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TAREA 4: METALES Y METALURGIAEstudiantes:FABIAN ANDRES PINZÓN PITAUBERNEY BOHORQUEZ SAAVEDRAGrupo:401582_Tutora:ELIANA YISSEL AGUILERACurso:ESTRUCTURA MOLECULARUNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA –UNADINGENIERÍA ELECTRÓNICA2020INTRODUCCIÓNEn el presente trabajo se abordan las diversas propied...

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TAREA 4: METALES Y METALURGIA Estudiantes: FABIAN ANDRES PINZÓN PITA UBERNEY BOHORQUEZ SAAVEDRA

Grupo: 401582_86 Tutora: ELIANA YISSEL AGUILERA Curso: ESTRUCTURA MOLECULAR UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA –UNAD INGENIERÍA ELECTRÓNICA 2020

INTRODUCCIÓN En el presente trabajo se abordan las diversas propiedades químicas de los materiales conductores, semiconductores y superconductores a nivel industrial por medio del análisis de obtención y composición de los diferentes materiales usados en la industria, por otra parte, se visualiza la relación entre conceptos de los metales y metalurgia a través de un mapa conceptual y la clasificación de los elementos de los minerales de acuerdo a su tipo metálico o no metálico, luego de ello se expresa mediante un grafico el proceso de obtención del cobre en sus dos formas de procesamiento que son por sulfuros y óxidos. Posteriormente se evidencia la comprensión de dos ejercicios sobre las temáticas anteriormente enunciadas.

Ejercicio 1.1. Mapa conceptual

Ejercicio 1.2 1. Nombre mineral

Barita

Bórax

Magnesita

Caolín

2. Fórmula química

𝐵𝑎𝑆𝑂4

𝑁𝑎2 [𝐵4 𝑂5 (𝑂𝐻)4 ] ∗ 8𝐻2 𝑂

𝑀𝑔𝐶𝑂3

𝐴𝑙2 𝑆𝑖2 𝑂5 (𝑂𝐻)4

3. Elemento metálico/no metálico Bario/Metalico Asufre/No metalico Oxigeno/No metalico Sodio/Metalico Boro/No metalico Oxigeno/No metalico Hidrogeno/No metalico Magnesio/Metalico Carbono/No metalico Oxigeno/No metalico

Aluminio/ Metálico Silicio/Metálico Oxigeno/No metálico Hidrogeno/No metálico

4. Uso del mineral en la industria Su principal uso es en la industria del petroleo, posteriormente es fundamental en la elaboración de pinturas como un pigmento resistente a los acidos, ademas se utiliza como fundente en el vidrio y en el area auntomotriz reemplazando al asbesto como producto friccionante en la fabricacion de balatas para frenos. (Masminermetal, 2019) Se emplea principalmente en la elaboracion de detergentes, desinfectantes, suavizantes y jabones, en la agricultura se usa como pesticida y abono.Por otra parte, en la fabricacion de materiales como vidrio, ceramicas, preservantes de madera, soldadura y esmaltes. (ideas, 2019)

Se aplica en el area de la siderurgia con el fin de obtener aleaciones ligeras de gran demanda en la linea aeroespacial, en su estado crudo juega un papel fundamental en la preparación de cargas blancas para pintura, plasticos, insecticidas y pesticidas. (minerales, 2016) Aproximadamente el 40 por ciento del caolín producido se usa en el llenado y recubrimiento de papel. El caolín se usa ampliamente en la industria de la cerámica, donde su alta temperatura de fusión y características de combustión lo hacen particularmente adecuado para la fabricación porcelana y refractarios. También, el caolín se usa generalmente solo en la fabricación de refractarios. Se usan toneladas considerables de caolín para en la industria del caucho para mejorar su resistencia mecánica y resistencia a la abrasión. Se usa como un agente de aplanamiento en pinturas. El caolín es

