Ciencias Módulo 4 Química Estudiantes

CIENCIAS (BIOLOGÍA, FÍSICA, QUÍMICA)
MÓDULO 4
Eje temático: Química: (Fenómenos nucleares y sus aplicaciones
– Polímeros orgánicos e inorgánicos, sintéticos y naturales –
Procesos químicos industriales)
FENÓMENOS NUCLEARES Y SUS APLICACIONES
Roentgen trabajaba con un tubo de rayos catódicos cuando inesperadamente,
observó luz en una pantalla fluorescente, que se encontraba fuera del aparato.
Concluyó que la luz era producida por unos rayos desconocidos que salían del
tubo: a estos rayos los llamó rayos X.
Otro hecho importante ocurrió cuando puso su mano en la trayectoria de los
rayos X y sobre la pantalla vio la sombra de sus huesos. Posteriormente se
supo que los rayos X no estaban compuestos por partículas, como los rayos
catódicos, sino que se trataba de una nueva forma de radiación
electromagnética, como la luz visible o las ondas de radio, pero mucho más
energética, penetrante e ionizante.
Becquerel, al saber del descubrimiento de los rayos X, investigó si estos eran
emitidos por sustancias fluorescentes (las que absorben luz y luego se
iluminan en la oscuridad) y para ello trabajó con una sal de uranio y una
película fotográfica virgen. Así descubrió que el mineral de uranio emitía una
radiación desconocida, que luego denominó radioactividad.
Marie Curie y su marido, Pierre, descubrieron que la radioactividad era de
naturaleza atómica y no molecular y además comprobaron que los elementos
torio y uranio eran radioactivos. Su trabajo de análisis químico sobre la
pechblenda, un mineral de uranio, los condujo a encontrar dos nuevos
elementos, el polonio y el radio.
1
El radio posee un gran poder radioactivo, y por su capacidad para matar
células se convirtió en la base para la terapia radiológica contra el cáncer. En
1903, Becquerel y los Curie compartieron el premio Nobel de Física y en 1911
Marie Curie obtuvo el de Química.
En 1899, el neozelandés Ernest Rutherford demostró que las sustancias
radioactivas producen dos tipos de radiaciones, a las que llamó rayos alfa y
rayos beta, pero fue posteriormente Paul Villard quien descubrió el tercer tipo
de radiación, a la cual denominó gamma.
Una característica de las sustancias radioactivas es la carga eléctrica. Fue
posible comprobar la carga eléctrica de cada una de las radiaciones cuando se
las hizo pasar por un campo eléctrico, consistente en dos placas cargadas
eléctricamente, quedando demostrado que las radiaciones son de diferente
naturaleza.
Las partículas alfa están cargadas positivamente, las beta negativamente y las
gamma no tienen carga eléctrica.
Otra característica importante de las radiaciones es su poder de penetración:
los rayos alfa son poco penetrantes y pueden ser detenidos por una hoja de
papel; en cambio, los rayos beta pueden atravesar una lámina de aluminio de
0,3 mm de espesor. Las radiaciones gamma, en tanto, son las más
penetrantes, pero son detenidas por una lámina de plomo de 10 cm, tal como
se observa en la siguiente figura.
2
Propiedades de las emisiones radioactivas
Radiaciones
alfa
beta
Naturaleza
Carga
Masa (g)
Poder
de
penetración
α , poco
6,65 x 10- He++ ,
24
4
2He ,
++
2He
partículas
con
la +2
misma masa que el
núcleo de un átomo de
helio
electrones
-1
gamma radiación
electromagnética
Simbología
9,11 x 10- e,
28
0
0
-1e
0
, β
γ
regular
mucho
En el átomo hay tres partículas fundamentales, dos de las cuales se
encuentran dentro del núcleo, los protones y los neutrones, y que se les
denomina nucleones. Los electrones, en tanto, se encuentran en la parte
externa del átomo.
Algunos
núcleos
son
inestables,
electromagnética espontáneamente.
radiactividad natural.
emiten
partículas
Este fenómeno se
y/o
radiación
conoce como
Una serie de desintegración es una serie de cambios que sufren los núclidos
radiactivos a medida que liberan partículas alfa y beta hasta convertirse en una
sustancia estable (no radiactiva).
Un ejemplo es la serie de desintegración del uranio-238. Este proceso se repite
hasta que finalmente se forma un producto estable. La secuencia de
desintegración por pasos se conoce como serie de decaimiento.
3
Una serie radiactiva se inicia con un núclido radiactivo y finaliza con un
elemento estable.
En la naturaleza se presentan tres series de este tipo:
•
•
•
La serie del U-238 que finaliza con el Pb-206.
La serie del U-235, que termina con el Pb-207.
Finalmente la serie que se inicia con el Th-232 y que concluye con elPb208.
Decaimiento alfa
Un ejemplo de emisión de una partícula alfa es la del elemento polonio,
descubierto por los Curie.
210
84Po
226
88Ra


