Guía de estudio para presentar el examen extraordinario de … · 2020. 11. 2. · Esta Guía de...

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Universidad Nacional Autónoma de México

Colegio de Ciencias y Humanidades

Plantel Sur

Área de Ciencias Experimentales

Guía de estudio para presentar el examen extraordinario de

Programa de estudios actualizado (2016)

Coordinadoras y autoras:

Espinosa Pérez Areli

Guzmán Aguirre Sandra

Autores:

Armas Téllez Rosalba

Crisóstomo Lucas Carmela

Meinguer Ledesma Jorge

Román Guerrero María del Pilar

Trejo De Hita Ricardo Arturo

Octubre 2020

Química III

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Í n d i c e

Pág.

Introducción 6

Instrucciones 6

Recomendaciones 7

Unidad 1. Industria química en México: factor de desarrollo

Presentación y conceptos clave de la unidad 1. 8

1.1. Recursos naturales de México 9

1.2. Los sectores económicos 11

1.3 Industria Química 12

1.4 Ramas de la industria química 14

Fuentes de información de la unidad 1. 18

Unidad 2. De los minerales a los metales: procesos químicos, usos e importancia

Presentación 19

Conceptos clave de la unidad 2. 20

2.1 Recursos minerales 22

2.2 Minerales de México 23

2.3 Clasificación Química de los minerales 25

2.4 Nomenclatura de compuestos inorgánicos 28

3

2.5 Procesos para la obtención de metales 39

2.5.1. Procesos físicos 39

2.5.2 Procesos químicos 40

2.6 Predicción de una reacción de desplazamiento simple 43

2.7 Reducción de los óxidos metálicos 45

2.8 Reacción de óxido reducción en la obtención de metales 49

2.9 Número de oxidación 50

2.9.1 Reglas para asignar el número de oxidación 51

2.10 Concepto de oxidación reducción. 52

2.11 Agente oxidante y agente reductor 56

2.12 Ecuaciones químicas para representar las reacciones 59

2.13 Masa fórmula 66

2.14 Estequiometría 66

2.15 Concepto de mol 67

2.16 Masa molar 68

2.17 Conversión entre masa y mol 69

2.18 Conversión de moles a gramos 70

2.19 Balanceo de ecuaciones químicas 71

2.19.1 Balanceo por inspección 72

2.19.2 Balanceo por el método redox 73

2.20 Información cuantitativa que proporciona la ecuación química balanceada

79

2.21 Rendimiento de una reacción química. 83

4

2.22 Importancia de los metales 87

2.23 Propiedades físicas de los metales. 88

2.24 Enlace metálico. 89

2.25 Relación Estructura–propiedades–usos de los metales. 90

Fuentes de información de la unidad 2. 94

Unidad 3. Control de los procesos industriales en la fabricación de productos estratégicos para el país

Presentación 96

Conceptos clave de la unidad 3 97

3.1 Procesos químicos 99

3.2 Proceso de Haber-Bosch para la obtención de amoniaco 99

3.3 Factores que afectan la velocidad de reacción 100

3.3.1 Efecto de la temperatura en la rapidez de reacción 100

3.3.2 Efecto de catalizadores y presión, en la rapidez de reacción 101

3.3.3 Efecto de la concentración 102

3.3.4 Superficie de contacto 103

3.4 Procesos cotidianos donde se observa la rapidez de reacción. 104

3.4.1 Corrosión 104

3.4.2 Fermentación 105

3.4.3 Combustión 106

3.4.4 Descomposición de alimentos 106

3.5 Teoría de las colisiones 106

5

3.6 Energía de Activación 112

3.7 Energía global de una reacción (DH) 116

3.8 Reacciones exotérmicas y endotérmicas

121

3.9 Reacciones reversibles 127

3.10 Reacciones reversibles en Ácidos y Bases 130

3.11 pH. Una forma de medir la acidez 133

3.12 Fuerza de los ácidos y bases 135

3.13 Constante de ionización de un ácido 137

3.14 Equilibrio químico 140

3.14.1 Efecto de la concentración 140

3.14.2 Efecto de la presión o del volumen

142

3.14.3 Efecto de la temperatura 143

3.14.4 Efecto del catalizador 144

Fuentes de información de la unidad 3 146

Preguntas tipo extraordinario 147

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INTRODUCCIÓN

Esta Guía de preparación para presentar el Examen Extraordinario de Química III, se

construyó con base en el Programa de Química III (2016) y fue elaborada por un grupo

de profesores del Colegio de Ciencias y Humanidades Plantel Sur que imparten la

asignatura. El principal objetivo es brindar a los alumnos un material que les permita

encausar sus estudios a través de textos cortos, imágenes, ejemplos resueltos,

ejercicios para resolver y un modelo de simulación de examen de extraordinario, el

cual pondrá a prueba los conocimientos adquiridos por el alumno.

La guía está organizada conforme a las tres unidades que conforma el programa de

estudios:

• Unidad 1. Industria química en México: factor de desarrollo. • Unidad 2. De los minerales a los metales: procesos químicos, usos e

importancia.

• Unidad 3. Control de los procesos industriales en la fabricación de productos estratégicos para el país.

Al inicio de cada unidad y en cada sección, se presentan los propósitos, aprendizajes

y temáticas a cubrir. El texto está diseñado para que el alumno pueda realizar su

preparación de manera autodidacta, sin embargo, si así lo desea puede acudir al

Programa de Asesorías para recibir un mayor apoyo y orientación en la preparación

de su examen.

INSTRUCCIONES

Para tener un mejor provecho de este documento es recomendable que utilices y

organices muy bien el tiempo destinado para su estudio, considera que aquí se

encuentran los temas que se revisan a lo largo de un semestre, por ello, como

estudiante es necesario que sigas las indicaciones a continuación:

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a) Lee con cuidado los contenidos de esta guía y realizar las anotaciones que

consideren pertinentes; si es necesario utilizar y revisar los documentos de la

bibliografía básica. Es importante tomar en cuenta que pueden solicitar el apoyo

de un profesor perteneciente al Programa Institucional de Asesorías (Edificio

IM, planta alta) para aclarar dudas.

b) Trata de hacer los “Ejemplos resueltos” por cuenta propia para que verifiques si

el resultado obtenido es el mismo que viene en la guía.

c) Realiza los “Ejercicios para resolver” de forma ordenada, sistemática y por tu

cuenta, si surgen dificultades recuerda que puedes ir al departamento de

asesorías.

d) Cuando hayas leído, comprendido y realizado todos loes ejercicios de la guía

resuelve el Examen tipo Extraordinario que se encuentra final, para que

detectes aquellos temas que requieren atención y continúes con tu preparación.

RECOMENDACIONES

1. Consulta en la Secretaría de Servicios Estudiantiles o en la Academia de

Ciencias Experimentales los requisitos y trámites para tu inscripción al examen.

2. Anota en un lugar seguro la fecha, hora y salón donde del examen

extraordinario.

3. Recuerda que el día del examen debes presentar la credencial que te acredite

como alumno del Colegio, o en su defecto una constancia expedida por

Servicios Estudiantiles (no podrás presentar tu examen, si no cuentas con

cualquiera de las dos identificaciones mencionadas).

4. Procura llegar 10 min antes de la hora de aplicación del examen, por si llegara

a ocurrir algún percance. Si no te es posible, trata de llegar en los primeros 15

min después de la hora de inicio del examen.

5. La revisión del examen solo podrá ser atendida por los profesores que lo

evaluaron, por ello es importante que guardes muy bien el grupo y nombre de

los sinodales.

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Unidad 1. Industria química en México: factor de desarrollo

Presentación

La industria química constituye, actualmente, uno de los sectores más importantes en la

economía nacional. Desde la extracción, transformación y hasta la comercialización de los

productos, tiene una participación directa con la población a nivel nacional, con lo cual

contribuye aproximadamente, con 2% del Producto Interno Bruto (PIB), en México.

La principal importancia de esta industria radica en la transformación de materia prima; como

ejemplo, el petróleo para la obtención de combustibles, los cuales participan en la elaboración

de otros productos de diferentes ramas. En la industria química está vinculada a más de 40

industrias en diferentes áreas, tales como automotriz, textil, farmacéutica, agricultura,

telecomunicaciones, por mencionar algunas, y las cuales tienen como objetivo mejorar las

condiciones de vida de la población.

En esta unidad encontrarás información, ejemplos y ejercicios resueltos y para resolver

de conocimientos fundamentales de la química en un contexto industrial, lo cual te

ayudará a reconocer la importancia de un aprovechamiento responsable de los

recursos naturales, como materias primas para la industria química, así como el papel

que juega en el desarrollo económico–social y ambiental en México.

Conceptos clave de la unidad 1.

En esta unidad reconocerás conceptos como:

Recursos naturales: • renovables y no renovables

Conceptos de:

• Mezcla • Compuesto • Reactivo y productos • Condiciones de reacción.

Estos conceptos son clave en los ejemplos presentados y en la resolución de

ejercicios, los cuales te ayudarán a comprender mejor las temáticas y culminar de

manera exitosa tu preparación.

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Industria química en México: factor de desarrollo

1.1. Recursos naturales de México Los recursos naturales son los medios de subsistencia que las personas obtienen directamente de la naturaleza y que pueden ser obtenidos de la atmósfera, litosfera, biósfera e hidrósfera (Bassols 2006). Existen una variedad amplia de recursos naturales, su importancia radica en su valor, ya que son medios de subsistencia de los hombres que habitan el planeta, para utilizar estas riquezas, ya sea empleándolos de manera natural o bien transformándolos parcial o completamente en su calidad original y convirtiéndolos en nuevas fuentes de energía o en subproductos y mercancías manufacturadas. Los recursos naturales pueden ser:

Ø Litósfera: montañas, valles, depresiones y llanuras, útiles o no al hombre en su vida y economía.

Ø Todo tipo de minerales que son producto de la evolución geológica. Ø Los climas, que encierran fenómenos diversos, desde los rayos del sol, las

presiones y temperaturas. Ø Atmósfera: vientos y precipitaciones pluviales en un período dado. Ø Hidrósfera que yacen en el subsuelo, que se encuentran en los pantanos

y se mueven en los ríos, que forman lagos y mares, se consideran mezclas porque se componen de diversas sustancias como sales.

Ø La capa exterior de la corteza o sea el suelo donde se desarrolla la vegetación, este recurso natural es una mezcla ya que se forma de compuestos sólidos, líquidos y gases (Ramírez, 2011).

Ø El propio mundo vegetal: las plantas herbáceas, arbustos y pastos, árboles aislados o bosques.

