvente utilizado, estos residuos dificultan la medida directa del analito, es decir,
constituyen interferencias, aquí surge la necesidad de eliminarlos de forma
conveniente; ya sea por filtración, decantación u otros métodos.
7/24/2019 Unidad 1 Apuntes caracterizacion
http://slidepdf.com/reader/full/unidad-1-apuntes-caracterizacion 6/30
Universidad Autónoma de Coahuila Caracterización de MaterialesFacultad de Metalurgia
Noviembre 2008 6
Además, existen muy pocas propiedades químicas que sean exclusivas de una
especia química, así que, se hace necesario desarrollar esquemas en los cuales
las reacciones utilizadas, sirvan para aislar la especie de interés del resto.
4. Adquisición de los datos
Medición del Analito
Comprende una parte crucial de análisis ya que es el procedimiento usado en si,
aquí se lleva a la práctica el método elegido, sea este gravimétrico y volumetrico.
Instrumentales o Fisicoquímicos
Los métodos fisicoquímicos se basan en propiedades de interacción (absorción o
emisión) de la materia con energía radiante o electromagnética. Estos métodos
están muy difundidos gracias a las características de estas interacciones y al
amplio espectro de las radiaciones.
5. Tratamiento de los Datos
La realización de la parte experimental, arroja una serie de datos, estos deben ser
procesados de una manera correcta y con el margen de exactitud permitido.
6. Valorización e Interpretación de los Resultados.
Una vez obtenidos los resultados del análisis, el experimentador debe detenerse
para analizar y corroborar la veracidad de los resultados, con el fin de tener la
seguridad que dichos datos están acordes con el comportamiento esperado o
postulado, además puede ser necesario aplicar criterios estadísticos para
interpretar la información
7/24/2019 Unidad 1 Apuntes caracterizacion
http://slidepdf.com/reader/full/unidad-1-apuntes-caracterizacion 7/30
Universidad Autónoma de Coahuila Caracterización de MaterialesFacultad de Metalurgia
Noviembre 2008 7
Espectrometría
Los métodos espectrométricos son un amplio grupo de métodos analíticos
basados en la interacción de la radiación electromagnética, u otras partículas, con
un analito para identificarlo o determinar su concentración. Algunos de estos
métodos también se emplean en otras áreas de la química para elucidación de
estructuras. La espectroscopia es un término general para la ciencia que trata de
las distintas interacciones de la radiación con la materia. La espectrometría y los
métodos espectrométricos hacen referencia a la medida de la intensidad de la
radiación mediante un detector fotoeléctrico o con otro tipo de dispositivo
electrónico.
Estos métodos emplean técnicas que se dividen en técnicas espectroscópicas y
en técnicas no espectroscópicas. Las técnicas espectroscópicas son aquellas en
las que el analito sufre procesos de absorción, emisión o luminiscencia. El resto
corresponde a técnicas no espectroscópicas.
Las técnicas espectroscópicas se diferencian también según la forma en la que se
encuentra el analito en el momento en el que sufre el proceso espectroscópico,
dando lugar a la espectroscopia atómica y a la espectroscopia molecular.
Según el rango de energía que presente la radiación electromagnética existen
diferentes técnicas, por ejemplo, espectroscopia de infrarrojo, espectroscopia de
resonancia magnética nuclear, etcétera.
Las técnicas no espectroscópicas aprovechan diferentes propiedades de la
radiación electromagnética, como el índice de refracción o la dispersión.
Otra técnica importante es la espectrometría de masas, también empleada en
química orgánica para la elucidación de estructuras moleculares.
Los métodos espectrométricos más ampliamente utilizados son los relacionados
con la radiación electromagnética, que es un tipo de energía que toma varias
formas, de las cuales las más fácilmente reconocibles son la luz y el calor radiante
y sus manifestaciones más difícilmente reconocibles incluyen los rayos gamma y
los rayos X, así como las radiaciones ultravioleta, de microondas y de
radiofrecuencia.
