AIRE
SEPARACION DE GASES
OXIDOS BASICOS Y OXIDOS ACIDOS
CORROSION
METODOS DE SEPARACION DE MEZCLAS
SUSTANCIAS PURAS Y REACCIONES QUÍMICAS

AIRE

El aire es tan necesario que los seres vivos podríamos sobrevivir sólo unos cuantos minutos sin él, mientras que sin agua sobreviviríamos algunos días y sin comida más de un mes. En el aire se encuentran los elementos necesarios para realizar las funciones vitales de todo ser. Su presencia permite la existencia del fuego, el sonido, el viento, las nubes, las lluvias, etcétera. En la siguiente tabla aparecen los principales componentes del aire, en orden decreciente de abundancia. Composición del aire que nos rodea

La composición del aire varía según la estación y la altitud, entre otros factores. Las concentraciones presentadas en la tabla anterior son aproximadas. El aire puro es insípido, transparente, inodoro e incoloro en pequeñas cantidades, pero a distancia y en grandes volúmenes se ve de color azul, de tono e intensidad variables, debido a la difracción de los rayos solares, por lo que comúnmente decimos que "el cielo es azul". El aire es una mezcla de gases que tiene la propiedad de ser elástico debido a que se puede dilatar y comprimir; forma una capa de aproximadamente 500 000 millones de toneladas que rodea a nuestro planeta. El aire limpio del campo puede contener monóxido de carbono, metano, amoniaco, bióxido de carbono, óxidos de nitrógeno y ozono. Estos gases, que normalmente se consideran contaminantes, pueden tener su origen en procesos naturales que los producen en pequeñas cantidades

Los contaminantes gaseosos más comunes del aire en centros urbanos y zonas industriales son:

• Monóxido de carbono (CO)
• Anhídrido sulfuroso (SO2)
• Bióxido de carbono (CO2)
• Oxidantes que forman el smog (nube o masa atmosférica que se forma generalmente sobre los grandes centros urbanos o núcleos industriales), como:
• Dióxido de nitrógeno (NO2)
• Trióxido de nitrógeno (NO3)
• Ozono (O3)

PROPIEDADES DEL OXIGENO

El oxígeno es el elemento más abundante de la corteza terrestre y el segundo elemento en la composición del aire (atmósfera). En el siglo VII, los chinos admitían ya dos constituyentes del aire; uno de ellos activo, que era el que se combinaba con algunos metales, con el azufre y con el carbón cuando se quemaba.

Leonardo da Vinci (1452-1519), nacido en Vinci, Italia; físico, pintor, escultor y arquitecto, fue el primero que aseguró que el aire contenía dos gases. John Mayow (1669) midió la proporción de oxígeno en el aire y estudió su función en la combustión, en la atmósfera, en la oxidación del hierro, en la fabricación del vinagre y en la respiración, pero no logró obtenerlo puro.

Estudiando el aire, el químico francés Antoine L. Lavoisier (1743-1794) demostró que el gas descubierto era uno de los componentes, necesario para la combustión; él fue quien dio el nombre de "oxígeno" al gas comburente, por creerlo equivocadamente generador de ácidos. C. L. Berthollet comprobó que no todas las sustancias ácidas contenían oxígeno, como ocurre, por ejemplo, con el ácido cianhídrico (HCN).

Simultáneamente con los experimentos de Lavoisier en Francia, Joseph Priestley (1733-1804), químico y teólogo inglés, estudió los gases que se desprendían al calentar algunas sustancias y encontró que, al calentar el mercurio al aire, se obtenían pequeñas partículas rojas en la superficie brillante del mercurio. Estas partículas rojas se formaban sólo con un calentamiento moderado (unos 300 ºC). Cuando Priestley concentraba los rayos del sol en las partículas rojas durante mucho tiempo, para que su calentamiento fuera superior (800 ºC o más), se encontró con que estas partículas rojas empezaban a desaparecer, desprendiendo un gas muy activo. El nuevo gas era oxígeno pero Priestley le dio entonces un nombre mucho más largo: "aire desflogisticado".

La reacción que se lleva a cabo es la siguiente:

Hg -------------------> HgO ---------------> Hg + O2

Propiedades físicas del oxígeno:

• Es un gas incoloro, inodoro e insípido.
• Es un poco más denso que el aire y poco soluble en agua.
• A temperatura de -183 ºC y a presión de 50.2 atmósferas se licua formando un líquido de color azul. Abajo de los -219 ºC se transforma en un sólido blanco azulado.

