Tema 31 - Química aplicada

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154UNI SEMESTRAL 2013 - III QUÍMICA TEMA 31
QUÍMICA APLICADA
QUÍMICA
NANOTECNOLOGÍA
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 nanoescala,
y la explotación de fenómenos y propiedades de la materia
a nanoescala (1 nanómetro = 10–9 m).
Con respecto a esto, existe un gran interés por parte de
una completa variedad de ramas del conocimiento científi-
co técnico por la importancia de estas sustancias y materia-
les nanométricos de cara a sus aplicaciones a la sociedad.
Ello está motivado por el hecho de que se consiguen nue-
vas e importantes propiedades al disminuir el tamaño en
muchos materiales. Así, el ámbito de Nanotecnología inclu-
ye, además de las áreas del saber relacionadas con su ori-
gen, tanto de la Física, la Química, la Ingeniería o la Robóti-
ca, otros campos en su comienzo más alejados, pero para
los que ya hoy en día tiene una gran importancia, como son
la Biología, la Medicina o el Medio Ambiente. De esta mane-
ra, algunos ejemplos de aplicaciones de las distintas ramas
de la nanotecnología son: sistemas magnetorresistencia gi-
gante para almacenamiento magnético de la información,
dispositivos nanoelectrónicos, recubrimientos para mejora
de técnicas de imagen, catalizadores nanoestructurados,
biosensores y biodetectores, nanosistemas para adminis-
tración de fármacos, cementos, pinturas especiales, cos-
méticos y sistemas para purificación y desalinización de agua.
Cuando se manipula la materia a la escala tan minúscula de
átomos y moléculas, demuestra fenómenos y propiedades
totalmente nuevas. Por lo tanto, científicos utilizan la nano-
tecnología para crear materiales, aparatos y sistemas nove-
dosos y poco costosos con propiedades únicas.
Existe un gran consenso en que la nanotecnología nos lle-
vará a una segunda revolución industrial en el siglo XXI.
Supondrá numerosos avances para muchas industrias y nue-
vos materiales con propiedades extraordinarias (desarrollar
materiales más fuertes que el acero pero con solamente
diez por ciento del peso), nuevas aplicaciones informáticas
con componentes increíblemente más rápidos o sensores
moleculares capaces de detectar y destruir células cancerí-
genas en las partes más delicadas del cuerpo humano como
el cerebro, entre otras muchas aplicaciones. Podemos de-
cir 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.
La gran evolución de este periodo fue el aprendizaje de la
síntesis de una sustancia original, provista de cualidades físi-
cas extraordinarias: los nanotubos de carbón.
Los nanotubos de carbón constituyen una nueva clase de
materiales, con un amplio espectro de posibles aplicacio-
nes. Desde del descubrimiento de los tubos de carbón de
tamaño nanométrico por Iijima en 1991, muchos han sido
los progresos que se han realizado tanto en su producción
como en la comprensión de sus propiedades.
Por ser parientes cercanos al grafito sería de esperar que
parte de sus propiedades fueran semejantes, pero en rea-
lidad no es así: son de color marrón oscuro (el grafito es
negro), lo que indica que aunque absorben gran cantidad
de las radiaciones del espectro visible, no absorben todas,
y eso nos dice que su estructura electrónica es diferente a
la del grafito.
Un nanotubo ideal, sin defectos, es muy resistente y elás-
tico, debido a la ausencia rigurosa de defectos.
 Nanotubo
 Grafito
DESARROLLO DEL TEMA
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Estas nanoestructuras tienen alto interés tecnológico por
sus posibilidades aplicaciones, que están relacionadas con
las siguientes propiedades:
• Electrónicamente pueden comportarse como metáli-
cos, semimetálicos o aislantes dependiendo de su diá-
metro y helicidad.
• Elevada resistencia mecánica. Se ha comprobado que
tienen mayor resistencia mecánica y mayor flexibilidad
que las fibras de carbono por lo que se podrían utilizar
en materiales compuestos.
• Sus propiedades pueden modificarse encapsulando
metales o gases en su interior, llegando a obtener nano-
cables eléctricos o magnéticos.
Fullereno (C60)
• Pueden utilizarse para el
almacenamiento de hidró-
geno o como sistema de
separación de gases.
• Pueden ser utilizados en
pantallas planas por su bue-
na capacidad como emi-
sores de electrones.
• Su combinación con la bio-
tecnología, en especial con
la genómica y la proteómica, puede generar herra-
mientas impensables hasta hace muy poco.
I. BIOTECNOLOGÍA
Es la técnica que utiliza células vivas, cultivo de tejidos
o moléculas derivadas de un organismo para obtener
o modificar un producto, mejorar una planta, animal o
desarrollar un microorganismo para utilizarlo con un
propósito específico. Según esta definición, la fabrica-
ción de panes y cerveza que se basa en el empleo de
células de levadura es un proceso biotecnológico. La
diferencia aportada por la biotecnología moderna es
que actualmente el hombre no sólo sabe cómo usar
las células u organismos que le ofrecen la naturaleza,
sino que ha aprendido a modificarlos y manipularlos en
función a sus necesidades.
La definición más extendida del término biotecnología
es el uso de organismos vivos (o parte de los mismos)
para producir fármacos, alimentos u otros productos
de valor para el hombre.
La Biotecnología más ancestral comienza con la fer-
mentación, el mejoramiento de cultivos y de animales
domésticos. La biotecnología moderna está compues-
ta por una variedad de técnicas derivadas de la inves-
tigación en biología celular y molecular, las cuales pue-
den ser utilizadas en cualquier industria que utilice
microorganismos vivos o sus productos, la cual involucra
la manipulación deliberada de sus moléculas de ADN.
Por tanto, podemos decir que la biotecnología abarca
desde le biotecnología tradicional, muy conocidas y
establecidas, y por tanto utilizadas, como por ejemplo
la fermentación de alimentos, hasta la biotecnología
moderna, basada en la utilización de las nuevas técni-
cas del ADN recombinante (ingeniería genética), los
anticuerpos monoclonales y los nuevos métodos de
cultivo de células y tejidos.
La industria emplea la biotecnología en múltiples áreas
aunque éstas no sean tan conocidas por la gente como
los alimentos transgénicos, la clonación o el uso de las
células madres. Algunas de estas áreas son las siguientes:
A. Generación de energía
En la actualidad la generación de energía está ba-
sada principalmente en el petróleo, el gas o el car-
bón. Todas ellas fuentes de energía no renovables
y generalmente bastante contaminantes. La biotec-
nología se utiliza en la eliminación de sustancias tóxi-
cas generadas durante la transformación de estas
materias primas. Pero, además, la biotecnología pue-
de ayudar a renovar estas fuentes de energía por
otras no contaminantes del medio ambiente y to-
talmente renovables, como es el caso en la utiliza-
ción de la biomasa y de los azúcares naturales para
la producción de carburantes como el etanol o el
biogas, por citar las más desarrolladas.