7/24/2019 Unidad 1 Apuntes caracterizacion
http://slidepdf.com/reader/full/unidad-1-apuntes-caracterizacion 8/30
Universidad Autónoma de Coahuila Caracterización de MaterialesFacultad de Metalurgia
Noviembre 2008 8
Métodos Espectrométricos
Espectroscopia atómica
Técnica Calor UV-vis
Espectroscopia de
absorción atómicaUV-vis Calor
Espectroscopia de
fluorescencia atómica
UV-vis UV-vis
Espectroscopia de
rayos XRayos X Rayos X
Tabla 1. Espectroscopia atómica
Espectroscopia molecular
Técnica Radiación electromagnética
Espectroscopia infrarroja Infrarrojo
Espectroscopia
ultravioleta-visibleUltravioleta-visible
Espectroscopia de
fluorescencia
ultravioleta-visible
Ultravioleta-visible
Espectroscopia de
resonancia magnética
nuclear
Radiofrecuencias
Tabla 2. Espectroscopia molecular
7/24/2019 Unidad 1 Apuntes caracterizacion
http://slidepdf.com/reader/full/unidad-1-apuntes-caracterizacion 9/30
Universidad Autónoma de Coahuila Caracterización de MaterialesFacultad de Metalurgia
Noviembre 2008 9
Métodos Espectrométricos
Técnicas no espectroscópicas
Técnica Propiedad
Polarimetría Polarización de la luz
Dispersión óptica rotatoria Polarización de la luz
Refractometría Índice de refracción
Interferometría Índice de refracción
Turbidimetría Dispersión de la luz
Nefelometría Dispersión de la luz
Espectrometría Raman Dispersión
Tabla 3. Técnicas no espectroscópicas
Otras técnicas espectrométricas
Espectrometría de masas
Difracción de rayos X
Tabla 4. Otras técnicas espectrométricas
7/24/2019 Unidad 1 Apuntes caracterizacion
http://slidepdf.com/reader/full/unidad-1-apuntes-caracterizacion 10/30
Universidad Autónoma de Coahuila Caracterización de MaterialesFacultad de Metalurgia
Noviembre 2008 10
Ejemplos de algunos tipos de espectrometría
Espectrofotometría de absorción atómica
La absorción atómica es el proceso que ocurre cuando átomos de un elemento
en estado fundamental absorben energía radiante a una longitud de onda
específica y luego la pierden en forma de calor.
Las muestras se vaporizan y se convierten en átomos libres, en un proceso
denominado atomización. Sobre el vapor atómico originado se hace incidir la
radiación electromagnética que será absorbida parcialmente por el analito.
Fig.2 Componentes básicos de un espectrómetro de absorción atómica
7/24/2019 Unidad 1 Apuntes caracterizacion
http://slidepdf.com/reader/full/unidad-1-apuntes-caracterizacion 11/30
Universidad Autónoma de Coahuila Caracterización de MaterialesFacultad de Metalurgia
Noviembre 2008 11
El espectro de absorción atómica de muchos elementos se origina por
transiciones electrónicas desde el estado fundamental a estados excitados.
Por eso consta preferentemente de líneas de resonancia, que se producen como
consecuencia de transiciones desde el estado fundamental, que son las más
intensas.
En otros elementos, por su estructura electrónica más compleja, o por otros
motivos, el número de transiciones permitidas es mucho mayor aparecen lineas
no resonantes, y además suelen tener un gran número de líneas de resonancia
que se presentan muy próximas.
Aplicaciones
Determinación de más de 60 elementos en las más variadas muestras: rocas,
suelos, aguas, vegetales, muestras biológicas, productos petrolíferos, metales
y aleaciones, combustibles nucleares, productos farmacéuticos, vinos, etc.
Los fluidos biológicos, sangre y orina, pueden, con frecuencia, ser introducidos
directamente en la llama después de una simple dilución.
Cuando se requiere la destrucción de la materia orgánica, ésta puede llevarse
a cabo por calcinación en seco, o por vía húmeda.
Las muestras metálicas y las aleaciones suelen disolverse en ácidos
minerales.
7/24/2019 Unidad 1 Apuntes caracterizacion
http://slidepdf.com/reader/full/unidad-1-apuntes-caracterizacion 12/30
Universidad Autónoma de Coahuila Caracterización de MaterialesFacultad de Metalurgia
Noviembre 2008 12
Espectrometría de Infrarrojo
La zona de radiación infrarroja del espectro electromagnético está limitada por las
regiones del espectro visible y del microondas. Como se muestra en la siguiente
tabla, se distinguen tres zonas, siendo la del infrarrojo medio la que hasta el
momento actual tiene mayor aplicación analítica.
Tabla.5 Zonas espectrales infrarrojas
Las moléculas no son asociaciones rígidas de átomos; a temperatura normal, los
átomos unidos por un enlace de constante de fuerza k están en continuo
movimiento vibratorio sobre sus posiciones de equilibrio, lo que determina unos
niveles de energía vibracional en la molécula.
La radiación electromagnética infrarroja tiene una energía que no es suficiente
para producir transiciones electrónicas; sin embargo, su energía es similar a las
pequeñas diferencias energéticas entre los distintos estados vibracionales y
rotacionales existentes en la mayoría de las moléculas.