Ø Los animales terrestres, acuáticos y aereos. México es un país que se caracteriza por ser rico en recursos naturales [4]. Es un territorio que tiene diferentes tipos de climas, orografía, geología y suelos que permiten el desarrollo de diversas actividades como la MINERÍA, la cuales una de las actividades que ya forman parte de la tradición de México, misma que tiene una participación importante en la actividad económica nacional, particularmente en el sector industrial. México destaca por la producción y exportación de minerales como la plata, cobre, bismuto, arsénico, plomo y zinc. Es considerado el país más importante en producción de plata a nivel mundial y uno de los primeros países productores de cobre en el mundo.

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A partir de la minería se pueden extraer recursos minerales, los cuales son una concentración natural de algún elemento o compuesto de la corteza terrestre y qué pueden ser elementos, compuestos o mezclas de sustancias que se encuentran en la corteza terrestre, algunos ejemplos de mezclas son las rocas y el petróleo, ejemplos de elementos nativos como el Au, Ag, C, S, y compuestos como la sal (NaCl) que se usa para cocinar, el mármol (CaCO3), el yeso (CaSO4), entre otros.

Otro recurso importante empleado para generar energía eólica es el aire, ya que esta mezcla homogénea formada de varios elementos y compuestos sirve para obtener diferentes gases como el He que se utiliza para inflar globos y el O2 que puede reaccionar con una variedad de elementos y llevar acabo procesos de oxido-reducción. BIODIVERSIDAD: La diversidad que tiene México corresponde al 12% de la terrestre del planeta, por lo que se considera dentro del selecto grupo de países llamados “megadiversos”, ya que hay una amplia gama de fauna y flora.

AGUA: México tiene actualmente 653 acuíferos, 105 acuíferos sobreexplotados y 32 con presencia de suelos salinos y agua salobre y 18 con intrusión salina [7].

Este recurso es de vital importancia en cualquier ámbito, la mayor parte del agua dulce se consume en la agricultura ya que son mezclas diluidas que contiene gran variedad de cationes y aniones (que aportan nutrientes al suelo) y algunos gases disueltos.

SUELO: Es un recurso natural no renovable, considerado como una mezcla compleja de partículas minerales provenientes de la erosión de las rocas, nutrientes, minerales, materia orgánica en descomposición, agua, aire y microorganismos. Está presente en todos los ecosistemas, y cumple funciones de las cuales dependen los servicios ambientales que sostienen la biodiversidad, incluida la vida humana. Los recursos naturales sirven como materia prima para la elaboración de productos intermedios y productos de consumo final. Ayudan a satisfacer necesidades básicas como alimentación, salud y vestimenta. Los siguientes recursos tienen diversas aplicaciones:

o Minerales: Obtener piezas de autos, joyería, maquinaria, etc. o Aire: Extracción de gases como N2, CO2, O2 gases noble, etc., que son

utilizados en diferents procesos industriales. o Agua: Como bebida, para uso doméstico, para generar electricidad, en la

agricultura y ganadería, etc. o Suelo: Obtener alimentos ricos en nutrientes, sostén de plantas, etc. o Biodiversidad: Alimentos de origen animal y vegetal.

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1.2. Las actividades económicas

Las actividades económicas están divididas en varios sectores según el proceso comercial que se realice, cada sector contribuye al desarrollo económico de un país (figura. 1.2.1). Existen 3 actividades económicas y cada una de ellas tiene subdivisiones y diferentes ramas de producción.

Figura 1.2.1. Sectores económicos de México [8,9]. Imagen tomada de https://cutt.ly/zw4kFeP

Ø Actividad primaria ó sector agropecuario: Obtiene los recursos naturales

directamente de la naturaleza para convertirlo o comercializarlo como materia prima para la industria. Explota el medio natural, tanto de la tierra como del mar, es decir, aquello relacionado con la agricultura, la caza de animales, la ganadería, la minería y la pesca.

Ø Actividad secundaria ó industrial: Se encarga de la transformación la materia prima obtenida en el sector primario en productos industriales, creando distintos tipos de alimentos procesados, bienes y productos. Algunos ejemplos son:

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§ Carpintería. § Empresas de enlatados. § Industria metalúrgica § Industria energética. § Industria química. § Industria textil. § Industria de gas. § Industria farmacéutica § Industria del papel. § Industria de alimentos § Producción de materiales para construcción.

Ø Actividad terciaria ó de servicios: Se encarga de ofrecer servicios necesarios para el funcionamiento de la economía de un país. Algunos ejemplos son:

§ Servicios gubernamentales. § Servicios de salud. § Servicios de telecomunicaciones. § Servicios bancarios. § Servicios legales y jurídicos. § Servicios de comunicación. § Servicios de hotelería. § Servicios de turismo. § Servicios de comercio. § Servicios de seguridad. § Servicios de transporte. § Servicios financieros. § Servicios sanitarios. § Servicios educativos § Servicios profesionales, técnicos y científicos

1.3 Industria Química

De todas las ciencias sin duda la química es una de las que ejercen mayor efecto en la vida cotidiana por su amplia variedad de productos fabricados mediante aplicaciones de la química.

Es así como surge la industria química, que se dedica a la extracción y procesamiento de las materias primas tanto naturales como sintéticas. Así como de la transformación de las sustancias proporcionándoles características diferentes de las que tenían originalmente, para satisfacer las necesidades de las personas mejorando su calidad de vida. Su objetivo principal es elaborar un producto de buena

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calidad con el costo más bajo posible, y tratando de ocasionar el menor daño posible al medio ambiente.

Actualmente, la producción de diferentes productos químicos (figura 1.3.1) es muy común, como pinturas, cosméticos, fertilizantes, explosivos, medicamentos, plásticos, colorantes, etc.

Figura 1.3.1 Producción de la Industria Química [10].

Imagen tomada de: https://cutt.ly/Vw4vxFT

La industria química emplea materias primas como: combustibles sólidos, líquidos y gaseosos, cal, sales, recursos vegetales y animales, etc. Su proceso de producción puede llegar a ser muy complejo, por lo que el valor añadido es mayor y no dependen tanto de una localización cercana a los recursos, sino que los productos químicos necesitan de unas condiciones de transporte y almacenamiento muy especializadas.

La Industria química se divide en dos tipos:

1. Industria química de base: Utilizan las materias primas básicas y elaboran productos intermedios que, a su vez, sirven de materia prima para otras industrias [11].

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Las materias primas pueden ser:

a) Natural: Es aquella que se obtiene del medio ambiente, como son: el agua, el aire, el petróleo, el azufre, el carbón y los minerales.

b) Sintética: Es aquella que está conformada por sustancias químicas como: ácido sulfúrico (H2SO4), amoniaco (NH3), hidróxido de sodio (NaOH), ácido fosfórico (H3PO4), ácido clorhídrico (HCl), acetileno (C2H2), metanol (CH3OH), etc. Todos estos compuestos sirven para obtener otros productos.

c) De recuperación: Son los compuestos capaces de ser reciclados para volver a usarse en las industrias químicas. Tales como: papel, vidrio, cartón, etc.

2. Industrias químicas de transformación: Están destinadas al consumo directo de las personas, emplean como materias primas los productos elaborados por las industrias químicas de base. La química fina, como se le denomina a este sector industrial, comprende numerosas industrias especializadas.

1.4 Ramas de la industria quimica

La Industria Química se encarga de la cadena productiva de un producto, para lo cual requiere de otras industrias que participan en la elaboración de dicho producto para su consumo final. Estas industrias pueden ser: Ø Industria de Alimentos: Es la encargada de transformar los productos

procedentes de la pesca, la agricultura y la ganadería. Por ejemplo, de la ganadería se pueden obtener carne y leche que son transformados en embutidos; otro ejemplo, los aceites comestibles obtenidos de diferentes semillas naturales se pueden utilizar para obtener alimentos industrializados. Aunque también incluye la producción de aditivos, saborizantes, colorantes o conservadores que se utilizan en esta industria.

Ø Industria textil: Agrupa las actividades dedicadas a la fabricación y obtención de fibras, hilado, tejido, tintado, y finalmente el acabado y confección de las distintas prendas.

Ø Industria Farmacéutica: Esta industria es un importante elemento de los sistemas de asistencia sanitaria de todo el mundo; está constituida por numerosas organizaciones públicas y privadas dedicadas al descubrimiento, desarrollo, fabricación y comercialización de medicamentos para la salud de las personas. Su fundamento es la investigación y desarrollo de medicamentos para prevenir o tratar las diversas enfermedades y alteraciones.

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Ø Industria Petroquímica: Se encarga de la extracción y separación de los de los derivados del petróleo y su procesamiento para la fabricación de productos petroquímicos como combustibles, plásticos, hules, etc.

Ø Industria del papel: El papel es un material indispensable que forma una industria

nacional, donde participa la celulosa que es el polimero natural que se obtiene de la madera.

Ø Industria Automotriz: La industria automotriz es una de las más dinámicas y

competitivas de México y se ha consolidado como un jugador importante del sector a nivel global. En las últimas décadas, México ha llamado la atención de los principales actores del sector automotriz debido al crecimiento sostenido en la producción de vehículos y autopartes, así como a la fortaleza y las perspectivas de crecimiento de su mercado interno.

Ø Industria Minero-metalúrgica: Se relaciona con la extracción y procesamientos de los recursos minerales, para obtener productos aplicables en diferentes industrias debido a sus propiedades físicas y químicas.

1. México destaca en este recurso natural por la producción de plata: a) Agua b) Minerales c) Biodiversidad d) Energía

2. El agua potable contiene sales disueltas, por lo tanto, se considera: a) Átomo b) Molécula c) Compuesto d) Mezcla

3. El agua, el suelo y los minerales son: a) Recursos materiales b) Recursos industriales c) Recursos naturales d) Recursos económicos

EJEMPLOS RESUELTOS

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4. El tipo de industria química que sirve para elaborar productos intermadios se conoce como: a) Agua b) Madera c) Energía d) Maquinaria.

5. ¿Cuál es el sector económico que transforma materias primas en productos intermedios y de consumo final? a) primario b) secundario c) terciario d) básico

1. México cuenta con este recurso natural por tener una amplia gama de flora y

fauna: a) Energía b) Pesca c) Biodiversidad d) Agua

2. Clasifica las siguientes sustancias como elemento, compuesto o mezcla:

• Agua • Aire • Oxígeno • Azúcar • Petróleo • Carbón • Madera • Oro

3. Completa la siguiente tabla, colocando la industria que participa en su

elaboración: Cuadro 1. Industria Química

Producto Industria Botella de plástico Aspirina Mesa de trabajo CCH Sudadera Cosméticos

EJERCICIOS PARA RESOLVER

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Automóvil Teléfono celular Gasolina Lata de atún Cuaderno

4. El petróleo es una mezcla compleja de hidrocarburos, para separar cada

componente, se debe emplear un método: a) químico. b) físico. c) biológico. d) fisiológico.