B. Biodiésel
El biodiésel es un biocombustible sintético líquido
que se obtiene a partir de lípidos naturales como
aceites vegetales o grasas animales mediante pro-
cesos industriales de esterificación y transesteri-
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ficación, y que se aplica en la preparación de susti-
tutos totales o parciales del petrodiésel o gasóleo
obtenido del petróleo. Como sustituto total se de-
nomina B100, mientras que otras denominaciones
como B5 o B30 hacen referencia a la proporción o
porcentaje de biodiésel utilizado en la mezcla.
El biodiésel, cuyas propiedades son conocidas des-
de mediados del siglo XIX gracias a los trabajos de
Rudolf Diesel, se destina a la combustión en moto-
res de ciclo diésel convencionales o adaptados,
según el fabricante y por ello a principios del siglo
XXI, en el contexto de búsquedade nuevas fuen-
tes de energía y la creciente preocupación por el
calentamiento global del planeta, se impulsa su desa-
rrollo como combustible para automóviles alterna-
tivo a los derivados del petróleo.
C. Biocatálisis
Multitud de procesos manufactureros se basan en
reacciones químicas que requieren altas presiones
y elevadas temperaturas. Las enzimas (biocatali-
zadores), tras sufrir miles de años de evolución,
consiguen realizar muchas de esas transformacio-
nes en condiciones mucho menos extremas y con
una alta eficacia. Algunas de las enzimas más habi-
tuales en la industria son proteasas, celulasas,
lipasas, catalasas y amilasas. Además de las enzimas
y otros compuestos biocatalíticos, la biotecnología
ha desarrollado microorganismos (bacterias, leva-
duras, etc.) especializados en ciertos procesos muy
útiles en la industria.
D. Biopolímeros
Los polímeros que se utilizan en la actualidad deri-
van prácticamente en su totalidad del petróleo.
En los últimos años se está avanzando mucho en la
obtención de polímeros biodegradables, ya que es-
tos se obtienen de plantas, microorganismos o in-
cluso de algunos animales (como por ejemplo las
arañas).
E. Medio ambiente
Actualmente la principal aplicación de la biotecno-
logía ambiental es disminuir la polución. La limpieza
del agua residual fue una de las primeras aplicacio-
nes, seguida por la purificación del aire y gases de
desecho mediante el uso de biofiltros. La biorreme-
diación (uso de sistemas biológicos para la reduc-
ción de la polución del aire o de los sistemas acuá-
ticos y terrestres) se está enfocando hacia el suelo
y los residuos sólidos, tratamientos de aguas do-
mésticas e industriales, aguas procesadas y de con-
sumo humano, aire y gases de desecho, lo que
está provocando que surjan muchas inquietudes e
interrogantes debido al escaso conocimiento de las
interacciones de los organismos entre sí, y con el
suelo. Los sistemas biológicos utilizados son microor-
ganismos y plantas.
Cada vez más compañías industriales están desa-
rrollando procesos en el área de prevención, con
el sin de reducir el impacto ambiental como res-
puesta a la tendencia internacional al desarrollo de
una sociedad sostenible. La biotecnología puede
ayudar a producir nuevos productos que tengan
menor impacto ambiental.
F. Biotecnología humana
Puesto que cada criatura es
única, cada una posee una com-
posición única de ADN. Cual-
quier individuo puede ser iden-
tificado por pequeñas diferen-
cias en su secuencia de ADN,
este pequeño fragmento pue-
de ser utilizado para determi-
nar relaciones familiares en liti-
gios de paternidad, para con-
frontar donantes de órganos
con receptores en programas
de trasplante, unir sospecho-
sos con la evidencia de ADN
en la escena del crimen (bio-
tecnología forense). El desa-
rro llo de técnicas para el
diagnóstico de enfermedades infecciosas o de des-
órdenes genéticos es una de las aplicaciones de
mayor impacto de la tecnología de ADN. Al utilizar
las técnicas de secuenciación de ADN los científi-
cos pueden diagnosticas infecciones víricas, bacte-
rianas o mapear la localización especifica de los genes
a lo largo de la moléculas de ADN en las células. El
primer tratamiento exitoso en terapia génica fue
en 1990, cuando se trató una enfermedad del sis-
tema inmune de niños llamada "Deficiencia de ADA".
Células de ADA fueron inyectadas al cuerpo del pa-
ciente donde produjeron suficientes células nor-
males que permitieron mejorar el sistema inmune.
Hoy, la terapia génica está tratando enfermedades
tales tumores cerebrales malignos, fibrosis quística
y HIV. Con esta técnica se pretende también repa-
rar órganos como por ejemplo un hígado cirrótico
a partir de las pocas células sanas que le quedan,
un par de ventrículos nuevos para reemplazar los
efectos devastadores de un infarto, la regenera-
ción de una mano amputada o disponer de una
fuente inagotable de neuronas para corregir los
efectos de enfermedades, tan graves como el
Alzheimer o el Parkinson.
II. CELDAS DE COMBUSTIBLE
La producción de electricidad en centrales térmicas a
partir de combustibles fósiles, como carbón, petróleo
o gas natural, tiene varios inconvenientes. Uno de ellos
es su poca eficiencia, como máximo el 40% de la ener-
gía calorífica se transforma en energía eléctrica.
ADN
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Por el contrario en las pilas electroquímicas, el rendi-
miento energético es superior al 75%. Una celda de
combustible es un dispositivo electroquímico que con-
vierte la energía química de una reacción directamen-
te en energía eléctrica, emplean combustibles con-
vencionales, como el H2 y el CH4, siendo una de las
primeras la pila de hidrógeno.
En principio, una celda de combustible opera como una
batería. Genera electricidad combinando hidrógeno y
oxígeno electroquímicamente sin ninguna combustión.
A diferencia de las baterías, una celda de combustible
no se agota ni requiere recarga. Producirá energía en
forma de electricidad y calor mientras se le provea de
combustible. El único subproducto que se genera es
agua 100% pura. En la práctica, la corrosión y la degra-
dación de materiales y componentes de la celda pue-
den limitar su vida útil.
Una celda de combustible consiste en dos electrodos
separados por un electrolito oxígeno pasa sobre un
electrodo e hidrógeno sobre el otro. Cuando el hidró-
geno es ionizado pierde un electrón y al ocurrir esto
ambos (hidrogeno y electrón) toman diferentes cami-
nos hacia el segundo electrodo. El hidrógeno migra
hacia el otro electrodo a través del electrolito mien-
tras que el electrón lo hace a través de un material
conductor. Este proceso producirá agua, corriente eléc-
trica y calor útil. Para generar cantidades utilizables de
corriente las celdas de combustibles son "amontona-
das" en un emparedado de varias capas. Los gases de
hidrógeno y oxígeno burbujean a través de los com-
partimentos del ánodo y el cátodo donde se llevan a
cabo las siguientes reacciones:
• Ánodo
2H2(g) + 4H
–
(ac)  4H2O(I) + 4e
–
Eº = 0,83 v
• Cátodo
O2(g) + 2H2O(I) + 4e
–  4OH–(ac)
Eº = 0,40 v
• Global
2H2(g) + O2(g)  2H2O(I)
Eº = 1,23 v
Entonces, la reacción de la celda es espontánea en
estado estándar. Obsérvese que la reacción es la misma
que la de combustión del hidrógeno, pero la oxidación
y la reducción se lleva a cabo de forma separada en el
ánodo y el cátodo.