La espectroscopia de absorción en el infrarrojo tiene su origen en las vibracionesmoleculares. El espectro de infrarrojo de una molécula se obtiene como resultado
de medir la intensidad de una radiación exterior absorbida, para cada longitud de
onda, que hace posible la transición entre dos niveles de energía vibracional
diferentes. Cada una de estas absorciones características de energía se
corresponde con un movimiento vibracional de los átomos en la molécula
7/24/2019 Unidad 1 Apuntes caracterizacion
http://slidepdf.com/reader/full/unidad-1-apuntes-caracterizacion 13/30
Universidad Autónoma de Coahuila Caracterización de MaterialesFacultad de Metalurgia
Noviembre 2008 13
Aplicaciones
La espectroscopía infrarroja es una de las técnicas espectroscópicas más
versátiles y de mayor aplicación. Las posibles aplicaciones de esta técnica son
por tanto innumerables. Sin embargo, a continuación se citan algunas de las
aplicaciones más importantes:
Caracterización e identificación de materiales:
- Polímeros y plásticos
- Sólidos inorgánicos (minerales, catalizadores, materiales compuestos)
Análisis de productos farmacéuticos y de síntesis.
Análisis de contaminantes
Ciencia Forense (identificación)
Biomedicina (análisis de tejidos)
Conservación artística (análisis de pigmentos, materiales utilizados…)
Industria del reciclaje (identificación de materiales poliméricos)
Agricultura y alimentación (IR cercano)
Seguimiento de procesos químicos
- Polimerizaciones, curado, reticulaciones…
- Reacciones catalíticas
Fig. 3 Diagrama esquemático de un espectrómetro infrarrojo sencillo
7/24/2019 Unidad 1 Apuntes caracterizacion
http://slidepdf.com/reader/full/unidad-1-apuntes-caracterizacion 14/30
Universidad Autónoma de Coahuila Caracterización de MaterialesFacultad de Metalurgia
Noviembre 2008 14
Espectrometría de Masas
Es una técnica analítica basada en la posibilidad de separar especies moleculares
(y atómicas) según su masa.
Es aplicable para muchos tipos de muestras desde elementos hasta grandes
proteínas y polímero.
Fig. 4 Diagrama del Procedimiento de Espectrometría de Masas
Ventajas
Se puede obtener mucha información con una cantidad muy pequeña de
compuesto.
No implica la absorción o emisión de luz.
Se utiliza, por ejemplo, un haz de electrones de alta energía que rompe la
molécula en fragmentos.
Las masas de los fragmentos y su abundancia relativa proporcionan información
sobre la estructura de la molécula.
Desventajas
Es una técnica destructiva: porque la muestra no se puede recuperar íntegra, al
haber sufrido la fragmentación.
7/24/2019 Unidad 1 Apuntes caracterizacion
http://slidepdf.com/reader/full/unidad-1-apuntes-caracterizacion 15/30
Universidad Autónoma de Coahuila Caracterización de MaterialesFacultad de Metalurgia
Noviembre 2008 15
VIA HUMEDA
Es un método de análisis en los que se separan e identifican los elementos que
compone la muestra a analizar.
Es la técnica basada en métodos semimanuales en donde se efectúan la
disolución de la muestra mediante un ataque químico, por lo general se utilizan
agua y ácidos inorgánicos.
Para la determinación cuantitativa de cada uno de los elementos requeridos que
se utilizan e los siguientes métodos.
Gravimétrico
Análisis en el cual la cantidad de analito se determina por medio de una pesada.
Éste se separa de los demás componentes de la mezcla, así como del solvente.)
Volumétrico
Se determina el volumen de una disolución de concentración conocida que se
necesita para reaccionar con todo el analito, y en base a este volumen se calcula
la concentración del analito en la muestra.
7/24/2019 Unidad 1 Apuntes caracterizacion
http://slidepdf.com/reader/full/unidad-1-apuntes-caracterizacion 16/30
Universidad Autónoma de Coahuila Caracterización de MaterialesFacultad de Metalurgia
Noviembre 2008 16
RAYOS X
Son radiaciones electromagnéticas cuya longitud de onda va desde unos 10 nm
hasta 0,001 nm (1 nm o nanómetro equivale a 10-9 m). Cuanto menor es la
longitud de onda de los rayos X, mayores son su energía y poder de penetración.
Los rayos de mayor longitud de onda, cercanos a la banda ultravioleta del
espectro electromagnético, se conocen como rayos X blandos; los de menor
longitud de onda, que están más próximos a la zona de rayos gamma o incluso se
solapan con ésta, se denominan rayos X duros.
