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CEPRE-UNI
CENTRO DE ESTUDIOS PREUNIVERSITARIOS
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA
CICLO PRE-UNIVERSITARIO
Q U Í M I C A A P L I C A D A
N o v i e m b r e d e l 2 0 2 0
1
QUÍMICA APLICADA
TEMARIO
1. NUEVAS TECNOLOGÍAS 1.1. Introducción a nanotecnología
1.2. Biotecnología
1.3. Celdas de combustible.
2. MATERIALES MODERNOS 2.1. Cristales líquidos
2.2. Polímeros
2.3. Uso de plasma
2.4. Superconductores.
3. APLICACIONES 3.1. Tratamiento de desechos nucleares
3.2. Corrosión.
TEMA I
NUEVAS TECNOLOGÍAS
1.1 INTRODUCCIÓN A LA
NANOTECNOLOGÍA
En el mundo nano, NO RIGE la ley de la GRA-
VEDAD, sino las LEYES CUÁNTICAS. Si un
electrón se lanza contra un muro, en lugar de cho-
car, lo traspasa. A escala tan pequeña, la materia
se comporta de modo diferente:
 La cerámica se hace TRANSPARENTE como
el vidrio.
 El vidrio es tan RESISTENTE como el pega-
mento.
 Los metales se convierten en COLORANTES
y poseen propiedades magnéticas que se pue-
den activar o desactivar a voluntad.
Existe un gran consenso en que la nanotecnolo-
gía nos llevará a una segunda revolución indus-
trial en el siglo XXI. Podemos decir que muchos
progresos de la nanociencia estarán entre los
grandes avances tecnológicos que cambiarán el
mundo, llevándonos a lo que se denominará la
Nano Era.
LOS NANOTUBOS DE CARBÓN
La gran evolución de este periodo estuvo mar-
cado por la síntesis de una sustancia provista de
cualidades físicas extraordinarias denominada
“nanotubos de carbón”.
Los nanotubos constituyen una nueva clase de
materiales, con un amplio espectro de posibles
aplicaciones.
Estas nanoestructuras tienen alto interés tecnoló-
gico por sus posibles aplicaciones:
 Electrónicamente pueden comportarse como
metales, semimetales o aislantes dependiendo
de su diámetro y helicidad.
 Elevada resistencia mecánica. Se ha compro-
bado que tienen mayor resistencia mecánica y
mayor flexibilidad que las fibras de carbono.
La nanotecnología es el estudio, diseño,
creación, síntesis, manipulación y aplicación
de materiales, aparatos y sistemas funcionales
a través del control de la materia a nano escala.
1 nanómetro = 10–9
m
2
 Sus propiedades pueden modificarse encapsu-
lando metales o gases en su interior, llegando
a obtener nanocables eléctricos o magnéticos.
 Puede ser utilizados en pantallas planas por su
buena capacidad como emisores de electro-
nes.
¿CÓMO SE MANIPULAN LAS NANOPAR-
TÍCULAS?
De forma similar a como funciona la aguja de un
tocadiscos, el microscopio palpa las superficies
de los átomos. De modo que es posible modificar
selectivamente las estructuras superficiales.
Con el microscopio de fuerza atómica los inves-
tigadores consiguieron por primera vez visualizar
átomos y moléculas y manipularlas a la vez, es
decir, variar su orden y formación en las superfi-
cies.
APLICACIONES DE LA NANOTECNOLOGÍA
En la medicina
La Nanotecnología permite fabricar vehículos
que funcionan como nanomáquinas, sobre las que
se puede encapsular medicamentos y realizar
operaciones a un nivel extremadamente pequeño
y con elevada precisión. Se podría insertar en los
nanotubos de carbono solo las células canceríge-
nas a tratar para evitar afectar los tejidos sanos
durante el tratamiento.
Además, se pueden sintetizar tipos de textiles ca-
paces de favorecer la regeneración de tejidos hu-
manos en heridas e implantes, así como sensores
para detectar tumores u otras enfermedades.
En la industria
Obtención de pinturas protectoras contra la corro-
sión, tejidos resistentes a las manchas. Técnicas
fotovoltaicas para fuentes de energías renovables.
En los deportes, pelotas de larga duración y ra-
quetas de tenis más fuertes y ligeras.
En la alimentación
“Mejorar" ciertos alimentos (microencapsulando
antioxidantes para aumentar la absorción de ali-
mentos específicos).
Crear bebidas inteligentes (con sabores y colores
específicos).
En la informática
Los avances en el campo de la nanotecnología ha-
rán que las computadoras dejen de utilizar el sili-
cio como sistema para integrar los transistores
que la componen y empiecen a manejarse con lo
que se llama mecánica cuántica, lo que hará que
utilicen transistores a escala atómica.
En el futuro
 Almacenamiento de energía, producción y
conversión.
 Mejora productividad agrícola.
 Depuración de aguas.
 Diagnóstico precoz de enfermedades.
 Fabricación de medicamentos.
 Tratamiento y conservación de alimentos.
3
Peligros
La mayor preocupación se centra en la posible in-
gestión de nanopartículas libres.
En una prueba, los peces que fueron expuestos a
una disolución de fullerenos (nanoesferas de car-
bono) en agua, en porcentaje similar a lo que sería
contaminación industrial corriente en ríos, sufrie-
ron daño cerebral en 48 horas.
1.2 BIOTECNOLOGÍA
PERSONAJES INFLUYENTES
 Gregory Mendel. - Describió las Leyes de
Mendel que rigen la herencia genética, esta-
bleciendo las bases de la genética moderna.
 Pasteur. - Describió científicamente el pro-
ceso de pasteurización y comprobó la imposi-
bilidad de la generación espontánea.
 Watson y Crick. - Descubridores de la estruc-
tura del ADN.
 Beadle y Tatum. - Propusieron un vínculo di-
recto entre los genes y las reacciones enzimá-
ticas conocida como la hipótesis “Un gen, una
enzima”.
Estructura en doble hélice del ADN
CLASIFICACIÓN DE LA BIOTECNOLOGÍA
Biotecnología tradicional.
Se limita sólo al uso de los sistemas biológicos,
organismos vivos y derivados en la medicina,
agricultura, industria, tratamiento de aguas, etc.
Ejm: Obtención de vacunas, mejora de técnicas
de cultivo, fermentación alcohólica y láctica, bio-
remediación con lodos o fangos activados.
Biotecnología moderna.
La diferencia aportada por la biotecnología mo-
derna es que actualmente el hombre no sólo sabe
cómo usar las células u organismos que le ofrece
la naturaleza, sino que ha aprendido a modificar-
los y manipularlos en función de sus necesidades.
CAMPOS DE APLICACIÓN
Procesos médicos:
 Producción de antibióticos
 Desarrollo de vacunas más
seguras y nuevos fármacos
 Diagnósticos moleculares
 Terapias regenerativas
 Desarrollo de la ingeniería
genética para curar enfermedades a través de
la manipulación genética.
Podría definirse como "toda aplicación
tecnológica que utilice sistemas biológicos y
organismos vivos o sus derivados para la crea-
ción o modificación de productos o procesos
para usos específicos”. (Convenio sobre Diver-
sidad Biológica, 1992).
Consideramos la biotecnología como una
actividad basada en conocimientos multidisci-
plinarios, que utiliza agentes biológicos para
hacer productos útiles o resolver problemas.
Esta definición es lo suficientemente amplia
como para englobar actividades tan variadas
como las de ingenieros, químicos, agrónomos,
veterinarios, microbiólogos, biólogos, médi-
cos, empresarios, economistas, etc.
4
Procesos industriales:
 Producción de nuevos materiales, biodegrada-
bles o no.
 Producción de combustibles renovables utili-
zando técnicas biológicas. Tal es el caso del
bioetanol y el biodiésel
 Realización de transformaciones químicas de
una forma más eficiente y efectiva
 Control y utilización de las moléculas prove-
nientes de los seres vivos como base para pro-
ducir nuevos productos y servicios
 Utilización de plantas y microorganismos para
conseguir descontaminar aguas, suelos y la at-
mósfera.
 Optimización de procesos industriales tradi-
cionales, o el desarrollo de nuevos
Procesos agrícolas:
 Cultivo in vitro de
plantas
 Producción vegetal
asistida por marca-
dores moleculares
 Hibridación
 Producción de
biofertilizantes y
biopesticidas
 Transferencia selectiva de genes de un orga-
nismo a otro dando lugar a nuevos cultivos ve-
getales
Cuidado ambiental:
 Biorremedación: proceso por el cual son uti-
lizados microorganismos para limpiar un sitio
contaminado. Los procesos biológicos desem-
peñan un papel importante en la eliminación
de contaminantes y la biotecnología aprove-
cha la versatilidad catabólica de los microor-
ganismos para degradar y convertir dichos
compuestos.
 Biodegradación: proceso que se ocupa de la
utilización de sistemas biológicos, tales como
enzimas y bacterias, para producir rupturas o
cambios moleculares de tóxicos, contaminan-
tes y sustancias de importancia ambiental en
suelos, aguas y aire, generando compuestos de
menor o ningún impacto ambiental.
Bioinformática:
 La Bioinformática es capaz de utilizar la tec-
nología para organizar y analizar la informa-
ción biológica en un ámbito multidisciplinario
para una nueva era sobre la investigación ge-
nómica que ayudará a mejorar las condiciones
y la calidad de vida humana.
 La Bioinformática es orientada hacia la inves-
tigación y desarrollo de herramientas útiles
para llegar a entender el flujo de información
desde los genes a las estructuras moleculares,
a su función bioquímica, a su conducta bioló-
gica y, finalmente, a su influencia en las enfer-
medades y en la salud.
VENTAJAS DE LA BIOTECNOLOGÍA
Rendimiento superior. Mediante los organis-
mos genéticamente modificados el rendimiento
de los cultivos aumenta, dando más alimento por
menos recursos, disminuyendo las cosechas per-
didas por enfermedad o plagas, así como por fac-
tores ambientales.
Reducción de pesticidas. Cada vez que un orga-
nismo genéticamente modificado, es modificado
para resistir una determinada plaga se está contri-
buyendo a reducir el uso de los plaguicidas aso-
ciados a la misma que suelen ser causantes de
grandes daños ambientales y a la salud.
Mejora en la nutrición. Se puede llegar a intro-
ducir vitaminas y proteínas adicionales en ali-
mentos, así como reducir los alérgenos y toxinas
naturales.
También se puede intentar cultivar en condicio-
nes extremas lo que ayudaría a los países que tie-
nen menos disposición de alimentos.
Mejoramiento y creación de materiales con pro-
piedades de alto performance como la produc-
ción de algodón de todos los colores, evitándose
el uso de los colorantes.
5
RIESGOS DE LA BIOTECNOLOGÍA
Riesgos medioambientales
Surgen del gran uso de cultivos modificados ge-
néticamente con genes que producen toxinas in-
secticidas.
Riesgos para la salud
Existen riesgos de transferir toxinas de una forma
de vida a otra, de crear nuevas toxinas o de trans-
ferir compuestos alergénicos de una especie a
otra, lo que podría dar lugar a reacciones alérgi-
cas imprevistas.
1.3 CELDA DE COMBUSTIBLE
La primera celda de combustible fue construida
en 1839 por Sir William Grove, un juez galés y
honorable científico. El verdadero interés en cel-
das de combustible, como un generador práctico,
no vino sino hasta comienzos de la década de los
60 del siglo pasado cuando el programa espacial
de los Estados Unidos seleccionó las celdas de
combustible en lugar del riesgoso generador nu-
clear y de la costosa energía solar. Fueron celdas
de combustible las que proporcionaron electrici-
dad y agua a las naves espaciales Géminis y
Apolo.
PARTES DE LA CELDA DE COMBUSTIBLE
 Combustibles: H2, CH4, CH3OH, C3H8
 Agente oxidante: O2
 Medio de reacción: Ácido o básico. Ejm.
H3PO4(ac), KOH(ac)
 Electrodos inertes: Níquel sólido micro po-
roso que permitan el paso del combustible
gaseoso y el agente oxidante al medio de
reacción.
CELDA COMBUSTIBLE DE HIDRÓGENO
Es un elemento estable y no corrosivo. Combus-
tible "limpio", su combustión con oxígeno sólo
produce agua.
