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Índice • • • • • • Cobre (Cu) Hierro (Mn) Acero Manganeso (Mn) Níquel (Ni) Cobalto (Co) Descripción • • • • Metal de transición de color pardo rojizo Brillo metálico Sólido en estado puro Puede encontrarse de manera nativa y agregado a otros metales, sulfuros, nitratos u óxidos metálicos: Calcopirita Bornita Descripción • Es el 25º elemento más abundante de la corteza terrestre • Se encuentra por todo el mundo, sobretodo formando parte de yacimientos porfídicos • Posee un gran interés para el hombre debido a sus ventajosas propiedades: -Elevada conductividad térmica y eléctrica -Maleabilidad y ductilidad -Gran resistencia a la corrosión Historia • Primer metal utilizado por el hombre • Los yacimientos más antiguos datan del 10.000 a.C. • Su uso se generaliza a finales del Neolítico → Edad del Cobre → Edad del Bronce • Pierde protagonismo con la aparición del hierro • Su importancia y demanda se disparan con la Revolución Industrial y la aparición del generador eléctrico de Faraday Historia • El bronce fue muy utilizado en la Antigüedad para la fabricación de útiles de GRAN importancia. Desde el punto de vista químico • Metal de transición • Pertenece al 4º Periodo • Junto con el oro y la plata forma el grupo 11 ó IB: -Gran inactividad química -Alta energía de ionización -Elevada conductividad eléctrica Desde el punto de vista químico • El cobre posee numerosas propiedades: -Metal duradero y 100% reciclable -Resistente a la corrosión y oxidación -2º metal de mayor conductividad térmica y eléctrica -De fácil mecanizado, soldable, dúctil y maleable -En sus compuestos, presenta números de oxidación bajos: +1 y +2 -Baja resistencia a la tracción y dureza escasa -Forma aleaciones con otros metales para mejorar sus prestaciones mecánicas Aleaciones del cobre • El cobre, unido en aleaciones a otros metales, mejora sus propiedades mecánicas a costa de perder eficiencia en sus propiedades eléctricas • Existen varias combinaciones dependiendo del carácter que queramos potenciar • Latón (Cu-Zn) y Bronce (CuSn) Aplicaciones • Cables de conducción eléctrica: -líneas de alta tensión -interruptores y enchufes -bombillas… • • • • • • Circuitos integrados Cables telefónicos Electroimanes Motores eléctricos Microondas Radiadores de automóviles Aplicaciones • • • • • • • • Recubrimientos metálicos Fontanería Azulejos y cerámica decorativa Estatuas y ornamentos Acuñación de monedas Bisutería Calderería Instrumentos musicales de viento • Pigmento de pinturas anticorrosión: Cu2O • Vidrios ópticos y abonos: CuO • Fungicida y bactericida: CuSO4 Cobre y Biotecnología Biominería: empleo de organismos vivos con fines mineros ¡¡¡Bacterias que comen piedras y liberan metales!!! -Biolixiviación: utilización de microorganismos que obtienen energía de la oxidación de materia inorgánica. Acidithiobacillus ferrooxidans -Lixivian las rocas o minerales (CuS p.ej.) extrayendo los e- mediante su oxidación CuS(s) → CuSO4(aq) -El metal se recupera mediante su depósito en planchas de acero a través de un proceso electrolítico El hierro El hierro Símbolo, número atómico, grupo, período, bloque Fe, 26, 8, 4, d Masa atómica 55.845u Configuración electrónica [Ar]3d64s2 Estados oxidación 2,3,4,6 (carácter anfótero) Isótopos (%) 54Fe(5.9%),56Fe(91.7%),57Fe (2.1%),58Fe(0.3%) Estado (25 ºC) y apariencia Sólido, metálico brillante Características Radio atómico 156 pm Densidad 7874 kg/m3 Punto de fusión, punto de ebullición Electronegatividad (puro) 1808 K, 3023 K EI, AE, Calor específico 759.3 kJ/mol, 14.6 kJ/mol, 459,80 J/kg °K 13.8 kJ/mol, 349.6 kJ/mol Entalpías de fusión y vaporización 1.83 Propiedades especiales • Ferromagnetismo. Debido a la conformación especial de los electrones de la última capa. • Formas alotrópicas. A diferentes temperaturas, el hierro adopta distintas estructuras cristalinas (5 formas). Abundancia • • • • 35% de la masa terrestre. 