Esquema de una celda de combustible que
funciona con H2 y electrolito polimérico
Además del sistema H2 – O2 se han desarrollado otras
celdas de combustible. Entre éstas está la celda de
combustible de propano-oxígeno, cuyas semirreaciones
son:
• Ánodo
C3H8(g) + 20OH
– + 6H2O(I)  3CO2(g) + 20e
–
• Cátodo
5O2(g) + 10H2O(I) + 20e
–  20OH–(ac)
• Global
C3H8(g) + 5O2(g)  3CO2(g) + 4H2O(I)
La reacción global es idéntica a la combustión de pro-
pano en oxígeno. Las celdas de combustible son dis-
positivos que usan diferentes electrólitos y que ope-
ran a diferentes temperaturas. Cada celda tiende a
ser más apropiada para ciertas aplicaciones. Por ejem-
plo, las celdas de combustible de membrana eléctrica
polimérica han demostrado ser apropiadas para su apli-
cación en autos, mientras que las celdas de combusti-
ble de carbonatos fundidos parecen ser más apropia-
das para uso con turbinas a gas. La primera celda de
combustible fue construida en 1839 por Sir William
Grove, un juez galés y honorable científico. El verda-
dero interés en celdas de combus-tible, como un ge-
nerador 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 nuclear y
de la costosa energía solar. Fueron celdas de combus-
tible las que proporcionaron electricidad y agua a las
naves espaciales Géminis y Apolo.
MATERIALES MODERNOS
I. CRISTALES LÍQUIDOS
Con toda la razón les parecerá contradictorio el título,
en efecto por una parte llamamos líquido a una sus-
tancia que fluye y tomala forma del recipiente que lo
contiene pero, por otra, a un cristal lo concebimos
como una sustancia sólida y rígida. De modo que, al
menos un cristal es precisamente lo opuesto a un lí-
quido y sin embargo existen sustancias reales, los cris-
tales líquidos que exhiben la dualidad sólido-líquido, es
decir que simultáneamente, poseen propiedades de
los líquidos como fluidez y viscosidad y propiedades
ópticas que se parecen de modo asombroso a los cris-
tales como, por ejemplo, poder reflejar colores dife-
rentes dependiendo del ángulo el cual les observe.
Se conoce que cuando un sólido se calienta hasta su
punto de fusión, la energía térmica agregada vence
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las atracciones intermoleculares que confieren un or-
den molecular al sólido. El líquido que se forma se ca-
racteriza por la orientación aleatoria de las moléculas y
un movimiento molecular considerable. Pero algunas
sustancias, exhiben un comportamiento más comple-
jo cuando sus sólidos se calientan.
En 1888, Frederik Reinitzer, botánico austriaco, des-
cubrió que un compuesto orgánico que estaba estu-
diando, llamado benzoato de colesterilo, tenía propie-
dades interesantes y poco usuales. Cuando lo calenta-
ba, la sustancia fundía a 145 ºC para formar un líquido
lechoso. A 179 ºC, bruscamente el líquido lechoso se
aclaraba. Al enfriar la sustancia, el proceso se invertía.
El líquido claro se torna lechoso a 179 ºC y este líquido
lechoso se solidificaba a 145 ºC. Este es el primer re-
porte de lo que ahora llamamos cristales líquidos.
En lugar de pasar directamente de la fase sólida a la
líquida al calentarse, algunas sustancias, como el ben-
zoato de colesterilo, pasan por una fase líquido-crista-
lina 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 viscosos y poseer
propiedades intermedias entre la de las fases sólida y
líquida. La región en la que los cristales líquidos exhi-
ben estas propiedades está delimitada por una tem-
peratura de transición muy marcada, como en el caso
de Reitziner. La fase o las fases intermedias se descri-
ben como líquido-cristalinas y en ellas las moléculas
conservan un ordenamiento parcial, muy diferente del
comportamiento al azar, llamado isotrópico, que es
característico 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 sólida ni en la líquida y ello
constituye la base de sus aplicaciones en las pantallas
de computadora, calculadoras, relojes de pulsera y en
la medición de temperaturas.
A. La estructura de los cristales líquidos
Las sustancias líquido-cristalinas tienen formas y
estructuras moleculares características.
Las estructuras moleculares de algunas sustancias
orgánicas de este tipo se presentan en la figura si-
guiente. Todas tienen formas alargadas y son rígi-
das. Estas formas alargadas características permi-
ten interacciones intermoleculares que mantiene
un arreglo paralelo en la fase líquida.
CH O3 CH N C N4 9
CH O3 N N OCH3
O
CH N C OC H2 5
O
O
CH (CH ) O3 2 7
OH
B. Tipos de fases líquido-cristalinas
Se conocen muchos ordenamientos diferentes para
los cristales líquidos. La figura que sigue así lo ilus-
tra. El más sencillo se denomina cristal líquido
nemático. En la fase nemática, las moléculas es-
tán alineadas a lo largo de sus ejes alargados, pero
no hay un orden respecto a los extremos de las mo-
léculas. Es como si se tomara un manojo de lápices
sin intentar alinear sus extremos.
Las fases líquido-cristalinas esmécticas pre-
sentan un ordenamiento adicional de las moléculas.
En la fase esméctica A, las moléculas están arre-
gladas en capas, con sus ejes alargados paralelos y
sus extremos también alineados.
C. 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 quí-
micos.
A pesar de ello,
estas interacciones dan origen a propiedades físi-
cas de importancia tecnológica considerable. Vis-
tos alguna vez como curiosidades químicas, los
Computadora laptop con pantalla de
cristal líquido (LCD).
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cristales-líquidos ahora se utilizan ampliamente en
pantallas controladas eléctricamente (LCD) en re-
lojes, calculadoras, y pantallas de com-putadora.
Estas aplicaciones surgen de la capacidad de un
campo eléctrico para provocar un cambio en la
orientación, de las moléculas del cristal-líquido y afec-
tar así las propiedades ópticas de una capa de este
tipo de material.
Los dispositivos son cristales líquidos, tienen una
gran variedad de diseños, pero una construcción
típica es aquella en la que el cristal-líquido se coloca
entre dos placas de cristal, recubiertas con un ma-
terial transparente conductor de la electricidad
(pantallas de cristal líquido, como las de una calcu-
ladora). En una pantalla de reloj o calculadora (ver
la siguiente figura), la luz que choca con la superfi-
cie pasa primero a través de una hoja delgada lla-
mada polarizador, la que solo deja pasar rayos lumi-
nosos en determinada dirección. Cuando no se aplica
voltaje, se refleja en el fondo, y emerge de nuevo
a través de la placa de la cubierta. Así, la superficie
parece brillante. Al aplicar voltaje, cambia la orien-
tación de las moléculas del cristal líquido y luego la
luz polarizada no pasa a través de la fase liquida cris-
talina. Las áreas de la pantalla alas que se ha aplica-
do un voltaje aparecen oscuras. La superficie del
electrodo superior se divide en áreas delgadas. Apli-
cando voltaje en diferentes combinaciones de es-
tas áreas se forman letras, números, u otras figuras.