Posee alta disponibilidad, se puede producir a
partir de distintas materias como los combusti-
bles fósiles, biomasa y el agua.
Actualmente el 96% del H2 se obtiene a partir de
combustibles fósiles.
electróli
sis
4%
petróleo
30%
Gas
natural
48%
Carbón
18%
Es un dispositivo que convierte directa-
mente la energía química de una reacción RE-
DOX en energía eléctrica continua.
6
Comparación energética de combustibles.
Combustible E (kJ/g) E (kJ/L)
Carbón 29.3 -
Madera 8.1 -
Gasolina 43.5 30590
Diesel 42.7 29890
Metanol 19.6 15630
Gas natural 50.02 31.7
Hidrógeno 119.9 10
El hidrógeno ofrece ventajas energéticas res-
pecto a otros.
CONDICIONES DE FUNCIONAMIENTO
 Altas temperaturas: mayor a 200°C
 Alta presión: mayor a 20 atm.
 Funcionamiento continuo, no recargable.
 No hay contacto directo del H2 y O2, ni
chispa que active su reacción de combustión
explosiva.
REACCIONES INVOLUCRADAS
Reacción por separado de H2 y O2 en medio bá-
sico:
Cátodo:
O2 (g)+2H2O+4e- 4OH1¯
(ac) ……0,40V
Ánodo:
2H2 (g)+ 4OH-1
(ac)-4e- 4H2O (l)......0,83V
Reacción neta:
2H2 (g) + O2 (g) 2H2O (l)..…..1, 23V
La reacción en el cátodo cambia si el combusti-
ble es fósil o alcohol. En los productos se obten-
dría dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O)
VENTAJAS Y DESVENTAJAS
Ventajas:
 Las celdas de combustible convierten direc-
tamente la energía química en energía eléc-
trica. Desde el punto de vista termodinámico
este proceso es mucho más eficiente.
 Alto rendimiento de conversión de energía
Química a energía eléctrica (mayor al 75%);
superior al 40% que se obtiene en una planta
termoeléctrica.
 Tanto el combustible como el oxidante pro-
ceden de una fuente externa, y permiten ge-
nerar corriente eléctrica de manera casi inde-
finida, en la medida en que pueda suminis-
trarse combustible de forma continuada.
 Reduce el impacto ambiental generando me-
nor cantidad de productos contaminantes o
no contaminantes como el agua.
Desventajas:
 Se detiene su funcionamiento para hacer
mantenimiento.
 Costo elevado de mantenimiento, limpieza y
cambio de electrodos, cambio de electrolitos.
APLICACIONES
 En automóviles: Celda con membrana Poli-
mérica.
 Combustible para camiones, retrocargas,
aviones, barcos y submarinos.
7
 Aplicaciones de cogeneración (uso combi-
nado de calor y electricidad) para viviendas,
edificios de oficinas y fábricas.
 sistemas de energía portátiles, se pueden uti-
lizar en el sector del ocio (Ejm. carabanas, ca-
bañas, lanchas).
 En navegación espacial, menos peso y volu-
men respecto al combustible fósil y genera
agua.
TEMA II
MATERIALES MODERNOS
2.1 CRISTALES LÍQUIDOS
Estas sustancias, en lugar de pasar directamente
de la fase sólida a la líquida al calentarse, algunas
sustancias pasan por una fase líquido – cristalina
intermedia que posee algo de la estructura de los
sólidos y algo de la libertad de movimiento que
tiene los líquidos. Gracias a este ordenamiento
parcial, los cristales líquidos pueden ser muy vis-
cosos y poseer propiedades intermedias entre la
de las fases sólida y líquida. La fase o las fases
intermedias se describen como líquido-cristalinas
y en ellas las moléculas conservan un ordena-
miento parcial, muy diferente del comporta-
miento al azar, llamado isotrópico, que es carac-
terístico de la fase líquida. Debido a este ordena-
miento parcial, una fase líquido-cristalina puede
ser muy viscosa. La fase líquido-cristalina tiene
propiedades que no se observan ni en la fase só-
lida ni en la líquida y ello constituye la base de
sus aplicaciones.
HISTORIA
En 1888, Frederik Reinitzer, botánico austriaco,
descubrió que un compuesto orgánico que estaba
estudiando, llamado benzoato de colesterilo, te-
nía propiedades interesantes y poco usuales.
Cuando lo calentaba, la sustancia fundía a 145 ºC
para formar un líquido lechoso. A 179 ºC, brus-
camente el líquido lechoso se aclaraba. Al enfriar
la sustancia, el proceso se invertía. Este es el pri-
mer reporte de lo que ahora llamamos cristales lí-
quidos.
Estructura del benzoato de colesterilo
ESTRUCTURA DE LOS CRISTALES LÍQUIDOS
Las sustancias líquido-cristalinas tienen formas y
estructuras moleculares características, similares
a los del benzoato de colesterilo.
Las estructuras moleculares de algunas sustancias
orgánicas de este tipo tienen formas alargadas, y
son rígidas, como se muestra en la figura. Estas
Son sustancias que exhiben la dualidad
sólido-liquido, es decir que simultáneamente,
poseen propiedades de los líquidos como flui-
dez y viscosidad y propiedades ópticas que se
parecen de modo asombroso a los cristales
como, por ejemplo poder reflejar colores dife-
rentes dependiendo del ángulo el cual les ob-
serve.
8
formas alargadas características permiten interac-
ciones intermoleculares que mantienen un arreglo
paralelo en la fase líquida.
CH3O CH N C4H9
CH3O N N
O
OCH3
CH N C
O
OC2H5
O
OH
O
CH3(CH2)7
OCH3 O C
O
C O
O
OCH3
TIPOS DE FASES LÍQUIDO-CRISTALINAS
Se conocen muchos ordenamientos diferentes
para los cristales líquidos. El más sencillo se de-
nomina cristal líquido nemático. En la fase ne-
mática, las moléculas están alineadas a lo largo
de sus ejes alargados, pero no hay un orden res-
pecto a los extremos de las moléculas. Es como si
se tomara un manojo de lápices sin intentar ali-
near sus extremos. Las fases líquido-cristalinas
esmécticas presentan un ordenamiento adicional
de las moléculas. En la fase esméctica A, las mo-
léculas están arregladas en capas, con sus ejes
alargados paralelos y sus extremos también ali-
neados.
Otra fase es la esméctica C, las moléculas están
alineadas con sus ejes alargados inclinados res-
pecto a una línea perpendicular al plano en el cual
están empacadas las moléculas. En estas fases lí-
quido-cristalinas, el ordenamiento que persiste a
temperaturas superiores a la fusión del sólido, se
debe a fuerzas intermoleculares, principalmente a
las fuerzas de dispersión de London, y en algunos
casos a interacciones dipolo-dipolo. Las interac-
ciones atractivas se optimizan cuando las molé-
culas se alinean con sus ejes alargados.
Las moléculas de cristal líquido también tienen
forma de discos, como se muestra en la figura si-
guiente.
Aplicaciones de los cristales líquidos
Las fuerzas de atracción que causan el alinea-
miento de las moléculas en los cristales líquidos
no son grandes comparadas con las energías de
los enlaces químicos.
A pesar de ello, estas interacciones dan origen a
propiedades físicas de importancia tecnológica
considerable. Vistos alguna vez como curiosida-
des químicas, los cristales-líquidos ahora se utili-
zan ampliamente en pantallas controladas eléctri-
camente (LCD) en relojes, calculadoras, y panta-
llas de computadora. Estas aplicaciones surgen de
la capacidad de un campo eléctrico para provocar
un cambio en la orientación de las moléculas del
cristal-líquido y afectar así las propiedades ópti-
cas de una capa de este tipo de material.
Los cristales líquidos que cambian de color al va-
riar la temperatura, miden temperaturas en situa-
ciones donde los métodos convencionales no son
Computadora laptop
con pantalla de cristal
líquido (LCD)
9
factibles. Por ejemplo pueden detectar zonas ca-
lientes en circuitos microelectrónicos que hacen
fallar las señales.
Así, el gran ímpetu sobre el estudio de la materia
ha propuesto una investigación sistemática de la
relación entre la estructura molecular y la crista-
lización líquida.
Muchas letras y símbolos diversos en las calcula-
doras de bolsillo o en las carátulas de los relojes
electrónicos modernos son construidos de crista-
les líquidos.
2.2 POLIMEROS
Durante mucho tiempo el hombre utilizó polí-
meros naturales, como la lana, pieles, caucho na-
tural. Sin embargo, en los últimos 50 años o me-
nos, los químicos han aprendido a fabricar polí-
meros sintéticos polimerizando monómeros por
medio de reacciones controladas químicamente.
REACCIÓN DE POLIMERIZACIÓN
El polietileno, es quizá el ejemplo más sencillo
de polimerización. Se obtiene a partir del etileno
(CH2=CH2), el cual sufre apertura de su doble en-
lace para formar nuevos enlaces sencillos car-
bono-carbono con otras dos moléculas de etileno:
C C
H
H
H
H
+ C C
H
H
H
H
+
C C
H
H
H
H
+ C C
H
H
H
H
+
+
C C C C C C C
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
La reacción de polimerización anterior podría-
mos abreviarla del modo siguiente:
C
H2 CH2
n C C
H
H
H
H
n
En esta ecuación, n es un número grande que va
de cientos a muchos millares de moléculas de mo-
nómero (en este caso el etileno) que reaccionan
para formar una gran molécula de polímero.
CLASIFICACIÓN DE POLÍMEROS
Además de los polímeros clásicos que se produ-
cen y comercializan ya hace algunos años, cada
día aparecen otros nuevos, provenientes de las in-
vestigaciones científicas y tecnológicas que se
desarrollan en todo el mundo. Por lo que, dada la
gran variedad de materiales poliméricos existen-
tes, se hace necesario agruparlos según sus carac-
terísticas, facilitando así el entendimiento y el es-
tudio de las propiedades. Con este objetivo se cla-
sifican de varias maneras:
 De acuerdo con las estructuras químicas.
 Según el comportamiento frente al calor.
 Según sus propiedades mecánicas.
 Según sus tipos de aplicaciones, o aún otras ca-
racterísticas.
A. Según la cantidad de monómeros dife-
rentes en el polímero.
a) Homopolímero, que es el polímero cons-
tituido solo un tipo de unidad estructural
Berzelius, en 1827, acuñó el término po-
límero (del griego polys, “muchos”, y meros,
“partes”) para denotar sustancias moleculares
de elevada masa molecular, son macromolécu-
las formadas por la unión (polimerización) de
monómeros (moléculas de masas moleculares
bajas).
10
repetida. Ejemplo: polietileno, poliesti-
reno, poliacrilonitrilo, poliacetato de vi-
nilo.
Si consideramos A como el monómero presente
en el homopolímero, su estructura puede repre-
sentarse así:
b) Copolímero es el polímero constituido
por dos o más monómeros distintos. Ejem-
plo: SAN, NBR, SBR.
Suponiendo que A y B representan los monóme-
ros, hay tres posibilidades de disposición:
i)Copolímeros al azar (aleatorios, estadísticos)
en los cuales los monómeros tienen secuencia
desordenada a lo largo de la cadena macromole-
cular:
ii)Copolímeros alternados, en los cuales los mo-
nómeros se suceden alternadamente:
iii)Copolímeros en bloques, en los cuales cada
macromolécula del copolímero es formada por
más o menos largos tramos de A cada uno se-
guido por un tramo de B:
iv)Copolímeros de injerto, en los cuales la cadena
principal que constituye el polímero contiene
apenas unidades de un mismo monómero, mien-
tras que el otro monómero forma parte solamente
de las ramificaciones laterales (el injerto):
B. según la estructura química de los monó-
meros que constituyen el polímero.
Esta clasificación se basa en el grupo funcional al
cual pertenecen los monómeros. Así tenemos
como ejemplos:
Poliolefinas: polipropileno, polibutadieno, poli-
estireno.
Poliésteres: politereftalato de etileno, policarbo-
nato.
Poliéteres: polióxido de etileno, polióxido de fe-
nileno.
Poliamidas: Nylon, poliimida.
Polímeros celulósicos: nitrato de celulosa, acetato
de celulosa.
Polímeros acrílicos: polimetacrilato de metilo,
poliacrilonitrilo.