5. El recurso natural que incluye a las montañas es:

a) Minerales b) Aire c) Agua d) Relieve

6. Los recursos naturales aire, agua dulce y suelo, se clasifican como:

a) Mezclas b) Compuestos c) Metales d) Elementos

7. Rama de la industria química que ayuda a la obtención de comsumibles y

plásticos: a) Industria de papel b) Industria textil c) Industria automotriz d) Industria petroquímica

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Fuentes de información de unidad 1. 1. Bassols, B.A. (2006). Recursos naturales de México: una visión histórica. México:

Editorial Cenzontle.

2. Ramírez R.V.M. (2011) Química General. México: Grupo Editorial Patria. Referencias electrónicas: 3. Recuperado el 25 de octubre de 2019 de https://cutt.ly/Yw4sDt8 4. Recuperado el 25 de octubre de 2019 de https://cutt.ly/bw3VncH 5. Recuperado el 25 de octubre de 2019 de https://cutt.ly/Dw4gk88 6. Recuperado el 25 de octubre de 2019 de https://cutt.ly/Ow4g4lT 7. Recuperado el 25 de octubre de 2019 de https://cutt.ly/Sw4nKKC 8. Recuperado el 25 de octubre de 2019 de https://cutt.ly/zw4kFeP 9. Recuperado el 25 de octubre de 2019 de https://cutt.ly/sw4lrYG 10. Recuperado el 25 de octubre de 2019 de https://cutt.ly/Vw4vxFT 11. Recuperado el 25 de octubre de 2019 de https://cutt.ly/1w4v74H

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Unidad 2. De los minerales a los metales: procesos químicos, usos e importancia.

Presentación

De acuerdo con la Secretaria de Economía del Gobierno de México, el sector minero

metalúrgico contribuye con el 4% del Producto Interno Bruto a nivel nacional, lo cual

lleva a que ésta sea una de las industrias de mayor importancia en el país.

México ocupa el primer lugar en la producción de plata a nivel mundial y se ubica entre

los 10 principales productores de diferentes minerales como el bismuto, celestita,

wollastonita, cadmio, molibdeno, plomo, zinc, diatomita, sal, grafito, yeso, oro y cobre.

Y es el 5° país con el mejor ambiente para hacer negocios mineros, de acuerdo al

reporte de la consultora Behre Dolbear publicado en agosto de 2015.

En este contexto, es importante destacar que la participación de la química en la

industria minero-metalúrgica, es imprescindible para la detección y transformación de

los minerales en dispositivos para telecomunicaciones, catalizadores para reacciones

orgánicas en la industria farmacéutica, materiales con propiedades modificadas,

colorantes utilizados en la industria textil, elaboración de insumos para el área de

investigación científica, etc.

En esta unidad, reconocerás a los minerales como un recurso natural que pasa por

cambios físicos para su obtención y químicos, a través reacciones de óxido reducción,

considerando su estequiometría y condiciones de reacción. Pero, sobre todo el uso y

manejo responsable de estos minerales como un recurso natural que proporciona cada

vez mayor bienestar para población.

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Conceptos clave de la Unidad 2.

En esta unidad reconocerás conceptos como:

• Aplicación de conceptos como mezcla, compuesto, elemento, roca y

minerales.

• Procesos de obtención de metales

• Clasificación de minerales.

• Nomenclatura química de minerales.

• Reacciones químicas

• Propiedades periódicas

• Serie de actividad de los metales

• Número de oxidación.

• Reacciones redox

• Estequiometría

o Concepto de mol

o Cálculos mol-mol, masa-masa, masa-mol

• Enlace metálico

• Impacto económico y ambiental de la producción de metales.

Estos conceptos son clave en los ejemplos presentados y en la resolución de

ejercicios, los cuales te ayudarán a comprender mejor las temáticas y culminar de

manera exitosa tu preparación.

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APRENDIZAJES TEMÁTICA A1. (C, H) Comprende que los minerales se encuentran en las rocas y que son compuestos o elementos al investigar su composición y observar y describir sus propiedades mediante el trabajo experimental. (N2) A2. (C) Clasifica a los minerales con base en su composición y utiliza constantemente la nomenclatura química (IUPAC, Stock y tradicional), en la escritura de nombres y fórmulas sencillas de algunos minerales. (N2)

Recursos minerales y su aprovechamiento.

• Aplica el concepto de mezcla, compuesto y elemento, en rocas y minerales. (N3)

• Clasificación de minerales: haluros, carbonatos, sulfuros, sulfatos, óxidos, silicatos, elementos nativos, entre otros. (N2) Nomenclatura (N2). Nomenclatura de óxidos y sales (haluros, carbonatos, sulfuros, sulfatos, nitratos, fosfatos, y silicatos) (stock).

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2.1 Recursos minerales

La minería es la actividad que se dedica a la extracción de los recursos minerales1, de los cuales se pueden aprovechar las rocas y los minerales. Una roca es un material de origen natural, formado mediante procesos geológicos, que se encuentran en estado sólido y se pueden formar de un solo mineral (rocas monominerálicas) o más de uno (rocas poliminerálicas). Una roca está constituida por una cantidad incontable de cristales que pueden ser del mismo mineral u otro, y no necesariamente está compuesta por materia cristalina (Canet y Camprubí, 2006) Un mineral es esencialmente una especie química de origen natural y principalmente inorgánico, con una estructura cristalina (figura 2.1.1) determinada y una composición química definida (Canet y Camprubí, 2006).

Figura 2.1.1. Estructura cristalina de NaCl. Imagen tomada de https://cutt.ly/Sw7B85J

Un material para poder ser denominado mineral debe presentar tres características esenciales:

1. Ser sólido y cristalino, aunque también existen minerales líquidos como el petróleo y gaseosos como el gas de combustible energéticos.

2. Ser de origen natural. 3. Pertenecer a la parte sólida de la tierra, aunque provenga del espacio exterior.

Los minerales se agrupan en tres categorías, de acuerdo con su aplicación (Canet y Camprubí, 2006): a) Combustibles o energéticos: El petróleo, el carbón, gas e hidrocarburos naturales,

también se incluyen el uranio y torio que se emplean como fuente de combustibles para los reactores nucleares.

1Los recursos minerales son concentrados de minerales sólidos, líquidos o gaseosos, que se encuentran en la naturaleza dentro o sobre la corteza terrestre (Navarro et al., 2011).

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b) No metálicos ó Industriales: Se incluyen las rocas o minerales que tienen un uso industrial. En esta categoría se incluyen materiales que no requieren alguna transformación para su aprovechamiento, como las rocas ornamentales y las gemas, y por el otro lado materiales usados por sus propiedades físicas como: asbestos y aluminosilicatos que se usan como refractarios; cuarzo, corindón, diamante y granate como abrasivos; diatomitas, arcillas y zeolitas se emplean como filtros naturales y absorbentes; feldespato, talco y arcillas en cerámicos y vidrio; fluorita, halita, azufre y pirita se emplean en la Industria química básica.

c) Metálicos: Su interés económico se debe a que a partir de estos minerales se pueden obtener uno ó varios de sus constituyentes químicos que pueden ser extraídos mediante procesos metalúrgicos, por ejemplo, el Zn se obtiene de la esfarelita (ZnS), en esta clasificación están los elementos nativos como el Au y la Ag.

Dentro de los minerales metálicos se pueden agrupar como: • Metales ferrosos: Fe, Co, Cr, V, W y Mn. • Metales básicos: Cu, Zn, Pb, Sn y Mo. • Metales preciosos: Au, Ag y Pt. • Metales ligeros: Li, Mg, Al y Ti. 2.2 Minerales de México México constituye un importante país minero (figura 2.2.1), ya que se ubica entre los 10 principales productores de los 16 minerales más utilizados en el mundo [2].

Según reportó la Cámara Minera de México (CAMIMEX, 2018) [5], en los últimos años la industria ha logrado recuperar y mantener su nivel de producción. Actualmente, la minería representa 2.5% del Producto Interno Bruto (PIB) del país.

México produce principalmente los siguientes minerales:

ü Plata (Ag), es el principal productor de plata en todo el mundo y Zacatecas mantiene su primer lugar en la explotación, seguido de Durango, Chihuahua, Sonora, Oaxaca y el Estado de México. La mina de la Caridad es de las más grandes del país y de aquí se obtienen este metal.

ü Oro (Au) es el segundo metal precioso que produce México y que lo coloca en noveno lugar a nivel mundial, se produce en las minas de Sonora, Zacatecas, Chihuahua, Durango y Guerrero. Las principales minas que producen este metal son: Peñasquito, la Herradura, Limón-guajes, Nochebuena, Pinos altos, Los Filos y Mulatos.

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ü Bismuto (Bi) ocupa el tercer lugar a nivel mundial, se produce en Coahuila Plomo (Pb) ocupa el quinto lugar en la producción de plomo a nivel mundial, los principales productores son Zacatecas, Chihuahua y Durango. Se obtiene de las minas Sabinas y Francisco I. Madero y Bismark.

ü Zinc (Zn) este metal ocupa el sexto lugar a nivel mundial, los estados que lo producen son: Zacatecas, Durango, Chihuahua y el Estado de México. Se obtiene de las minas Santa Bárbara y Charcas.

Figura 2.2.1 Minerales de México. (imagen tomada de https://cutt.ly/Vw7Nq5Q )

ü Cobre (Cu) es otro metal altamente explotado en el país para producir cables y materiales de manufactura, cuya producción coloca a México en el séptimo lugar mundial, se extrae de las minas de Sonora, Zacatecas, San Luis Potosí y Chihuahua. La mina de Cananea es propiedad del grupo México y una de las principales productoras de este metal.

ü Manganeso (Mn) ocupa el lugar once de producción mundial y se obtiene de los estados de Hidalgo y Veracruz.

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ü Cadmio (Cd) ocupa el séptimo lugar a nivel mundial, se encuentra en Zacatecas, Durango, Chihuahua y San Luis Potosí.

ü Hierro (Fe) se produce en Coahuila, Michoacán, Colima, Durango y Chihuahua, este metal es empleado en la producción de acero. Actualmente México se encuentra en el lugar catorce en la produción de acero.