82Pb
206
86Rn
222
+
+
2He
4
α
El elemento que se forma después del decaimiento alfa tiene un número
atómico menor en dos unidades y un número másico menor en cuatro
unidades respecto al elemento que lo genera.
4
Decaimiento beta
Un neutrón puede transformarse en un protón al emitirse un electrón, reacción
que puede escribirse de la siguiente forma:
1
0n

1p
1
+
-1e
0
+ energía
El electrón emitido abandona el núcleo a altísima velocidad. En este proceso, el
número másico no se altera (disminuye un neutrón y se genera un protón),
pero el átomo que se forma tiene en su núcleo un protón más que el inicial,
por lo tanto, el número atómico aumenta en una unidad.
Un ejemplo de decaimiento beta es:
210
82Pb
239
92U


210
83Bi
239
93Np
+ -1e0
+ β
Emisión gamma
La radiación gamma se emite debido a cambios de energía dentro del núcleo.
Su emisión no provoca variación en el número másico y tampoco en el número
atómico. Simplemente se trata de un núcleo excitado que libera energía de
esta forma:
52Te
125

52Te
125
+
γ
El isótopo radiactivo inicial es denominado padre o progenitor; el producto se
conoce como descendiente.
Otros tipos de desintegración radiactiva
La mayoría de los elementos radiactivos decaen o se desintegran por la
emisión de partículas, como el alfa y la beta, que pueden estar acompañadas
de radiación gamma. Sin embargo, al sintetizar nuevos elementos radiactivos
por métodos artificiales, se observó que existían otros métodos, como la
emisión de positrones (+1β0) y la captura de electrones.
5
Emisión de positrones
Cuando un núclido radiactivo emite un positrón, el elemento que se forma
tiene un número atómico menor en una unidad y el número másico permanece
igual.
7N
13

+1e
0
+
13
6C
Un positrón es idéntico a un electrón, pero tiene carga positiva. Se representa
como +1e0 o bien β+ debido a que tiene carga +1 y masa 0. Es muy probable
que se forme en el núcleo cuando un protón se transforma en un neutrón:
1
+1p

1
0n
+
+1e
0
Al igual que una partícula beta, un positrón tiene un pequeño poder de
penetración.
Por ejemplo, el nitrógeno-13 se desintegra al liberar un positrón.
7N
13

207
84Po
+ 6C13
0
+ 83Bi207
+1β
+1β

0
Captura de electrones o captura-K
La captura de electrones es un proceso en el cual un núclido “atrapa” un
electrón de su nivel más interno (capa K, según la antigua nomenclatura)
convirtiendo al protón en un neutrón.
92U
231
+
-1e
0

91Pa
231
Cuando un elemento experimenta el proceso de captura de electrones, su
número atómico disminuye en 1, mientras que su número másico permanece
inalterado.
Ejemplos de este tipo de reacción nuclear son:
7
4Be
13
7N
+
+
0
-1e
0
-1e