Polímeros vinílicos: poliacetato de vinilo, polial-
cohol vinílico.
Poliuretanos: denominación genérica para los
que son derivados de isocianatos.
Resinas formaldehído: resina fenol-formol, re-
sina úrea-formaldehido.
C. Según la forma de la cadena polimérica
Las cadenas macromoleculares pueden ser:
Lineales, si no tienen ramificaciones.
Ramificadas, si todas las moléculas contienen
ramificaciones, es decir pequeñas cadenas latera-
les.
11
Entrecruzadas, si los polímeros poseen estruc-
tura tridimensional, donde las cadenas están uni-
das unas a otras por enlaces químicos.
D. Según el comportamiento frente a la tempe-
ratura.
Según el resultado al calentar los polímeros, éstos
pueden ser:
Termoplásticos, que son polímeros que se funden al
calentarlos y se solidifican al enfriarse. Ejemplo: po-
lietileno, poli(tereftalato de etileno), poliacrilonitrilo,
nylon.
Termoestables (termofijos), si al calentarlos por la
primera vez se forman entrecruzamientos, transfor-
mándolos en infusibles e insolubles. Ejemplo: resina
fenol-formol, resina melamina-formol, resina úrea-
formaldehido.
E. Según el comportamento mecânico.
Plásticos (del griego: adecuado al modelado,
moldeo), que son materiales poliméricos estables
en las condiciones normales de uso, pero que du-
rante alguna etapa de su fabricación fueron flui-
dos. Esta propiedad les permite ser moldeados
por calentamiento, por presión o por ambos.
Ejemplo: polietileno, polipropileno, poliestireno.
Elastómeros (o cauchos), que son materiales po-
liméricos que pueden ser de origen natural o sin-
tético. Después de sufrir una deformación bajo la
acción de una fuerza, recuperan la forma original
rápidamente, por más que la deformación haya
sido grande o aplicada por bastante tiempo. Ejem-
plo: polibutadieno, caucho nitrílico, poli(esti-
reno-butadieno).
Fibras, son polímeros en los que existe una rela-
ción muy elevada entre la longitud y el diámetro.
Generalmente son constituidas de macromolécu-
las lineales y se mantienen orientadas longitudi-
nalmente. Ejemplo: poliésteres, poliamidas y po-
liacrilonitrilo.
Polímeros de Importancia Industrial
MONÓMERO POLÍMERO APLICACIONES
HDPE: Bidones, botellas,
juguetes, utensilios plásticos
y tuberías. LDPE: bolsas
tuberías de agua potable, de
calefacción y aire acondicio-
nado, bolsas plásticas espe-
ciales (médicos y laborato-
rio)
Mangueras, tuberías, baldo-
sas, botellas, envoltura de
caramelos
Planchas para aislamiento
térmico (vasos, platos), ju-
guetes, utensilios, antiadhe-
rentes, resinas de intercam-
bio iónico
2
Sártenes y utensilios de co-
cina antiadherentes. Recu-
brimientos antiadherentes
Orlón, acrilón, fibras textiles
y tapicerías.
2.3 USOS DEL PLASMA
El sol está constituido por plasma.
TIPOS DE PLASMA
Natural:
Terrestre
 Fuego
 Rayos de tormenta
 Ionósfera
 Aurora boreal
Astrofísico
 Estrellas como el sol que poseen elementos
ligeros tales como hidrogeno y helio princi-
palmente.
 Vientos solares
 Medio intergaláctico.
 Nebulosas intergalácticas.
Artificial:
 Pantallas de plasma
 Interior de tubos fluorescentes
 Materia expulsada en propulsión de cohetes
 Descargas eléctricas de uso industrial
APLICACIONES
 Pantallas de televisores de Plasma (baja T).
 En la industria: antorcha de plasma (7000
°C) que corta planchas de acero con gran pre-
cisión.
El plasma es un estado de agregación de
la materia de alto nivel térmico, constituido por
partículas cargadas, cuya dinámica presenta
efectos colectivos (a diferencia del gas) domi-
nado por interacciones electromagnéticas de
largo alcance.
12
 La antorcha de plasma cambia la estructura
interna de materiales mejorando su resisten-
cia a P y T elevadas. Ejm. Cerámicos con ma-
yor resistencia que el hormigón.
 El plasma promete ser solución a los residuos
radiactivos, absorbiendo su energía radiactiva
y reduciendo su tiempo de vida media.
 PLASMA SPRAY incrusta partículas sobre
la superficie de materiales para soportar altas
temperaturas.
2.4 SUPERCONDUCTORES
CONDICIONES DE SUPERCONDUCTIVIDAD
Se da cuando el material está por debajo de la
Temperatura de transición superconductora o
Temperatura crítica (Tc).
Ejm.: HgBa2 Ca2 Cu3 O8+x
Tc = - 140°C (133 K)
COMPOSICIÓN
El material más frecuente es el Cuprato de ciertos
materiales constituyendo óxidos y sales cerámi-
cos de cierta fragilidad (desventaja actual para
cablear) y reactivos ante el H2O / CO2 del medio
ambiente.
A partir de 1987 (Premio Novel a Bendnorz- Mu-
ller) se desató una ola de investigaciones sobre la
superconductividad y el objetivo fue elevar la Tc
para reducir costos en uso de refrigerantes tales
como Helio líquido
(T< 77 K) y Nitrógeno líquido (T > 77 K); siendo
éste último más barato respecto al Helio.
Composición Tc
(K)
Código
Ba Pb0,875 Bi0,25 O3 12 BPBO
La 1,85 Ba 0,15 Cu O4 36 LBCO
Y Ba2 Cu3 O7 90 YBCO
Tl2 Ba2 Ca2 Cu3 O10 120 TBCO
Hg 0,8Tl 0,2Ba 2Ca2Cu3O 8,33 138 ----
Estructura del YBa2 Cu3 O7 cuya celda
Unitaria es:
Son materiales que presentan la propie-
dad de superconductividad de la corriente eléc-
trica, quiere decir flujo de electrones a través
del material “sin fricción” o resistencia cero.
Descubierto en 1911 por el físico holandés Ka-
merhingh Onnes quien observó que el mercu-
rio pierde resistencia al flujo de electrones por
debajo de 42K (-231,15 °C)
13
 La sustitución de Y o Ba por otros elementos
causa ligeros cambios en la Tc.
 Es de mayor importancia para variar la Tc el con-
tenido de Cu y O; la presión parcial del O2 en el
momento de quemar el material cerámico.
a) Teoría de Ginzburg- Landau(1950)
Es más fenomenológico que teórico, basado más
en propiedades macroscópicas, como la ruptura
de simetrías en Transición de fases.
b) Teoría de Barden – Cooper – Schieffer
(BCS – 1972)
Considera que a bajas temperaturas los
Electrones se mueven como pares (pares de
Cooper), lo que les permite escapar a las inter-
acciones con átomos de la estructura o red cris-
talina que originan la resistencia eléctrica.
Tiene limitaciones para explicar la superconduc-
tividad a altas temperaturas, proponiéndose para
ello algunas variantes.
CLASIFICACIÓN
Se clasifican en función de:
a) Su comportamiento físico: Puede ser de
tipo I, con cambio brusco de una fase a otra
(cambio de fase de 1er. orden), de tipo II, si
pasan por un estado mixto de dos fases de-
finidas (cambio de fase de 2do. Orden).
b) Su Temperatura Crítica (Tc).- Siendo
de alta temperatura los que se enfrían con
nitrógeno líquido (Tc > 77 K) o de baja
temperatura enfriado con helio líquido
(Tc< 77K).
c) El material.- puede ser elementos puros (Hg,
Pb), cerámicos (YBCO), aleaciones y orgáni-
cos como los nanotubos de carbono.
Efecto Meissner
consiste en la desaparición total del flujo
del campo magnético en el interior de un mate-
rial superconductor por debajo de su temperatura
crítica, por lo que este se comporta como un mate-
rial diamagnético perfecto (graf. a) donde “S” es
el superconductor y además genera la LEVITA-
CIÓN MAGNÉTICA.
T< Tc
14
APLICACIONES
a) Producción de grandes campos magnéticos,
aplicado en aceleradores de partículas, imá-
genes de resonancia magnética nuclear y el
“tren bala”.
b) La fabricación de cables de transmisión de
energía, en un futuro con ventajas comercia-
les.
c) Fabricación e dispositivos electrónicos que
reemplacen a los transistores, filtros de radio-
frecuencia en telefonía móvil.
TEMA III
APLICACIONES
3.1. TRATAMIENTO DE
DESECHOS NUCLEARES.
Como sabemos en los últimos años el creciente
volumen de desechos nucleares plantea graves
riesgos al medio ambiente y la salud. Su reduc-
ción requerirá una administración nacional que
reduzca a un mínimo la producción de desechos
radiactivos y estipule su elaboración, transporte
y eliminación en condiciones de seguridad.
Deberá fortalecerse la cooperación internacional
para asegurarse que se traten, almacenen y elimi-
nen los desechos nucleares en una manera idónea
desde el punto de vista ambiental.
El desecho radiactivo más peligroso es el de alto
nivel (generado en el ciclo de combustible nu-
clear) y el combustible nuclear agotado. Las cen-
trales nucleares de todo el mundo producen apro-
ximadamente unos 10000 metros cúbicos por
año. Esto representa un 99% de todos los radio-
núclidos que se deben eliminar. Este volumen va
en aumento en medida que entran en funciona-
miento más centrales termonucleares y se cierran
otras instalaciones nucleares.
La utilización de los radionúclidos en las aplica-
ciones médicas, la investigación e industria tiene
16
actualmente como resultado unos 200000 metros
cúbicos de desechos de nivel bajo o intermedio,
pero su volumen va en aumento. El riesgo es va-
riable; en general es menor que el de los desechos
de alto nivel, pero está justificado proceder con
medidas protectivas muy estrictas. La mayoría de
los países que cuentan con programas nucleares
sustantivos han tratado de adoptar medidas admi-
nistrativas y técnicas para la gestión de sus
desechos nucleares. Muchos otros países aún ca-
recen de estos sistemas.
Existen algunas propuestas como:
 Los gobiernos deberán fomentar políticas y
prácticas concebidas para limitar la genera-
ción de desechos radiactivos y proporcionar
seguridad en cada etapa de su utilización.
 Se transmitirá a los países en desarrollo la tec-
nología necesaria para el almacenamiento, el
transporte y la eliminación seguros de
desechos nucleares y/o de los desechos que
se devolverán al origen de las fuentes radio-
activas.
 Los países no exportarán desechos radiacti-
vos a otros países que prohíban esas importa-
ciones y respetarán las convenciones regiona-
les sobre el medio ambiente que traten de los
desechos radioactivos.
Los costos a nivel nacional para administrar y
eliminar los desechos radiactivos variarán según
la tecnología utilizada. Los estados deberán eva-
luar las consecuencias ambientales y sanitarias
de la eliminación de desechos radioactivos y fo-
mentar la investigación de métodos para su tra-
tamiento, elaboración y eliminación racional.
3.2. CORROSIÓN
La corrosión metálica es definida como el dete-
rioro de un material metálico a consecuencia de
un ataque electroquímico por su entorno. Siem-
pre que la corrosión esté originada por una reac-
ción química (oxidación), la velocidad a la que
tiene lugar dependerá en alguna medida de la
temperatura, la salinidad del fluido en contacto
con el metal y las propiedades de los metales en
cuestión.
Los procesos de corrosión más conocidos son las
alteraciones químicas de los metales a causa del
aire, como la herrumbre del hierro y el acero o la
formación de pátina verde en el cobre y sus alea-
ciones (bronce, latón). La corrosión ocurre por-
que muchos metales son relativamente fáciles de
oxidarse al perder sus electrones y cederlos al
oxígeno del aire para formar los correspondientes
óxidos. El oxígeno es absorbido sobre la superfi-
cie del metal, donde reacciona para formar una
capa de óxido. La formación de óxido no siempre
es dañina, tal es el caso del aluminio que forma
una capa transparente y densa de 2 3
A O que ac-
túa como capa protectora de ulterior oxidación,
en cambio el hierro se cubre de una capa porosa
de óxido, por cuyas grietas el oxígeno y el agua
alcanzan el metal, continuando la oxidación hasta
su completa destrucción.