Los rayos X formados por una mezcla de muchas longitudes de onda diferentesse conocen como rayos X ‘blancos’, para diferenciarlos de los rayos X
monocromáticos, que tienen una única longitud de onda. Tanto la luz visible como
los rayos X se producen a raíz de las transiciones de los electrones atómicos de
una órbita a otra. La luz visible corresponde a transiciones de electrones externos
y los rayos X a transiciones de electrones internos. En el caso de la radiación de
frenado o bremsstrahlung los rayos X se producen por el frenado o deflexión de
electrones libres que atraviesan un campo eléctrico intenso. Los rayos gamma,cuyos efectos son similares a los de los rayos X, se producen por transiciones de
energía en el interior de núcleos excitados.
Los rayos X afectan a una emulsión fotográfica del mismo modo que lo hace la
luz. La absorción de rayos X por una sustancia depende de su densidad y masa
atómica. Cuanto menor sea la masa atómica del material, más transparente será
a los rayos X de una longitud de onda determinada. Cuando se irradia el cuerpohumano con rayos X, los huesos absorben la radiación con más eficacia, por lo
que producen sombras más oscuras sobre una placa fotográfica. En la actualidad
se utiliza radiación de neutrones para algunos tipos de radiografía, y los
resultados son casi los inversos. Los objetos que producen sombras oscuras en
una imagen de rayos X aparecen casi siempre claros en una radiografía de
neutrones.
7/24/2019 Unidad 1 Apuntes caracterizacion
http://slidepdf.com/reader/full/unidad-1-apuntes-caracterizacion 17/30
Universidad Autónoma de Coahuila Caracterización de MaterialesFacultad de Metalurgia
Noviembre 2008 17
Aplicaciones
Los rayos X se emplean sobre todo en los campos de la investigación científica, la
industria y la medicina. Además de las aplicaciones de los rayos X para la
investigación en física, química, mineralogía, metalurgia y biología, los rayos X
también se emplean en la industria como herramienta de investigación y para
realizar numerosos procesos de prueba.
Son muy útiles para examinar objetos, por ejemplo piezas metálicas, sin
destruirlos.
Las imágenes de rayos X en placas fotográficas muestran la existencia de
fallos, pero la desventaja de este sistema es que el equipo de rayos X de alta
potencia que se necesita es voluminoso y caro. Por ello, en algunos casos se
emplean radioisótopos que emiten rayos gamma de alta penetración en vez de
equipos de rayos X.
Muchos productos industriales se inspeccionan de forma rutinaria mediante
rayos X, para que las unidades defectuosas puedan eliminarse en el lugar de
producción.
Existen además otras aplicaciones de los rayos X, entre las que figuran la
identificación de gemas falsas o la detección de mercancías de contrabando en
las aduanas.
También se utilizan en los aeropuertos para detectar objetos peligrosos en los
equipajes. Los rayos X ultrablandos se emplean para determinar la autenticidad
de obras de arte y para restaurar cuadros.
7/24/2019 Unidad 1 Apuntes caracterizacion
http://slidepdf.com/reader/full/unidad-1-apuntes-caracterizacion 18/30
Universidad Autónoma de Coahuila Caracterización de MaterialesFacultad de Metalurgia
Noviembre 2008 18
Existen tres propiedades diferentes de los rayos X que se pueden usar en la
práctica:
Absorción
La alta penetración de los rayos X en un material y la variación de la absorción
por el material al cambiar el espesor conduce naturalmente a la técnica bien
conocida de radiografía, tanto médica como industrial. Las soldaduras y las
fundiciones son rutinariamente inspeccionadas por rayos X para buscar defectos
como grietas. Debido a que los resultados se registran fotográficamente, existen
buenas revisiones de las técnicas disponibles por parte de los fabricantes de
película de rayos X, por ejemplo, Kodak, Ilford y Gevaert.
Esta técnica también se puede utilizar para monitorear continuamente el espesor
de placas y hojas de papel metálico roladas y, también de recubrimientos en
placas de metal. Todo lo que se requiere es una fuente de rayos X en un lado de
la hoja móvil y un tubo Geiger en el otro.
Cualquier variación en el espesor se registrará inmediatamente como una
variación en la tasa de conteo. La señal también podría usarse mediante un relé
para corregir las fluctuaciones automáticamente sin la intervención de cualquier
persona.
La radiografía se utiliza todos los días en muchas industrias. Se utiliza para
examinar llantas radiales, para inspeccionar soldaduras o elementos de
calentamiento y para muchos otros propósitos: las posibilidades sonprácticamente ilimitadas
7/24/2019 Unidad 1 Apuntes caracterizacion
http://slidepdf.com/reader/full/unidad-1-apuntes-caracterizacion 19/30
Universidad Autónoma de Coahuila Caracterización de MaterialesFacultad de Metalurgia
Noviembre 2008 19
Fluorescencia
La fluorescencia de rayos X (FRX) es una técnica espectroscópica que utiliza la
emisión secundaria o fluorescente de radiación X generada al excitar una muestra
con una fuente de radiación X. La energía absorbida por los átomos de la muestra
genera la producción de rayos X secundarios, ó de fluorescencia emitidos por la
muestra.