7
3Li
13
6C
6
Comparación de las reacciones químicas con las reacciones nucleares:
Reacciones químicas
1.- Los átomos se reordenan por la
ruptura y formación de enlaces
químicos.
2.Solo
los
electrones
están
implicados en la ruptura y formación
de los enlaces.
3.- Las reacciones van acompañadas
por la absorción o liberación de
cantidades de energía relativamente
pequeñas.
CH4 + 2 O2  CO2 + 2 H2O +
200 kcal
4.La
temperatura,
presión,
concentración de los reactantes y
catalizadores,
son
factores
que
determinan la velocidad de una
reacción.
Reacciones nucleares
1.- Los elementos o los isótopos de
un elemento generan otro elemento
al cambiar la constitución del núcleo
del átomo.
2.En
las
reacciones
pueden
participar
protones,
neutrones,
electrones
y
otras
partículas
elementales.
3.- Las reacciones van acompañadas
por la absorción o liberación de
enormes cantidades de energía.
7
+ 1H1
===>
2 2He4 +
3Li
23000000 Kcal
4.- Las velocidades de reacción
generalmente no se ven afectadas
por la temperatura, la presión o los
catalizadores.
Es necesario considerar cómo se escriben y balancean las ecuaciones
nucleares. Para ello se debe señalar los símbolos de los elementos químicos y
además indicar explícitamente el número de protones y neutrones que tiene
cada elemento.
Al balancear una ecuación nuclear, se deberá cumplir que:
1. El número total de protones y neutrones en los productos y en los
reactantes debe ser el mismo (conservación de la masa).
2. El número total de cargas nucleares en los productos y en los reactantes
debe ser el mismo (conservación de la carga nuclear).
Estabilidad nuclear
El núcleo ocupa una porción muy pequeña del volumen total de un átomo, pero
contiene la mayor parte de la masa del mismo porque tanto los protones como
los neutrones se encuentran allí. La estabilidad de los núcleos atómicos queda
determinada por su densidad, que informa acerca de la fuerza de unión de las
partículas. La densidad del núcleo es tan grande que obliga a pensar que las
partículas se encuentran extremadamente juntas. Son importantes las fuerzas
de repulsión de tipo coulombiana que operan entre las partículas de igual
signo, como son los protones. Sin embargo, además de la repulsión, existen
también atracciones de corto alcance entre protón-protón, protón-neutrón,
neutrón-neutrón. La estabilidad de cualquier núcleo está determinada por la
diferencia entre la repulsión coulombiana y las atracciones de corta distancia.
7
Si la repulsión sobrepasa la atracción, el núcleo se desintegra, emitiendo
partículas y/o radiación. Si la atracción prevalece, el núcleo es estable.
Factores que influyen en la estabilidad de un núclido
1. Los isótopos de los elementos que tienen número atómico mayor de 83
son radiactivos, como también lo son los isótopos del tecnecio (z=43) y
del prometio (z=61).
2. Los núcleos que contienen 2, 8, 20, 50, 82 ó 126 protones o neutrones
en general son estables. Estos números se llaman números mágicos. La
importancia de estos para la estabilidad nuclear es similar a la que
presentan los gases nobles en su casi nula reactividad química.
3. Los núcleos con número par de protones y neutrones son, por lo
general, más estables que los que tienen números nones de estas
partículas.
4. Un factor importante para determinar si el núcleo es estable es la
relación neutrón - protón (n/p). Para átomos estables de elementos de
bajo número atómico, el valor de n/p es cercano a 1. A medida que el
número atómico aumenta, la relación n/p también aumenta y, por
supuesto, es superior a 1. Esta desviación se da en los elementos de
números atómicos altos porque se necesita un mayor número de
neutrones para estabilizar al núcleo, contrarrestando la fuerte repulsión
entre los protones.
Los elementos más estables se encuentran en el área que se denomina el
cinturón de estabilidad. Cabe notar que los elementos de bajo número
atómico, (donde la relación de n/p es 1) caen en el cinturón de estabilidad,