Sin embargo, la corrosión es un fenómeno mucho
más amplio que afecta a todos los materiales (me-
tales, cerámicas, polímeros...) y todos los am-
bientes (medios acuosos, atmósfera, alta tempe-
ratura...).
17
Es un problema industrial importante, pues puede
causar accidentes (ruptura de
una pieza) y, además, representa un cos-to impor-
tante, ya que se calcula que cada pocos segundos
se corroen 5 toneladas de acero en el mundo. Se
calcula en general que su costo económico no es
inferior al 2% del producto bruto interno (en
EEUU).
Definiciones Básicas. - Primeramente, hay que
definir que la corrosión es principalmente un fe-
nómeno electroquímico.
Una corriente de electrones se establece cuando
existe una diferencia de potenciales entre un
punto y otro.
Cuando desde una especie química cede y migran
electrones hacia otra especie se dice que la espe-
cie que los emite se comporta como un ánodo y
se verifica la oxidación, y aquella que los recibe
se comporta como un cátodo y en ella se verifica
la reducción.
Para que esto ocurra entre las especies debe exis-
tir un diferencial electroquímico; si separamos
una especie y su semirreacción se le denominará
semipar elecroquímico, si juntamos ambos semi-
pares se formará un par electroquímico. Cada se-
mipar está asociado a un Potencial de Reducción.
Aquel metal o especie química que exhiba un po-
tencial de reducción más positivo procederá
como una reducción y viceversa, aquel que ex-
hiba un potencial de reducción más negativo pro-
cederá como una oxidación.
Este par de metales constituye la llamada Pila
Galvánica. En donde la especie que se oxida
(ánodo) cede sus electrones y la especie que se
reduce (cátodo) los acepta.
Una aproximación a la corrosión metálica.- La
corrosión de los metales es un fenómeno natural
que ocurre debido a la inestabilidad termodiná-
mica de la mayoría de los metales. En efecto,
salvo raras excepciones (el oro y el hierro de ori-
gen meteorítico) los metales están presentes en la
Tierra en forma de óxido, en los minerales (como
la bauxita si es aluminio, la hematita si es hie-
rro...). Desde la prehistoria, toda la metalurgia ha
consistido en reducir los óxidos en bajos hornos,
luego en altos hornos, para fabricar el metal. La
corrosión, de hecho, es el regreso del metal a su
estado natural, el óxido.
La corrosión es un proceso electroquímico en el
cual un metal reacciona con su ambiente para for-
mar el óxido u otro compuesto. La celda que
causa este proceso de la corrosión tiene tres com-
ponentes esenciales: un ánodo, un cátodo y un
electrolito (solución que conduce la electricidad).
El ánodo es el sitio en el cual se corroe el metal;
el electrolito es el medio corrosivo; y el cátodo
(parte de la misma superficie del metal, o de otra
superficie del metal en contacto con él) forma el
otro electrodo en la célula y no se consume en el
proceso de la corrosión. En el ánodo el metal co-
rroído pasa al electrolito como iones positiva-
mente cargados, generando los electrones que
participan en la reacción catódica. Por lo tanto la
corriente de la corrosión entre el ánodo y el cá-
todo consiste en los electrones que fluyen dentro
del metal y de los iones que fluyen dentro del
electrolito.
Cuando se trabaja con aleaciones (una aleación
puede tener varios componentes) expuestas a am-
bientes corrosivos, la superficie de un compo-
nente puede convertirse en el ánodo y la superfi-
cie de otro componente en contacto con ella
puede convertirse en el cátodo. Generalmente, las
pilas de corrosión serán mucho más pequeñas y
más numerosas, ocurriendo en diversos puntos en
la superficie del mismo componente. Los ánodos
18
y los cátodos pueden presentarse por las diferen-
cias en las fases constitutivas del metal mismo,
por las variaciones en los depósitos o las capas
superficiales en el metal, o por variaciones en el
electrolito.
Micropilas galvánicas formadas en la superficie de
una aleación expuesta a
ambiente corrosivo
El metal puede estar sumergido en un electrolito
o el electrolito puede estar presente solamente
como película condensada o fijada por adsorción
fina en la superficie del metal. El índice de la co-
rrosión es influenciado considerablemente por la
conductividad eléctrica del electrolito. El agua
pura tiene conductividad eléctrica pobre y la tasa
de corrosión será mucho más baja que una solu-
ción ácida de la alta conductividad.
La capacidad de los metales para resistir la corro-
sión es dependiente de su posición en la llamada
serie electroquímica.
Corrosión producida por formación de regiones
anódicas y catódicas en un metal
En esta serie el metal que está en la parte superior
de la tabla es atacado más fácilmente (formando
zonas anódicas) y los metales que están en la
parte inferior de la tabla se protegen (es decir for-
man zonas catódicas y no sufren corrosión).
Elemento Ion
Magnesio Mg2+
Aluminio Al3+
Cinc Zn2+
Cromo Cr2+
Hierro Fe2+
Cadmio Cd2+
Cobalto Co2+
Níquel Ni2+
Lata Sn2+
Plomo Pb2+
Hidrógeno H+
Antimonio Sb3+
Cobre Cu2+
Plata Ag+
Oro Au3+
Por esto último a menudo es más útil la Serie Gal-
vánica en medios de servicio, como por ejemplo
el agua de mar, en la que observamos cual es la
conducta de diferentes metales frente al agua de
mar en condiciones de corrosión.
19
SERIE GALVÁNICA AGUA DE MAR:
EXTREMO CORROÍDO (Anódico)
Magnesio
Cinc
Aluminio
Cadmio
Acero Suave
Hierro fundido
Aceros Inoxidables (Activos)
Plomo
Lata
Níquel (Activo)
Latón
Cobre
Bronce De Aluminio
Níquel de Cobre
Soldaduras de Plata
Níquel (Pasivo)
Titanio
Grafito
Oro
Platino
EXTREMO PROTEGIDO (Catódico)
Un ejemplo de celda de corrosión es proporcio-
nado por una distribución imperfecta de cobre en
acero sumergido en ácido sulfúrico diluido. El
acero, que tiene el potencial negativo más grande
se disuelve y se convierte en el ánodo; mientras
que el cobre se convierte en el cátodo.
En tal ataque ácido el hidrógeno se libera mien-
tras el hierro del acero se disuelve, depositándose
en la superficie del cátodo de cobre. También la
corrosión será acelerada por la exposición a los
agentes que oxidan (por ejemplo, el aire). El ta-
maño del cátodo con respecto al tamaño del
ánodo es importante, por ejemplo, el remache del
cobre en una placa de acero grande, se polariza
rápidamente y la corrosión en la placa es pe-
queña. Por otra parte, un cátodo grande juntado a
un ánodo pequeño tiene el efecto opuesto, con el
ataque rápido del ánodo.
El hierro y el acero son los materiales de cons-
trucción más comunes, y sus características de
corrosión en aguas neutras son importantes.
Cuando el acero se corroe, la tasa de la corrosión
es gobernada generalmente por la reacción cató-
dica del proceso de corrosión, y el oxígeno es un
factor importante. En aguas neutras libres de oxí-
geno disuelto, la corrosión es generalmente insig-
nificante. La tasa de la corrosión aumenta en pro-
porción con la cantidad de oxígeno disponible
para la difusión al cátodo. La tasa de la corrosión
tiende a aumentar también con el aumento de la
temperatura. En aguas ácidas (pH < 4), la corro-
sión puede ocurrir incluso sin la presencia del
oxígeno.
La herrumbre es un óxido hidratado de fierro (III)
2 3 2
Fe O xH O
 , se forma solamente en presencia
de oxígeno y agua. Se produce un fenómeno elec-
troquímico en el que las principales etapas son las
siguientes:
El fierro por su facilidad de oxidación se com-
porta como ánodo:
2
(s) oxid
Fe Fe 2e E 0,44 V
 
  
Los electrones producidos en esta media reacción
fluyen a través del metal a otra parte (otro metal)
que actúa como cátodo donde el oxígeno es redu-
cido por la presencia de iones H+ suministrados
por el 2 3
H CO formado por disolución del CO2
existente en la atmósfera.
2 2 red
O 4H 4e 2H O E 1
,23 V
 
   
El circuito se completa por el movimiento de los
iones a través del agua sobre la superficie del fie-
rro. Esto explica la formación rápida de herrum-
bre en el agua salada, por su alta concentración
Aumenta
facilidad
para
corroerse
20
de iones. La reacción total es la suma de las dos
semireacciones.
2
(s) 2(g) 2 celda
2Fe O 4H 2Fe 2H O E 1
,67 V
 
    
 2
(s) 2(g) 2 celda
2Fe O 4H 2Fe 2H O E 1
,67 V
 
    
2
(s) 2(g) 2 celda
2Fe O 4H 2Fe 2H O E 1
,67 V
 
    
El 2
Fe 
es oxidado por el oxígeno del aire para
formar la herrumbre:
2
2 2 2 3(s)
4Fe O 4H O 2Fe O 8H
 
   
Notar que en esta reacción se produce iones hi-
dronio que son necesarios para la reducción del
oxígeno. Ver la siguiente figura.
Corrosión del acero bajo una gotita de agua
El fierro en contacto con el agua forma el ánodo,
donde se oxida a 2
Fe 
. El hierro en contacto con
el oxígeno forma el cátodo, donde el oxígeno se
reduce a agua, formándose la celda con una con-
tinua oxidación de Fe a 2
Fe 
y éste a 2 3
Fe O .
Control de la Corrosión.- Básicamente todos los
métodos que existen para lograr controlar la co-
rrosión de los materiales metálicos, son intentos
para interferir con el mecanismo de corrosión, de
tal manera que se pueda hacer que éste sea lo más
ineficiente posible. Por ejemplo, disminuyendo
el flujo de electrones entre los componentes me-
tálicos de la celda de corrosión por el aumento de
la resistencia eléctrica del metal, de alguna ma-
nera disminuiría la corriente de corrosión y, por
tanto, la velocidad de corrosión. Esto no es prac-
ticable generalmente, pero disminuir el flujo de
corriente en el componente electrolítico de la
celda de corrosión produciría el mismo efecto, y
esto sí es practicable.
Dado que para que exista un proceso de corro-
sión, debe formarse una pila o celda de corrosión
y, por tanto, un ánodo, un cátodo, un conductor
metálico y una solución conductora, además de
una diferencia de potencial entre los electrodos o
zonas anódicas y catódicas, la eliminación de al-
guno de los componentes esenciales de la men-
cionada pila, podría llegar a detener el proceso.
En la práctica, existen tres maneras de lograr lo
anterior y por tanto de luchar contra la corrosión:
1) Aislamiento eléctrico del material. El ca-
mino más obvio para minimizar la corrosión
es cubrir la superficie metálica para prote-
gerlo del aire y de la humedad.
La corrosión puede inhibirse por varios méto-
dos tales como: la pintura, recubrimiento con
otro metal, deshumificación de la atmósfera o
la protección catódica.
El revestimiento con pintura de puentes y
construcciones a menudo se hace con pintura
roja a base de 3 4
Pb O , que aparentemente
oxida la superficie del fierro formando una
capa continua de óxido que resiste a ulterior
oxidación.
El recubrimiento del fierro con otros metales
como cinc, estaño, cromo, níquel, etc. es otro
de los procesos para inhibir la corrosión.
El uso de cinc para proteger el fierro se llama
galvanizado. Como el zinc se encuentra más
arriba en la Tabla de Potenciales de Reduc-
ción se oxida más fácilmente. El cinc se oxida
a 2
Zn(OH) , el cual reacciona con el CO2 de
la atmósfera formando una capa de
21
2 3
Zn(OH) ZnCO
 , la cual se adhiere fuerte-
mente a la superficie, protegiendo al metal.
El Zn se convierte en ánodo y el Fe en cátodo.
Ver la siguiente figura.
Así se protege el fierro al contactar con el
cinc, proceso llamado galvanizado.
Una capa de Sn, la cual cubre con una capa de
óxido, también se usa para proteger el Fe. Los
procesos de niquelado y cromado también
protegen al Fe.