ü Molibdeno (Mo) que se produce en Sonora principalmente, este metal ocupa el quinto lugar a nivel mundial.

ü Fluorita (CaF2), México ocupa el segundo lugar en extracción de fluorita, solo por debajo de Sudáfrica, nación que tiene las mayores reservas. La demanda de ésta aumenta año con año, ya que se utiliza en los procesos industriales de cemento, acero y aluminio. Se produce principalmente en las minas de San Luis Potosí y Coahuila.

ü México también es productor de otros minerales, tales como: arena o sílice (SiO2), diatomita (SiO2), yeso (CaSO4.2H2O), sal (NaCl), dolomitas (CaMg(CO3)2), azufre (S), fosforita (Ca3(PO4)2), celestita (SrSO4), grafito (C), Wollastonita (CaSiO3), barita (BaSO4), Caolín (Al2 Si2O5(OH)4) y feldespato (KAlSi3O8).

2.3 Clasificación química de los minerales

La clasificación química de un mineral se basa en la composición química del mineral. De acuerdo al tipo de anión dominante, los minerales se clasificacn (Canet &col. 2006), como:

v Elementos nativos: Se encuentran en la naturaleza en estado nativo ó puro. Se clasifican en: • Metálicos:

o Grupo del oro: Se caracterizan por ser metales inertes con propiedades similares: son blandos, maleables y dúctiles; además, todos son buenos conductores del calor y de la electricidad, tienen brillo metálico y fractura astillosa con puntos de fusión bajos. Pertenecen al sistema cristalino cúbico por lo que tienen densidades muy elevadas. Ejemplos: oro (Au), plata (Ag), cobre (Cu) y plomo (Pb).

o Grupo del platino: Son metales más duros y presentan mayores puntos de fusión. Ejemplos: Platino (Pt), paladio (Pd), iridio (Ir) y osmio (Os).

o Grupo del hierro: El hierro (Fe).

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• Semimetálicos: El arsénico (As), antimonio (Sb) y bismuto (Bi)

• No metálicos: El azufre (S) y carbono (C).

v Halogenuros (F-, Cl-, Br-, I-): Este grupo de minerales se forma por la unión de un halógeno con un metal. Generalmente tienen poca dureza, un peso específico bajo y brillo vítreo; su color puede variar bastante, como en el caso de la fluorita y algunos pueden considerarse de gran importancia económica. Algunos ejemplos son: halita (NaCl), silvita (KCl), carnalita (KMgCl3.6H2O), fluorita (CaF2), criolita (Na3[AlF6]).

v Óxidos (O2-) e Hidróxidos (OH-): Los óxidos, son minerales relativamente duros, densos y refractarios; generalmente se presentan en forma accesoria en las rocas ígneas y metamórficas y en forma de granos dendríticos resistentes en los sedimentos. El enlace en las estructuras de óxidos es por lo general fuertemente iónico. Ejemplos: Magnetita (Fe3O4), cromita (FeCr2O4), pirolusita (MnO2), corindón (Al2O3), etc. Los hidróxidos tienden a ser menos duros y menor densiad y aparecen principalmente como aleación secundaria o como productos de meteorización. Ejemplos: Limonita (FeO(OH)·nH2O), gibsita (Al(OH)3), bohemita (AlO(OH)), etc.

v Sulfuros (S2-) y Sulfosales. Los sulfuros son comprenden la mayoría de las menas minerales. En esta clase se incluyen los seleniuros (Se2-), los arseniuros (As3-) y los teluriuros (Te2-), los cuales son similares a los sulfuros, pero más raros. Se caracterizan porque su brillo es metálico, son opacos, tienen colores distintivos y raya de colores característicos. Presentan enlaces iónicos y covalentes, pero otros, que poseen la mayoría de las propiedades de los metales, tienen parcialmente enlaces metálicos. Ejemplos son los siguientes: calcocita (Cu2S), galena (PbS), acantita (Ag2S), esfalerita (ZnS), cinabrio (HgS), calcopirita (CuFeS2), pirita (FeS2), cobaltita (CoAsS), etc.

v Sulfosales: Estas sales son importantes porque nos pueden indicar cierto número

de minerales de azufre diferentes a los sulfuros. Muchas especies de este grupo son raras, están íntimamente asociadas con otros minerales similares y con frecuencia están imperfectamente cristalizadas. Ejemplos: Livingstonita (HgSb4S6(S2)), zinkenita (Pb9Sb22S42), miargirita (AgSbS2), pirargirita (Ag3SbS3), etc.

v Sulfatos (SO42-) Los minerales de este grupo tienen una dureza inferior a 3.5. La formación de sulfatos tiene lugar en las condiciones de elevada concentración de oxígeno, es decir, en elevada presión parcial del oxígeno en el medio ambiente y a temperaturas relativamente bajas. Ejemplos: Sulfatos anhidros: Barita (BaSO4), celestita (SrSO4), anhidrita (CaSO4) y anglesita (PbSO4). Sulfatos básicos e hidratados: Yeso (CaSO4.H2O), antlerita (Cu3(SO4)(OH)4) y alunita (KAl3(SO4)2(OH)6).

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v Cromatos (CrO42-) Los cromatos son un tipo de minerales supergénicos, escasos y secundarios, que se conforman por oxidación en los yacimientos de plomo. Son realmente conocidos por utilizarse para la elaboración de colorantes y de pinturas ya que son realmente eficientes para este fin. En esta clase destaca la crocoíta (PbCrO4), que se utiliza e algunas composiciones pirotécnicas.

v Carbonatos (CO32-), nitratos (NO3-) y boratos (BO33-). Los carbonatos son aquellos minerales que están constituidos por la combinación química de un metal con el grupo aniónico carbonato (CO32-), por lo que éstos son los más difundidos. Entre sus características se puede mencionar que poseen dureza media o baja, son generalmente blancos, pero también pueden presentar vivos colores, a veces son transparentes o translúcidos por lo que son fácilmente localizables en hermosas cristalizaciones. La reacción con ácido clorhídrico diluido, en frío y en caliente, se utiliza para identificarlos. Ejemplos: Calcita (CaCO3), magnesita(MgCO3) , siderita (FeCO3), aragonita (CaCO3), cerucita (PbCO3), azurita ( Cu3(CO3)2(OH)2) y la malaquita (Cu2(CO3)(OH)2).

v Nitratos, se presentan escasamente en la naturaleza, son solubles en agua. El nitrato de potasio (KNO3) es conocido por su importancia comercial. Otro compuesto de este grupo es el nitrato de sodio o nitratina, como se conoce comercialmente (NaNO3).

v Boratos se encuentran, en raras ocasiones, en yacimientos utilizados industrialmente. La mayoría presentan un peso específico bajo y brillo vítreo o graso; son en gran parte incoloros, blancos, grises, transparentes o translúcidos; los compuestos hidratados se vuelven fácilmente opacos y harinosos en contacto con el aire y frecuentemente se desmenuzan. Entre los más abundantes se encuentran la kernita (Na2[B4O6(OH)2]·3H2O), el bórax (Na2B4O7·10H2O), la ulexita (NaCaB5O9•8H2O) y la colemanita (Ca2B6O11.5H2O).

v Fosfatos (PO43-), Arseniatos (AsO43-) y Vanadatos (VO43-). Esta clase comprende un gran número de minerales de vivos colores que son poco conocidos. Algunos tienen una gran importancia para la extracción de elementos químicos poco comunes. Algunos ejemplos: litiofilita (Li,MnFe(PO4)), ambligonita (LiAl(PO4)F), fluoroapatita (Ca5(PO4)3F), piromorfita (Pb5(PO4)3Cl), turquesa (CuAl6(PO4)4(OH)8·4H2O), vanadinita (Pb5(VO4)3Cl), eritrina (Co3(AsO4)2·8H2O), carnotita (K2(UO2)2(VO4)2·3H2O).

v Silicatos (SiO44-). Estos minerales constituyen más del 90% de la corteza terrestre. Son importantes porque muchos son preciosos como las gemas y otros se explotan industrialmente. Los silicatos son los materiales cerámicos más importantes y contribuyen de diversa manera en nuestra civilización y el nivel de vida, por ejemplo, los ladrillos, las piedras, el cemento y el vidrio empleados en la construcción de los edificios que se derivan de gran parte de estos minerales. Por

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lo general todos los silicatos poseen una elevada dureza (6-8) y son poco alterables, están formados esencialmente por grupos tetraédricos (SiO4), por un silicio y cuatro oxígenos dispuestos como los vértices de un tetraedro.

En la estructura de un silicato, estos tetraedros pueden aislarse entre sí (neosilicatos), o bien reunirse en grupos de dos (sorosilicatos); también pueden unirse formando anillos (ciclosilicatos) y cadenas muy prolongadas (inosilicatos); o disponerse en superficies planas (filosilicatos), e incluso en construcciones espaciales formando un armazón tridimensional (tectonosilicatos). Ejemplos: Cuarzo (SiO2), ópalo (SiO2·nH2O), berilo (Si6O18)Al2Be3), Augita ((SiO3)2Ca(Mg,Fe)), fayalita (Fe2SiO4), ortosa ((Si3AlO8)K), turmalina ((Si6O27B3)(OH)4Al6Y3Na, Y= Mg, Fe ó Mn ), granate ( (SiO4)3X3Y2, X2+= Ca, Fe, Mg, Mn y Y3+=Al, Fe, Cr, Ti), talco (Si4O10Mg3(OH)2) etc.

2.4 Nomenclatura de compuestos inorgánicos

Ø Compuestos binarios Los compuestos binarios contienen solo dos elementos diferentes. Generalmente se trata de compuestos iónicos, el metal pierde electrones para formar un catión, mientras que el no metal gana los electrones para formar un anión. Para nombrar estos compuestos solo se nombran los iones (Canet, 2006 y Hein, 2016). Los compuestos binarios pueden ser del tipo I, II y III.

• Tipo I: Compuestos iónicos con metales que siempre forman un catión con la misma carga.

• Tipo II: Compuestos iónicos con metales (por lo regular metales de transición) que forman varios cationes con diferentes cargas.

• Tipo III: Compuestos que solo contienen no metales.

Compuestos binarios tipo I. Los metales del tipo I sólo tienen un número de oxidación, por lo que sólo pueden formar un catión (Las familias 1, 2 y 3 siempre forman el catión correspondiente a la familia), ejemplo: Na+, Ca2+, Al3+, etc. Reglas para la nomenclatura de compuestos binarios del tipo I: 1. El catión se nombra primero y el anión después con la preposición “de” en medio

de los dos. 2. El catión toma su nombre del elemento. 3. El anión se nombra, tomando la primera parte del nombre del elemento (raíz) y se

añade el sufijo -uro, en el caso de oxígeno se agrega el sufijo -ido (Cuadro 2.4.1).