Los cristales líquidos se cambian de color al variar la
temperatura, miden temperaturas en situaciones
donde los métodos convencionales no son facti-
bles. Por ejemplo, pueden detectar zonas calien-
tes en circuitos microelectrónicos que hacen fallar
las señales. Así, el gran ímpetu sobre el estudio de
la materia ha propuesto una investigación sistemá-
tica de la relación entre la estructura molecular y la
cristalización líquida.
Muchas letras y símbolos diversos en las calculadoras de
bolsillo o en las carátulas de los relojes electrónicos
modernos son construidos de cristales líquidos.
II. POLÍMEROS
Hasta ahora nuestras explicaciones de química se han
enfocado en moléculas de masa molecular baja. Sin em-
bargo, en la naturaleza encontramos muchas sustan-
cias que llegan a tener masas moleculares de hasta
millones de uma. Por ejemplo, almidones, celulosa, pro-
teínas, ácidos nucleicos, etc.
Berzelius, en 1827, acuñó el término polímero (del grie-
go polys, "muchos", y meros, "partes") para denotar
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sustancias moleculares de elevada masa molecular (son
macromoléculas), formada por la unión (polimerización),
formada por la unión (polimerización) de monómeros (mo-
léculas de masas moleculares bajas).
Polímero: Polietileno
Durante mucho tiempo el hombre utilizo polímeros na-
turales, como la lana, pieles, caucho natural. Sin embar-
go, en los últimos 50 años o menos, los químicos han
aprendido a fabricar polímeros sintéticos polimerizando
monómeros por medio de reacciones controladas quí-
micamente. El polietileno, es quizá el ejemplo más sen-
cillo de polimerización. Se obtiene a partir del etileno
(CH2 = CH2), el cual sufre apertura de su doble enlace
para formar nuevos enlaces sencillos carbono-carbono
con otras dos moléculas de etileno.
 
La reacción de polimerización anterior podríamos abreviarla del modo siguiente:
C C
H H
H H
n H C CH2 2
n
En esta ecuación, n es un número grande que va de cientos a muchos millares demoléculas de monómero (en este
caso el etileno) que reaccionan para formar una gran molécula de polímero.
Clasificación de los polímeros
Además de los polímeros clásicos que se producen y
comercializan ya hace algunos años, cada día aparecen
otros nuevos, provenientes de las investigaciones cien-
tíficas y tecnológicas que se desarrollan en todo el
mundo. Por lo que, dada la gran variedad de materia-
les poliméricos existentes, se hace necesario agrupar-
los según sus características, facilitando así el entendi-
miento y el estudio de las propiedades.
Con este objetivo se clasifican de varias maneras, de
acuerdo con las estructuras químicas, según el com-
portamiento frente al calor, según sus propiedades me-
cánicas, según sus tipos de aplicaciones, o aún otras
características.
A continuación se presentan estas clasificaciones y los
conceptos pertinentes.
A. Clasificación según el tipo de estructura quí-
mica
Se pueden dividir en tres categorías:
• Según la cantidad de monómeros diferen-
tes en el polímero
Un polímero puede ser constituido de la repeti-
ción de una única unidad química (cadena ho-
mogénea) o de dos o más monómeros (cadena
heterogénea). Cuando la cadena es homogé-
nea, se llama homopolímero, y cuando es
heterogénea copolímero.
De esta manera tenemos:
– Homopolímeros, que es el polímero cons-
tituido solo un topo de unidad estructural
repetida. Ejemplo: polietileno, poliestireno,
poliacrilonitrilo, poli (acetato de vinilo).
Si consideramos A como el monómero pre-
sente en el homopolímero, su estructura
puede representarse así:
A A A A A A A A A A
– Copolímero, es el polímero constituido por
dos o más monómeros distintos. Ejemplo:
SAN, NBR, SBR. Suponiendo que A y B re-
presentan los monómeros, hay tres posibi-
lidades de disposición:
– Copolímeros al azar (aleatorios, estadísti-
cos) en los cuales los monómeros tienen se-
cuencia desordenada a lo largo de la cadena
macromolecular.
A – A – B – A – B – B – B – A – A – B –
B – A – A – A
– Copolímeros alternados, en los cuales los
monómeros se suceden alternadamente.
A – B – A – B – A – B – A – B – A – B –
A – B – A – B
– Copolímeros en bloques, en los cuales
cada macromolécula del copolímero es for-
mada por más o menos largos tramos de A
cada uno seguido por un tramo de B:
A – A – A – A – B – B – B – A – A – A –
B – B – B – B
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 • 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:
– Polioefinas: polipropileno, polibutadieno,
poliestireno.
– Poliésteres: poli (tereftalato de etileno),
policarbonato.
– Poliéteres: poli (óxido de etileno), poli
(óxido de fenileno).
– Poliamidas: Nylon, poliamida.
– Polímeros celulósicos: nitrato de celulosa,
acetato de celulosa.
– Polímeros acrílicos: poli (metacrilato de
metilo), poliacrilonitrilo.
– Polímeros vinílicos: poli (acetato de vinilo),
poli (alcohol vinílico).
– Poliuretanos: denominación genérica para
los que son derivados de isocianatos.
– Resinas formaldehído: resina fenol-formol,
resina úrea-formaldehido.
• Según la forma de la cadena polimérica
Las cadenas macromoleculares pueden ser:
– Copolímeros de injerto, en los cuales la ca-
dena principal que constituye el polímero con-
tiene apenas unidades de un mismo monó-
mero, mientras que el otro monómero forma
parte solamente de las ramificaciones laterales
(el injerto).
A – A – A – A – A – A – A – A – A – A – A – A –
A – A
 | | |
 B B B
 | | |
 B B B
 | | |
 B B B
 
Por lo general, los copolímeros constituidos de
tres unidades químicas reiterativas diferentes
se denominan terpolímeros. Un ejemplo tí-
pico es el ABS, es decir, el terpolímero de
acrilonitrilo-butadieno-estireno.
La reacción química que forma los copolímeros
se conoce como copolimerización, y los
monómeros como comonómeros. Cuando
se cambian los comonómeros o la cantidad
relativa de cualquiera de ellos, el material que
se obtiene presenta propiedades diferentes,
tanto químicas como físicas.
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– Lineales, si no tienen ramificaciones.
– Ramificadas, si todas las moléculas contiene
ramificaciones, es decir, pequeñas cadenas
laterales.
– Entrecruzadas, si los polímeros poseen estruc-
tura tridimensional, donde las cadenas están
unidas unas a otras por enlaces químicos.
B. Clasificación según el comportamiento fren-
te a la temperatura
Según el resultado al calentar los polímeros, éstos
pueden ser:
• Termoplásticos, que son polímeros que se fun-
den al calentarlos y se solidifican al enfriarse.
Ejemplo: polietileno, poli (tereftalato de etileno),
poliacrilonitrilo, nylon.
• Termoestables (termofijos), si al calentarlos por
la primera vez se forman entrecruzamientos,
transformándolos en infusibles e insolubles.