comprobando lo que se había asegurado anteriormente. La mayor parte de los
núcleos radiactivos se encuentran fuera de este cinturón.
El gráfico del número de neutrones (en la ordenada) contra el número de
protones (en la abscisa) de varios isótopos, muestra la ubicación de los
elementos y permite observar qué núclidos son integrantes del cinturón de
estabilidad.
8
Arriba del cinturón de estabilidad el núcleo tiene una relación n/p mayor que
en aquellos que se encuentran dentro del cinturón. Para disminuir esta relación
y de esta manera descender al cinturón de estabilidad, estos núcleos deberán
emitir partículas beta.
Los núcleos que se encuentran bajo el cinturón de estabilidad tienen una
relación n/p menor que los que están en el cinturón, y para incrementar dicha
relación, estos núcleos deberán emitir un positrón o bien capturar electrones.
Vida media
La desintegración de uranio es extremadamente lenta comparada con la
desintegración de torio. Cada una de estas desintegraciones resulta tener un
9
periodo de semidesintegración, llamado también semivida, característico para
cada elemento. La semivida representa el tiempo necesario para que la mitad
de la materia radiactiva se desintegre. Además, es independiente de la
cantidad de sustancia radiactiva presente y está determinada únicamente por
el tipo de núcleo radiactivo. Algunos isótopos radiactivos tienen semividas muy
largas, mientras las de otros son extremadamente cortas.
Semivida de los elementos radiactivos naturales en la serie de uranio238
238
92U
+
4,51x109 años
92U
1 Mol de Átomos
6,023 x 1023 áts
238
119g
234
90Th
+
2He
4
238 g
La velocidad de desintegración se analiza en función de su vida media. Dichas
desintegraciones son de primer orden.
Cada isótopo tiene una vida media característica. La vida media del Sr-90, por
ejemplo, es 28,8 años. Si se tienen 10 g de Sr-90, luego de 115,2 años
10
quedarán sin desintegrar 0,625 g; para ello deben haber transcurrido cuatro
vidas medias. La ecuación de desintegración del Sr-90 es: 38Sr90  39Y90 +
β.
11
Aplicaciones de los isótopos radiactivos
Los isótopos estables y radiactivos tienen varias aplicaciones en la ciencia y en
la medicina. En química se utilizan para determinar estructuras de
compuestos, seguir el curso de una reacción química (determinación de los
pasos que se realizan en la fotosíntesis), determinar la edad de ciertos objetos
(mediante la técnica del carbono-14 se logró determinar que los papiros del
Mar Muerto tienen aproximadamente entre 1917 a 2000 años), etc. En
medicina se usan, por ejemplo, en el sodio-24, que inyectado al torrente
sanguíneo como una solución salina puede ser monitoreado para rastrear el
flujo de sangre y detectar posibles constricciones u obstrucciones en el sistema
circulatorio. El yodo-131 se ha utilizado para probar la actividad de la glándula
tiroides, otro isótopo, el yodo-132, se usa para producir imágenes del cerebro,
el cobalto-60 para la destrucción de tumores cancerosos, el arsénico-74 para
localizar tumores cerebrales, el cobalto-58 en la determinación del nivel
vitamínico B, el cromo-51 en la estimación de volúmenes de líquidos del
cuerpo, el fósforo-32 en la detección de cáncer en la piel, el hierro-59 para
calcular la rapidez de formación de glóbulos rojos y el oro-198 para el cáncer
de próstata.
Fechado radiactivo
Sumado a todo esto, se puede determinar la antigüedad de objetos que en
alguna época fueron o formaron parte de organismos vivos, como pueden ser
los huesos, utilizando la vida media del isótopo radiactivo carbono-14. En la
materia viva, la relación entre el carbono-14 y el carbono-12 (no radiactivo)
permanece relativamente constante. El carbono-14 que hay en nuestra
atmósfera se origina por la reacción entre un átomo de nitrógeno y un neutrón
que proviene de la atmósfera superior, como lo indica la siguiente reacción
nuclear:
7N
14
+
1
0n