2) Cambiando el sentido de la corriente en la
pila de corrosión. Conectando eléctrica-
mente, por ejemplo, el acero con un metal
más activo (cinc o magnesio) podemos llegar
a suprimir la corrosión del acero, ya que de-
jará de actuar como ánodo y pasará a compor-
tarse como cátodo, dejando el papel de ánodo
al metal más activo (cinc o magnesio). Este es
el principio de la protección Catódica. El me-
tal de oxidación más fácil se llama ánodo de
sacrificio. Aunque es una disolución gradual
es más fácil reemplazarlo. A menudo los áno-
dos se conectan a intervalos determinados.
El método se aplica generalmente a tuberías o
tanques bajo tierra y en embarcaciones. Ver
la figura siguiente.
Al conectar el Mg al Fe se producen el ánodo
y el cátodo de la celda electrolítica. El Mg ac-
túa como ánodo porque se oxida más fácil-
mente, el Fe como cátodo donde el oxígeno se
reduce a iones OH–.
3) Polarización del mecanismo electroquí-
mico. Esto se puede lograr bien eliminando el
oxígeno disuelto, bien mediante la adición en
el medio agresivo de ciertas sustancias llama-
das inhibidores, las cuales pueden llegar a po-
larizar uno de los electrodos de la pila de co-
rrosión y por lo tanto, llegar a detener o
cuanto menos disminuir sus efectos. En la
práctica, lo anterior conlleva una modifica-
ción del entorno o medio ambiente, al cual
está expuesto el metal.
Documento en permanente revisión:
Última revisión 01/11/2020
22

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  • 1. 1 CEPRE-UNI CENTRO DE ESTUDIOS PREUNIVERSITARIOS UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA CICLO PRE-UNIVERSITARIO Q U Í M I C A A P L I C A D A N o v i e m b r e d e l 2 0 2 0
  • 2. 1 QUÍMICA APLICADA TEMARIO 1. NUEVAS TECNOLOGÍAS 1.1. Introducción a nanotecnología 1.2. Biotecnología 1.3. Celdas de combustible. 2. MATERIALES MODERNOS 2.1. Cristales líquidos 2.2. Polímeros 2.3. Uso de plasma 2.4. Superconductores. 3. APLICACIONES 3.1. Tratamiento de desechos nucleares 3.2. Corrosión. TEMA I NUEVAS TECNOLOGÍAS 1.1 INTRODUCCIÓN A LA NANOTECNOLOGÍA En el mundo nano, NO RIGE la ley de la GRA- VEDAD, sino las LEYES CUÁNTICAS. Si un electrón se lanza contra un muro, en lugar de cho- car, lo traspasa. A escala tan pequeña, la materia se comporta de modo diferente:  La cerámica se hace TRANSPARENTE como el vidrio.  El vidrio es tan RESISTENTE como el pega- mento.  Los metales se convierten en COLORANTES y poseen propiedades magnéticas que se pue- den activar o desactivar a voluntad. Existe un gran consenso en que la nanotecnolo- gía nos llevará a una segunda revolución indus- trial en el siglo XXI. Podemos decir que muchos progresos de la nanociencia estarán entre los grandes avances tecnológicos que cambiarán el mundo, llevándonos a lo que se denominará la Nano Era. LOS NANOTUBOS DE CARBÓN La gran evolución de este periodo estuvo mar- cado por la síntesis de una sustancia provista de cualidades físicas extraordinarias denominada “nanotubos de carbón”. Los nanotubos constituyen una nueva clase de materiales, con un amplio espectro de posibles aplicaciones. Estas nanoestructuras tienen alto interés tecnoló- gico por sus posibles aplicaciones:  Electrónicamente pueden comportarse como metales, semimetales o aislantes dependiendo de su diámetro y helicidad.  Elevada resistencia mecánica. Se ha compro- bado que tienen mayor resistencia mecánica y mayor flexibilidad que las fibras de carbono. La nanotecnología es el estudio, diseño, creación, síntesis, manipulación y aplicación de materiales, aparatos y sistemas funcionales a través del control de la materia a nano escala. 1 nanómetro = 10–9 m
  • 3. 2  Sus propiedades pueden modificarse encapsu- lando metales o gases en su interior, llegando a obtener nanocables eléctricos o magnéticos.  Puede ser utilizados en pantallas planas por su buena capacidad como emisores de electro- nes. ¿CÓMO SE MANIPULAN LAS NANOPAR- TÍCULAS? De forma similar a como funciona la aguja de un tocadiscos, el microscopio palpa las superficies de los átomos. De modo que es posible modificar selectivamente las estructuras superficiales. Con el microscopio de fuerza atómica los inves- tigadores consiguieron por primera vez visualizar átomos y moléculas y manipularlas a la vez, es decir, variar su orden y formación en las superfi- cies. APLICACIONES DE LA NANOTECNOLOGÍA En la medicina La Nanotecnología permite fabricar vehículos que funcionan como nanomáquinas, sobre las que se puede encapsular medicamentos y realizar operaciones a un nivel extremadamente pequeño y con elevada precisión. Se podría insertar en los nanotubos de carbono solo las células canceríge- nas a tratar para evitar afectar los tejidos sanos durante el tratamiento. Además, se pueden sintetizar tipos de textiles ca- paces de favorecer la regeneración de tejidos hu- manos en heridas e implantes, así como sensores para detectar tumores u otras enfermedades. En la industria Obtención de pinturas protectoras contra la corro- sión, tejidos resistentes a las manchas. Técnicas fotovoltaicas para fuentes de energías renovables. En los deportes, pelotas de larga duración y ra- quetas de tenis más fuertes y ligeras. En la alimentación “Mejorar" ciertos alimentos (microencapsulando antioxidantes para aumentar la absorción de ali- mentos específicos). Crear bebidas inteligentes (con sabores y colores específicos). En la informática Los avances en el campo de la nanotecnología ha- rán que las computadoras dejen de utilizar el sili- cio como sistema para integrar los transistores que la componen y empiecen a manejarse con lo que se llama mecánica cuántica, lo que hará que utilicen transistores a escala atómica. En el futuro  Almacenamiento de energía, producción y conversión.  Mejora productividad agrícola.  Depuración de aguas.  Diagnóstico precoz de enfermedades.  Fabricación de medicamentos.  Tratamiento y conservación de alimentos.
  • 4. 3 Peligros La mayor preocupación se centra en la posible in- gestión de nanopartículas libres. En una prueba, los peces que fueron expuestos a una disolución de fullerenos (nanoesferas de car- bono) en agua, en porcentaje similar a lo que sería contaminación industrial corriente en ríos, sufrie- ron daño cerebral en 48 horas. 1.2 BIOTECNOLOGÍA PERSONAJES INFLUYENTES  Gregory Mendel. - Describió las Leyes de Mendel que rigen la herencia genética, esta- bleciendo las bases de la genética moderna.  Pasteur. - Describió científicamente el pro- ceso de pasteurización y comprobó la imposi- bilidad de la generación espontánea.  Watson y Crick. - Descubridores de la estruc- tura del ADN.  Beadle y Tatum. - Propusieron un vínculo di- recto entre los genes y las reacciones enzimá- ticas conocida como la hipótesis “Un gen, una enzima”. Estructura en doble hélice del ADN CLASIFICACIÓN DE LA BIOTECNOLOGÍA Biotecnología tradicional. Se limita sólo al uso de los sistemas biológicos, organismos vivos y derivados en la medicina, agricultura, industria, tratamiento de aguas, etc. Ejm: Obtención de vacunas, mejora de técnicas de cultivo, fermentación alcohólica y láctica, bio- remediación con lodos o fangos activados. Biotecnología moderna. La diferencia aportada por la biotecnología mo- derna es que actualmente el hombre no sólo sabe cómo usar las células u organismos que le ofrece la naturaleza, sino que ha aprendido a modificar- los y manipularlos en función de sus necesidades. CAMPOS DE APLICACIÓN Procesos médicos:  Producción de antibióticos  Desarrollo de vacunas más seguras y nuevos fármacos  Diagnósticos moleculares  Terapias regenerativas  Desarrollo de la ingeniería genética para curar enfermedades a través de la manipulación genética. Podría definirse como "toda aplicación tecnológica que utilice sistemas biológicos y organismos vivos o sus derivados para la crea- ción o modificación de productos o procesos para usos específicos”. (Convenio sobre Diver- sidad Biológica, 1992). Consideramos la biotecnología como una actividad basada en conocimientos multidisci- plinarios, que utiliza agentes biológicos para hacer productos útiles o resolver problemas. Esta definición es lo suficientemente amplia como para englobar actividades tan variadas como las de ingenieros, químicos, agrónomos, veterinarios, microbiólogos, biólogos, médi- cos, empresarios, economistas, etc.
  • 5. 4 Procesos industriales:  Producción de nuevos materiales, biodegrada- bles o no.  Producción de combustibles renovables utili- zando técnicas biológicas. Tal es el caso del bioetanol y el biodiésel  Realización de transformaciones químicas de una forma más eficiente y efectiva  Control y utilización de las moléculas prove- nientes de los seres vivos como base para pro- ducir nuevos productos y servicios  Utilización de plantas y microorganismos para conseguir descontaminar aguas, suelos y la at- mósfera.  Optimización de procesos industriales tradi- cionales, o el desarrollo de nuevos Procesos agrícolas:  Cultivo in vitro de plantas  Producción vegetal asistida por marca- dores moleculares  Hibridación  Producción de biofertilizantes y biopesticidas  Transferencia selectiva de genes de un orga- nismo a otro dando lugar a nuevos cultivos ve- getales Cuidado ambiental:  Biorremedación: proceso por el cual son uti- lizados microorganismos para limpiar un sitio contaminado. Los procesos biológicos desem- peñan un papel importante en la eliminación de contaminantes y la biotecnología aprove- cha la versatilidad catabólica de los microor- ganismos para degradar y convertir dichos compuestos.  Biodegradación: proceso que se ocupa de la utilización de sistemas biológicos, tales como enzimas y bacterias, para producir rupturas o cambios moleculares de tóxicos, contaminan- tes y sustancias de importancia ambiental en suelos, aguas y aire, generando compuestos de menor o ningún impacto ambiental. Bioinformática:  La Bioinformática es capaz de utilizar la tec- nología para organizar y analizar la informa- ción biológica en un ámbito multidisciplinario para una nueva era sobre la investigación ge- nómica que ayudará a mejorar las condiciones y la calidad de vida humana.  La Bioinformática es orientada hacia la inves- tigación y desarrollo de herramientas útiles para llegar a entender el flujo de información desde los genes a las estructuras moleculares, a su función bioquímica, a su conducta bioló- gica y, finalmente, a su influencia en las enfer- medades y en la salud. VENTAJAS DE LA BIOTECNOLOGÍA Rendimiento superior. Mediante los organis- mos genéticamente modificados el rendimiento de los cultivos aumenta, dando más alimento por menos recursos, disminuyendo las cosechas per- didas por enfermedad o plagas, así como por fac- tores ambientales. Reducción de pesticidas. Cada vez que un orga- nismo genéticamente modificado, es modificado para resistir una determinada plaga se está contri- buyendo a reducir el uso de los plaguicidas aso- ciados a la misma que suelen ser causantes de grandes daños ambientales y a la salud. Mejora en la nutrición. Se puede llegar a intro- ducir vitaminas y proteínas adicionales en ali- mentos, así como reducir los alérgenos y toxinas naturales. También se puede intentar cultivar en condicio- nes extremas lo que ayudaría a los países que tie- nen menos disposición de alimentos. Mejoramiento y creación de materiales con pro- piedades de alto performance como la produc- ción de algodón de todos los colores, evitándose el uso de los colorantes.