Ejemplo: resina fenol-formol, resina melamina-
formol, resina úrea-formaldehido.
C. Clasificación según el comportamiento mecá-
nico
1. Plásticos (del griego: adecuado al modelado,
moldeo), que son materiales poliméricos esta-
bles en las condiciones normales de uso, pero
que durante alguna etapa de su fabricación fue-
ron fluidos. Esta propiedad les permite ser mol-
deados por calentamiento, por presión o por
ambos.
Ejemplo: Polietileno, polipropileno, poliestireno.
2. Elastómeros (o cauchos), que son materiales
poliméricos que pueden ser de origen natural o
sintético. Después de sufrir una deformación bajo
la acción de una fuerza, recuperan la forma origi-
nal rápidamente, por más que la deformación haya
sido grande o aplicada por bastante tiempo.
Ejemplo: polibutadieno, caucho nitrilo, poli
(estireno-butadieno).
3. Fibras, son polímeros en los que existe una rela-
ción muy elevada entre la longitud y el diámetro.
Generalmente son constituidas de macro-molé-
culas lineales y se mantienen orientadas lon-
gitudinalmente.
Ejemplo: poliésteres, poliamidas y poliacrilonitrilo.
III. USO DEL PLASMA
El plasma se forma mediante la ionización de los áto-
mos, que al romperse pierden su cubierta de electro-
nes, los cuales se desplazan libremente.
Esta materia, aparentemente artificial, existe de ma-
nera natural en la magnetosfera terrestre y el sol, que
incluso la lanza en violentas explosiones conocidas como
viento solar.
En física y química, un plasma es un sistema que con-
tiene un número significativo de partículas cargadas
libres y cuya dinámica presenta efectos colectivos do-
minados por las interacciones electromagnéticas de
largo alcance entre las mismas. Con frecuencia se ha-
bla del plasma como un estado de agregación de la
materia con características propias, diferenciándolo de
este modo del estado gaseoso, en el que no existen
efectos colectivos importantes.
Este estado de la materia se produce bajo gran pre-
sión y temperatura, la cual puede ser aprovechada
para generar energía, mediante los reactores de fu-
sión, pero la tecnología necesaria para confinar el plas-
ma mediante campos magnéticos, y para alcanzar las
temperaturas del estado plasma, no es 100% fiable, y
esta aún en desarrollo.
Algunos ejemplos de plasmas son:
• Los producidos artificialmente: En el interior de
los tubos fluorescentes (iluminación de bajo con-
sumo).
En la materia expulsada para la propulsión de
cohetes.
En la región que rodea al escudo térmico de una
nave espacial durante su entrada en la atmósfera.
En el interior de los reactores de fusión.
En las descargas eléctricas de uso industrial.
• Plasmas terrestres:
El fuego
Los rayos durante una tormenta.
La ionosfera.
La aurora boreal.
• Plasmas espaciales y astrofísicos
Las estrellas (por ejemplo, el sol)
Los vientos solares.
El medio interplanetario (la materia entre los pla-
netas del sistema solar), el medio interestelar (la
materia entre las estrellas) y el medio intergaláctico
(la materia entre las galaxias).
Lasnebulosas intergalácticas.
163UNI SEMESTRAL 2013 - III QUÍMICA TEMA 31
QUÍMICA APLICADA
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SUPERCONDUCTORES
En 1911, el físico holandés H. Kamerlingh Onnes descubrió que
cuando el mercurio se enfría debajo de 42 K pierde su resisten-
cia al flujo de la corriente eléctrica. A partir de este descubri-
miento, los científicos han encontrado que muchas sustancias
presentan este flujo "sin fricción" de los electrones. Esta pro-
piedad se conoce como superconductividad. Las sustancias que
presentan superconductividad lo hacen solamente cuando se
enfrían por debajo de una temperatura determinada llamada
temperatura de transición superconductora, Tc.
Los valores observados de Tc generalmente son muy ba-
jos. Antes de la década de 1980 el valor más bajo de Tc
que se había observado era de alrededor de 23 K para un
compuesto de niobio-germanio.
En 1986, J.G, Bendnorz y K.A. Muller, trabajando en los labo-
ratorios de IBM, Suiza, descubrieron superconductividad arri-
ba de 30 K en un óxido cerámico que contiene lantano,
bario y cobre. Este material representa el primer producto
cerámico superconductor. Este descubrimiento les valió el
Premio Nóbel en 1987, y a la par desató una ola de investi-
gación sobre este tema. Antes de finalizar 1986 ya se había
observado superconductividad a 95 K un compuesto de
óxido de itrio-bario-cobre de composición aproximada
YBa2Cu3OX, en el cual x varía entre 6,5 y 7,2. Más reciente-
mente, se ha observado resistencia cero a temperaturas su-
periores a 125 K. Hay informes de umbrales de resistencia
cero a la temperatura ambiente o arriba de ella (alrededor
de 295 K), aunque estos informes no han sido confirmados.
El descubrimiento de la llamada superconductividad a tempe-
ratura elevada (TC elevada) es de gran importancia.
Al utilizar materiales que conducen la corriente eléctrica sin
resistencia se puede ahorrar una gran cantidad de energía
en muchas aplicaciones, incluyendo los generadores eléctri-
cos y los grandes motores eléctricos, y podrían llevar a la
producción de chips
de computadora más
pequeños y más rápi-
dos. Además, los ma-
teriales superconduc-
tores presentan una
propiedad llamada Efec-
to de Meissner, en el
cual excluyen de su vo-
lumen todos los cam-
pos magnéticos. Por esta razón los científicos podrían utilizar
estos materiales para diseñar trenes levitados magnéticamente.
Todas estas aplicaciones se han convertido en factibles sola-
mente después del descubrimiento de la superconductividad
a temperatura elevada, debido a que son excesivos los cos-
tos de mantenimiento a temperaturas sumamente bajas. El
único refrigerante fácilmente asequible a temperaturas por
debajo de los 77 K es el hielo líquido, con un costo de aproxi-
madamente $2,60 dólares el litro. No obstante para los ma-
teriales que experimentan la transición a la supercon-
ductividad a temperaturas superiores a 77 K, se puede utili-
zar el nitrógeno líquido, que cuesta solo unos $0,05 dólares
por litro. Un superconductor de TC alta de especial impor-
tancia, es el producto cerámico YBa2Cu3OX.
Los investigadores han descubierto que si se sustituye el Y
o el Ba por otros elementos relacionados solo se observa
un ligero efecto sobre la TC. De mayor importancia es el
contenido de cobre y oxígeno, dependiendo de las presio-
nes parciales de O2 en el momento en que el material se
quema. La estructura del YBa2Cu3O7 se muestra en la si-
guiente figura. Las líneas definen la celda unitaria.
Levitación de material superconductor.