6C
14
+
1H
1
El carbono-14 se desintegra formando una partícula beta, de acuerdo con la
siguiente ecuación nuclear:
14
6C

7N
14
+
-1e
0
Se considera que la relación entre el carbono-14 y el carbono-12 en el tejido
vivo es constante durante milenios. Cuando el tejido de una planta o un animal
muere, el contenido de carbono-14 disminuye porque ya no ocurre la ingestión
ni la utilización del carbono-14. Por tanto, en el tejido muerto la relación del
carbono-14 y el carbono-12 disminuye con el tiempo, siendo así la relación una
medida de la edad de la muestra.
12
De la misma manera, se utiliza la vida media del uranio-238 para determinar la
edad de diferentes objetos no vivos, como por ejemplo las rocas. En estos
cálculos se emplea la relación del uranio-238 radiactivo con el plomo-206 no
radiactivo, con una vida media de 4,5 x 109 años. De acuerdo con los
resultados de la aplicación de este método, la edad de las rocas más antiguas
sobre la Tierra parece ser cercana a 4 x 10 9 años.
Reacciones nucleares artificiales
Fue Rutherford, en 1919, quien realizó la primera reacción nuclear artificial.
Mediante el bombardeo de partículas alfa sobre una muestra de nitrógeno,
Rutherford detectó un protón aislado; la explicación fue que la energía cinética
de la partícula alfa le permite chocar con un núcleo de nitrógeno y fusionarse
con él. Así, se forma un núcleo inestable de flúor, que decae eliminando un
protón.
7N
14
+
2He4
( 9F18 )
====>
====>
8O
17
+
1H
1
Si se sustituye el nitrógeno-14 por el berilio-9, en la reacción nuclear se
obtiene carbono-12 y un neutrón, tal como lo indica la siguiente ecuación:
4Be
9
+
2He4
====>
( 6C13 )
====>
6C
12
+
1
0n
Esta es la reacción que le permitió a Chadwick comprobar la existencia del
neutrón.
Elementos transuránicos
Los aceleradores de partículas hicieron posible la síntesis de elementos con
números atómicos mayores que 92, llamados elementos transuránicos. Desde
que el neptunio (z=93) fuera preparado por primera vez en 1940, se han
sintetizado otros 16 elementos transuránicos. Todos los isótopos de estos
elementos son radiactivos. Los que poseen números atómicos mayores de 100
han sido producidos utilizando elementos que luego han sido bombardeados
sobre otros que les han servido de blanco. Es muy probable que puedan
producirse elementos con números atómicos aún mayores. Los producidos
hasta ahora se caracterizan por tener bajos rendimientos y vida media muy
corta. Originalmente, solamente se prepararon unos pocos átomos de los
elementos 103 al 109 y tenían vidas medias de segundos. Los científicos
nucleares creen que pueden producirse elementos con números atómicos tan
altos como el 126.
13
Reacciones de fisión nuclear
En la fisión nuclear, un núcleo de número másico mayor que 200, al chocar con
un neutrón, se divide para formar núcleos más pequeños de masa intermedia y
uno o más neutrones. Ya que los núcleos pesados son menos estables que sus
productos, este proceso libera una gran cantidad de energía.
La primera reacción de fisión nuclear estudiada fue la del uranio-235
bombardeado con neutrones lentos, cuya velocidad es comparable a la de las
moléculas de aire a temperatura ambiente. Como producto de tal bombardeo,
se han encontrado más de 30 elementos distintos.
Aunque se puede provocar la fisión de muchos núcleos pesados, únicamente la
del uranio-235 es de ocurrencia natural. La del plutonio-239 es artificial y tiene
poca importancia práctica.
La característica más relevante en la fisión del uranio-235 no es solo la enorme
cantidad de energía liberada, sino el hecho de que se producen más neutrones
que los capturados originalmente en el proceso.
Esta propiedad hace posible una reacción nuclear en cadena, que es una
secuencia de reacciones de fisión nuclear autosostenidas.
Los neutrones generados durante los procesos iniciales pueden inducir la fisión
en otros núcleos de uranio-235, que a su vez producirán más neutrones y así
sucesivamente. En menos de un segundo, la reacción puede ser incontrolable,
liberando una enorme cantidad de calor hacia los alrededores.
La reacción de fisión es el principio de la primera bomba atómica,
manifestación explosiva que mata por el calor generado y por la radiación
esparcida en una amplia zona. Afortunadamente, la reacción en cadena ha
podido controlarse y ser aprovechada. Un reactor nuclear puede aprovechar la
energía liberada durante la fisión y transformarla, por ejemplo, en electricidad.
14
Existen factores económicos y tecnológicos a favor y en contra de la
nucleoelectricidad. Algunos argumentos en contra son:
•
•
•
•
El uranio natural contiene un bajo porcentaje de uranio-235 y se hace
necesario plantas de enriquecimiento en este isótopo.
El mayor porcentaje en el uranio natural es el isótopo uranio-238, que
absorbe fácilmente neutrones y produce el elemento plutonio (elemento
que se utiliza en la fabricación de bombas atómicas).
Los núcleos productos de la fisión del uranio son sumamente radiactivos,
en especial el kriptón-85.
El manejo de los reactores nucleares no es totalmente seguro, tal como
ha quedado en evidencia en Three Mile Island (ver información en
http://www.paralibros.com/passim/p20-cat/pg2079tm.htm) en Estados
Unidos,
y
Chernobyl
(ver
información
en
http://www.paralibros.com/passim/p20-cat/pg2086ch.htm), en la ex
Unión Soviética.
Fusión nuclear
A diferencia del proceso de fisión nuclear, la fusión nuclear es la combinación