Propiedades químicas del oxígeno:

• Se combina con todos los elementos, excepto con la mayoría de los gases nobles (helio, neón y argón).
• Como sus átomos tienen seis electrones en el nivel más externo, tiende a ganar dos electrones y se convierte en el ion óxido O2-.
• También puede reaccionar compartiendo electrones.
• Es un elemento muy activo. Con los metales forma óxidos básicos.

Mg + O2 ----------> MgO

Con los no metales, el oxígeno forma anhídridos u óxidos ácidos

N2 + 2O2 ------------------> 2NO2

Es comburente, pues favorece la combustión.

C + O2 -----------> CO2

En el laboratorio, el oxígeno puede obtenerse mediante varios métodos, el más común se basa en la descomposición térmica del clorato de potasio, siendo posible utilizar el dióxido de manganeso como catalizador

Usos del oxígeno

• Tiene muchos usos, ya sea en estado puro o mezclado con el aire:
• Generación de altas temperaturas en aparatos como el soplete oxhídrico y acetileno.
• Respiración artificial en casos de urgencia (enfermos, accidentados, etc.) y a grandes alturas (montañas, aviones, etc.). En naves espaciales, mezclado con los combustibles, permite su combustión.
• Respiración de animales y plantas.
• Combustión de sustancias como carbón, gasolina, madera, etcétera.
• Aireación y destrucción de materia orgánica en el agua potable.
• Putrefacción de desechos vegetales (plantas) y animales.
• Corrosión de metales.

SEPARACION DE GASES DE UNA MEZCLA

En 1877, Luis Cailletet Kallte (1832-1913), físico e industrial francés, intentó licuar el aire, y en 1895 Carl von Linde (1842-1934), ingeniero alemán, diseñó su primera máquina para licuar el aire, la cual perfeccionó años después. En la actualidad, el licuado se obtiene en las llamadas máquinas de aire líquido. Primero hay que comprimirlo con una bomba y hacerlo pasar por un tanque de enfriamiento.

• Licuefacción (o licuación): Cambio de estado gaseoso a estado líquido; consiste en aumentar suficientemente la presión y reducir la temperatura para que un gas pase al estado líquido.
• Destilación fraccionada: Es el proceso empleado para separar mezclas de sustancias con distintos puntos de ebullición; es un proceso muy complejo que se lleva a cabo en forma industrial.

Ya comprimido, el aire escapa por el tubo interior de un serpentín de paredes dobles, y al pasar por una válvula de aguja se dilata con tal rapidez que su temperatura desciende bruscamente. Este aire sube por el tubo exterior del serpentín y regresa al compresor, donde se repite este ciclo hasta que el aire se enfría a -194 ºC, temperatura a la que se licua y se envía a un frasco de Dewar (recipiente que permite mantener líquidos a baja temperatura), donde puede almacenarse.

Usos del aire líquido

El aire líquido se emplea en la industria en gran escala para obtener oxígeno y nitrógeno industriales, y gases nobles como el argón; para procesos de congelación de alimentos (por medio del nitrógeno líquido, llamados congelación criogénica), para fabricar explosivos y para templar ciertos aceros destinados a la construcción de maquinaria pesada y de alta velocidad.

El aire líquido es guardado en frascos de Dewar, que son envases de vidrio con paredes dobles, entre las cuales se ha creado un vacío para evitar la propagación del calor por el aire; además, los frascos se platean en su interior para evitar la absorción calorífica por la radiación. Los termos que utilizamos no son otra cosa que la aplicación del frasco de Dewar.

El aire líquido es móvil y transparente. Su temperatura de ebullición es de -190 ºC; este frío hace que los cuerpos sumergidos en él sufran un gran endurecimiento; por ejemplo: el mercurio se solidifica y la materia orgánica, como la carne, se vuelve frágil como el vidrio, ya que el agua se congela rápidamente. Los componentes del aire también pueden separarse por disolución en líquidos o por absorción en sólidos. El oxígeno se disuelve en el agua a 0 ºC en proporción de 5%.

OXIDOS BASICOS Y OXIDOS ACIDOS

El oxígeno reacciona con los elementos químicos de todas las familias de la tabla periódica, excepto con los de la familia 18.

Aunque en ocasiones se llegan a formar compuestos que contienen oxígeno como: Trióxido de Xenón (XeO3), tetraóxido de Xenón (XeO4), XeOF4, Na4XeO6 1. Cuando los metales se combinan con el oxígeno forman óxidos básicos o metálicos, los cuales al solubilizarse en agua producen bases.