  • 6. 5 RIESGOS DE LA BIOTECNOLOGÍA Riesgos medioambientales Surgen del gran uso de cultivos modificados ge- néticamente con genes que producen toxinas in- secticidas. Riesgos para la salud Existen riesgos de transferir toxinas de una forma de vida a otra, de crear nuevas toxinas o de trans- ferir compuestos alergénicos de una especie a otra, lo que podría dar lugar a reacciones alérgi- cas imprevistas. 1.3 CELDA DE COMBUSTIBLE La primera celda de combustible fue construida en 1839 por Sir William Grove, un juez galés y honorable científico. El verdadero interés en cel- das de combustible, como un generador práctico, no vino sino hasta comienzos de la década de los 60 del siglo pasado cuando el programa espacial de los Estados Unidos seleccionó las celdas de combustible en lugar del riesgoso generador nu- clear y de la costosa energía solar. Fueron celdas de combustible las que proporcionaron electrici- dad y agua a las naves espaciales Géminis y Apolo. PARTES DE LA CELDA DE COMBUSTIBLE  Combustibles: H2, CH4, CH3OH, C3H8  Agente oxidante: O2  Medio de reacción: Ácido o básico. Ejm. H3PO4(ac), KOH(ac)  Electrodos inertes: Níquel sólido micro po- roso que permitan el paso del combustible gaseoso y el agente oxidante al medio de reacción. CELDA COMBUSTIBLE DE HIDRÓGENO Es un elemento estable y no corrosivo. Combus- tible "limpio", su combustión con oxígeno sólo produce agua. Posee alta disponibilidad, se puede producir a partir de distintas materias como los combusti- bles fósiles, biomasa y el agua. Actualmente el 96% del H2 se obtiene a partir de combustibles fósiles. electróli sis 4% petróleo 30% Gas natural 48% Carbón 18% Es un dispositivo que convierte directa- mente la energía química de una reacción RE- DOX en energía eléctrica continua.
  • 7. 6 Comparación energética de combustibles. Combustible E (kJ/g) E (kJ/L) Carbón 29.3 - Madera 8.1 - Gasolina 43.5 30590 Diesel 42.7 29890 Metanol 19.6 15630 Gas natural 50.02 31.7 Hidrógeno 119.9 10 El hidrógeno ofrece ventajas energéticas res- pecto a otros. CONDICIONES DE FUNCIONAMIENTO  Altas temperaturas: mayor a 200°C  Alta presión: mayor a 20 atm.  Funcionamiento continuo, no recargable.  No hay contacto directo del H2 y O2, ni chispa que active su reacción de combustión explosiva. REACCIONES INVOLUCRADAS Reacción por separado de H2 y O2 en medio bá- sico: Cátodo: O2 (g)+2H2O+4e- 4OH1¯ (ac) ……0,40V Ánodo: 2H2 (g)+ 4OH-1 (ac)-4e- 4H2O (l)......0,83V Reacción neta: 2H2 (g) + O2 (g) 2H2O (l)..…..1, 23V La reacción en el cátodo cambia si el combusti- ble es fósil o alcohol. En los productos se obten- dría dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O) VENTAJAS Y DESVENTAJAS Ventajas:  Las celdas de combustible convierten direc- tamente la energía química en energía eléc- trica. Desde el punto de vista termodinámico este proceso es mucho más eficiente.  Alto rendimiento de conversión de energía Química a energía eléctrica (mayor al 75%); superior al 40% que se obtiene en una planta termoeléctrica.  Tanto el combustible como el oxidante pro- ceden de una fuente externa, y permiten ge- nerar corriente eléctrica de manera casi inde- finida, en la medida en que pueda suminis- trarse combustible de forma continuada.  Reduce el impacto ambiental generando me- nor cantidad de productos contaminantes o no contaminantes como el agua. Desventajas:  Se detiene su funcionamiento para hacer mantenimiento.  Costo elevado de mantenimiento, limpieza y cambio de electrodos, cambio de electrolitos. APLICACIONES  En automóviles: Celda con membrana Poli- mérica.  Combustible para camiones, retrocargas, aviones, barcos y submarinos.
  • 8. 7  Aplicaciones de cogeneración (uso combi- nado de calor y electricidad) para viviendas, edificios de oficinas y fábricas.  sistemas de energía portátiles, se pueden uti- lizar en el sector del ocio (Ejm. carabanas, ca- bañas, lanchas).  En navegación espacial, menos peso y volu- men respecto al combustible fósil y genera agua. TEMA II MATERIALES MODERNOS 2.1 CRISTALES LÍQUIDOS Estas sustancias, en lugar de pasar directamente de la fase sólida a la líquida al calentarse, algunas sustancias pasan por una fase líquido – cristalina intermedia que posee algo de la estructura de los sólidos y algo de la libertad de movimiento que tiene los líquidos. Gracias a este ordenamiento parcial, los cristales líquidos pueden ser muy vis- cosos y poseer propiedades intermedias entre la de las fases sólida y líquida. La fase o las fases intermedias se describen como líquido-cristalinas y en ellas las moléculas conservan un ordena- miento parcial, muy diferente del comporta- miento al azar, llamado isotrópico, que es carac- terístico de la fase líquida. Debido a este ordena- miento parcial, una fase líquido-cristalina puede ser muy viscosa. La fase líquido-cristalina tiene propiedades que no se observan ni en la fase só- lida ni en la líquida y ello constituye la base de sus aplicaciones. HISTORIA En 1888, Frederik Reinitzer, botánico austriaco, descubrió que un compuesto orgánico que estaba estudiando, llamado benzoato de colesterilo, te- nía propiedades interesantes y poco usuales. Cuando lo calentaba, la sustancia fundía a 145 ºC para formar un líquido lechoso. A 179 ºC, brus- camente el líquido lechoso se aclaraba. Al enfriar la sustancia, el proceso se invertía. Este es el pri- mer reporte de lo que ahora llamamos cristales lí- quidos. Estructura del benzoato de colesterilo ESTRUCTURA DE LOS CRISTALES LÍQUIDOS Las sustancias líquido-cristalinas tienen formas y estructuras moleculares características, similares a los del benzoato de colesterilo. Las estructuras moleculares de algunas sustancias orgánicas de este tipo tienen formas alargadas, y son rígidas, como se muestra en la figura. Estas Son sustancias que exhiben la dualidad sólido-liquido, es decir que simultáneamente, poseen propiedades de los líquidos como flui- dez y viscosidad y propiedades ópticas que se parecen de modo asombroso a los cristales como, por ejemplo poder reflejar colores dife- rentes dependiendo del ángulo el cual les ob- serve.
  • 9. 8 formas alargadas características permiten interac- ciones intermoleculares que mantienen un arreglo paralelo en la fase líquida. CH3O CH N C4H9 CH3O N N O OCH3 CH N C O OC2H5 O OH O CH3(CH2)7 OCH3 O C O C O O OCH3 TIPOS DE FASES LÍQUIDO-CRISTALINAS Se conocen muchos ordenamientos diferentes para los cristales líquidos. El más sencillo se de- nomina cristal líquido nemático. En la fase ne- mática, las moléculas están alineadas a lo largo de sus ejes alargados, pero no hay un orden res- pecto a los extremos de las moléculas. Es como si se tomara un manojo de lápices sin intentar ali- near sus extremos. Las fases líquido-cristalinas esmécticas presentan un ordenamiento adicional de las moléculas. En la fase esméctica A, las mo- léculas están arregladas en capas, con sus ejes alargados paralelos y sus extremos también ali- neados. Otra fase es la esméctica C, las moléculas están alineadas con sus ejes alargados inclinados res- pecto a una línea perpendicular al plano en el cual están empacadas las moléculas. En estas fases lí- quido-cristalinas, el ordenamiento que persiste a temperaturas superiores a la fusión del sólido, se debe a fuerzas intermoleculares, principalmente a las fuerzas de dispersión de London, y en algunos casos a interacciones dipolo-dipolo. Las interac- ciones atractivas se optimizan cuando las molé- culas se alinean con sus ejes alargados. Las moléculas de cristal líquido también tienen forma de discos, como se muestra en la figura si- guiente. Aplicaciones de los cristales líquidos Las fuerzas de atracción que causan el alinea- miento de las moléculas en los cristales líquidos no son grandes comparadas con las energías de los enlaces químicos. A pesar de ello, estas interacciones dan origen a propiedades físicas de importancia tecnológica considerable. Vistos alguna vez como curiosida- des químicas, los cristales-líquidos ahora se utili- zan ampliamente en pantallas controladas eléctri- camente (LCD) en relojes, calculadoras, y panta- llas de computadora. Estas aplicaciones surgen de la capacidad de un campo eléctrico para provocar un cambio en la orientación de las moléculas del cristal-líquido y afectar así las propiedades ópti- cas de una capa de este tipo de material. Los cristales líquidos que cambian de color al va- riar la temperatura, miden temperaturas en situa- ciones donde los métodos convencionales no son Computadora laptop con pantalla de cristal líquido (LCD)
  • 10. 9 factibles. Por ejemplo pueden detectar zonas ca- lientes en circuitos microelectrónicos que hacen fallar las señales. Así, el gran ímpetu sobre el estudio de la materia ha propuesto una investigación sistemática de la relación entre la estructura molecular y la crista- lización líquida. Muchas letras y símbolos diversos en las calcula- doras de bolsillo o en las carátulas de los relojes electrónicos modernos son construidos de crista- les líquidos. 2.2 POLIMEROS Durante mucho tiempo el hombre utilizó polí- meros naturales, como la lana, pieles, caucho na- tural. Sin embargo, en los últimos 50 años o me- nos, los químicos han aprendido a fabricar polí- meros sintéticos polimerizando monómeros por medio de reacciones controladas químicamente. REACCIÓN DE POLIMERIZACIÓN El polietileno, es quizá el ejemplo más sencillo de polimerización. Se obtiene a partir del etileno (CH2=CH2), el cual sufre apertura de su doble en- lace para formar nuevos enlaces sencillos car- bono-carbono con otras dos moléculas de etileno: C C H H H H + C C H H H H + C C H H H H + C C H H H H + + C C C C C C C H H H H H H H H H H H H H H La reacción de polimerización anterior podría- mos abreviarla del modo siguiente: C H2 CH2 n C C H H H H n En esta ecuación, n es un número grande que va de cientos a muchos millares de moléculas de mo- nómero (en este caso el etileno) que reaccionan para formar una gran molécula de polímero. CLASIFICACIÓN DE POLÍMEROS Además de los polímeros clásicos que se produ- cen y comercializan ya hace algunos años, cada día aparecen otros nuevos, provenientes de las in- vestigaciones científicas y tecnológicas que se desarrollan en todo el mundo. Por lo que, dada la gran variedad de materiales poliméricos existen- tes, se hace necesario agruparlos según sus carac- terísticas, facilitando así el entendimiento y el es- tudio de las propiedades. Con este objetivo se cla- sifican de varias maneras:  De acuerdo con las estructuras químicas.  Según el comportamiento frente al calor.  Según sus propiedades mecánicas.  Según sus tipos de aplicaciones, o aún otras ca- racterísticas. A. Según la cantidad de monómeros dife- rentes en el polímero. a) Homopolímero, que es el polímero cons- tituido solo un tipo de unidad estructural Berzelius, en 1827, acuñó el término po- límero (del griego polys, “muchos”, y meros, “partes”) para denotar sustancias moleculares de elevada masa molecular, son macromolécu- las formadas por la unión (polimerización) de monómeros (moléculas de masas moleculares bajas).
  • 11. 10 repetida. Ejemplo: polietileno, poliesti- reno, poliacrilonitrilo, poliacetato de vi- nilo. Si consideramos A como el monómero presente en el homopolímero, su estructura puede repre- sentarse así: b) Copolímero es el polímero constituido por dos o más monómeros distintos. Ejem- plo: SAN, NBR, SBR. Suponiendo que A y B representan los monóme- ros, hay tres posibilidades de disposición: i)Copolímeros al azar (aleatorios, estadísticos) en los cuales los monómeros tienen secuencia desordenada a lo largo de la cadena macromole- cular: ii)Copolímeros alternados, en los cuales los mo- nómeros se suceden alternadamente: iii)Copolímeros en bloques, en los cuales cada macromolécula del copolímero es formada por más o menos largos tramos de A cada uno se- guido por un tramo de B: iv)Copolímeros de injerto, en los cuales la cadena principal que constituye el polímero contiene apenas unidades de un mismo monómero, mien- tras que el otro monómero forma parte solamente de las ramificaciones laterales (el injerto): B. según la estructura química de los monó- meros que constituyen el polímero. Esta clasificación se basa en el grupo funcional al cual pertenecen los monómeros. Así tenemos como ejemplos: Poliolefinas: polipropileno, polibutadieno, poli- estireno. Poliésteres: politereftalato de etileno, policarbo- nato. Poliéteres: polióxido de etileno, polióxido de fe- nileno. Poliamidas: Nylon, poliimida. Polímeros celulósicos: nitrato de celulosa, acetato de celulosa. Polímeros acrílicos: polimetacrilato de metilo, poliacrilonitrilo. Polímeros vinílicos: poliacetato de vinilo, polial- cohol vinílico. Poliuretanos: denominación genérica para los que son derivados de isocianatos. Resinas formaldehído: resina fenol-formol, re- sina úrea-formaldehido. C. Según la forma de la cadena polimérica Las cadenas macromoleculares pueden ser: Lineales, si no tienen ramificaciones. Ramificadas, si todas las moléculas contienen ramificaciones, es decir pequeñas cadenas latera- les.