Estos rayos X secundarios tienen una intensidad proporcional a la concentración
de cada elemento de la muestra, por ello, al cuantificar esta radiación se
determina la cantidad de cada elemento presente en la muestra. Ello se debe a
que la radiación X incidente o primaria expulsa electrones de capas interiores delátomo.
Es la técnica empleada, normalmente, cuando se quiere conocer con rapidez la
composición elemental exacta de una sustancia, pues permite determinar todos
los elementos del sistema periódico, desde el flúor hasta el uranio, en muestras
sólidas, en polvos y en líquidos.
Permite la determinación de la composición de aleaciones que contengan hasta
cuatro elementos, la composición y el grosor de una capa elemental, binaria o
ternaria y el grosor de dos o tres capas elementales.
Ventajas
El análisis es no destructivo, la interpretación de resultados es simple, permitediferentes tamaños de muestras y facilita el análisis de multicomponentes
complejos en pocos minutos.
Desventajas
Necesidad de patrones, limitada sensitividad del método en la detección de los
elementos ligeros (el numero atómico mínimo es 6 – carbono)
7/24/2019 Unidad 1 Apuntes caracterizacion
http://slidepdf.com/reader/full/unidad-1-apuntes-caracterizacion 20/30
Universidad Autónoma de Coahuila Caracterización de MaterialesFacultad de Metalurgia
Noviembre 2008 20
La selección apropiada de estándares de calibración es fundamental en la
aplicación de FRX, esta es un método no destructivo en el sentido en que la
muestra no sufre daños durante el análisis.
Frecuentemente no es necesaria la toma de muestras; el equipo puede ser
dispuesto para acomodar objetos de grandes dimensiones. Las muestras
analizadas pueden volver a analizarse las veces que se desee sin que sufran
daños. Existen ciertas limitaciones a este carácter no destructivo, ya que ciertos
materiales pueden deteriorarse cuando están sometidos durante largos pedidos a
una intensa radiación con rayos X.
Difracción
Otro fenómeno que experimentan los rayos X y que puede ser aprovechado con
fines analíticos es su difracción, es decir, el cambio de dirección que
experimentan al atravesar la muestra, lo que produce interferencias explicables
por la llamada ley de Bragg y que se plasman en el patrón o en el espectro de
difracción de rayos X de esa muestra. Este es característico de cada especie
química, por lo que puede ser usado en análisis cualitativo.
En análisis suelen ser necesarias cantidades muy pequeñas de muestras y
prácticamente sin preparación, si bien se obtienen los mejores resultados
triturándola y homogeneizándola hasta obtener un polvo microcristalino. Se
pueden identificar tanto átomos como moléculas, e incluso se pueden distinguir
distintas fases cristalinas de una misma especia química. No es una técnicaadecuada para investigar trazas en sólidos ni tampoco para estudiar líquidos,
gases ni, en general, sistemas amorfos
7/24/2019 Unidad 1 Apuntes caracterizacion
http://slidepdf.com/reader/full/unidad-1-apuntes-caracterizacion 21/30
Universidad Autónoma de Coahuila Caracterización de MaterialesFacultad de Metalurgia
Noviembre 2008 21
ARTICULO
Caracterización por difracción de rayos X
Revista De Metalurgia, 43 (6) Noviembre-Diciembre
R. Montalvo*, E. Zeballos*, P. Paz*, J. Huayna*, M. Casaverde*
Resumen
Entre los residuos producidos en siderúrgicas de alto horno, la escoria representa
el de más alto porcentaje. El gran impacto que sobre el medio ambiente ejerce
este material ha llevado a desarrollar diversas técnicas para su
reaprovechamiento, previa caracterización de sus propiedades físicas y químicas.
En este trabajo presentamos los resultados de la determinación cualitativa y
cuantitativa de fases en muestras de escoria, mediante la técnica de difracción de
rayos X y procesos de refinamiento por el método Rietveld.
Introducción
La necesidad y preocupación por preservar los recursos naturales y controlar la
contaminación ambiental son algunas de las motivaciones que han impulsado la
investigación y desarrollo de técnicas de recuperación y reutilización de recursos
industriales, en particular los desechos de la industria siderúrgica. Estos
materiales contienen una elevada cantidad de elementos reciclables y constituyen
una fuente de materia prima de muy bajo costo; tal es el caso de la escoria de alto
horno utilizada con éxito en la elaboración de cemento.