La mayoría de los metales de las familias 1 y 2 reaccionan vigorosamente con el oxígeno formando óxidos, como el óxido de sodio (Na4O), óxido de calcio (CaO), óxido de bario (BaO), K4O, y peróxidos, como el peróxido de sodio (Na2O2) y el peróxido de bario (BaO2).

Los óxidos de los elementos metálicos son sólidos

2. Cuando los no metales se combinan con el oxígeno forman óxidos ácidos o anhídridos (en forma molecular), como el dióxido de carbono (CO2), trióxido de dinitrógeno (N2O3), monóxido de dicloro –óxido de dicloro- (Cl2O), heptaóxido de dicloro (Cl2O7) etc., los cuales, cuando reaccionan con el agua, se disuelven formando ácidos.

Los óxidos no metálicos pueden ser gaseosos, como el dióxido de azufre (SO2) o el dióxido de carbono (CO2), líquidos, como el agua (H2O) o sólidos como el pentaóxido de difósforo (P2O5) o el hexaóxido de tetrafósforo (P4O6). La acidez que se manifiesta en algunas precipitaciones (llamada comúnmente lluvia ácida), es ocasionada por los ácidos carbónico, sulfúrico y nítrico que se forman por la combinación del dióxido de carbono, óxidos de azufre y óxidos de nitrógeno que se encuentran en la atmósfera con la humedad del ambiente.

CORROSION

La oxidación de una superficie metálica por acción del aire o del agua es llamada corrosión, este proceso se describe mediante la siguiente reacción:

4Fe (s) 3O (g) --------> 2Fe2O3 (s)

Hierro + Oxigeno -----> Oxido de Hierro III

Existen varios factores que favorecen la corrosión, y aquí trataremos de enumerar algunos de ellos para dar explicación a las interrogantes antes mencionadas.

• El bióxido de azufre (SO2) es ampliamente conocido como acelerador de la corrosión. El acero y otras aleaciones metálicas tienen una velocidad de corrosión mucho más alta si la atmósfera, además de ser húmeda, contiene bióxido de azufre. Es decir, al entrar en contacto con la superficie metálica húmeda, el bióxido de azufre forma ácido sulfúrico. Éste reacciona con el metal formando sulfatos, que posteriormente se convierten en herrumbre compuesta de óxidos de hierro hidratados (combinados con el agua). La herrumbre se desprende y deja expuesta la superficie fresca. El contacto de los sulfatos con la humedad favorece la formación de ácido sulfúrico, con el cual se establece un nuevo ciclo corrosivo. Como esencialmente la materia que se desprende está compuesta de óxidos hidratados (combinados con el agua), el azufre permanece sobre la superficie metálica y se convierte en un agente corrosivo por tiempo indefinido.
• En las ciudades o poblados cercanos al mar se favorece la corrosión debido a la sal marina, compuesta principalmente de cloruro de sodio, la cual acelera la reacción de la misma manera que el óxido de azufre. Juntos, la sal marina y el bióxido de azufre suman y hasta multiplican sus efectos sobre la corrosión de los metales.

La corrosión es la destrucción de un material por agentes químicos o bien por contacto de un material con otro. El problema de la corrosión en México ha sido la causa de graves accidentes. La explosión en Guadalajara a mediados de 1992 ocurrió porque un ducto de gasolina se perforó debido a un proceso corrosivo. El puente Papagayo, cerca de Acapulco, se colapsó cuando la corrosión degradó la resistencia mecánica de algunos componentes estructurales clave, pues el aire, la humedad y la sal, son agentes de oxidación.

Es evidente que las pérdidas ocasionadas por la corrosión en México son enormes. Los sectores de la economía afectados por la corrosión son: obras civiles, la industria química y petrolera, el transporte, la actividad marina y otros. Como ejemplo tenemos a la industria petrolera mexicana, la cual debe reponer su parque vehicular cada año, debido al grado de corrosión en las unidades a causa de este problema.