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Cuadro 2.4.1. Aniones comunes Anión Nomenclatura tradicional

H- Hidruro F- Fluoruro Cl- Cloruro Br- Bromuro I- Yoduro

O2- Oxido S2- Sulfuro N3- Nitruro

Ejemplos: Para la nomenclatura de los compuestos inorgánicos binarios en general, se escribe primero el catión y después el anión, cada uno con su respectivo estado de oxidación. Al momento de representar la formula química se cruzan los estados de oxidación, quedando como subíndice de la fórmula correspondiente (Cuadro 2.4.2). 4. Los subíndices de las fórmulas se escriben sin carga. 5. Si el catión y el anión tienen el mismo número de oxidación, no es necesario

escribirlo. 6. Siempre simplificando a la mínima expresión cada subíndice, dividiendo entre un

número entero ambos subíndices.

4+ 2- Mn O Mn2O4 se divide entre 2 cada subíndice MnO2 óxido de manganeso(IV)

Cuadro 2.4.2. Ejemplos de nomenclatura de compuestos binarios Iones presentes Compuesto Nomenclatura tradicional

K+, l- Kl yoduro de potasio Na+, Cl- NaCl cloruro de sodio Ca2+, S2- CaS sulfuro de calcio Mg2+, O2- MgO oxido de magnesio Rb+, N3- Rb3N nitruro de rubidio Ca2+, C- CaC2 carburo de calcio

Los compuestos binarios del tipo II (Cuadro 2.4.3) con metales que pueden formar dos o más cationes, generalmente son los metales de transición, por ejemplo, el hierro (F)e que puede formar los iones Fe2+ o Fe3+. Para nombrar este tipo de compuestos, la IUPAC (Unión Internacional de Química Pura y Aplicada) estableció una nomenclatura sistemática conocida como nomenclatura de Stock, para lo cual se coloca la carga del catión en número romano.

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En esta clase de compuestos binarios también se puede emplear la nomenclatura tradicional, donde el nombre del metal se modifica con los sufijos -oso e -ico, para el catión con menor carga se emplea la terminación oso y para el de mayor carga la terminación -ico.

Cuadro 2.4.3. Algunos cationes de tipo II. Ión Nomenclatura de

Stock Nomenclatura

Tradicional Fe3+ hierro(III) Férrico Fe2+ hierro(II) ferroso Cu2+ cobre(II) cúprico Cu+ cobre(I) cuproso Co3+ cobalto(III) cobaltico Co2+ cobalto(II) cobaltoso Sn4+ estaño(IV) estánico Sn2+ estaño(II) estanoso Pb4+ plomo(IV) plúmbico Pb2+ plomo(II) plumboso

Reglas para la nomenclatura de compuestos binarios del tipo II:

1. El anión se nombra primero y el catión después con la preposición “de” en medio de los dos.

2. Debido a que el catión puede asumir más de una carga (nomenclatura de Stock),

esta se especifica con un número romano entre paréntesis. Ejemplos:

• FeCl2 cloruro de hierro(II) si se emplea la nomenclatura de Stock o cloruro ferroso si se emplea la nomenclatura tradicional.

• FeCl3 cloruro de hierro(III) si se emplea la nomenclatura de Stock o cloruro férrico si se emplea la nomenclatura tradicional.

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Los compuestos binarios del tipo III que contienen dos no metales son moleculares, para lo cual se utiliza un sistema diferente para nombrarlos. Las reglas para la nomenclatura de compuestos binarios del tipo III:

1. El segundo elemento se nombra como si fuera un anión seguido de la

preposición “de”. 2. Se nombra en segundo lugar el primer elemento de la fórmula y se utiliza el

nombre completo del elemento. 3. Se utilizan prefijos (mono, di, tri, tetra, penta, etc.) para indicar el número de

átomos para ambos elementos. 4. El prefijo mono nunca se utiliza para nombrar el según do elemento.

Ejemplos: 4+ 2- C O C2O4 al tener dos números pares de subíndices, se debe simplificar dividiendo entre dos, por lo cual la fórmula se representa:

CO2 óxido de carbono(IV) ó dióxido de carbono

• CO monóxido de carbono • CO2 dióxido de carbono • P2O5 pentóxido de difósforo • CCl4 tetracloruro de carbono • S2F10 decafluoruro de diazufre • N2O monóxido de dinitrógeno • N2O4 tetróxido de dinitrógeno

Iones poliatómicos Un ión poliatómico, es un ión conformadopor dos o más átomos enlazados y que puede considerarse como una unidad. La nomenclatura de Stock para estos iones, es similar a la de los compuestos binarios, primero se nombra el ion poliatómico negativo, seguido del nombre del catión. El cuadro 2.4.4 contiene las fórmulas de algunos iones poliatómicos.

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Cuadro 2.4.4. Iones poliatómicos Anión

Tadicional Fórmula Anión

Tadicional Fórmula

Cianuro CN- Nitrato NO3-

Acetato C2 H3O2- Nitrito NO2-

Hidróxido OH- Bisulfato HSO4-

Bicarbonato HCO3- Sulfato SO42-

Carbonato CO32- Sulfito SO32-

Manganato MnO42- Cromato CrO42-

Permanganato MnO4- Dicromato Cr2O72-

Perbromato BrO4- Hidrógen fosfato HPO42-

Bromato BrO3- Arsenato AsO43-

Bromito BrO2- Fosfato PO43-

Hipobromito BrO- Fosfito PO33-

En el cuadro anterior se pueden identificar aniones poliatómicos que contienen un átomo de un elemento dado y numero diferente de átomos de oxígeno, a estos aniones se les llama oxoaniones para nombrar a estos aniones cuando hay dos miembros en tal serie, el nombre del que tiene el menor número de átomos de oxígeno termina en -ito y el de mayor numero de oxígenos termina en -ato, por ejemplo: el PO43- se llama fosfato y el PO33- se llama fosfito. Cuando más de dos oxoaniones conforman una serie, se utilizan los prefijos hipo (menos que) y per (mas que) de la serie con el numero menor y mayor de átomos de oxígenos. Ejemplo:

ClO4- perclorato ClO3- clorato ClO2- clorito ClO- hipoclorito

Ejemplos: 2+ - Mn (OH) Mn(OH)2 hidróxido de manganeso(II) Mn(OH)2 hidróxido de manganeso(II) Fe(NO3)3 nitrato de hierro(III) Na2SO3 sulfito de sodio

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Hidrácidos y oxácidos Las sustancias que producen protones (H+) se llaman ácidos. Un ácido se puede ver como una molécula donde el H+ se une a un anión. La nomenclatura de los ácidos depende de si el anión contiene oxígeno. Reglas para nombrar a los ácidos: 1. Se escribe primero la palabra ácido, luego si el anión no contiene oxígeno, el ácido

se nombra con el sufijo -hídrico unido al nombre de la raíz del elemento. A este tipo de ácidos se les conoce como hidrácidos (cuadro 2.4.5). Ejemplo: 1+ 2-

H S H2S ácido sulfhídrico

Cuadro 2.4.5. Nomenclatura de hidrácidos.

Anión Acido S2- H2S ácido sulfhídrico

CN- HCN ácido cianhídrico

Cl- HCl ácido clorhídrico

I- HI ácido yodhídrico

2. Cuando el anión contiene oxígeno, el nombre se forma a partir del nombre raíz del elemento central del anión con un sufijo -ito u -oso, cuando el nombre del anión termina en -ato se cambia por -ico. A este tipo de ácidos se les conoce como oxácidos (cuadro 2.4.6). Ejemplo: + 3-

H (PO4) H3PO4 ácido fosfórico

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Cuadro 2.4.6. Nomenclatura de oxiácidos. Anión Acido Nombre

SO42- (sulfato) H2SO4 Ácido sulfúrico

PO43- (fosfato) H3PO4 Ácido fosfórico

NO2- (nitrito) HNO2 Acido nitroso

ClO4- (perclorato) HClO4 Ácido perclórico

ClO3- (clorato) HClO3 Ácido clórico

ClO2- (clorito) HClO2 Ácido cloroso

ClO- (hipoclorito) HClO Ácido hipocloroso

1. México ocupa el primer lugar de producción de este mineral: a) pirita b) azufre c) oro d) plata

2. Anión que está presente en el mineral magnetita:

a) Sulfato b) Cromato c) Óxido d) Sulfuro

3. El petróleo forma parte de estos compuestos:

a) orgánicos b) industriales c) nativos d) construcción

4. La fórmula del compuesto de nombre óxido de cobre(II) es: a) CuO b) Cu2O c) CuO2 d) Cu2O2

EJEMPLOS RESUELTOS

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5. Este grupo de minerales integra el mayor porcentaje de la corteza terrestre, que se encuentran presenten en las rocas:

a) boratos b) silicatos c) hidróxidos d) fosfatos

1. La mayoría de los minerales cumplen con una de las siguientes características:

a) Encontrarse en la atmósfera. b) Presentarse es estado coloidal. c) Ser de origen sintético. d) Ser sólidos cristalinos.

2. Las principales zonas mineras en México de plomo, se encuentran en

a) Centro b) Sur c) Norte d) Poniente

3. México ocupa el noveno lugar a nivel mundial en la producción de este metal:

a) Ag b) Au c) Cu d) Fe

4. Minerales como la fluorita y la halita se clasifican por su anión en: a) haluros b) nitratos c) cromatos d) hidróxidos

5. Los minerales como el cuarzo (SiO2), ópalo (SiO2·nH2O) y berilo

(Si6O18)Al2Be3), contienen al anión:

a) Fosfato b) Óxido c) Silicato d) Carbonato


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6. El oxianión BrO4- , se nombra como: a) Perbromato b) Bromato c) Bromito d) hipobromito

7. En la nomenclatura de los compuestos inorgánicos se nombra primero el:

a) Catión b) Molécula c) Átomo d) Anión

8. Completa el siguiente cuadro con el nombre de los compuestos:

Cuadro 2E1. Ejercicios de nomenclatura.

Compuesto Nomenclatura Stock Nomenclatura tradicional

PbO2

Co(NO2)3

SnF4

Fe2O3

CrCl3

9. Completa es siguiente cuadro:

Cuadro 2E2. Ejercicios de nomenclatura.