Las escorias producidas en siderúrgicas de alto horno son utilizadas en el
hormigón como agregado del cemento Portland. Este nuevo componente confiere
al cemento mejores propiedades mecánicas y mayor resistencia, rigidez y
durabilidad contra los efectos perjudiciales de agentes químicos, sulfatos y aguade mar que pueden llegar a desintegrar el hormigón.
En una siderúrgica, la producción de una tonelada de acero genera
aproximadamente media tonelada de escoria, constituida básicamente por óxidos
de una elevada energía de formación, que permanecen sin alterarse en el alto
horno.
7/24/2019 Unidad 1 Apuntes caracterizacion
http://slidepdf.com/reader/full/unidad-1-apuntes-caracterizacion 22/30
Universidad Autónoma de Coahuila Caracterización de MaterialesFacultad de Metalurgia
Noviembre 2008 22
Durante la elaboración del acero la escoria constituye el medio idóneo por el cual
las impurezas son separadas del metal líquido, logrando la composición deseada
de éste.
TABLA I. Concentraciones de óxidos presentes en escoria reciclable.
Una vez cumplida su función, la escoria es evacuada para evitar la contami-
nación del acero, luego pasa a un estado de vitrificación adquiriendo las
propiedades que la caracterizan como material reutilizable.
Entre las fases de la escoria se encuentra la mer-winite (Ca3Mg(SiO4)2) y la
diopsite (CaMgSi2O6); la merwinite es una fase frecuente en los hornos de la in-
dustria siderúrgica,4 independientemente del grado de cristalización que la
escoria alcance. Ambas fases favorecen las estructuras sometidas a altas
presiones, debido a la disposición octaédrica y tetraédrica de las moléculas de
MgO6 y SiO4 en la red cristalina.5 Otra fase es la sílice, uno de los mayorescontaminantes del acero que al combinarse con la cal forma los silicatos
2CaO.SiO2 y CaO.2Al2O3; también están presentes óxidos tales como SiO2,
Al2O3, CaO, MgO. En la Tabla I mostramos las concentraciones de los óxidos
comúnmente encontrados en la escoria reciclable.
Para ser aprovechable en la preparación del hormigón, la escoria requiere un
estado vítreo mayor al 90%. Por lo tanto, antes de su incorporación al cemento,es necesario caracterizarla para determinar cualitativa y cuantitativamente las
fases presentes y su estado de vitri-ficación. Con este propósito hemos realizado
un estudio de muestras de escoria provenientes de la siderúrgica de alto horno de
Chimbote, aplicando la técnica de difracción de rayos X .
7/24/2019 Unidad 1 Apuntes caracterizacion
http://slidepdf.com/reader/full/unidad-1-apuntes-caracterizacion 23/30
Universidad Autónoma de Coahuila Caracterización de MaterialesFacultad de Metalurgia
Noviembre 2008 23
Resultados Y Discusión
Se idenficaron componentes cristalinos de merwinite, Ca3Mg(SiO2)4, y diopsite,
Ca(Mg,Al)(Si,AL)2O6, como mostramos en el difractograma de la Figura 1.
En la Figura 2 mostramos el difractograma de la muestra de escoria luego de
incorporado el cloruro de sodio como patrón, este último de porcentaje conocido.
Los porcentajes en peso de los componentes cristalinos y de la fase amorfa,
obtenidos por refinamiento Rietveld se muestran en la Tabla II.
TABLA II. Porcentajes en peso de fases cristalinas y amorfas
presentes en la escoria.
La componente amorfa es predominante, aproximadamente 95%, lo cual indica un
alto estado de vitrificación de la escoria.
La Tabla III muestra porcentajes de las componentes identificadas por la técnica
de espectrofotometría de fluorescencia de rayos X, comparadas con aquellas
encontradas en escorias de la siderúrgica Belgo usadas como agregado delcemento.
TABLA III. Porcentajes en peso de óxidos en escoria
de Chimbote y de Belgo.
La aproximación entre ambos resultados, cualitativa y cuantitativamente, nos
permite asumir que nuestras muestras reúnen características similares a las de la
Belgo y que además contienen los óxidos comunes de escoria reciclable, como
fue especificado en la Tabla I.
7/24/2019 Unidad 1 Apuntes caracterizacion
http://slidepdf.com/reader/full/unidad-1-apuntes-caracterizacion 24/30
Universidad Autónoma de Coahuila Caracterización de MaterialesFacultad de Metalurgia
Noviembre 2008 24
Conclusiones
A partir de los resultados obtenidos por refinamiento Rietveld, verificamos que la
precisión en las medidas de las intensidades de reflexión es fundamental para el
análisis cuantitativo.
Las técnicas empleadas para la caracterización de escoria siderúrgica de alto
horno, mostraron ser eficientes y, por lo tanto, recomendables para este tipo de
estudios.El peso de la merwinite, 0.04%, y de la diopsite, 0.01%, correspondientes
a las fases cristalinas fueron mucho menores a las de la fase amorfa del orden del
95%, lo cual indica el alto estado de vitrificación de la escoria.