Una de las aplicaciones más asociadas a la industria es
la antorcha de plasma, que es comparable a un sople-
te que alcanza temperaturas de 7000 grados y más, y
que puede cortar gruesas planchas de acero como si
fueran mantequilla. Las aplicaciones son fáciles de su-
poner: piezas de construcción, chapas para coches,
barcos, aviones y todo tipo de equipamiento de gran
tamaño. La precisión que llega a tener el corte de
estas antorchas ha permitido que se utilice común-
mente las cadenas de producción robotizadas para
montajes que requieren cortes muy exactos. Las an-
torchas de plasma se utilizan también para cambiar la
estructura interna de distintos materiales, mejorando
así su resistencia a presiones o temperaturas elevadas.
Ciertas mezclas de cerámicas con arenas, pasadas por
la antorcha de plasma pueden formar un material ro-
coso que llega a ser de 5 a 10 veces más resistente
que el hormigón.
El plasma también promete ser una solución interesante
a los residuos radiactivos de nuestras centrales nu-
cleares. En condiciones muy específicas, y todavía en
estudio, la exposición de material radiactivo al plasma
puede reducir en cierta medida su radiactividad.
Tal vez esta no sea la solución completa al problema
de los residuos, pero ya sería todo un logro reducir a
décadas o un par de siglos la vida media de los residuos
radiactivos que en principio iban a contaminar durante
miles de años.
Otra tecnología muy estudiada, pero bien guardada
en secreto por las grandes multinacionales es el plasma-
spray. Se trata de una forma de incrustar partículas
sobre la superficie de ciertos materiales (como pintando
con spray), afectando a la estructura molecular de dicha
superficie. Dijimos que la antorcha de plasma puede
cortar el acero como mantequilla; pues bien, una super-
ficie adecuadamente recubierta por plasma-spray es
capaz de soportar varios minutos de antorcha de plasma
sin ser cortada. Se trata de una resistencia inaudita.
Esto hace que por ejemplo, la turbina de un avión
recubierta de plasma-spray dure más años antes de
estropearse, o que cuchillas para segar los campos de
maíz, sean más resistentes y efectivas si están recu-
biertas.
Por último no puede pasar este tema sin mencionarse
la búsqueda del motor de fusión, que se basa comple-
tamente en las propiedades del plasma.
164UNI SEMESTRAL 2013 - III QUÍMICA
QUÍMICA APLICADA
TEMA 31
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Teorías sobre la super-
conductividad: Durante
los años 1960 los físicos es-
tadounidenses John Bar-
den, Leon Cooper y J. Ro-
bert Schieffer desarrolla-
ron una teoría que expli-
ca el tipo de supercon-
ductividad observada a
temperaturas bajas en los
metales y sustancias rela-
cionadas con ellos. La teo-
ría de BCS, como se de-
nomina, fue motivo para
que sus creadores recibie-
ran el Premio Nóbel de Física de 1972. La teoría considera
que a bajas temperaturas los electrones se mueven como
pares, lo que les permite escapar a las interacciones con
átomos de la estructura que originan la resistencia eléctri-
ca. Sin embargo, no queda claro, que la misma teoría expli-
ca que la superconductividad a altas temperaturas en los
materiales cerámicos como el YBa2Cu3OX. Aunque se han
propuesto muchas variantes de la teoría BCS, así como en-
foques completamente nuevos, no hay un modelo acepta-
do para la superconductividad a altas temperaturas y los
teóricos de todo el mundo continúan trabajando sobre el
problema. Los nuevos materiales cerámicos superconduc-
tores ofrecen grandes promesas, pero se necesita una amplia
investigación antes que se desarrollen aplicaciones en gran
escala. Hasta ahora ha resultado difícil moldear estos mate-
riales, por ejemplo, para formar cables ya que son quebra-
dizos. Aunque la ciencia ha hecho algunos progresos en su
área las densidades de corriente que ahora se pueden ob-
tener (esto es, la corriente que puede conducir un alam-
bre de cierta área en su sección transversal) no son sufi-
cientemente elevadas para muchas aplicaciones. Un pro-
blema relacionado es la tendencia los materiales cerámicos
a inter-actuar con el ambiente, particularmente con el agua
y el bióxido de carbono. Por ejemplo, la reacción del
YBa2Cu3O7 con el agua atmosférica libera O2 y forma Ba(OH)2,
y YBaCu3O5 y CuO. Debido a que estos materiales son tan
reactivos, se deben proteger de una prolongada exposi-
ción a la atmósfera. El descubrimiento de nuevos materiales
superconductores a altas temperaturas con propiedades
superiores y la fabricación de dispositivos útiles con los mate-
riales ya conocidos, sonobjeto de una activa investigación.
Aún así, los científicos estimas que los nuevos descubrimien-
tos no se traducirán en aplicaciones prácticas importantes
hasta dentro de algunos años.
Con el tiempo, no obstante, esta nueva clase de materiales
cerámicos puede convertirse en una parte de nuestra vida
diaria. Puede decirse que existen tres tipos de aplicaciones
de la superconductividad:
1. La producción de grandes campos magnéticos. Al decir
grandes nos referimos tanto a una gran intensidad del campo
magnético como al espacio en el cual se crea el campo.
2. La fabricación de cables de transmisión de energía. Aun-
que estos ya se manufacturan a partir de los supercon-
ductores convencionales (no de los nuevos superconduc-
tores cerámicos), actualmente no son competitivos co-
mercialmente con respecto a los cables aéreos normales,
a menos de que cubran una gran distancia (de cientos de
kilómetros). En los casos en que las líneas de transmisión
deben ser subterráneas, habría cierta ventaja económica
con la utilización de los cables super-conductores.
3. La fabricación de componentes de circuitos electróni-
cos. Estos dispositivos electrónicos fueron ideados ori-
ginalmente con la intención de utilizar la transición de
estado normal a estado superconductor como un inte-
rruptor, más resultaron decepcionantes con respecto a
los logros alcanzados por los transistores de películas
delgadas y se ha abandonado su uso en este aspecto.
Este panorama puede cambiar con el descubrimiento
de los nuevos materiales superconductores cerámicos.
 Moderno tren de Japón
 que levita por campo magnético
 producidos por
 corrientes superconductores.
Como sabemos en los últimos años el creciente volumen de
desechos nucleares plantea graves riesgos al medio am-
biente y la salud. Su reducción requerirá una administración
nacional que reduzca a un mínimo la producción de dese-
chos radiactivos y estipule su elaboración, transporte y eli-
minación en condiciones de seguridad.
Deberá fortalecer la cooperación internacional para asegu-
rarse que se traten, almacenes y eliminen los desechos nu-
cleares en una manera idónea desde el punto de vista am-
biental. El desecho radiactivo más peligroso es el de alto
TRATAMIENTO DE DESECHOS NUCLEARES
nivel (generado en el ciclo de combustible nuclear) y el
combustible nuclear agotado.
Las centrales nucleares de todo el mundo producen aproxi-
madamente unos 10 000 metros cúbicos por año. Esto
representa un 99% de todos los radionúclidos que se de-
ben eliminar. Este volumen va en aumento en medida que
entran en funcionamiento más centrales termonucleares y
se cierran otras instalaciones nucleares.
desechos de nivel bajo o intermedio, pero su volumen va
en aumento.
