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Resumen y términos clave 943
Resumen y términos clave
Sección 23.1 Los elementos metálicos se extraen de la litosfera,
la parte sólida superior de nuestro planeta. Los elementos
metálicos se encuentran en la naturaleza en forma de
minerales, esto es, sustancias inorgánicas sólidas que se hallan
en diversos depósitos o menas. Es necesario separar los
componentes deseados de una mena de los indeseables, conocidos
como ganga. La metalurgia se ocupa de obtener
metales de estas fuentes y de comprender y modificar las propiedades
de los metales.
Sección 23.2 La pirometalurgia es el uso de calor para provocar
reacciones químicas que transforman una mena de una
forma química en otra. En la calcinación se calienta una mena
para expulsar una sustancia volátil; por ejemplo, el calentamiento
de una mena de carbonato para expulsar CO 2 . En la
tostación, la mena se calienta en condiciones que provocan
su reacción con la atmósfera del horno. Por ejemplo, se pueden
calentar menas de sulfuro para oxidar el azufre a SO 2 . En
un proceso de fundición se forman en el horno dos o más capas
de materiales mutuamente insolubles. Una capa es de metal
fundido, y la otra (escoria) se compone de minerales de
silicato fundidos y otros materiales iónicos, como fosfatos,
por ejemplo.
El hierro, que es el material más importante para la sociedad
moderna, se obtiene de sus menas de óxidos por reducción
en un alto horno. El agente reductor es carbono en forma
de coque. Se agrega piedra caliza (CaCO 3 ), la cual reacciona
con los silicatos presentes en la mena cruda y forma la escoria.
Por lo regular, el hierro crudo del alto horno, llamado hierro
de arrabio, se lleva directamente a un convertidor, donde
tiene lugar la refinación para formar diversos tipos de acero.
En el convertidor se hace reaccionar el hierro fundido con oxígeno
puro para oxidar los elementos que lo impurifican.
Sección 23.3 La hidrometalurgia es el uso de procesos químicos
en disolución acuosa para separar un mineral de su
mena o un elemento en particular de otros elementos. En la
lixiviación se trata una mena con un reactivo acuoso para disolver
selectivamente un componente. En el proceso Bayer
el aluminio se disuelve selectivamente de la bauxita por tratamiento
con disolución concentrada de NaOH.
Sección 23.4 La electrometalurgia es el uso de métodos
electrolíticos para preparar o purificar un elemento metálico.
El sodio se prepara por electrólisis de NaCl fundido en una
celda de Downs. En el proceso Hall se obtiene aluminio por
electrólisis de Al 2 O 3 en criolita fundida (Na 3 AlF 6 ). El cobre
se purifica mediante la electrólisis de una disolución acuosa
de sulfato de cobre empleando ánodos de cobre impuro.
Sección 23.5 El modelo de mar de electrones, en el que se
visualizan los electrones con libertad de movimiento por toda
la estructura metálica, explica de modo cualitativo las
propiedades de los metales. En el modelo de orbitales moleculares
los orbitales atómicos de valencia de los átomos metálicos
interactúan para formar una banda de energía ocupada de
forma incompleta por electrones de valencia. Los orbitales
que constituyen la banda de energía están deslocalizados en
los átomos del metal, y la separación entre los niveles de energía
es muy pequeña. Por ser tan reducidas las diferencias entre
los orbitales de la banda, se necesita muy poca energía
para promover los electrones a orbitales de mayor energía. Esto
da origen a una gran conductividad eléctrica y térmica, así
como a otras propiedades metálicas características. En un aislante,
por otra parte, todos los orbitales de una banda
están totalmente ocupados y hay una gran diferencia de energía
entre la banda llena y la banda siguiente aún sin llenar.
Sección 23.6 Las aleaciones son materiales que poseen propiedades
metálicas características y están compuestas por más
de un elemento. Por lo regular, los componentes principales
son uno o más elementos metálicos. Las aleaciones en disolución
son aleaciones homogéneas en las que los componentes
están distribuidos de modo uniforme en todo el material.
En las aleaciones heterogéneas, los componentes no están
distribuidos uniformemente, sino que están presentes dos o
más fases distintas de composición característica. Los compuestos
intermetálicos son aleaciones homogéneas con propiedades
y composición definidas.
Secciones 23.7 y 23.8 Los metales de transición se caracterizan
por la ocupación incompleta de los orbitales d. La presencia
de electrones d en los metales de transición da origen
a múltiples estados de oxidación. Al avanzar a lo largo de una
serie de metales de transición dada, la carga nuclear efectiva
que los electrones de valencia experimentan aumenta poco
a poco. En consecuencia, los últimos elementos de transición
de una fila dada tienden a adoptar estados de oxidación más
bajos y tienen radios iónicos un poco más pequeños. Aunque
los radios atómicos y los iónicos aumentan en la segunda serie
en comparación con la primera, los elementos de la segunda
y tercera series son parecidos con respecto a éstas y a otras
propiedades. Esta semejanza se debe a la contracción lantánida.
Los elementos lantánidos, con números atómicos del 57 al
70, presentan un incremento en la carga nuclear efectiva que
compensa el aumento en el número cuántico principal de la
tercera serie.
La presencia de electrones no apareados en orbitales de
valencia da origen a un comportamiento magnético interesante
en los metales de transición y en sus compuestos. En
las sustancias ferromagnéticas, los espines de los electrones
no apareados de los átomos de un sólido son afectados por los
de átomos vecinos. En un campo magnético los espines se alinean
en la dirección del campo magnético. Cuando este campo
desaparece la orientación se conserva, y esto confiere al
sólido un momento magnético como el que se observa en los
imanes permanentes.
En este capítulo se examinó además brevemente parte de
la química de tres metales de transición comunes: cromo, hierro
y cobre.