FIGURA 1. Difractograma de escoria de alto
horno mostrando fases cristalinas y amorfas.
FIGURA 2. Difractograma de escoria de
alto horno incluyendo cloruro de sodio.
El estudio reportó la presencia de óxidos en proporciones similares a las
encontradas en escorias reciclables.Estos resultados califican a la escoria de la siderúrgica de Chimbote como un
elemento adecuado para un empleo similar al dado a la escoria de la Belgo, es
decir, como componente del cemento. Desde el punto de vista ambiental y de su
reutilización, la escoria siderúrgica debe ser caracterizada, considerando que sus
propiedades físicas y químicas están relacionadas con su composición y
propiedades estructurales.
7/24/2019 Unidad 1 Apuntes caracterizacion
http://slidepdf.com/reader/full/unidad-1-apuntes-caracterizacion 25/30
Universidad Autónoma de Coahuila Caracterización de MaterialesFacultad de Metalurgia
Noviembre 2008 25
Notas
A Para la determinación de las fases cristalinas y amorfas usamos el programa
DBWS-9807a7 basado en el método Rietveld de refinamiento de estructuras; el
programa determina cuantitativamente las fases según el método de patrón
interno. Para la identificación de los elementos químicos presentes en las
muestras usamos espectrofotometría de fluorescencia de rayos X. La sílice
presente se estudió por el método de vía húmeda en medios ácidos a fin de
verificar sus propiedades como producto reciclable, según la Tabla I.
Método De Patrón Interno
El método de patrón interno formulado por Klug y Alexander8 consiste en
introducir en la mezcla una sustancia de concentración conocida (patrón) y
determinar el porcentaje en peso de cualquier fase en términos de la con-
centración del patrón. El método utiliza la relación entre la intensidad del haz
difractado y la concentración de la fase, independiente del coeficiente de
absorción, llegando a determinarse concentraciones menores al 1%.
En una mezcla, la razón de las intensidades del haz difractado por la fase a, por
ejemplo, y por el patrón, es dada por lo que da una recta de pendiente κ, en
función de la fracción volumétrica de la fase a, νa.
De esta gráfica podemos determinar cuantitativamente la concentración de las
fases en una mezcla desconocida siempre que incluya la misma sustancia patrón
usada para la gráfica de calibración.
En el programa DBWS-9807a, la intensidad de las reflexiones está asociada al
factor de escala S de cada fase. La fracción en peso de la fase se determina por
la ecuación donde:
7/24/2019 Unidad 1 Apuntes caracterizacion
http://slidepdf.com/reader/full/unidad-1-apuntes-caracterizacion 26/30
Universidad Autónoma de Coahuila Caracterización de MaterialesFacultad de Metalurgia
Noviembre 2008 26
Sα y Sp son los factores de escala relativos a la fase y al patrón, respectivamente;
ρα y ρp son las densidades de la fase y del patrón, respectivamente; y Xp es la
fracción en peso del patrón.
Esta ecuación permite también determinar fracciones correspondientes a fases
amorfas. La fase amorfa es obtenida por la diferencia entre el peso total de la
muestra y las fracciones en peso de las fases cristalinas.
Referencias
1 Schütz U. Ayudantes de molienda para escoria granulada de alto horno, Grupo
Holderbank Management and Consulting. Administración y Asesoría (HAA).
2 National Slag Association. Blast furnance slag.Pennsylvania. USA.
http://www.nationalslagassoc.org
3 Pal SC, Mukjerhee A y Pathak SR. Investigation of hydraulic activity of ground
granulated blast furnace slag in concrete. Cement and Concrete Research 33
(2003) 1481-1486.
4 Fredericci C, Zanotto ED y Ziemath EC. Crystallization mechanism and
properties of a blast furnace slag glass. Journal of Non-Crystalline Solids 273
(2000) 64-75.
5 Moore PB y Araki T. Atomic arragement of merwinite Ca3Mg(SiO4)2, an unusual
dense-packed structure of geophysical interest. American Mineralogist. Vol. 57
(1972) 1355-1374.
6 Emery J. Geotechnical Engineering Limited for Aggregate and Petroleum
Resources Section Mineral Aggregate Conservation Reuse and Recycling. Ontario
Ministry of Natural Resources (1992)
7/24/2019 Unidad 1 Apuntes caracterizacion
http://slidepdf.com/reader/full/unidad-1-apuntes-caracterizacion 27/30
Universidad Autónoma de Coahuila Caracterización de MaterialesFacultad de Metalurgia
Noviembre 2008 27
APLICACIÓN PARA UNA MEJORA QUE IMPACTE EL SECTOR INDUSTRIAL
El CENAM podrá reducir los tiempos y costos de análisis y caracterización
de materiales con la instalación de un nuevo microscopio electrónico de
barrido.