  • 12. 11 Entrecruzadas, si los polímeros poseen estruc- tura tridimensional, donde las cadenas están uni- das unas a otras por enlaces químicos. D. Según el comportamiento frente a la tempe- ratura. Según el resultado al calentar los polímeros, éstos pueden ser: Termoplásticos, que son polímeros que se funden al calentarlos y se solidifican al enfriarse. Ejemplo: po- lietileno, poli(tereftalato de etileno), poliacrilonitrilo, nylon. Termoestables (termofijos), si al calentarlos por la primera vez se forman entrecruzamientos, transfor- mándolos en infusibles e insolubles. Ejemplo: resina fenol-formol, resina melamina-formol, resina úrea- formaldehido. E. Según el comportamento mecânico. Plásticos (del griego: adecuado al modelado, moldeo), que son materiales poliméricos estables en las condiciones normales de uso, pero que du- rante alguna etapa de su fabricación fueron flui- dos. Esta propiedad les permite ser moldeados por calentamiento, por presión o por ambos. Ejemplo: polietileno, polipropileno, poliestireno. Elastómeros (o cauchos), que son materiales po- liméricos que pueden ser de origen natural o sin- tético. Después de sufrir una deformación bajo la acción de una fuerza, recuperan la forma original rápidamente, por más que la deformación haya sido grande o aplicada por bastante tiempo. Ejem- plo: polibutadieno, caucho nitrílico, poli(esti- reno-butadieno). Fibras, son polímeros en los que existe una rela- ción muy elevada entre la longitud y el diámetro. Generalmente son constituidas de macromolécu- las lineales y se mantienen orientadas longitudi- nalmente. Ejemplo: poliésteres, poliamidas y po- liacrilonitrilo. Polímeros de Importancia Industrial MONÓMERO POLÍMERO APLICACIONES HDPE: Bidones, botellas, juguetes, utensilios plásticos y tuberías. LDPE: bolsas tuberías de agua potable, de calefacción y aire acondicio- nado, bolsas plásticas espe- ciales (médicos y laborato- rio) Mangueras, tuberías, baldo- sas, botellas, envoltura de caramelos Planchas para aislamiento térmico (vasos, platos), ju- guetes, utensilios, antiadhe- rentes, resinas de intercam- bio iónico
  • 13. 2 Sártenes y utensilios de co- cina antiadherentes. Recu- brimientos antiadherentes Orlón, acrilón, fibras textiles y tapicerías. 2.3 USOS DEL PLASMA El sol está constituido por plasma. TIPOS DE PLASMA Natural: Terrestre  Fuego  Rayos de tormenta  Ionósfera  Aurora boreal Astrofísico  Estrellas como el sol que poseen elementos ligeros tales como hidrogeno y helio princi- palmente.  Vientos solares  Medio intergaláctico.  Nebulosas intergalácticas. Artificial:  Pantallas de plasma  Interior de tubos fluorescentes  Materia expulsada en propulsión de cohetes  Descargas eléctricas de uso industrial APLICACIONES  Pantallas de televisores de Plasma (baja T).  En la industria: antorcha de plasma (7000 °C) que corta planchas de acero con gran pre- cisión. El plasma es un estado de agregación de la materia de alto nivel térmico, constituido por partículas cargadas, cuya dinámica presenta efectos colectivos (a diferencia del gas) domi- nado por interacciones electromagnéticas de largo alcance.
  • 14. 12  La antorcha de plasma cambia la estructura interna de materiales mejorando su resisten- cia a P y T elevadas. Ejm. Cerámicos con ma- yor resistencia que el hormigón.  El plasma promete ser solución a los residuos radiactivos, absorbiendo su energía radiactiva y reduciendo su tiempo de vida media.  PLASMA SPRAY incrusta partículas sobre la superficie de materiales para soportar altas temperaturas. 2.4 SUPERCONDUCTORES CONDICIONES DE SUPERCONDUCTIVIDAD Se da cuando el material está por debajo de la Temperatura de transición superconductora o Temperatura crítica (Tc). Ejm.: HgBa2 Ca2 Cu3 O8+x Tc = - 140°C (133 K) COMPOSICIÓN El material más frecuente es el Cuprato de ciertos materiales constituyendo óxidos y sales cerámi- cos de cierta fragilidad (desventaja actual para cablear) y reactivos ante el H2O / CO2 del medio ambiente. A partir de 1987 (Premio Novel a Bendnorz- Mu- ller) se desató una ola de investigaciones sobre la superconductividad y el objetivo fue elevar la Tc para reducir costos en uso de refrigerantes tales como Helio líquido (T< 77 K) y Nitrógeno líquido (T > 77 K); siendo éste último más barato respecto al Helio. Composición Tc (K) Código Ba Pb0,875 Bi0,25 O3 12 BPBO La 1,85 Ba 0,15 Cu O4 36 LBCO Y Ba2 Cu3 O7 90 YBCO Tl2 Ba2 Ca2 Cu3 O10 120 TBCO Hg 0,8Tl 0,2Ba 2Ca2Cu3O 8,33 138 ---- Estructura del YBa2 Cu3 O7 cuya celda Unitaria es: Son materiales que presentan la propie- dad de superconductividad de la corriente eléc- trica, quiere decir flujo de electrones a través del material “sin fricción” o resistencia cero. Descubierto en 1911 por el físico holandés Ka- merhingh Onnes quien observó que el mercu- rio pierde resistencia al flujo de electrones por debajo de 42K (-231,15 °C)
  • 15. 13  La sustitución de Y o Ba por otros elementos causa ligeros cambios en la Tc.  Es de mayor importancia para variar la Tc el con- tenido de Cu y O; la presión parcial del O2 en el momento de quemar el material cerámico. a) Teoría de Ginzburg- Landau(1950) Es más fenomenológico que teórico, basado más en propiedades macroscópicas, como la ruptura de simetrías en Transición de fases. b) Teoría de Barden – Cooper – Schieffer (BCS – 1972) Considera que a bajas temperaturas los Electrones se mueven como pares (pares de Cooper), lo que les permite escapar a las inter- acciones con átomos de la estructura o red cris- talina que originan la resistencia eléctrica. Tiene limitaciones para explicar la superconduc- tividad a altas temperaturas, proponiéndose para ello algunas variantes. CLASIFICACIÓN Se clasifican en función de: a) Su comportamiento físico: Puede ser de tipo I, con cambio brusco de una fase a otra (cambio de fase de 1er. orden), de tipo II, si pasan por un estado mixto de dos fases de- finidas (cambio de fase de 2do. Orden). b) Su Temperatura Crítica (Tc).- Siendo de alta temperatura los que se enfrían con nitrógeno líquido (Tc > 77 K) o de baja temperatura enfriado con helio líquido (Tc< 77K). c) El material.- puede ser elementos puros (Hg, Pb), cerámicos (YBCO), aleaciones y orgáni- cos como los nanotubos de carbono. Efecto Meissner consiste en la desaparición total del flujo del campo magnético en el interior de un mate- rial superconductor por debajo de su temperatura crítica, por lo que este se comporta como un mate- rial diamagnético perfecto (graf. a) donde “S” es el superconductor y además genera la LEVITA- CIÓN MAGNÉTICA. T< Tc
  • 16. 14 APLICACIONES a) Producción de grandes campos magnéticos, aplicado en aceleradores de partículas, imá- genes de resonancia magnética nuclear y el “tren bala”. b) La fabricación de cables de transmisión de energía, en un futuro con ventajas comercia- les. c) Fabricación e dispositivos electrónicos que reemplacen a los transistores, filtros de radio- frecuencia en telefonía móvil. TEMA III APLICACIONES 3.1. TRATAMIENTO DE DESECHOS NUCLEARES. Como sabemos en los últimos años el creciente volumen de desechos nucleares plantea graves riesgos al medio ambiente y la salud. Su reduc- ción requerirá una administración nacional que reduzca a un mínimo la producción de desechos radiactivos y estipule su elaboración, transporte y eliminación en condiciones de seguridad. Deberá fortalecerse la cooperación internacional para asegurarse que se traten, almacenen y elimi- nen los desechos nucleares en una manera idónea desde el punto de vista ambiental. El desecho radiactivo más peligroso es el de alto nivel (generado en el ciclo de combustible nu- clear) y el combustible nuclear agotado. Las cen- trales nucleares de todo el mundo producen apro- ximadamente unos 10000 metros cúbicos por año. Esto representa un 99% de todos los radio- núclidos que se deben eliminar. Este volumen va en aumento en medida que entran en funciona- miento más centrales termonucleares y se cierran otras instalaciones nucleares. La utilización de los radionúclidos en las aplica- ciones médicas, la investigación e industria tiene
  • 17. 16 actualmente como resultado unos 200000 metros cúbicos de desechos de nivel bajo o intermedio, pero su volumen va en aumento. El riesgo es va- riable; en general es menor que el de los desechos de alto nivel, pero está justificado proceder con medidas protectivas muy estrictas. La mayoría de los países que cuentan con programas nucleares sustantivos han tratado de adoptar medidas admi- nistrativas y técnicas para la gestión de sus desechos nucleares. Muchos otros países aún ca- recen de estos sistemas. Existen algunas propuestas como:  Los gobiernos deberán fomentar políticas y prácticas concebidas para limitar la genera- ción de desechos radiactivos y proporcionar seguridad en cada etapa de su utilización.  Se transmitirá a los países en desarrollo la tec- nología necesaria para el almacenamiento, el transporte y la eliminación seguros de desechos nucleares y/o de los desechos que se devolverán al origen de las fuentes radio- activas.  Los países no exportarán desechos radiacti- vos a otros países que prohíban esas importa- ciones y respetarán las convenciones regiona- les sobre el medio ambiente que traten de los desechos radioactivos. Los costos a nivel nacional para administrar y eliminar los desechos radiactivos variarán según la tecnología utilizada. Los estados deberán eva- luar las consecuencias ambientales y sanitarias de la eliminación de desechos radioactivos y fo- mentar la investigación de métodos para su tra- tamiento, elaboración y eliminación racional. 3.2. CORROSIÓN La corrosión metálica es definida como el dete- rioro de un material metálico a consecuencia de un ataque electroquímico por su entorno. Siem- pre que la corrosión esté originada por una reac- ción química (oxidación), la velocidad a la que tiene lugar dependerá en alguna medida de la temperatura, la salinidad del fluido en contacto con el metal y las propiedades de los metales en cuestión. Los procesos de corrosión más conocidos son las alteraciones químicas de los metales a causa del aire, como la herrumbre del hierro y el acero o la formación de pátina verde en el cobre y sus alea- ciones (bronce, latón). La corrosión ocurre por- que muchos metales son relativamente fáciles de oxidarse al perder sus electrones y cederlos al oxígeno del aire para formar los correspondientes óxidos. El oxígeno es absorbido sobre la superfi- cie del metal, donde reacciona para formar una capa de óxido. La formación de óxido no siempre es dañina, tal es el caso del aluminio que forma una capa transparente y densa de 2 3 A O que ac- túa como capa protectora de ulterior oxidación, en cambio el hierro se cubre de una capa porosa de óxido, por cuyas grietas el oxígeno y el agua alcanzan el metal, continuando la oxidación hasta su completa destrucción. Sin embargo, la corrosión es un fenómeno mucho más amplio que afecta a todos los materiales (me- tales, cerámicas, polímeros...) y todos los am- bientes (medios acuosos, atmósfera, alta tempe- ratura...).