La corrosión puede evitarse manteniendo protegida la superficie del metal de la acción de sustancias atmosféricas como el oxígeno, bióxido de azufre, sales marinas, bióxido de carbono, en cantidades anormales. Algunas técnicas anticorrosivas son:

• Pintar la superficie metálica, recubriéndola con películas anticorrosivas (como el galvanizado).
• Aplicar procedimientos anticorrosivos más modernos, que impliquen el cambio en las propiedades electroquímicas de un metal que sea propenso a la corrosión.
• Modificar las propiedades electroquímicas de un metal por medio de la incorporación de pequeñas cantidades de otros metales, para formar una mezcla que se conoce como aleación; el bronce, el latón y amalgamas son algunos ejemplos de estas aleaciones.

METODOS DE SEPARACION DE MEZCLAS

Gran parte de las sustancias que usamos en la vida diaria se presentan en forma de mezclas o compuestos. Existen diversos métodos físicos de separación de mezclas, los cuales se basan en los cambios físicos que pueden experimentar las sustancias.

Decantación es donde se pueden separar dos sustancias no miscibles, es decir una mezcla heterogénea de un sólido y un líquido o de dos líquidos de diferente densidad.

Filtración: consiste en hacer pasar la mezcla a través de un filtro, quedando retenido el sólido en el filtro y la parte líquida pasa a través de él. Tambien se define como : Filtración, proceso de separar un sólido suspendido (como un precipitado) del líquido en el que está suspendido al hacerlos pasar a través de un medio poroso por el cual el líquido puede penetrar fácilmente. La filtración es un proceso básico en la industria química que también se emplea para fines tan diversos como la preparación de café, la clarificación del azúcar o el tratamiento de aguas residuales. El líquido a filtrar se denomina suspensión, el líquido que se filtra, el filtrado, y el material sólido que se deposita en el filtro se conoce como residuo.

Destilación: es un poco más compleja, pero permite separar la parte líquida de la mezcla. Se logra aplicando calor sobre la mezcla, el líquido se evapora, y este vapor al pasar por un tubo de destilación, se condensa y el líquido se recupera en otro tiesto.

Evaporación: en este caso se le aplica calor a la mezcla, el líquido se evapora y la parte sólida queda. Dos sólidos: se pueden separar de dos maneras:

Cristalización: Se utiliza para separar un sólido soluble en un líquido; se basa en la diferente solubilidad que presentan los sólidos dentro de los disolventes a diferentes temperaturas. Calentar sustancias como el yodo, la naftalina y el alcanfor, esto ocasiona que pasen del estado sólido al gaseoso, es decir, que se sublimen , y al hacer que los gases se enfríen rápidamente, se forman cristales del sólido.

Cromatografía: La cromatografía es un método que permite analizar, identificar y separar los componentes de mezclas homogéneas y heterogéneas, al pasar a través de columnas de un disolvente adecuado. Cuando se realizó por primera vez el resultado fue la presencia de ciertos espectros de colores de columna, por la cual se utilizó la palabra cromatografía para identificarlo. Actualmente la cromatografía se usa para hacer análisis cualitativos y cuantitativos en la separación de compuestos orgánicos e inorgánicos: separación de vitaminas, hormonas y proteínas mezcladas con otras sustancias. La cromatografía de papel se usa para separar componentes de sangre, orina y antibióticos.

SUSTANCIAS PURAS

Están compuestas por un solo tipo de material, en la naturaleza no hay sustancias completamente puras; el germanio es considerado como una de las sustancias puras su porcentaje de pureza es de 99.9999 %. El germanio se utiliza para fabricar transistores y circuitos eléctricos. Con dos o más sustancias puras se forman mezclas y se clasifican en mezclas homogéneas y hetogéneas.

Las sustancias puras se clasifican:

Aluminio, Nitrogeno, Amoniaco y compuestos como el agua, la sal de cocina, la cal etc.

Las sustancias puras están compuestas por moléculas de una sola clase de átomos se identifican como elementos, las impurezas cambian sus propiedades físicas y químicas originales

Algunos procedimientos químicos que permiten la separación de los elementos de un compuesto son la electólisis, la descomposicion térmica o termólisis y la hidrólisis entre otras.

Existe evidencia de las reacciones químicas, las reacciones químicas producen indicios visuales: cambio de color, formación de un sólido, eliminación de un gas, producción de una flama etc.

Las sustancias que intervienen en una reacción química se llaman reactivos y las que se obtienen se llaman productos. ejemplos:

En relación con su energía existen reacciones exotérmicas (liberan energía) y endotérmicas (requieren energía). Las reacciones químicas es también un proceso por el que se someten los reactivos de síntesis o de combinación (unión de dos o más sustancias), reactivos de descomposición (una sustancia se divide).

Profr. Ricardo Caudillo