de pequeños núcleos para formar otros mayores.
En los elementos livianos, la estabilidad nuclear se incrementa cuando
aumenta el número másico. Esto sugiere que si dos núcleos ligeros se
combinan o se fusionan para formar uno mayor (un núcleo más estable) se
liberará una cantidad apreciable de energía en el proceso.
La fusión nuclear ocurre constantemente en el sol, que está constituido en su
mayor parte por hidrógeno y helio. En él la temperatura es cercana a 15
millones de grados Celsius y las reacciones que allí ocurren se denominan
termonucleares.
La fusión nuclear tiene sus ventajas por sobre la fisión nuclear:
•
•
•
Los combustibles son baratos y casi inagotables.
El proceso produce poco desperdicio (pero sí algo de contaminación
térmica).
Son procesos seguros en su ejecución y si se apagase una máquina de
fusión nuclear, se apagaría completa e instantáneamente y no existiría
posibilidad de que se fundiese.
15
El problema es que aún no se ha construido un reactor de fusión nuclear,
debido a que hay que mantener los núcleos juntos a una temperatura
apropiada para que ocurra la fusión. A temperaturas de unos 100 millones de
grados Celsius, las moléculas no pueden existir y todos o la mayor parte de los
átomos son despojados de sus electrones. Este estado de la materia, en el que
un gas consta de iones positivos y electrones, se denomina plasma.
POLÍMEROS ORGÁNICOS E INORGÁNICOS SINTÉTICOS Y NATURALES
Los polímeros son compuestos químicos muy importantes. Existen polímeros
naturales y polímeros sintéticos, pero ambos están basados en el mismo
principio: son macromoléculas que se forman a partir de moléculas más
pequeñas denominadas monómeros. En muchos casos una molécula de un
polímero está compuesta de miles de moléculas de monómeros.
Los monómeros son los pequeños eslabones de los cuales están formados los
polímeros. La polimerización, en tanto, consiste en el proceso por el cual los
monómeros dan origen a los polímeros.
Polímeros naturales
El almidón es un polímero, donde el monómero es la glucosa. El algodón está
hecho de celulosa, que también es un polímero de la glucosa, y la madera está
compuesta en gran proporción de celulosa. Las proteínas son polímeros donde
el monómero son los aminoácidos. La lana y la seda son dos de las miles de
proteínas que existen en la naturaleza.
Los seres vivos no podrían existir sin polímeros: toda planta y animal requiere
de ellos. Entre los polímeros naturales más importante están los ácidos
nucleicos, que contienen la información genética codificadora que hace que
cada individuo sea único.
16
Caucho natural
El caucho natural es un polímero elástico y semisólido, y posee la siguiente
estructura
donde el monómero es el isopreno, el 2-metil-1,3-butadieno. El isopreno es un
líquido volátil.
Proteínas
Las proteínas funcionan como material estructural en los animales, tal como lo
es la celulosa en las plantas. Todas las proteínas contienen los elementos
carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno, y casi todas ellas contienen azufre.
Las proteínas son copolímeros de cerca de 20 aminoácidos diferentes. Los
aminoácidos tienen dos grupos funcionales. El grupo amino (-NH2) está unido a
un carbono que es vecino del grupo carboxilo (-COOH).
17
Estas figuras muestran la fórmula estructural. El modelo es de un segmento de
una molécula de proteína.
18
En la fórmula estructural destacan las cadenas laterales de hidrocarburos, una
cadena lateral básica y una cadena lateral ácida, además de otra cadena
lateral que contiene azufre.
Los aminoácidos tienen un grupo ácido y uno básico. En solución acuosa, el ión
hidrógeno del ácido carboxílico es transferido al grupo básico que es el amino:
el producto resultante es una molécula polar.
Las proteínas son poliamidas. El enlace amida (-CONH-) entre un aminoácido y
otro aminoácido se denomina enlace peptídico. Se puede observar que sigue
existiendo un grupo amino reactivo a la izquierda y un grupo carboxilo a la
derecha.
Cuando se unen dos aminoácidos, el producto es un dipéptido.
Glicilfenilalanina
19
Cuando se combinan tres aminoácidos, se forma un tripéptido.
Serilalanilcisteína
Cada uno de los terminales puede seguir reaccionando para unir más unidades
de aminoácidos.
El extremo de la molécula de proteína que tiene un grupo carboxilo libre se
denomina terminal C. El extremo que tiene un grupo amino libre se denomina
N.
Una molécula con más de diez unidades de aminoácidos se llama polipéptido.
Cuando la masa molar de un polipéptido es mayor de 10000, se denomina
proteína. La distinción entre los polipéptidos y las proteínas es arbitraria, y no
siempre se aplica.
Polímeros sintéticos
Durante la Segunda Guerra Mundial, Japón cortó el suministro de caucho
natural proveniente de Malasia e Indonesia a los aliados. La búsqueda de un
sustituto dio como origen al caucho sintético, y con ello surgió la industria del
plástico.
El caucho natural es un polímero del isopreno. El polibutadieno, un elastómero
sintético, se fabrica a partir del monómero butadieno, que no posee un metil
en el carbono número dos, siendo esta la diferencia con el isopreno.
CH2 = CH – CH = CH2
1,3-butadieno
n CH2 = CH – CH = CH2  + CH2 – CH = CH – CH2 +
20
El polibutadieno tiene regular resistencia a la tensión y muy poca frente a la
gasolina y a los aceites. Estas propiedades limitan las posibilidades de fabricar
con ellos los neumáticos.