  • 18. 17 Es un problema industrial importante, pues puede causar accidentes (ruptura de una pieza) y, además, representa un cos-to impor- tante, ya que se calcula que cada pocos segundos se corroen 5 toneladas de acero en el mundo. Se calcula en general que su costo económico no es inferior al 2% del producto bruto interno (en EEUU). Definiciones Básicas. - Primeramente, hay que definir que la corrosión es principalmente un fe- nómeno electroquímico. Una corriente de electrones se establece cuando existe una diferencia de potenciales entre un punto y otro. Cuando desde una especie química cede y migran electrones hacia otra especie se dice que la espe- cie que los emite se comporta como un ánodo y se verifica la oxidación, y aquella que los recibe se comporta como un cátodo y en ella se verifica la reducción. Para que esto ocurra entre las especies debe exis- tir un diferencial electroquímico; si separamos una especie y su semirreacción se le denominará semipar elecroquímico, si juntamos ambos semi- pares se formará un par electroquímico. Cada se- mipar está asociado a un Potencial de Reducción. Aquel metal o especie química que exhiba un po- tencial de reducción más positivo procederá como una reducción y viceversa, aquel que ex- hiba un potencial de reducción más negativo pro- cederá como una oxidación. Este par de metales constituye la llamada Pila Galvánica. En donde la especie que se oxida (ánodo) cede sus electrones y la especie que se reduce (cátodo) los acepta. Una aproximación a la corrosión metálica.- La corrosión de los metales es un fenómeno natural que ocurre debido a la inestabilidad termodiná- mica de la mayoría de los metales. En efecto, salvo raras excepciones (el oro y el hierro de ori- gen meteorítico) los metales están presentes en la Tierra en forma de óxido, en los minerales (como la bauxita si es aluminio, la hematita si es hie- rro...). Desde la prehistoria, toda la metalurgia ha consistido en reducir los óxidos en bajos hornos, luego en altos hornos, para fabricar el metal. La corrosión, de hecho, es el regreso del metal a su estado natural, el óxido. La corrosión es un proceso electroquímico en el cual un metal reacciona con su ambiente para for- mar el óxido u otro compuesto. La celda que causa este proceso de la corrosión tiene tres com- ponentes esenciales: un ánodo, un cátodo y un electrolito (solución que conduce la electricidad). El ánodo es el sitio en el cual se corroe el metal; el electrolito es el medio corrosivo; y el cátodo (parte de la misma superficie del metal, o de otra superficie del metal en contacto con él) forma el otro electrodo en la célula y no se consume en el proceso de la corrosión. En el ánodo el metal co- rroído pasa al electrolito como iones positiva- mente cargados, generando los electrones que participan en la reacción catódica. Por lo tanto la corriente de la corrosión entre el ánodo y el cá- todo consiste en los electrones que fluyen dentro del metal y de los iones que fluyen dentro del electrolito. Cuando se trabaja con aleaciones (una aleación puede tener varios componentes) expuestas a am- bientes corrosivos, la superficie de un compo- nente puede convertirse en el ánodo y la superfi- cie de otro componente en contacto con ella puede convertirse en el cátodo. Generalmente, las pilas de corrosión serán mucho más pequeñas y más numerosas, ocurriendo en diversos puntos en la superficie del mismo componente. Los ánodos
  • 19. 18 y los cátodos pueden presentarse por las diferen- cias en las fases constitutivas del metal mismo, por las variaciones en los depósitos o las capas superficiales en el metal, o por variaciones en el electrolito. Micropilas galvánicas formadas en la superficie de una aleación expuesta a ambiente corrosivo El metal puede estar sumergido en un electrolito o el electrolito puede estar presente solamente como película condensada o fijada por adsorción fina en la superficie del metal. El índice de la co- rrosión es influenciado considerablemente por la conductividad eléctrica del electrolito. El agua pura tiene conductividad eléctrica pobre y la tasa de corrosión será mucho más baja que una solu- ción ácida de la alta conductividad. La capacidad de los metales para resistir la corro- sión es dependiente de su posición en la llamada serie electroquímica. Corrosión producida por formación de regiones anódicas y catódicas en un metal En esta serie el metal que está en la parte superior de la tabla es atacado más fácilmente (formando zonas anódicas) y los metales que están en la parte inferior de la tabla se protegen (es decir for- man zonas catódicas y no sufren corrosión). Elemento Ion Magnesio Mg2+ Aluminio Al3+ Cinc Zn2+ Cromo Cr2+ Hierro Fe2+ Cadmio Cd2+ Cobalto Co2+ Níquel Ni2+ Lata Sn2+ Plomo Pb2+ Hidrógeno H+ Antimonio Sb3+ Cobre Cu2+ Plata Ag+ Oro Au3+ Por esto último a menudo es más útil la Serie Gal- vánica en medios de servicio, como por ejemplo el agua de mar, en la que observamos cual es la conducta de diferentes metales frente al agua de mar en condiciones de corrosión.
  • 20. 19 SERIE GALVÁNICA AGUA DE MAR: EXTREMO CORROÍDO (Anódico) Magnesio Cinc Aluminio Cadmio Acero Suave Hierro fundido Aceros Inoxidables (Activos) Plomo Lata Níquel (Activo) Latón Cobre Bronce De Aluminio Níquel de Cobre Soldaduras de Plata Níquel (Pasivo) Titanio Grafito Oro Platino EXTREMO PROTEGIDO (Catódico) Un ejemplo de celda de corrosión es proporcio- nado por una distribución imperfecta de cobre en acero sumergido en ácido sulfúrico diluido. El acero, que tiene el potencial negativo más grande se disuelve y se convierte en el ánodo; mientras que el cobre se convierte en el cátodo. En tal ataque ácido el hidrógeno se libera mien- tras el hierro del acero se disuelve, depositándose en la superficie del cátodo de cobre. También la corrosión será acelerada por la exposición a los agentes que oxidan (por ejemplo, el aire). El ta- maño del cátodo con respecto al tamaño del ánodo es importante, por ejemplo, el remache del cobre en una placa de acero grande, se polariza rápidamente y la corrosión en la placa es pe- queña. Por otra parte, un cátodo grande juntado a un ánodo pequeño tiene el efecto opuesto, con el ataque rápido del ánodo. El hierro y el acero son los materiales de cons- trucción más comunes, y sus características de corrosión en aguas neutras son importantes. Cuando el acero se corroe, la tasa de la corrosión es gobernada generalmente por la reacción cató- dica del proceso de corrosión, y el oxígeno es un factor importante. En aguas neutras libres de oxí- geno disuelto, la corrosión es generalmente insig- nificante. La tasa de la corrosión aumenta en pro- porción con la cantidad de oxígeno disponible para la difusión al cátodo. La tasa de la corrosión tiende a aumentar también con el aumento de la temperatura. En aguas ácidas (pH < 4), la corro- sión puede ocurrir incluso sin la presencia del oxígeno. La herrumbre es un óxido hidratado de fierro (III) 2 3 2 Fe O xH O  , se forma solamente en presencia de oxígeno y agua. Se produce un fenómeno elec- troquímico en el que las principales etapas son las siguientes: El fierro por su facilidad de oxidación se com- porta como ánodo: 2 (s) oxid Fe Fe 2e E 0,44 V      Los electrones producidos en esta media reacción fluyen a través del metal a otra parte (otro metal) que actúa como cátodo donde el oxígeno es redu- cido por la presencia de iones H+ suministrados por el 2 3 H CO formado por disolución del CO2 existente en la atmósfera. 2 2 red O 4H 4e 2H O E 1 ,23 V       El circuito se completa por el movimiento de los iones a través del agua sobre la superficie del fie- rro. Esto explica la formación rápida de herrum- bre en el agua salada, por su alta concentración Aumenta facilidad para corroerse
  • 21. 20 de iones. La reacción total es la suma de las dos semireacciones. 2 (s) 2(g) 2 celda 2Fe O 4H 2Fe 2H O E 1 ,67 V         2 (s) 2(g) 2 celda 2Fe O 4H 2Fe 2H O E 1 ,67 V        2 (s) 2(g) 2 celda 2Fe O 4H 2Fe 2H O E 1 ,67 V        El 2 Fe  es oxidado por el oxígeno del aire para formar la herrumbre: 2 2 2 2 3(s) 4Fe O 4H O 2Fe O 8H       Notar que en esta reacción se produce iones hi- dronio que son necesarios para la reducción del oxígeno. Ver la siguiente figura. Corrosión del acero bajo una gotita de agua El fierro en contacto con el agua forma el ánodo, donde se oxida a 2 Fe  . El hierro en contacto con el oxígeno forma el cátodo, donde el oxígeno se reduce a agua, formándose la celda con una con- tinua oxidación de Fe a 2 Fe  y éste a 2 3 Fe O . Control de la Corrosión.- Básicamente todos los métodos que existen para lograr controlar la co- rrosión de los materiales metálicos, son intentos para interferir con el mecanismo de corrosión, de tal manera que se pueda hacer que éste sea lo más ineficiente posible. Por ejemplo, disminuyendo el flujo de electrones entre los componentes me- tálicos de la celda de corrosión por el aumento de la resistencia eléctrica del metal, de alguna ma- nera disminuiría la corriente de corrosión y, por tanto, la velocidad de corrosión. Esto no es prac- ticable generalmente, pero disminuir el flujo de corriente en el componente electrolítico de la celda de corrosión produciría el mismo efecto, y esto sí es practicable. Dado que para que exista un proceso de corro- sión, debe formarse una pila o celda de corrosión y, por tanto, un ánodo, un cátodo, un conductor metálico y una solución conductora, además de una diferencia de potencial entre los electrodos o zonas anódicas y catódicas, la eliminación de al- guno de los componentes esenciales de la men- cionada pila, podría llegar a detener el proceso. En la práctica, existen tres maneras de lograr lo anterior y por tanto de luchar contra la corrosión: 1) Aislamiento eléctrico del material. El ca- mino más obvio para minimizar la corrosión es cubrir la superficie metálica para prote- gerlo del aire y de la humedad. La corrosión puede inhibirse por varios méto- dos tales como: la pintura, recubrimiento con otro metal, deshumificación de la atmósfera o la protección catódica. El revestimiento con pintura de puentes y construcciones a menudo se hace con pintura roja a base de 3 4 Pb O , que aparentemente oxida la superficie del fierro formando una capa continua de óxido que resiste a ulterior oxidación. El recubrimiento del fierro con otros metales como cinc, estaño, cromo, níquel, etc. es otro de los procesos para inhibir la corrosión. El uso de cinc para proteger el fierro se llama galvanizado. Como el zinc se encuentra más arriba en la Tabla de Potenciales de Reduc- ción se oxida más fácilmente. El cinc se oxida a 2 Zn(OH) , el cual reacciona con el CO2 de la atmósfera formando una capa de
  • 22. 21 2 3 Zn(OH) ZnCO  , la cual se adhiere fuerte- mente a la superficie, protegiendo al metal. El Zn se convierte en ánodo y el Fe en cátodo. Ver la siguiente figura. Así se protege el fierro al contactar con el cinc, proceso llamado galvanizado. Una capa de Sn, la cual cubre con una capa de óxido, también se usa para proteger el Fe. Los procesos de niquelado y cromado también protegen al Fe. 2) Cambiando el sentido de la corriente en la pila de corrosión. Conectando eléctrica- mente, por ejemplo, el acero con un metal más activo (cinc o magnesio) podemos llegar a suprimir la corrosión del acero, ya que de- jará de actuar como ánodo y pasará a compor- tarse como cátodo, dejando el papel de ánodo al metal más activo (cinc o magnesio). Este es el principio de la protección Catódica. El me- tal de oxidación más fácil se llama ánodo de sacrificio. Aunque es una disolución gradual es más fácil reemplazarlo. A menudo los áno- dos se conectan a intervalos determinados. El método se aplica generalmente a tuberías o tanques bajo tierra y en embarcaciones. Ver la figura siguiente. Al conectar el Mg al Fe se producen el ánodo y el cátodo de la celda electrolítica. El Mg ac- túa como ánodo porque se oxida más fácil- mente, el Fe como cátodo donde el oxígeno se reduce a iones OH–. 3) Polarización del mecanismo electroquí- mico. Esto se puede lograr bien eliminando el oxígeno disuelto, bien mediante la adición en el medio agresivo de ciertas sustancias llama- das inhibidores, las cuales pueden llegar a po- larizar uno de los electrodos de la pila de co- rrosión y por lo tanto, llegar a detener o cuanto menos disminuir sus efectos. En la práctica, lo anterior conlleva una modifica- ción del entorno o medio ambiente, al cual está expuesto el metal. Documento en permanente revisión: Última revisión 01/11/2020
  • 23. 22