95% en peso de la producción mundial de metal. Núcleos externo e interno: al girar generan el campo magnético de la Tierra Manto: especialmente importante, movimiento de placas Corteza: 5% de la masa total. ¿De dónde se extrae? • -Menas de hierro • -Minerales: hematites (Fe2O3), magnetita (Fe3O4), limonita (FeO(OH)), cromita (FeCr2O4), etc… • -El hierro forma numerosas sales y compuestos, como el hexacianoferrato (II) de hierro (III) (azul Prusia o azul de Turnbull, K3[Fe(CN)6] ) Aplicaciones • -Industria: arrabio (materia prima para el acero) y escoria (múltiples usos en el proceso de producción de acero)… • -Imanes, tintes (tintas, papel para heliográficas, pigmentos pulidores) y abrasivos (colcótar: peróxido de hierro pulverizado) • -Biotecnología: múltiples aplicaciones… El hierro en Biotecnología • • • • Participa en prácticamente todas las reacciones de óxido reducción gracias a su elevado potencial redox, intercambiándose sus estados férrico (+3) y ferroso (+2) muy fácilmente. Fe3+(aq)+ e-→Fe2+(aq) Eº/V=+0.77 Esto hace que pueda tanto donar como aceptar electrones. Puede formar complejos gracias a los orbitales d. Complejos importantes • • • • • La mayor parte del hierro orgánico lo encontramos en los grupos porfirínicos, especialmente en la hemoglobina y en la mioglobina. Tanto en la hemoglobina como en la mioglobina, el hierro actúa como captador/dador de electrones. El potencial redox (para medir la actividad de los electrones) se calcula como: Eh = 1, 234 - 0,058 pH + 0,0145 log (10) Po Por tanto, la actividad de la proteína depende de la presión parcial de O2 Otros complejos • • • • • • En una persona sana, el nivel de hierro por kilogramo de masa total es de 35 mg/kg en mujeres y 50 mg/kg en los hombres. La mayor parte se encuentra en la hemoglobina y mioglobina, pero también hay hierro activo presente en numerosas enzimas de la mitocondria o que controlan la oxidación intracelular (citocromos, catalasas, peroxidasas…) La transferrina es una enzima bastante importante cuya función es el transporte de hierro en el plasma. En las plantas y algunas cianobacterias fotoautótrofas encontramos ciertas enzimas con hierro sin las cuales la fotosíntesis no tendría lugar (cpjo citocrómico, ferredoxina) Las bacterias metanotróficas utilizan las monooxigenasas para catalizar la oxidación del CH4 En algunos animales marinos encontramos la hemeritrina, proteína transportadora de oxígeno no hemo. Otros complejos • Hay ciertas proteínas, como la ferritina, encargadas del almacenamiento de hierro en el cuerpo. Está compuesta por una capa exterior de proteína soluble, la apoferritina, y un núcleo de hidroxifosfato férrico. • La hemosiderina tiene parecida forma a la de la hemoglobina; sin embargo, consiste en agregados micélicos de ferritina. Tiene apariencia amarillenta y globular. Absorción • En el intestino: • Hierro hem (productos cárnicos): grupos porfirínicos completos. Se absorbe tal cual en las células de la mucosa gracias a la HEM oxigenasa. • Hierro no hem (vegetales, patatas…): ha de pasar de forma férrica (Fe3+) a ferrosa (Fe2+) en el estómago, reduciéndose con el HCl. Se absorbe en el duodeno o yeyuno superior, se une a glucoproteínas de membrana, forma vesículas que van al RER y luego se forman gránulos de ferritina. Mecanismo más complejo. PROBLEMAS • Bloqueo mucoso de Granick: la cantidad de ferritina en la mucosa intestinal sirve para determinar cuánto hierro se absorbe. • Inhalación de concentraciones excesivas de hierro: neumoconiosis benigna (siderosis), aumento del riesgo de padecer cáncer de pulmón. • Si permanece en los tejidos: conjuntivitis, coriorretinitis, y retinitis. • Hemocromatosis: enfermedad genética. La excesiva absorción de hierro hace que se deposite en