Nombre Fórmula Au(NO3)3 SO2 Heptóxido de dicloro

NaMnO4 Sulfuro de níquel(II)

AlPO4 Dicromato de bario

Clorato de mercurio(II)

Rb2O

Sulfato de oro(III)

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10. Escribe el nombre ó formula de los siguientes ácidos y bases:

Cuadro 2E3. Nomenclatura de ácidos

Nombre Fórmula

Hidróxido de potasio

Ácido fluorhídrico

H2CO3

Hidróxido de aluminio

H3PO3

CsOH

Ácido sulfuroso

HBrO

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APRENDIZAJES TEMÁTICA A3. (C, H) Identifica los principales procesos en la obtención de metales y comprende que éstos pueden ser físicos y químicos, al analizar información documental y al experimentar. (N2). A4. (C, H) Utiliza la serie de actividad y el conocimiento de las propiedades periódicas para predecir reacciones de desplazamiento entre metales y explicar la presencia de metales libres en la naturaleza. (N3) A5. (C, H) Relaciona la actividad química de los metales y la estabilidad de sus minerales, con los procesos de reducción utilizados para la obtención del metal, al analizar información sobre los diferentes métodos de reducción de metales y la energía involucrada en dichos procesos. (N2)

Procesos para la obtención de metales. (N2) Etapas que involucran cambios físicos y químicos para obtener un metal. • Concentración del mineral. • Reducción. Tipos de reacciones químicas. (N3)

• Reacción química de desplazamiento.

• Propiedades químicas de metales. Propiedades periódicas: (N3)

• Electronegatividad. • Radio atómico. • Carácter metálico. • Energía de ionización.

Serie de actividad de metales. (N3)

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2.5 Procesos para la obtención de metales

Los metales se encuentran formando parte de los minerales. La mayoría de los metales se obtienen de minerales presentes en la corteza terrestre, en ella se hallan formando parte de las rocas, las cuales están constituidas por una mezcla de minerales.

Una vez que las rocas se extraen de las minas, deben de someterse a una serie de procesos tanto físicos como químicos con el objeto de obtener el metal con las propiedades de pureza deseada.

La obtención del metal implica un largo camino; las etapas pueden resumirse en:

1. Preparación de la mena 2. Obtención del metal, procesos de reducción 3. Purificación o refinación

Preparación de la mena

El material geológico extraído de la mina que contiene los minerales de los cuales se obtendrá un metal, recibe el nombre de mena. Sin embargo, la mena no esta constituida solamente por el mineral o minerales aprovechables, junto con ellos hay materiales no deseados y no utilizable llamado ganga.

Como ya se mencionó la mena se somete a diversos procesos, tanto físicos como químicos para separar el mineral deseado de la ganga.

2.5.1 Procesos físicos.

Molienda y tamizado. Los bloques de mena extraídos de la mina son primero triturados y después molidos, separándose las partículas de diferente tamaño por medio de un tamizado, este consiste en pasar el material molido por mallas de diferentes aberturas.

Separación por gravedad. Este método se basa en la diferencia entre la densidad del mineral y la de la ganga. Este procedimiento no se puede utilizar si la densidad del mineral y de la ganga son muy parecidas o si el material esta muy molido.

Separación magnética. Cuando el mineral, pero no la ganga presenta propiedades magnéticas, es decir sus partículas son atraídas por un imán, puede utilizarse un campo magnético para efectuar la separación.

Flotación. Se utiliza para separar las partículas de mineral haciendo que floten en una mezcla de líquidos, mientras que la ganga se hunde. Se basa en la diferencia de las propiedades superficiales de las partículas que constituyen la mena; así algunas de ellas son hidrofilicas, mientras que otras son hidrofóbicas.

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2.5.2 Procesos químicos.

La mena puede ser sometida a diversos procesos químicos, con el propósito de formar compuestos de los cuales sea más fácil obtener el material deseado. Dentro de estos se encuentran la:

Pirometalurgía.

Un gran número de procesos metalúrgicos utilizan temperaturas elevadas para modificar químicamente al mineral y por último reducirlo al metal libre. Al uso de calor para modificar o reducir el mineral se le llama pirometalurgia (piro significa “a temperatura elevada”).

La calcinación es el calentamiento de una mena para provocar su descomposición y la eliminación de un producto volátil. El producto volátil pudiera ser por ejemplo CO2 o H2O. Con frecuencia se calcinan los carbonatos para eliminar el CO2, lo que forma el óxido del metal.

PbCO3 (S) → PbO (s) + CO2(g)

La tostación es un tratamiento térmico que favorece las reacciones químicas entre la mena y la atmosfera del horno. La tostación puede dar lugar a la oxidación o reducción y puede estar acompañada por la calcinación. Un proceso de tostación importante es la oxidación de menas de sulfuro, en las cuales el sulfuro metálico se convierte en oxido metálico, como en el siguiente ejemplo:

2ZnS(S) + 3O2 (g)→ 2ZnO(S) + 2SO2 (g)

La mena de sulfuro de un metal menos activo, como el mercurio, se puede tostar para obtener el metal libre:

HgS(s) + O2(g) → Hg(S) + SO2 (g)

La fundición es un proceso de fusión en el cual los materiales se forman en el transcurso de las reacciones químicas se separan en dos o más capas. Con frecuencia, la fundición implica una etapa de tostación en el mismo horno. Dos de los tipos importantes de capas que se forman en los fundidores (hornos de fundición) son el metal fundido y la escoria. El metal fundido podría estar constituido casi por completo de un solo metal, o podría ser una disolución de dos o más metales.

La escoria consiste principalmente en minerales de silicato fundido, con aluminatos, fosfatos y otros compuestos iónicos como constituyentes. Una escoria se forma cuando un oxido metálico básico como el CaO reacciona a temperaturas elevadas junto con sílice fundida (SiO2):

CaO (l) + SiO2(l) → CaSiO3(l)

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Los procedimientos pirometalúrgicos pueden incluir la concentración y la reducción del mineral y la refinación del metal. La refinación es el tratamiento de un producto metálico crudo, relativamente impuro, a partir de un proceso metalúrgico para aumentar su pureza y para definir mejor su composición.

Hidrometalurgía

Los procesos pirometalúrgicos requieren grandes cantidades de energía y con frecuencia son fuentes de contaminación atmosférica, en especial debido al dióxido de azufre. Para algunos metales se han desarrollado algunas otras técnicas en las cuales el metal se extrae de su mena por medio de reacciones acuosas. A este proceso se le conoce como hidrometalurgia (hidro significa “agua”).

El proceso hidrometalúrgico mas importante es la lixiviación, en el cual el compuesto que contiene el metal deseado se disuelve de manera selectiva. Si el compuesto es soluble en agua.

Los procesos hidrometalúrgicos se basan en reacciones iónicas en medio acuoso y se pueden clasificar de la siguiente manera:

1. Reacciones debidas a cambios de pH (hidrólisis), por hidrólisis se entienden las reacciones en las cuales interviene el agua o sus iones, por ejemplo:

Al3+ + 3H2O → Al(OH)3(s) + 3H+

Al(OH)3(s) → AlO2 - + H2O + H+

Al aumentar el pH, el catión aluminio reacciona primero precipitando el hidróxido el cual se va de nuevo a la disolución como un anión. Así, el aluminio puede encontrarse en disolución como un catión o como un anión.

2. Reacciones de óxido-reducción (redox): En presencia de oxígeno, muchos metales pueden ponerse en disolución acuosa, por ejemplo:

2M + O2 + 4H+ → 4M3+ + 2H2O

En disoluciones ácidas, algunos metales pueden disolverse con liberación de hidrógeno:

M + 2H+ → M 2+ + H2

3. Formación de complejos: Distintos iones pueden reaccionar entre sí o con moléculas neutras dando iones complejos, ejemplos comunes son:

Ag+ + 2CN- → [Ag(CN)2] -

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Cu2+ + nNH3 → Cu(NH3)n 2+

En el primer caso, el ion plata cambia de carga positiva a negativa. Así, mientras que la plata en una disolución de nitratos se encuentra presente como catión, la adición de NaCN o KCN la transforma en un anión complejo. De igual manera el ion Cu2+ pude formar complejos amoniacales, aminas en donde el número “n” aumenta al incrementarse la concentración de amoniaco en la disolución, pero sin que afecté la carga del ion.

4. Precipitación de compuestos sólidos: De la misma manera en que los hidróxidos sólidos pueden precipitarse por hidrólisis, otros iones pueden reaccionar formando precipitados sólidos, por ejemplo:

Na+ + Cl- → NaCl(s) Ag+ + Cl- → AgCl(s)

2Ag+ + S2- → Ag2S(s)

Por otro lado, si se está tratando de averiguar si ocurrirá una reacción de desplazamiento simple, hay dos preguntas principales que se deben responder.

1. ¿Cuáles son los dos elementos que podrían intercambiarse de lugar en nuestra reacción propuesta?

En general, los elementos que forman aniones pueden sustituir el anión en el compuesto y los elementos que forman cationes pueden sustituir el catión del compuesto. Se pueden utilizar las siguientes pautas para determinar el tipo de ion que un elemento dado podría formar.

• Los metales por lo general, forman cationes. Esto incluye los grupos 1 y 2, algunos elementos de los grupos 13 y 14, y los metales de transición.

• Los no metales comunes que participan en reacciones de sustitución simple son los que pertenecen al grupo 17, los cuales generalmente forman aniones con carga 1-.

• El hidrógeno normalmente forma el catión H+ en una reacción de sustitución simple. En la reacción con metal de cobre y solución de nitrato de plata (I):

AgNO3(ac) + Cu(s) → ?

el metal de cobre probablemente reaccionará para formar cationes de cobre porque es un metal de transición. Los cationes de cobre pueden sustituir a los cationes de plata en el compuesto AgNO3 (ac) para formar un nuevo compuesto.

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2. ¿Cuál es el nuevo compuesto que se formará como producto?

Ya que se sabe qué elemento se podría sustituir en el compuesto iónico, se puede predecir los productos que se podrían formar. En este ejemplo, los átomos de plata AgNO3(ac) se pueden sustituir por cobre para formar Cu (NO3)2(ac). En el proceso, también se formaría plata elemental Ag(s) como producto. Se puede escribir la reacción completa y balanceada como sigue:

2AgNO3(ac) + Cu(s) → Cu(NO3)2(ac). + 2Ag(s) 2.6 Predicción de una reacción de desplazamiento simple

Una vez que se conocen los elementos que podrían intercambiarse en una reacción de desplazamiento simple, se puede predecir si la reacción sucederá según lo que se conoce sobre la reactividad de los elementos que participan en la reacción. Por ejemplo, si el elemento C es más reactivo que el elemento A, entonces C sustituirá a A en un compuesto, como se muestra en la siguiente ecuación, pero si el elemento C es menos reactivo que el elemento A, entonces no habrá reacción.