El nuevo equipo se integra a la infraestructura del Laboratorio de Materiales
Cerámicos con lo que se amplia la variedad de análisis y se reduce el tiempo para
realizarlos.
El nuevo microscopio procesa las muestras
en bajo vacío, con lo que es posible
caracterizar una gran cantidad de materiales
que se encuentren en estado sólido. Además
de analizar la morfología de la muestra, este
microscopio cuenta con dispositivos que
permiten determinar la composición química
de su superficie.
Este nuevo sistema complementa al sistema microanalítico utilizado para realizar
análisis de química elemental. Este instrumento posee una gran capacidad pero
solo puede analizar muestras metálicas o preparadas para responder a este tipo
de estudio.
Si bien tiene una alta exactitud microanalítica no está preparado para unacaracterización morfológica, debido a que el haz de electrones que “observa” la
muestra tiene que incidir de manera casi perpendicular a su superficie para llevar
al máximo la emisión de rayos X que permite caracterizarla. Así mismo, el trabajar
con una cámara de alto vacío, limita la gama de materiales susceptibles de ser
analizados.
7/24/2019 Unidad 1 Apuntes caracterizacion
http://slidepdf.com/reader/full/unidad-1-apuntes-caracterizacion 28/30
Universidad Autónoma de Coahuila Caracterización de MaterialesFacultad de Metalurgia
Noviembre 2008 28
La función primaria del laboratorio de Materiales Cerámicos es el desarrollo de
materiales de referencia con aplicaciones micrométricas, la certificación o
calibración de retículas y la calibración de los equipos que realizan mediciones a
esta escala. Durante los últimos 5 años la mayor parte de los servicios han estado
abocados a los sectores de investigación y desarrollo industrial en micro y
nanotecnología.
El nuevo microscopio moderniza las capacidades del laboratorio y le permite
diversificar su oferta de servicios como el diseño de nuevos tipos de materiales.
Debido a sus características es posible ahorrar tiempo y consumibles en la
preparación de materiales de referencia, reduciendo, por ejemplo, el tiempo de
preparación de algunas muestras de 24 horas a tan solo media hora.
La carga de servicios de análisis de alta exactitud que anteriormente eran
atendidos por el microscopio de alto vacío será redirigida al nuevo microscopio,
permitiendo que el trabajo de desarrollo de materiales de referencia ocupe el total
de las capacidades del equipo de mayor exactitud.
7/24/2019 Unidad 1 Apuntes caracterizacion
http://slidepdf.com/reader/full/unidad-1-apuntes-caracterizacion 29/30
Universidad Autónoma de Coahuila Caracterización de MaterialesFacultad de Metalurgia
Noviembre 2008 29
CONCLUSIONES
Con toda esta investigación que he realizado, tengo una visión totalmente
diferente pero sobre todo clara y practica de las distintas herramientas
experimentales de las cuales disponen para caracterizar un material, y de esa
forma poder sacarle el mayor provecho ahora en mi estudio, pero sobre todo en
un futuro a nivel industrial y tecnológico.
DIFICULTADES
Inicie la investigación con la búsqueda de libros, revistas, etc., relacionados con el
tema, después leyendo toda la información recapitulada y allí mismo empezar una
pequeña síntesis para después transcribir.
En lo personal acepto que fue un poco difícil, lo confieso porque a pesar de todo
mi empeño en la investigación, no encontré libros, de temas relacionados con el
trabajo a investigar y sinceramente estuve viendo información de Internet, todo
esto con el fin de sacar adelante mi trabajo.
A pesar de todo, personalmente creo que hubo un resultado satisfactorio, se logro
el objetivo que se pedía.
7/24/2019 Unidad 1 Apuntes caracterizacion
http://slidepdf.com/reader/full/unidad-1-apuntes-caracterizacion 30/30
Universidad Autónoma de Coahuila Caracterización de MaterialesFacultad de Metalurgia
Noviembre 2008 30
BIBLIOGRAFIA
Análisis Instrumental
Skoog / Leary
Principios de Análisis Instrumental
Skoog / Holler / Nieman
Química Analítica Cuántica
R. A. Day, Jr. / A. L. Underwood
Técnicas analíticas de separación
Miguel Valcárcel Cases, M. Gomez Valcarcel, A.
Fundamentos de química analítica básica. Análisis cuantitativo
Néstor Riaño Cabrera
Revista de Metalurgia
Madrid, 43 (6), Noviembre-Diciembre, 458-463, 2007