el hígado, causa cirrosis hepática. Acero Introducción • El acero es un compuesto de hierro y otra sustancia que incrementa su resistencia. • Hay dos tipos: – Aceros al carbono ( <2.1% en peso de C ). Son los más empleados. – Aceros especiales: Muy diversos. Dependen de: • Su composición (aceros al silicio). • Susceptibilidad a ciertos tratamientos. Introducción • Alguna característica potenciada (inoxidables). • Su uso (aceros estructurales). • Por su variedad y su disponiblidad, los aceros son las aleaciones más utilizadas en la construcción de maquinaria, herramientas, edificios y obras públicas. Propiedades del acero • Las propiedades físicas y mecánicas del acero varían con los ajustes en su composición y los diversos tratamientos térmicos, químicos o mecánicos. – Densidad media: 7850 kg/m3. – Temperatura: se contrae, se dilata o se funde. – Punto de fusión: depende del tipo de aleación. – Punto de ebullición: alrededor de 3000 ºC. – Muy tenaz, relativamente ductil (alambres) y maleable (delgadas láminas de hojalata). Propiedades del acero – La dureza de los aceros varía entre la del Fe y la que se puede lograr mediante su aleación u otros procedimientos térmicos o químicos. – Se corroe. Se protege mediante tratamientos superficiales diversos. – Posee una alta conductividad eléctrica. – Se utiliza para la fabricación de imanes permanentes artificiales (no pierde su imantación hasta cierta T). – Un aumento de T en el acero provoca un aumento en la longitud del mismo. Formación y constituyentes • El Fe puro presenta 3 estados alotrópicos a medida que se incrementa la Tª desde la ambiente: – Hasta los 911ºC cristaliza (sistema cúbico centrado en el cuerpo o BCC) formando hierro α o ferrita. Dúctil y maleable – Entre 911 y 1400ºC cristaaliza en FCC formando hierro γ o austenita. Se deforma con facilidad y es paramagnética. – Entre 1400 y 1538ºC cristaliza de nuevo en BCC formando hierro δ ( parámetro de red mayor que el Fe α ). – A mayor Tª el Fe se encuentra en estado líquido. Formación y constituyentes • El C en los aceros forma carburo de hierro (Fe₃C): cementita. • Los acero con <2% de C son forjables, y las fundiciones con >2% de C son no forjables (fabricadas por moldeo). • Las texturas básicas (perlíticas ) son las obtenidas enfriando lentamente aceros al carbono. • Modificando las condiciones de enfriamiento es posible obtener estructuras cristalinas diferentes: – La martensita se obtiene al enfriar rápidamente la austenita. Tras la cementita es el cosntituyente más duro de los aceros. – Velocidades intermedias de enfriamiento dan lugar a la bainita. Elementos aleantes y mejoras • Aluminio: se usa en los aceros de nitruración. Desoxidante. • Boro: aumenta la dureza cuando el acero está desoxidado. • Cobalto: Muy endurecedor. Disminuye la templabilidad. Aumenta las propiedades magnéticas de los aceros. • Cromo: De los más empleados. Aumenta la dureza, resistencia a la tracción, templabilidad, resistencia al desgaste, inoxidabilidad. • Estaño: Se usa para recubrir láminas muy delgadasd e hojalata. • Manganeso: Neutraliza los efectos del azufre y el oxígeno. Elementos aleantes y mejoras • Molibdeno: Elemento habitual. Aumenta la dureza y la tenacidad • Nitrógeno: Promueve la formación de austenita. • Níquel: Muy importante en aceros inoxidables y resistentes a Δ. • Silicio: Se usa como elemento desoxidante. • Titanio: Se usa para estabilizar y desoxidar el acero. • Zinc: Es elemento clave para producir chapa de acero galavanizado. Impurezas en el acero • Impurezas: elementos indeseables en la composición del acero. • Azufre: forma FeS, que junto con la austenita forma un eutéctico (punto de fusión bajo), el cuál provoca el desgranamiento del material cuando debe ser laminado en caliente. El agregado de Mn (mayor afinidad por el S) controla la presencia de S. • Fósforo: Forma FeP (fosfuro de hierro), que junto con la austenita y la cementita forma un eutéctico ternario (esteadita) sumamente frágil, transmitiéndole al material su fragilidad. Si el P se disuelve en la ferrita disminuye su ductilidad.Ambos pueden mejorar la maquinabilidad en los procesos de mecanizado. Tratamientos superficiales • Debido a la facilidad que tiene el acero para oxidarse, conviene proteger su superficie de la oxidación y la corrosión. – Cincado: proceso electrolítico antioxidante. – Cromado: recubrimiento para proteger de la oxidación y embellecer – Galvanizado: tratamiento que se da a la chapa de acero. – Niquelado: baño de níquel con el que se protege de la oxidación. – Pavonado: tratamiento para las piezas pequeñas de acero. – Pintura: usado en estructuras, automóviles, etc. Tratamientos térmicos • Los tratamientos térmicos cambian la microestructura del material, alterando así las propiedades macroscópicas. – Temple - Recocido – Cementación - Cianuración – Nitruración - Normalizado – Revenido • La temperatura, el tiempo durante el que se expone y la forma en la que el acero vuelve a la temperatura ambiente son factores que afectan a los procesos de tratamiento térmico del acero. Aplicaciones del acero • Se usa para la fabricación de herramientas, utensilios, equipos mecánicos, formando parte de electrodomésticos, maquinaria general y estructuras de las viviendas y edificios modernos. • Grandes consumidores de acero: fabricantes de camiones y de maquinaria agrícola, constructoras de índole ferroviario, fabricantes de armamento y vehículos blindados y constructores de petroleros, gasistas u otros buques cisterna. • Como consumidores destacados de acero cabe citar a los fabricantes de automóviles (muchos de sus componentes son de acero). El manganeso Índice • • • • • • • Características principales Propiedades principales Papel biológico Abundancia y obtención Compuestos y utilidades Otros usos industriales Precauciones Características principales • Metal de transición. • Color blanco-grisáceo. • Metal duro, frágil, refractable y fácilmente oxidable. • Nº oxidación: +2, +3, +4, +6, +7. • Reacciona fácilmente con oxígeno y agua. • 4 isótopos posibles El Mn 55 es el más estable. Propiedades principales • General: – – – – – – – Símbolo: Mn Número atómico: 25 Grupo: 7 Periodo: 4 Bloque: d Densidad: 7470 kg/m3 Dureza (escala de Mohs): 6.0 Propiedades principales • Propiedades atómicas: – – – – Masa atómica: 54.94 u Radio atómico medio: 140 pm Configuración electrónica: [Ar] 3d5 4s2 Estructura cristalina: Cúbica centrada en el cuerpo. Propiedades principales • Propiedades físicas: – – – – – – Estado de la materia: sólido (no magnético, generalmente) Punto de fusión: 1517 K Punto de ebullición: 2235 K Entalpía de vaporización: 226 kJ/mol Entalpía de fusión: 12.05 kJ/mol Presión de vapor (a su punto de fusión): 121 Pa Propiedades principales • Otras propiedades: – – – – Electronegatividad: 1.55 Calor específico: 480 J/kg · K 1ª energía de ionización: 717.3 kJ/mol 2ª energía de ionización: 1509 kJ/mol Papel biológico • Oligoelemento y compuesto esencial en el organismo. • Se encuentra presente en numerosas enzimas. • Se absorbe en el intestino delgado, a través de los alimentos. Abundancia y obtención • 12º elemento más abundante de la corteza terrestre (1% del total). • Principal componente de la pirolusita (MnO2). • Hallado en nódulos marinos (15-30% de riqueza en Mn). • Principales yacimientos: Sudáfrica, Ucrania, China y Bolivia. • Se obtiene por reducción de los óxidos con aluminio. Compuestos y utilidades • KMnO4: reactivo de laboratorio muy común. • MnO2: múltiples utilidades: – Despolarizador en pilas secas. – Decoloración de vidrio verde. – Proporciona color amatista al vidrio. – Producción de Cl y O2. – Monedas. Otros usos industriales • Obtención de