Policloropreno o neopreno.
El policloropreno o neopreno, se fabrica a partir del 2-cloro-1,3-butadieno. El
neopreno presenta mejor resistencia a la gasolina y los aceites y se utiliza en
la fabricación de mangueras para gasolinas y otros artículos usados en las
estaciones de servicio.
Un copolímero es el producto que se forma por la mezcla de dos monómeros, y
en cuya cadena existen las dos unidades. El caucho estireno-butadieno (SBR)
es un copolímero que contiene un 25% de estireno y un 75% de butadieno. Un
segmento de este copolímero es el siguiente:
Este polímero sintético es más resistente a la oxidación y a la abrasión que el
caucho natural, pero sus propiedades mecánicas no son tan óptimas. Al igual
que el caucho natural, el caucho estireno-butadieno contiene dobles enlaces
capaces de formar enlaces cruzados por vulcanización. Este material se usa,
entre otras cosas, para la fabricación de neumáticos.
Se ha logrado sintetizar el poliisopreno, una sustancia idéntica en todos los
sentidos al caucho natural, solo que no se extrae del árbol del caucho.
21
Vulcanización
Las moléculas de cadena larga que constituyen el caucho se pueden enroscar,
torcer y entrelazar unas con otras. El caucho natural es suave y pegajoso
cuando está caliente, pero se puede endurecer cuando reacciona con azufre.
Este proceso se denomina vulcanización, y en él se forman enlaces cruzados
entre las cadenas de hidrocarburos por medio de los átomos de azufre. El
descubridor de la vulcanización fue C. Goodyear. La estructura tridimensional
con enlaces cruzados hace del caucho vulcanizado una sustancia más dura y
resistente, ideal para la confección de neumáticos. La estructura cruzada
sorprendentemente mejora la elasticidad del caucho.
El caucho vulcanizado tiene cadenas de hidrocarburo unidas por enlaces
cruzados de átomos de azufre. El subíndice x indica un número no definido de
átomos de azufre.
Polimerización por adición
En la polimerización por adición los monómeros se adicionan unos con otros,
de tal manera que el producto polimérico contiene todos los átomos de los
monómeros iniciales. Un ejemplo de esto es la polimerización del etileno para
formar el polietileno; tal como se observa, se mantiene en el polímero el
número de átomos de los monómeros.
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Representación del polietileno mediante barras y bolas.
Representación del polietileno, mediante semiesferas.
.... CH2 = CH2 + CH2 = CH2 + CH2 = CH2 + …. 
-
- CH2 – CH2 – CH2 – CH2
Los puntos suspensivos en los reactantes y los guiones en el producto indican
que el número de monómeros se puede extender por ambos extremos.
Las representaciones anteriores del polímero son muy cortas y no señalan la
verdadera extensión del polímero.
Las moléculas reales de polietileno tienen un número variable de átomos de
carbono, desde unos pocos cientos de átomos de carbono hasta varios miles de
ellos.
PROCESOS QUÍMICOS INDUSTRIALES
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Algunos metales, tales como el oro, la plata y a veces el cobre, se encuentran
en la naturaleza como elementos libres; sin embargo, la mayoría de los
metales se encuentran como óxidos o bien como sales.
La metalurgia es la ciencia y la tecnología de la extracción de metales de sus
fuentes naturales y de su preparación para usos prácticos. En general
contempla los siguientes pasos:
•
•
•
•
•
Explotación de yacimientos.
Concentración de la mena.
Reducción de la mena para obtener el metal libre.
Refinación o purificación del metal.
Mezclado del metal con otros elementos a fin de modificar sus
propiedades, caso donde se obtiene una aleación.
Es importante distinguir en un yacimiento la mena, que corresponde al
material de un depósito mineral suficientemente concentrado para permitir la
recuperación económica del metal deseado, y la ganga, que consiste en las
impurezas como arena y barro con las que está mezclada la mena.
Una vez extraída la mena del yacimiento, se tritura, se muele y posteriormente
se trata para concentrar el mineral y separarlo de la ganga. Posteriormente, de
la mena se extrae el metal por un proceso de reducción, que puede ser la
pirometalurgia, cuando se usan altas temperaturas o la hidrometalurgia,
cuando se utiliza agua en el proceso.
Pirometalurgia del hierro
La hematita, Fe2O3, y la magnetita, Fe3O4, son dos minerales donde el hierro
se encuentra como óxido y es mediante el proceso de la pirometalurgia que se
puede obtener este elemento.
La reducción del hierro ocurre en un “alto horno”, que consiste en un reactor
químico capaz de trabajar de manera continua.
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El alto horno se carga por la parte superior con una mezcla de mena de hierro,
coque y piedra caliza. El coque sirve como combustible, es decir, entrega la
energía necesaria para producir las altas temperaturas y además aporta los
gases reductores CO y H2.
La piedra caliza, CaCO3, sirve como fuente de CaO, que reacciona con los
silicatos y otras sustancias para formar la escoria. Otra materia prima
importante es el aire, ya que se requiere para la combustión del coque.
Nótese la diferencia de temperatura en las diferentes partes del alto horno.
El proceso químico que ocurre es el siguiente:
1. En el horno el oxígeno reacciona con el coque y se forma monóxido de
carbono, liberándose energía calórica.
C(s)
+
O2(g)
2 CO(g)