Sepiolita

𝑀𝑔4 𝑆𝑖6 𝑂15(𝑂𝐻)2 ∗ 6𝐻2 𝑂

Bauxita

𝐴𝑙2 𝑂3 ∗ 2𝐻2 𝑂

Corindón

𝐴𝑙2 𝑂3

Magnesio/ Metálico Silicio/Metálico Oxigeno/No metálico Hidrogeno/No metálico

un ingrediente importante en la tinta, los plásticos orgánicos, algunos cosméticos y muchos otros productos donde su tamaño de partícula muy fino, blancura, inercia química y propiedades de absorción le dan un valor particular. (Geologiaweb,2019) Se emplea como absorbente industrial, Interviniendo en la producción de diferentes materiales de construcción entre ellos algunos tipos especiales de morteros o cementos. Actúa como un buen aislante térmico de superficies. Se usa en los lodos bentónicos como sustituta de la bentonita en la perforación de terrenos con presencia de agua salada y que están a altas temperaturas. Sin embargo, donde ha mostrado tener una utilidad sorprendente es en los trabajos de eliminación de hidrocarburos, entre ellos la limpieza de las manchas de petróleo, debido a sus propiedades absorbentes la sepiolita también se utiliza directamente como cama para gatos. (Wikipedia,2015)

Aluminio/ Metálico Oxigeno/No Se ejerce en la Obtención de aluminio, fabricación de materiales refractarios metálico y abrasivos. (PacMinerales,2019) Hidrogeno/No metálico El empleo más destacado es en la joyería, la variedad corindón roja oscura, llamada rubí es una de las piedras más valiosas. Del mismo modo lo es la de color azul, destacada como zafiro. Ambas son consideradas piedras Aluminio/ Metálico preciosas. El corindón también se utiliza en cojinetes para herramientas Oxigeno/No científicas y relojería. El tipo opaco, granulado y de tonos en gris oscuro, metálico conocido como esmeril, es empleado en la industria. Su dureza lo hace útil como abrasivo, de alta efectividad, al usarse en los sistemas de Sand Blast, desarrollo ligero del acero. Al ser usado como aditivo en la elaboración del acero, permite que el mismo adquiera características elevadas de docilidad. (Rocas y minerales, 2018)

Hematita

𝐹𝑒2 𝑂3

Casiterita

𝑆𝑛𝑂2

Grafito

C

Hierro/Metálico Oxigeno/No metálico

En la actualidad esta roca tiene usos industriales; es la principal mena para la explotación de hierro en el mundo. Además, se aplica como polvo en agentes para pulitura y en la fabricación de tintes y esmaltes, debido a su gran capacidad de pigmento (Rocas y minerales,2018) Estaño/Metálico Es la principal fuente de estaño, por lo que es útil en materiales de soldadura Oxigeno/No y en la elaboración de pigmentos cerámicos. Por su carácter resistente y no metálico soluble en ácidos, es empleada en cubiertas anticorrosivas (Rocas y minerales, 2018) Al ser mezclado con una pasta se emplea en la elaboración de mina de lapices, a njivel natural se aplica como componente de ladrillos, refractarios, Carbono/ No por sus propiedades de conductividad y resistencia quimica se aprovecha en metalico la fabricación de electrodo, escobillas y reactores nucleares como moderador. (linea, 2020) Tabla 1. Minerales con presencia de metales

Ejercicio 1.3

Ejercicio 2. Teoría de bandas, conductividad eléctrica, conductores y semiconductores Ejercicio 2.1. Para el desarrollo de esta unidad se recomienda revisar las referencias bibliográficas de la unidad 3 que se encuentran en el entorno de aprendizaje: En la Figura 2 se presenta la información de bandas de conducción en el magnesio.

Figura 2. Formación de bandas de conducción en el magnesio Nota. Adaptado de Formación de bandas de conducción en el magnesio (p. 939), de Chang, R. Goldsby, K., 2013, Química. (12a. ed.), McGraw-Hill Interamericana.