165UNI SEMESTRAL 2013 - III QUÍMICA TEMA 31
QUÍMICA APLICADA
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El riesgo es variable, 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 tra-
tado de adoptar medidas administrativas y técnicas para la
gestión de sus desechos nucleares. Muchos otros países
aún carecen de estos sistemas.
Existen algunas propuestas como:
• Los gobiernos deberán fomentar políticas y prácticas
concebidas para limitar la generación de desechos
radiactivos y proporcionar seguridad en cada etapa de
su utilización.
• Se transmitirá a los países en desarrollo la tecnología
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
radioactivas.
• Los países no exportarán desechos radiactivos a otros
países que prohíban esas importaciones y respetarán
las convenciones regionales sobre el medio ambiente
que traten de los desechos radioactivos.
La corrosión metálica es definida como el deterioro de un
material metálico a consecuencia de un ataque electroquí-
mico por su entorno. Siempre que la corrosión esté origina-
da por una reacción química (oxidación), la velocidad a la
que tiene lugar dependerá en alguna medida de la tempe-
ratura, 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 alteracio-
nes químicas de los metales a causa del aire, como la he-
rrumbre del hierro y el acero o la formación de pátina verde
en el cobre y sus aleaciones (bronce, latón). La corrosión
ocurre porque 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 superficie del metal, donde reacciona
para formar una capa de óxido. La formación de oxido no
siempre es dañina, tal es el caso del aluminio que forma una
capa transparente y densa de Al2O3 que actúa 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 (metales, cerámicas,
polímeros…) y todos los ambientes (medios acuosos, at-
mósfera, alta temperatura…).
Es un problema industrial importante, pues puede causar
accidentes (ruptura de una pieza) y, además, representa
un costo importante, 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 EE. UU.).
La utilización de los radionúclidos en las aplicaciones
médicas, la investigación e industria tiene actualmen-
te como resultado unos 200 000 metros cúbicos de
Los costos a nivel nacional para administrar y eliminar
los desechos radiactivos variarán según la tecnología
utilizada. Los estados deberán evaluar las consecuen-
cias ambientales y sanitarias de la eliminación de dese-
chos radioactivos y fomentar la investigación de méto-
dos para su tratamiento, elaboración y eliminación ra-
cional.
CORROSIÓN
A. Definiciones básicas
En primer lugar, hay que definir que la corrosión es
principalmente un fenómeno electroquímico. Una
corriente de electrones se establece cuando exis-
te 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
especie 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 existir un diferencial electroquímico; si sepa-
ramos una especie y su semirreacción se le deno-
minará semipar electroquímico, si juntamos ambos
semipares se formará un par electroquímico. Cada
semipar está asociado a un Potencial de Reduc-
ción. Aquel metal o especie química que exhiba un
potencial de reducción más positivo procederá
como una reducción y viceversa, aquel que exhiba
un potencial de reducción más negativo procede-
rá 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.
B. Una aproximación a la corrosión metálica
La corrosión de los metales es un fenómeno natu-
ral 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 origen
meteorítico) los metales están presentes en la Tie-
rra en forma de óxido, en los minerales (como la
bauxita si es aluminio, la hematina si es hierro, …).
166UNI SEMESTRAL 2013 - III QUÍMICA
QUÍMICA APLICADA
TEMA 31
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Corrosión generalizada
Desde la prehistoria,
toda la metalurgia
ha consistido en re-
ducir los óxidos en
bajos hornos, luego
en altos hornos, pa-
ra fabricar el me-tal.
La corrosión, de he-
cho, es el regreso
del metal a su es-
tructura natural, el
óxido. La corrosión
es unproceso elec-
troquímico en el cual
un metal reacciona con su ambiente para formar el
óxido u otro compuesto. La celda que causa este
proceso de la corrosión tiene tres componentes
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 corroído pasa al
electrolito como iones positivamente cargados,
generando los electrones que participan en la
reacción catódica. Por lo tanto, la corriente de la
corrosión entre el ánodo y el cátodo consiste en
los electrones que fluyen dentro del metal y de los
iones que fluyen dentro del electrolito.
Cuando se traba con
aleaciones (una alea-
ción puede tener
varios componentes)
expuestas a ambien-
tes corrosivos, la su-
perficie de un com-
ponente puede con-
vertirse en el ánodo
y la superficie de otro
componente en con-
tacto con ella puede convertirse en el cátodo. Ge-
neralmente, las pilas de corrosión serán mucho más
pequeñas y más numerosas, ocurriendo en diversos
puntos en la superficie del mismo componente. Los
ánodos y los cátodos pueden presentarse por las
diferencias en las fases constitutivas del metal mis-
mo, por las variaciones en los depósitos o las capas
superficiales en el metal, o por variaciones en el
electrolito.
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 corrosión es
influenciado considerablemente por la conductividad
eléctrica del electrolito.
El agua pura tiene conectividad eléctrica pobre y la
tasa de corrosión será mucho más baja que una
solución ácida de la alta conductividad.
La capacidad de los metales para resistir la corrosión
es dependiente de su posición en la llamada serie
electroquímica.
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, forman
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 Pn2+
Hidrógeno H+
Antimonio Sb3+
Cobre Cu2+
Plata Ag+
Oro Au3+
Debe recordarse, sin embargo, que el orden en
esta serie puede variar bajo condiciones corrosivas
especiales. Por esto último a menudo es más útil la
serie galvánica 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.
SERIE GALVÁNICA EN 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
Au
m
en
ta
 f
ac
ili
da
d 
pa
ra
 c
or
ro
er
se
EXTREMO PROTEGIDO (Catódico)
167UNI SEMESTRAL 2013 - III QUÍMICA TEMA 31
QUÍMICA APLICADA
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Un ejemplo de celda de corrosión es proporcionado
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 mientras
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 tamaño 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 pequeña. Por otra parte, un cátodo
grande juntado a un ánodo pequeño tiene el efecto
opuesto, con el ataque rápido del ánodo.
 
Cátodo Cobre
Ánodo Acero
Solución ácida
Fe2+
Flujo del
electrón
El hierro y el acero son
los materiales de cons-
trucción más comunes, y
sus características de co-
rrosión en aguas neutras
son importantes. Cuan-
do el acero se corroe, la
tasa de la corrosión es
gobernada generalmente por la reacción catódica
del proceso de corrosión, y el oxígeno es un factor
importante. En aguas neutras libres de oxígeno di-
suelto, la corrosión es generalmente insignificante.
La tasa de la corrosión aumenta en proporción con
la cantidad de oxígeno disponible para la difusión
del cátodo. La tasa de la corrosión tiende a au-
mentar también con el aumento de la temperatu-
ra. En aguas ácidas (pH < 4), la corrosión puede
ocurrir incluso sin la presencia del oxígeno.
La herrumbre es un óxido hidratado de fierro (III)
2 3 2Fe 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 comporta
como ánodo:
Fe(S)  Fe
2+ + 2e– Eoxid = 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 H2CO3 formado por disolución del CO2 existente
en la atmósfera.
O2 + 4H
+ + 4e–  2H2O Ered = 1,23 V
El circuito se completa por el movimiento de los iones
a través del agua sobre la superficie del fierro.
Esto explica la formación rápida de la herrumbre en
el agua salada, por su alta concentración de iones.