ferromanganeso: – Aleación Fe-Mn. – Reducción de pirolusita y hematites con carbono. – El manganeso purifica el hierro, y elimina impurezas. – Obtención de acero: raíles y palas excavadoras. Precauciones • Es indispensable en una dieta saludable. • En exceso es altamente tóxico, causando desórdenes en sistemas nervioso y respiratorio. • El KMnO4 es un compuesto altamente corrosivo, como todos los compuestos ácidos. Usos en Biotecnología • Empleo de organismos heterótrofos como herramienta para lixiviación, para incrementar las reservas explotables de manganeso. • Complejos metálicos de manganeso con ligandos biológicamente activos: actuación del Mn sobre proteasas y nucleasas. • Complejos de manganeso: alta importancia en biología y química. La mayoría de complejos poseen propiedades magnéticas. Níquel Propiedades generales • • • • • • • • • Número Atómico: 28 Masa Atómica: 58,6934 Número de protones/electrones: 28 Número de neutrones (Isótopo 59-Ni): 31 Estructura electrónica: [Ar] 3d8 4s2 Electrones en los niveles de energía: 2, 8, 16, 2 Números de oxidación: +2, +3 Electronegatividad: 1,91 Energía de ionización (kJ.mol-1): 737 Propiedades generales • • • • • • • • • • • Afinidad electrónica (kJ.mol-1): 156 Radio atómico (pm): 125 Radio iónico (pm) (carga del ion): 78(+2), 62(+3) Entalpía de fusión (kJ.mol-1): 17,6 Entalpía de vaporización (kJ.mol-1): 371,8 Punto de Fusión (ºC): 1455 Punto de Ebullición (ºC): 2913 Densidad (kg/m3): 8900; (20 ºC) Volumen atómico (cm3/mol): 6,60 Estructura cristalina: Cúbica Color: Blanco plateado Características del Níquel • El níquel es un elemento natural muy abundante. El níquel puro es un metal duro, blanco-plateado • Puede combinarse con otros metales, tales como el hierro, cobre, cromo y cinc para formar aleaciones, y con cloro, azufre y oxígeno para formar compuestos de níquel. Muchos compuestos de níquel se disuelven fácilmente en agua y son de color verde. • Los compuestos más importantes son: El tetracarbonilo de níquel (Ni(CO)4): líquido incoloro, sumamente venenoso; forma mezclas explosivas con el aire; sustancia base para la fabricación del níquel de máxima pureza. • El óxido de níquel (NiO): polvo gris-verdoso insoluble en agua. • El cloruro de níquel (NiCl2). Estructura • • Estructura cúbica centrada en las caras Está constituida por un átomo en cada vértice y un átomo en cada cara del cubo. Los metales que cristalizan en esta estructura son: hierro gama, cobre, plata, platino, oro, plomo y níquel ¿Dónde se encuentra en la tierra? • El níquel es el 28º elemento más común. El níquel es un elemento bastante abundante, constituye cerca de 0.008% de la corteza terrestre y 0.01% de las rocas ígneas. En algunos tipos de meteoritos hay cantidades apreciables de níquel, y se piensa que existen grandes cantidades en el núcleo terrestre. Dos minerales importantes son los sulfuros de hierro y níquel, pentlandita y pirrotita (Ni, Fe)xSy; el mineral garnierita, (Ni, Mg)SiO3.nH2O, también es importante en el comercio. El níquel se presenta en pequeñas cantidades en plantas y animales. Está presente en pequeñas cantidades en el agua de mar, el petróleo y en la mayor parte del carbón. • Los minerales de níquel están ampliamente difundidos en pequeñas concentraciones; los yacimientos explotables deberían enriquecerse mediante procesos geoquímicos hasta un mínimo de 0,5% de contenido de Ni. Los nódulos de manganeso que se extraen de las profundidades marinas contienen grandes cantidades de níquel. Los minerales de Ni más importantes son: la pirrotina o pirita magnética, la garnierita, la nicolita o niquelina, el níquel aresenical, y el níquel antimónico. Fabricación: • Se obtiene mediante procesos muy diversos, según la naturaleza de la mena y los futuros usos. En algunos casos, las aleaciones niquel-hierro que se obtienen como producto intermedio, se