Con base en lo consultado en las referencias y la interpretación de la figura 2, los estudiantes deben responder las siguientes preguntas de forma individual y posteriormente debatir en el grupo las respuestas para seleccionar una sola respuesta por cada literal entre los integrantes del grupo colaborativo: 1. ¿Cuál es la configuración electrónica para el átomo de magnesio? La configuración electrónica de Mg de forma completa es: 1𝑠2 2𝑠 2 2𝑝6 3𝑠2 y su simplificación se observa como:[𝑁𝑒]3𝑠 2 , donde cada átomo tiene dos electrones de valencia en un orbital. (Configuracionelectronica.com, Configuracion electronica del magnesio, 2018) 2. ¿Qué sucede con los orbitales de los átomos de magnesio en un cristal metálico de este elemento? En un cristal de tipo metálico los átomos se encuentran muy cerca los unos de los otros, por lo que afecta los niveles energéticos de cada átomo, proceso comúnmente denominado traslape de orbitales. (Chang, 2013) 3. ¿Cómo se forma un orbital de enlace y anti enlazante? Se forman a causa de la interacción entre dos orbitales atómicos que conlleva a la formación de orbitales moleculares de enlace y anti enlazante. Un enlace se forma cuando un orbital enlazante está lleno y su anti enlazante vacío. Por ejemplo, si un electro

está situado en un orbital enlazante es excitado a su anti enlazantes, el enlace se rompe, como consecuencia es una radiación electromagnética de la energía adecuada. (Chang, 2013) 4. ¿A qué se le denomina banda de valencia y de conducción?, explicar porque se tiene en cuenta los orbitales 3s y 3p Con base a la figura 2, los niveles llenos y con una escasa separación de energía se constituyen con el nombre de banda de valencia, por otra parte, la banda de conducción se conoce como los niveles de energía vacíos, ubicados la mitad superior formados por el traslape de los orbitales moleculares 3p. Es preciso indicar que los orbitales 3s y 3p se traslapan para formar orbitales deslocalizados, como respuesta de la dureza que se observan en la mayoría de metales. (Chang, 2013) 5. ¿Por qué los elementos metálicos como el magnesio conducen tan fácil la corriente y como se realiza este proceso? La conductibilidad eléctrica de un elemento sólido depende de la separación del estado de ocupación de las bandas de energía, en los metales las bandas de valencia se presentan adyacentes a las bandas de conducción, es decir que la cantidad de energía requerida para promover un electrón es insignificante, allí el electrón se desplaza de manera libre por medio del metal, puesto que la banda de conducción carece de los mismos, dando la propiedad al material de ser un buen conductor. (Chang, 2013) Ejercicio 2.2 En la figura 3, se muestra la comparación de brechas entre las bandas de valencia y la banda de conducción de un metal, un semiconductor y un aislante:

Figura 3. Comparación de las brechas de energía entre las bandas de valencia y la banda de conducción de un metal, un semiconductor y un aislante Con base en lo consultado en las referencias y la interpretación de la figura 3, los estudiantes deben de responder las siguientes preguntas de forma individual y posteriormente debatir en el grupo las respuestas para seleccionar una sola respuesta por cada literal entre los integrantes del grupo colaborativo: a) ¿Qué ocurre con los electrones de la banda de valencia para cada caso?

CONDUCTORES La banda de valencia es adyacente con la de conducción y por ende actúan fácilmente como conductores, casi que no presentan resistencia al paso de electrones se presentan en la mayoría de los metales. Un ejemplo es el cobre.

Banda de valencia SEMICONDUCTORES La distancia entre las bandas llenas y vacías es muy pequeña, sin embargo, se suministra la cantidad necesaria de energía para la excitación de los electrones, desde la banda de valencia a la de conducción. Un ejemplo es el germanio.