La reacción total es la suma de las dos semirreaciones.
2Fe(s) + O2(g) + 4H
+  2Fe2+ + 2H2O
Ecelda = 1,67 V
El Fe2+ es oxidado por el oxígeno del aire para formar
la herrumbre:
4Fe2+ + O2 + 4H2O  2Fe2O3(g) + 8H
+
Notar que en esta reacción se produce iones hidronio
que son necesarios para la reducción del oxígeno.
Ver la siguiente figura:
Cátodo Ánodo
Herrumbe
(Fe O )2 3
AIRE O2(g)
Fe2+ AGUA
e–
El fierro en contacto con el agua forma el ánodo,
donde se oxida a Fe2+. El hierro en contacto con el
oxígeno forma el cátodo, donde el oxígeno se re-
duce a agua, formándose la celda con una conti-
nua oxidación de Fe a Fe2+ y éste a Fe2O3.
C. Control de la corrosión
Básicamente to-
dos los métodos
que existen para
lograr controlar la
corrosión de los
materiales metáli-
cos, 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, disminuyen-
do el flujo de electrones entre los componentes
metálicos 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 tan-
to, la velocidad de corrosión.
168UNI SEMESTRAL 2013 - III QUÍMICA
QUÍMICA APLICADA
TEMA 31
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Esto no es practicable generalmente, pero dismi-
nuir el flujo de corriente en el componente elec-
trolítico de la celda de corrosión produciría el mis-
mo efecto, y esto si 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 zo-
nas anódicas y catódicas, la eliminación de alguno
de los componentes esenciales de la mencionada
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 camino más obvio para minimizar la corrosión
es cubrir la superficie metálica para protegerlo
del aire y de la humedad.
La corrosión puede inhibirse por varios métodos
tales como: la pintura, recubrimiento con otro
metal, deshumificación de la atmósfera o la pro-
tección catódica.El revestimiento con pintura de puentes y cons-
trucciones a menudo se hace con pintura roja a
base de Pb3O4, que aparentemente oxida la su-
perficie del fierro formando una capa continua
de oxido 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 arri-
ba en la Tabla de Potenciales de reducción se
oxida más fácilmente. El cinc se oxida a Zn(OH)2,
el cual reacciona con el CO2 de la atmósfera
formando una capa de Zn(OH)2 x ZnCO3, la cual
se adhiere fuertemente a la superficie, prote-
giendo al metal.
El Zn se convierte en ánodo y el Fe en cátodo.
(Ver la figura)
O + 4H + 2e
2H O
2
2
+ –
 Zn Zn + 2e2+ –
Zn2+
gota de
agua
O2(g)
Ánodo de Zinc Cátodo de Fe
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 pro-
tegen al Fe.
2. Cambiando el sentido de la corriente en la
pila de corrosión
Conectando eléctricamente, por ejemplo, el
acero con un metal más activo (cinc o magnesio)
podemos llegar a suprimir la corrosión del acero,
ya que dejará de actuar como ánodo y pasará a
comportarse como cátodo, dejando el papel de
ánodo al metal más activo (cinc o magnesio).
Este es el principio de la protección catódica. El
metal de oxidación más fácil se llama ánodo de
sacrificio. Aunque es una disolución gradual es
más fácil reemplazarlo. A menudo los ánodos se
conectan a intervalos determinados.
El método se aplica generalmente a tuberías o
tanques bajo tierra y en embarcaciones. Ver la
figura siguiente:
Tubería de Fe (Cátodo)
Ánodo de Magnesio
Mg Mg + + 2e
e
O + 2H O + 4e 4OH2 2
– –
Al conectar el Mg al Fe se producen el ánodo y
el cátodo de la celda electrolítica. El Mg actúa
como ánodo porque se oxida más fácilmente,
el Fe como cátodo donde el oxígeno se reduce
a iones OH-.
3. Polarización del mecanismo electroquímico
Esto se puede lograr bien eliminando el oxíge-
no disuelto, bien mediante la adición en el me-
dio agresivo de ciertas sustancias llamadas
inhibidores, las cuales pueden llegar a polarizar
uno de los electrodos de la pila de corrosión y
por lo tanto, llegar a detener o cuando menos
disminuir sus efectos.
En la práctica, lo anterior conlleva una modifica-
ción del entorno o medio ambiente, al cual está
expuesto el metal.
169UNI SEMESTRAL 2013 - III QUÍMICA TEMA 31
QUÍMICA APLICADA
Exigimos más!
Problema 1
Indique cuáles de las siguientes pro-
posiciones son correctas:
I. El plasma consiste en un gas de
partículas cargadas negativamente.
II. Los superconductores se caracte-
rizan por tener una resistencia eléc-
trica muy pequeña.
III. Las propiedades de los nanoma-
teriales son diferentes a las del mis-
mo material a escalas macroscópica.
UNI 2009 - I
Nivel fácil
A) Solo II
B) Solo III
C) I y II
D) II y III
E) I y III
Resolución:
I. Consiste en un gas con partículas
cargadas positivamente. (F)
II. Se caracterizan por poseer bajas
resistencia eléctricas ( O) a bajas
temperaturas. (V)
III. Aun no se logra realizar el escala-
miento, sin embargo, por ejem-
plo: los nanotubos.
Generalmente están constituidos
por carbono y tienen efectivamen-
te propiedades muy distintas. (V)
Respuesta: D) II y III
Problema 2
Dadas las siguientes proposiciones:
I. El vapor de agua es considerado
un gas de efecto invernadero.
II. La eutroficación es causada por el
exceso de fosfatos y nitratos en
las aguas.
III. El ozono es generado espontánea-
mente en la tropósfera.
Son correctas:
A) Solo I B) Solo II
C) Solo III D) I y II
E) II y III
Resolución:
Operación del Problema
I. Verdadero
El CO2, el vapor de agua son con-
siderados gases de efecto inver-
nadero.
II. Verdadero
El incremento de sustancias
Fosfatos  -34PO
Nitratos  –3NO
En el agua se genera la Eutroficación.
III. Falso
El ozono en la troposfera es gene-
rado por el hombre en forma no
espontánea.
Respuesta: D) I y II
Problema 3
El Perú está siendo afectado sensi-
blemente por el calentamiento global,
existiendo algunos indicadores que
prueban este hecho, entre los cuales
podemos mencionar:
I. La fusión de los glaciares.
II. La formación de la Corriente del Niño.
III. Formación del smog fotoquímico en
las ciudades.
Son correctas:
A) Solo I
B) Solo II
C) Solo III
D) I y III
E) I, II y III
Resolución:
Ubicación de incógnita
I. (Verdadero)
Esto se comprueba por los des-
hielos que se están observando por
ejemplo en pastoruri.
II. (Falso)
El fenómeno de la corriente del
niño siempre a ocurrido.
III. (Falso)
El smog fotoquímico se origina por
la elevada concentración de gases
contaminantes de la atmósfera. Co-
mo el NOX, CO2, O3, etc. Esto se
observa más en ciudades de ma-
yor industrialización.
Respuesta: A) Solo I
problemas resueltos