incorporan directamente a la fabricación de aceros. Cuando se parte de minerales sulfurosos, se los transforma primero en mata que luego se machaca y tritura; a partir de allí, mediante el proceso carbonílico, se obtiene primero el níquel tetracarbonilo y luego el níquel en polvo de alta pureza. Cuando se parte de óxidos, el metal se obtiene a través de procesos electrolíticos. Aplicaciones. • Se aplica fundamentalmente en aleaciones duras, maleables y resistentes a la corrosión (81%), para niquelados y plateados (11%), para monedas, catalizadores, instrumental químico y equipos de laboratorio, en pilas termoeléctricas, acumuladores de niquel-cadmio y sustancias magnéticas. Válvulas, cableado, procesado químico y de alimentos, vasijas, joyas, acumuladores. En las plantas desalinizadoras de agua del mar se emplean tuberías de aleaciones de cobre y níquel. • La mayor parte del níquel se usa para fabricar acero inoxidable. • Otros usos son la fabricación de blindajes, cámaras acorazadas. Es componente de aleaciones como Nichrome, Permalloy y Constantan empleadas como termoelementos y material eléctrico. • Fabricación de imanes Álnico • Como catalizador en hidrogenaciones para obtención de margarinas y grasas sólidas a partir de aceites líquidos. • Entre sus compuestos: El sulfato y los óxidos se emplean en el coloreado de verde de los vidrios. También en cerámicas. Los hidróxidos de níquel se emplean en las baterías de níquelcadmio. • Muchos compuestos de níquel se disuelven fácilmente en agua y son de color verde. Se usan en niquelado, para colorear cerámicas, para fabricar baterías y como catalizadores. • El tetracarbonilo de níquel (Ni(CO)4): sustancia base para la fabricación del níquel de máxima pureza. • El óxido de níquel (NiO): se utiliza para dar tonalidad gris al vidrio y para fabricar catalizadores de níquel para procesos de hidrogenación. • El cloruro de níquel (NiCl2): se utiliza como colorante de la cerámica, para la fabricación de catalizadores de níquel y para el niquelado galvánico. Curiosidades • El niquelado es una técnica empleada para recubrir otros metales; en el cromado, primero se recubre el hierro con cobre, luego con níquel y después con cromo. • El níquel es liberado a la atmósfera por industrias que manufacturan o usan níquel, sus aleaciones o compuestos. También es liberado a la atmósfera por plantas que queman petróleo o carbón, y por incineradores de basura. • En el aire, se adhiere a pequeñas partículas de polvo que se depositan en el suelo o son removidas del aire en la lluvia o la nieve; esto generalmente toma varios días. • El níquel liberado en desagües industriales termina en el suelo o en el sedimento, en donde se adhiere fuertemente a partículas que contienen hierro o manganeso. • El níquel no parece acumularse en peces o en otros animales usados como alimentos. • El níquel es un elemento traza que se encuentra en grandes cantidades en la Naturaleza. Las menas naturales no involucran riesgo alguno, pero los productos obtenidos artificialmente son una considerable amenaza. Se acumula níquel en el medio ambiente a través de los lodos de clarificación y el compost. También el procesamiento industrial del níquel, durante el cual se originan productos intermedios y desechos altamente tóxicos, representa un riesgo. La gama de posibles efectos que el níquel ejerce sobre los diferentes ámbitos del medio ambiente se reconoce a través del espectro de estándares mencionados. Para poder evaluar las medidas aplicadas para la extracción, el procesamiento o el aprovechamiento industrial del níquel debe establecerse, en cada caso, cada uno de los compuestos químicos en cuestión. Sólo si se conocen las propiedades específicas de cada compuesto es posible hacer una evaluación detallada de los impactos ambientales que cada uno de ellos genera. Gracias