AB + C → CB + A La serie de actividad, también llamada serie de electromotriz, clasifica los elementos en orden de su reactividad para ciertos tipos de reacciones, incluyendo las reacciones de sustitución simple. Los elementos más reactivos en la serie de actividad, sustituirán a los menos reactivos, pero no a la inversa. Hay clasificaciones diferentes para los elementos que forman cationes y los elementos que forman aniones.

Para los elementos que tienden a ganar electrones para formar aniones, el orden de reactividad del más reactivo al menos reactivo es el siguiente:

Más reactivo F2>Cl2>Br2>I2 Menos reactivo

Para recordar el orden de actividad de estos elementos, también se puede ver de qué manera están acomodados en la tabla periódica, dentro del grupo 17. Entre más arriba esté el elemento en la columna, más reactivo será. De acuerdo con esta serie de actividad, se puede predecir que el Br2 sustituiría al I2 en una reacción de sustitución simple, pero el Br2 no reaccionaría con un compuesto que contiene iones fluoruro.

Para los elementos que forman cationes, la serie de reactividad es más larga, y las tendencias no son tan claras. Se muestra un ejemplo de una serie de reactividad para cationes a continuación (figura 2.6.1):

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Figura 2.6.1 Serie de actividad, en medio ácido.

Imagen tomada de: shorturl.at/hrvyX

Algunas de las propiedades que se toman en cuenta en la serie de actividad incluyen la reactividad con agua y ácidos, así como la facilidad con la que un elemento pierde electrones para formar cationes.

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La forma de usar la serie de actividad es igual tanto para cationes como para aniones:

Los elementos más reactivos sustituirán a los elementos menos reactivos en un compuesto.

Regresando al experimento que combina AgNO3 (ac) y alambre de cobre. En la serie de reactividad de cationes, se observa que el cobre está clasificado por arriba de la plata, por lo que se esperaría que el cobre fuera más reactivo que la plata en una reacción de sustitución simple. Por lo tanto, se puede predecir que Ag+ sería sustituida por Cu2+ en un compuesto.

Otros ejemplos pueden ser los que a continuación se presentan:

2AlPO4(ac) + 3Mg(s). → 2Al(s) + Mg3(PO4)2(ac) CuSO4 (ac) + Zn(s) → ZnSO4(ac) + Cu(s)

2.7 Reducción de los óxidos metálicos Un numeroso grupo de metales se producen a partir de óxidos, este es por ejemplo el caso del hierro Fe, cromo Cr, manganeso Mn, estaño, etc. En otros casos, por ejemplo, para el plomo Pb y el zinc Zn, las menas de sus sulfuros se tuestan primero para producir óxidos, posteriormente estos óxidos se reducen para producir metal.

Existen diversos métodos de reducción, entre los cuales se encuentran:

1. Reducción por descomposición térmica: Sólo los óxidos de los metales que poseen una gran resistencia al ataque de los ácidos y agentes corrosivos, y resiste a la oxidación atmosférica; pueden convertirse en metal mediante una simple descomposición térmica. Tal es el caso del óxido de plata, el cual, a temperaturas mayores a 200°C,se descompone mediante la siguiente reacción:

2 Ag2O + calor → 4 Ag(s) + O2(g)

2. Reducción por medio de un agente reductor: Todos los demás óxidos metálicos se descomponen por medio de un agente reductor, éste puede ser carbono, monóxido de carbono, hidrógeno y en casos especiales, otro metal que tenga mayor afinidad por el oxígeno, por ejemplo, se puede reducir el Fe2O3 con Al. El carbono, el monóxido de carbono y el hidrógeno son los agentes reductores de mayor importancia industrial y económica y pueden ser producidos a partir de materias primas como el carbón, petróleo o el gas natural. Ejemplo del proceso de reducción del hierro. El proceso más importante para la producción del hierro a partir de su óxido más estable es la fusión en el alto

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horno, el cual consiste en una cuba entre 20 y 30 m de alto, construida de lámina de acero por fuera y recubierta por dentro con ladrillo refractarios con el objeto de no radiar calor. El horno se carga con mena de hierro Fe2O3 en forma de pellets, coque (el agente reductor) y fundentes, los cuales tienen por objeto producir una escoria de composición adecuada, por lo general es cal o piedra caliza. Por el fondo del horno se introduce un soplo de aire caliente a través de las toberas. Los gases del horno se extraen por la parte superior y el arrabio (metal caliente) y la escoria fundida se localizan en el fondo del horno en un crisol. El cono invertido que se encuentra entre el cuerpo del horno y el crisol se llama atalaje.

Al nivel de las tolberas el aire reacciona con el coque dando la reacción global:

2 C(s) + O2(g) → 2 CO(g) Esta reacción representa la principal fuente de calor y de gas reductor. En la parte superior del cuerpo del horno, la mena se reduce por medio de las siguientes etapas:

Fe2O3(s) + 3CO(g) → 2Fe(s) + 3CO2(g)

Las principales reacciones tienen lugar en el intervalo de 700 a 1200 °C.

1. Si el metal zinc se sumerge en un ácido, desplazará al hidrógeno del ácido:

Zn(s) + 2HCl(ac) → H2(g) + ZnCl2(ac)

2. Otro ejemplo lo tenemos en la reacción del magnesio con sulfato de cobre (II):

Mg(s) + Cu2SO4(s) → MgSO4(s) + 2Cu(s)

EJEMPLOS RESUELTOS

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¿Qué productos se pueden predecir para las siguientes reacciones de sustitución simple?

NaBr(ac) + Cl2(g) →

Fe(s) + AgNO₃(ac) →

Fe2O3(s) + H2(g) →

TiCl4(s) + Mg(s) →

Al2O3(s) + Li→


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Aprendizajes Temática A6. (C/H) Identifica a las reacciones de obtención de metales como reacciones redox, y utiliza el lenguaje simbólico para representar los procesos mediante ecuaciones, a partir del análisis e interpretación del trabajo experimental. (N3) A7. (C, H) Reconoce una reacción redox por el cambio en los estados de oxidación de las especies participantes, e identifica al agente oxidante y al agente reductor, al escribir y analizar las ecuaciones químicas de los procesos de obtención de metales. (N3)

Reacción de óxido-reducción en la obtención de metales. (N3)

• Concepto de oxidación reducción. • Número de oxidación. • Agente oxidante y agente reductor. • Ecuaciones químicas para

representar los cambios estudiados.

• Sistema. • Estabilidad, reactividad y energía

involucrada.

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2.8 Reacción de óxido reducción en la obtención de metales.

En la naturaleza existen algunos metales presentes en estado elemental en la corteza terrestre (también denominados nativos), como el oro, platino, plata, cobre, bismuto y mercurio. Sin embargo, la mayoría de ellos se encuentran formando compuestos conocidos como minerales. Un mineral es una sustancia de origen natural, con estructura cristalina (que sus átomos están ordenados) y composición química definida, ya sea en forma de elemento (llamados nativos) o de compuesto. Un ejemplo es el mineral de nombre halita, que tiene estructura cúbica y cuya composición es definida, NaCl (figura 2.8.1)

Figura 2.8.1 Mineral halita, NaCl. Imagen tomada de: http://bit.ly/2okkZmV

Los metales más abundantes en la corteza terrestre que están presentes en forma de minerales son: aluminio, hierro, calcio, magnesio, sodio, potasio, titanio y manganeso. En el agua de mar también existen metales disueltos en forma de iones, como el Na+, Mg2+ y Ca2+, mientras que, en el fondo marino, se encuentran principalmente manganeso, hierro, níquel, cobre y cobalto.

El estudio y la tecnología que se emplean en la separación de los metales a partir de sus menas (depósito mineral que tiene una concentración adecuada del metal de interés y que su extracción es económicamente rentable), son llevados a cabo por la metalurgia.

En la mayoría de los casos, la producción de un metal elemental a partir de su mineral involucra una reacción de oxidación-reducción o también llamada redox.

Las reacciones redox son aquellos procesos químicos caracterizados por la transferencia de electrones entre las especies químicas involucradas, por ello, existirá una sustancia que ceda electrones y otra que los gane. Como se explicará más adelante, están involucrados siempre de manera simultánea estos dos procesos (cada uno de los procesos se conoce como semirreacción de oxidación o de reducción, denotando que cada una es la mitad del proceso). En uno de estos procesos se pierden electrones y se le llama oxidación, en el otro se ganan electrones, el cual se llama reducción.

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En general, para extraer un metal desde el mineral donde se encuentra, se debe de realizar proceso de reducción; sin embargo, antes de realizar esta operación, puede ser necesario que la mena del metal se deba de tratar adicionalmente hacia un estado químico más adecuado para la reducción.

2.9 Número de oxidación.

El número de oxidación o también llamado estado de oxidación, es un término ideado por los químicos para identificar o hacer el seguimiento de los electrones que se “ganan” o se “pierden” en los átomos, cuando estos forman una molécula o compuesto iónico. Entonces, se hace la suposición que los electrones son transferidos completamente al formar un compuesto químico y así cada átomo adquiere una “carga” positiva o negativa. Esto es una simplificación y así se interpreta, incluso si no hay pérdida o ganancia real de electrones, como sucede en los compuestos moleculares (por ejemplo, en la formación de dióxido de azufre, SO2).

Los números de oxidación son números escritos en pequeño, seguido de su signo positivo o negativo, colocados en la parte superior derecha o por encima del símbolo del elemento, por ejemplo, Al3+ y O2-.

El signo positivo en el número de oxidación expresa que el átomo ha perdido electrones, por lo que el balance de cargas entre electrones y protones en el átomo está desplazado hacia lo positivo. En cambio, el número de oxidación negativo, quiere decir que el átomo ganó electrones y estos superan en número a los protones.

Los metales tienden la propiedad de ser poco electronegativos, por lo que, al formar compuestos como en los minerales, tienden a perder electrones y formar cationes. Por ello, de manera natural, los metales tendrán siempre números de oxidación positivos en los minerales, cuando están combinados con otros elementos (Chang, 2002).

Figura 2.9.1 Formación del cloruro de sodio por enlace iónico. Imagen obtenida de http://bit.ly/2otDBRP

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2.9.1. Reglas para asignar el número de oxidación Existen ciertas reglas que ayudan a asignar o conocer los números de oxidación. Las más comunes son:

1. Los átomos de los elementos libres o no combinados tendrán número de oxidación de cero. Por ejemplo: Na0, Mg0, H20, O20, P40, etc.