2. El vapor de agua reacciona con el carbono, produciendo monóxido de
carbono e hidrógeno. Esta reacción es endergónica y además sirve para
regular la temperatura en el alto horno.
H2O(g) +
C(s)
CO(g)

+
H2(g)
3. Estos dos gases son los encargados de reducir los óxidos de hierro a hierro
metálico.
Fe3O4(s)
Fe3O4(s)
+
+
4 CO(g)  3 Fe(s) + 4 CO2(g)
4 H2(g)  3 Fe(s) + 4 H2O(g)
El hierro fundido se acumula en la base del alto horno y sobre él queda una
capa de escoria que impide que el hierro reaccione con el oxígeno que entra.
La mayor parte del hierro que se obtiene se ocupa en la preparación del acero.
4. La piedra caliza por efecto de la temperatura se descompone en óxido de
calcio y anhídrido carbónico, tal como lo expresa la ecuación:
CaCO3

CaO
+
CO2
El óxido de calcio reacciona con el óxido de silicio, que generalmente se
encuentra presente en los minerales de hierro, y se forman silicatos de calcio:
SiO2
+
CaO

CaSiO3
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El silicato de calcio es fundido debido a las altas temperaturas del horno y,
dado que es menos denso que el hierro, flota sobre él. Otros óxidos no
metálicos se mezclan con el silicato de calcio y forman la escoria, la que puede
ser removida fácilmente.
Hidrometalurgia
La hidrometalurgia consiste en procesos en solución acuosa mediante los
cuales se extrae el metal de una mena.
El proceso hidrometalúrgico más importante es la lixiviación, en el cual el
mineral que contiene el metal que se desea extraer se disuelve de un modo
selectivo. Si el compuesto es soluble en agua, entonces el agua resulta ser un
buen agente para la lixiviación, pero en general, para la lixiviación se ocupa
una solución acuosa de un ácido, una base, o una sal.
En la obtención de cobre de la calcopirita, este mineral se trata con una
solución acuosa de cloruro cúprico. En la reacción todo el cobre precipita como
cloruro cuproso, el cual se separa fácilmente del azufre y del hierro que queda
como cloruro ferroso, tal como lo señala la reacción:
CuFeS2(s)
+
3 CuCl2(ac)

4 CuCl(s)
+ FeCl2(ac)
+
2 S(s)
Al cloruro cuproso se le agrega una solución acuosa de cloruro de sodio, lo que
provoca la disolución del precipitado y la formación del complejo ión dicloro
cobre (I), CuCl21- , que queda en solución acuosa.
CuCl(s) +
Cl1-(ac)

CuCl21-(ac)
Los compuestos de cobre(I) son inestables. El Cu1+ dismuta a cobre metálico y
a Cu2+ en forma de CuCl2, sustancia que se ocupa nuevamente para el
tratamiento del mineral.
2 CuCl21-(ac)

Cu(s)
+
CuCl2(ac)
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+ 2 Cl-(ac)
Electrorrefinación del cobre
El cobre se purifica por electrólisis, proceso que consiste en lo siguiente:
Grandes planchas de cobre sirven de ánodos de la celda, mientras los cátodos
son láminas delgadas de cobre. Ambos electrodos se encuentran en una
solución acuosa de sulfato cúprico. Al aplicar una diferencia de potencial
apropiada, provoca la oxidación del cobre metálico a Cu2+ en el ánodo y la
reducción del Cu2+ a Cu metálico en el cátodo.
El proceso ocurre gracias a que es más fácil que ocurra la reducción del Cu2+
que la del agua.
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