AISLANTES La separación es muy grande entre la banda de valencia y la de conducción, como consecuencia se requiere mayor energía para excitar un electrón hacia la banda de conducción, y esta ausencia es la limitadora de la movilidad de los electrones u oposición al flujo de electrones en forma significativa. Un ejemplo es el vidrio.

b) ¿Por qué algunos materiales conducen mejor la corriente que otros? Las características de conductividad están regidas bajo la separación entre la banda de valencia y conducción y por otra parte del estado de ocupación de las bandas de energía, es decir que hay variación de configuración molecular en cada material, que dejan los electrones libres que al someterlos a la excitación por determinado umbral de energía que ofrece esta propiedad y por ello todos los materiales están regidos y jerarquizados en tres ámbitos de acuerdo a su nivel de conductividad, las cuales son: conductores, semiconductores y aislantes: El primero de ellos se visualizan en los metales que forman enlaces metálicos dando más estabilidad, donde esos átomos liberados forman una nube de electrones y permiten la afluencia libre de electrones, por consiguiente tenemos a los semiconductores que presentan una mínima oposición al paso de electrones pero que al realizar el proceso de dopaje aumenta su

capacidad de conducción y no sufre ruptura del flujo de electrones como ocurre en los metales expuestos a altas temperaturas, para finalizar tenemos los aislantes que no permiten el paso de corriente puesto que el nivel de energía no es suficiente para la excitación del electrón impidiendo su movimiento. (Chang, 2013) c. ¿Qué se puede concluir de la comparación de las brechas de energía que se muestran en la figura 3? Comparación de las brechas de energía entre la banda de valencia y conducción CONDUCTORES SEMICONDUCTORES AISLANTES La brecha de energía se cataloga como inexistente La representación de la brecha de energía es La brecha de energía se comporta de muy pequeña, pero visible forma muy extensa, dificultando la promoción de electrones de la banda de valencia a la de conducción.

Ejercicio 3. Superconductores Con el desarrollo del siguiente ejercicio se pretende diferenciar las características, propiedades y aplicaciones de materiales superconductores. Cada estudiante debe consultar en las referencias que se sugirieron sobre el tema de superconductores. A partir de la información revisada, el grupo de estudiantes debe construir un mentefacto, donde se explique el concepto de superconductor, sus características y aplicaciones en la industria. Se sugiere para la elaboración un diagrama similar al de la figura 3 del anexo 3.

REFERENCIAS ideas, E. (2019, 07 08). 28 usos del bórax en el hogar que debes conocer. Obtenido de: https://ecocosas.com/eco-ideas/usos-delborax/#:~:text=El%20b%C3%B3rax%20es%20un%20mineral,cer%C3%A1mica%20y%20esmaltes%20entre%20otros. Masminermetal. (2019). Barita. Obtenido de: https://masminermetal.com/es/minerales-y-metales/barita minerales, R. y. (2016). MAGNESITA. Obtenido de: https://www.rocasyminerales.net/magnesita/ Codelco (2018). Producción del cobre. Obtenido de: https://www.codelcoeduca.cl/codelcoeduca/site/edic/base/port/exploracion.html Instituto Europeo del cobre. (2018).Química: Extracción del cobre. Obtenido de: https://copperalliance.es/recursos/educacion/extraccion-cobre/ Brady, J. E. (2004). Química básica: principios y estructura. (pp. 709-717) México D.F.: Instituto Politécnico Nacional. Recuperado de https://elibro-net.bibliotecavirtual.unad.edu.co/es/ereader/unad/72109?page=712 Chang, R. Goldsby, K. (2013). Química. (12a. ed.). (pp. 931-951). México, D.F: McGraw-Hill Interamericana. Recuperado de https://elibro-net.bibliotecavirtual.unad.edu.co/es/ereader/unad/36611?page=962 Revista educativa Configuracionelectronica.com. Equipo de redacción profesional. (2018, 02). Configuracion electronica del magnesio. Obtenido de: https://www.configuracionelectronica.com/elementos/configuracion-electronica-del-magnesio/.

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