2. El número de oxidación del oxígeno es -2, en la mayoría de los casos. La excepción es en los peróxidos (por ejemplo, en H2O2), donde es de -1.

3. El hidrógeno tiene número de oxidación de +1 en casi todos sus compuestos. Solamente cuando forma hidruros (como el NaH), tiene -1.

4. El flúor tiene número de oxidación de -1 en todos sus compuestos. 5. Los iones de un solo átomo (monoatómicos) tienen un número de oxidación

igual a la carga del ion. Por ejemplo: Li+ tiene número de oxidación de +1, Ca2+ de +2, Al3+ de +3, etc.

6. En una molécula neutra, la suma de los números de oxidación de todos los átomos debe ser cero.

7. Para un ión poliatómico (dos o más átomos), la suma debe resultar en la carga global del ión.

Asigne los números de oxidación a todos los elementos de: Al2O3 y PO43- aplicando las reglas correspondientes:

Al2O3 (Compuesto eléctricamente neutro)

• Cada oxígeno tiene número de oxidación de -2, pero entre los tres aportan (una carga parcial) de -6., porque (-2)(3) = -6

• El aluminio solo tiene un único número de oxidación: +3 y la carga global de una molécula neutra es de cero. Hacemos la comprobación: (+3)(2) + (-2)(3) = 0; +6 – 6 = 0; 0 = 0.

Entonces, los números de oxidación son: Al: +3 y O: -2.

PO43- (Ión poliatómico)

• El oxígeno tiene número de oxidación de -2 en la mayoría de sus compuestos. En este caso entre los cuatro oxígenos aportan -8, como sigue: (-2)(4) =-8.

• La suma total de los números de oxidación debe de resultar de la carga global del ión poliatómico, que es de (-3). Por lo tanto, se puede deducir el número de oxidación del fósforo mediante las siguientes operaciones:

EJEMPLOS RESUELTOS

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X(1) + (-2)(4) = -3; X = -3 + 8; X = +5

Entonces, los números de oxidación quedarían: P: +5 y O: -2

1. Empleando las reglas correspondientes, asignar el número de oxidación a todos los elementos en las siguientes especies químicas: Mg, O3, Cl-, SO42- y MnO2, Cr2O72-.

2. En las siguientes ecuaciones químicas, asigna los números de oxidación a cada uno de los elementos, considerando las reglas correspondientes:

a) Zn + CuSO4 à ZnSO4 + Cu

b) KOH + H3PO4 à K3PO4 + H2O

2.10 Concepto de oxidación reducción.

Las reacciones de oxidación-reducción (también llamadas redox), son comunes en la vida diaria, por ejemplo, cuando una fruta toma una tonalidad marrón, por el contacto con el oxígeno del aire; en las páginas amarillentas de los libros antiguos, debido a la oxidación de la lignina; en la respiración y la digestión, al obtener energía de la glucosa y el intercambio de oxígeno por el dióxido de carbono; el envejecimiento, la formación de herrumbre, etc (Atkins y Jones, 2006).

En la metalurgia, después del beneficio o el concentrado de los de los minerales, los metales se obtienen mediante un proceso de fundición, que esencialmente consiste en una reacción de reducción. Esta puede realizarse utilizando aire caliente, hidrógeno, otro metal más activo, carbono, entre otros.

A continuación, se revisarán los dos tipos de reacciones involucradas en la obtención de un metal: oxidación y reducción.


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Figura 2.6 Etapa de fundición en la obtención de metales

(Imagen obtenida de: http://bit.ly/2mRCyKP)

Semirreacción de oxidación. Se refiere a la reacción química donde ocurre una pérdida de electrones por un átomo. (Nota: el término oxidación no solo se refiere a cuando una sustancia se combina con el oxígeno, porque puede existir este tipo de reacción sin que intervenga este elemento).

Las formas generales de la reacción de oxidación son:

A0 à An+ + ne- Un átomo A neutro que se convierte en catión

An- à A0 + ne- Un anión An- que neutraliza su carga

(Observa que en ambos casos se pierden electrones y que en una oxidación hay un incremento en el valor del número de oxidación entre el reactivo y el producto)

Ejemplos:

1) Na0 à Na+ + 1e- 2) 2Cl- à Cl20 + 2e-

1) Un átomo de sodio neutro o en estado elemental (Na0), después de ocurrida la reacción de oxidación (denotada por la flecha), pierde un electrón y se vuelve un catión (Na+). Advierte que el número de oxidación aumentó de 0 a +1.

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2) Los aniones cloruro (Cl-) pierden 2 electrones, uno cada uno, para formar una molécula neutra de cloro (Cl20). Nota que el número de oxidación aumentó de -1 a 0.

Semirreacción de reducción. Esta involucra la semirreacción en la cual hay una ganancia de electrones por un átomo.

Las formas generales de la reacción de reducción son:

X0 + ne- à Xn- Un átomo neutro que se convierte en anión

Xn+ + ne- à X0 Un catión que neutraliza su carga

(Observa que en ambos casos se ganan electrones y que en una reducción hay una disminución en el valor del número de oxidación)

Ejemplos:

1) O20 + 2e- à 2O2- 2) Al3+ + 3e- à Al0

1) El oxígeno molecular (O20) necesita ganar dos electrones (uno para cada átomo) para que se lleve a cabo la reacción de reducción, transformándose de una molécula neutra a dos cationes óxido (O2-). Su número de oxidación se redujo de 0 a -2.

2) El segundo caso indica que el catión aluminio (Al3+) necesita ganar tres electrones antes de reaccionar, efectuándose la reacción de reducción y quedando aluminio elemental (Al0). Se puede notar que el valor de su número de oxidación disminuye.

Finalmente, las semirreacciones de oxidación y reducción se pueden sumar para obtener la ecuación química que representa a la reacción rédox global, como se observa a continuación:

2Ca0 à 2Ca2+ + 4e- Reacción de oxidación O20 + 4e- à 2O2- Reacción de reducción

2Ca0 + O20 à 2Ca2+ + 2O2- Reacción rédox global

Se debe observar que, al sumar las dos semirreacciones, el número de electrones debe de ser el mismo, para que exista un equilibrio entre los procesos de oxidación y la reducción. Al ser el mismo número a ambos lados de la reacción global, los electrones se eliminan y ya no se escriben en la ecuación final.

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Es importante señalar que, siempre que exista una reacción de oxidación, esta se acompañará necesariamente de una reacción de reducción correspondiente, por eso también se les conoce con el término de semirreacciones. No puede existir una sin la otra, debido a que se trata de una transferencia de electrones, desde una especie química que cede esos electrones a otra que los gana.

Algunas reglas mnemotécnicas para no confundir la oxidación y la reducción:

• La O de oxidación y la P de pérdida se encuentran juntas en el alfabeto. • En la reducción hay una reducción del número de oxidación. • Se puede utilizar la palabra AR-CO, que relaciona Acepta-Reducción Cede-

Oxidación.

Una vez identificada una de las semirreacciones con estas reglas mnemotécnicas, la otra se puede deducir.

En las siguientes parejas de ecuaciones químicas, indica: cuál representa a una oxidación y cuál a una reducción y explica por qué. También indica cuál es la ecuación global resultante de la suma de ambas.

1) a) Zn0 àZn2+ + 2e-

b) Cu2+ + 2e- à Cu0

Solución:

El inciso a) representa una reacción de oxidación, porque el Zn está perdiendo dos electrones después de ocurrida la reacción. Esto hace que del estado elemental (Zn0) se convierta en un catión (Zn2+). El valor del número de oxidación aumenta, lo cual es otro indicativo de este tipo de reacción.

En el caso de b) se está observando una reacción de reducción, en la cual el cobre gana dos electrones (que provienen del zinc) para pasar de la forma de catión al estado neutro. Además, hay una reducción en el valor del número de oxidación, lo que es característico de una reacción de este tipo.

EJEMPLOS RESUELTOS

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2) a) Ti4+ + 4e- à Ti0

b) Mg0 à Mg2+ + 2e-

Solución:

La ecuación a) está representando a la reacción de reducción del titanio, debido a que el número de oxidación de este elemento pasa de +4 a 0, es decir, se reduce como consecuencia de una ganancia de electrones.

En el caso del inciso b), se está presentando la reacción de oxidación del magnesio debida a una pérdida de electrones. Por lo anterior, el número de oxidación del magnesio aumentó de 0 a +2.

2.11 Agente oxidante y agente reductor

Así como un agente limpiador tiene la función de limpiar, un agente desengrasante de quitar la grasa y un agente espumante de hacer espuma; entonces, un agente oxidante tiene la función de oxidar a otra especie química en una reacción redox y, por lo tanto, quita electrones a esta última (Hill, 2014).

La identificación del agente oxidante puede realizarse fijándose en los siguientes puntos:

• El agente oxidante tiene la función de oxidar a otra especie química. • Para oxidar a esa especie, tiene que quitarle electrones. • Esos electrones que quitó, el agente oxidante los recibe. • Al recibirlos, el agente oxidante sufre una reducción. Entonces, su número de

oxidación disminuye o se hace más negativo.

En otras palabras, también puede decirse que el agente oxidante es el que al final se reduce.

Por ejemplo, en la ecuación representada a continuación, se puede notar que, a partir de los valores de número de oxidación, el oxígeno molecular es un agente oxidante y quita electrones al magnesio, pasando de número de oxidación de cero (O20) a -2, como anión óxido (O2-), reduciendo así su número de oxidación.

Mg0 + O20 à Mg2+ + 2O2-

Por otra parte, el agente reductor tiene la tarea de reducir a otra especie química en una reacción redox y, para hacerlo, le cede electrones.

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La identificación del agente reductor puede realizarse fijándose en los siguientes puntos:

• El agente reductor tiene la función de reducir a otra especie química. • Para reducir a esa especie, tiene que cederle electrones. • Esos electrones que cede, el agente reductor los pierde. • Al perderlos, el agente reductor sufre una oxidación. Entonces, su número de

oxidación aumenta o se hace más positivo.

En otras palabras, también puede decirse que el agente reductor es el que al final se oxida.

Por ejemplo, en la ecuación planteada anteriormente, el magnesio es un agente reductor porque cede electrones al oxígeno, con lo que aumenta su número de oxidación, desde el estado elemental (Mg0) al catión magnesio +2 (Mg2+).

1) En la siguiente reacción redox para la obtención del plomo elemental, identifica la especie que se oxida, otra que se reduce, así como el agente reductor y el agente oxidante.

2PbO + C à 2Pb + CO2

Solución: Para saber lo que le

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