Composición Química de Materiales Industriales y Reacciones Fundamentales

I. Composición Química de Diversas Sustancias

A continuación, se detallan los componentes químicos principales de varios materiales de interés industrial y natural:

1. Caliche

• Nitrato de sodio y potasio (salitre potásico, $\text{KNO}_3$, y salitre sódico, $\text{NaNO}_3$).
• Sulfato de sodio y magnesio.
• Cloruro de sodio.
• Yodato de sodio y yodatos.

2. Salar de Atacama

• Cloruro y sulfato de potasio.
• Sales de litio.
• Bórax o borato de sodio.

3. Vidrio

• Dióxido de silicio ($\text{SiO}_2$) con adiciones, como óxido bórico ($\text{B}_2\text{O}_3$) en el caso del Pirex.

4. Cemento

• Óxido de calcio ($\text{CaO}$).
• Óxidos de silicio ($\text{SiO}_2$), hierro ($\text{Fe}_2\text{O}_3$), aluminio ($\text{Al}_2\text{O}_3$) y manganeso ($\text{MnO}_2$).

5. Proceso de Obtención de la Celulosa

Los reactivos utilizados varían según el método:

• Método Kraft: Sulfuro sódico ($\text{Na}_2\text{S}$), hidróxido de sodio ($\text{NaOH}$) y sulfato sódico ($\text{Na}_2\text{SO}_4$).
• Método Sosa: Hidróxido de sodio ($\text{NaOH}$).
• Método Sulfito: Solución de bisulfito cálcico ($\text{Ca}(\text{HSO}_3)_2$) y dióxido de azufre ($\text{SO}_2$).

II. Ecuaciones Químicas Fundamentales

1. Obtención de Ácido Sulfúrico ($\text{H}_2\text{SO}_4$)

Proceso en Cámaras de Plomo (Proceso Antiguo)

Reacciones clave:

1. $\text{SO}_2 + \text{NO}_2 \rightarrow \text{NO} + \text{SO}_3$
2. $\text{SO}_3 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{H}_2\text{SO}_4$ (Ácido de Glover)
3. $\text{NO} + \text{NO}_2 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\text{HNO}_2$
4. $\text{HNO}_2 + \text{H}_2\text{SO}_3 \rightarrow \text{H}_2\text{SO}_4$ (Ácido de Cámara)

Proceso por Contacto (Método Moderno)

Reacciones clave:

1. $2\text{SO}_2 + \text{O}_2 + \text{catalizador} \rightleftharpoons 2\text{SO}_3$
2. $\text{SO}_3 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{H}_2\text{SO}_4$

2. Funcionamiento de la Pila de Litio-Yodo

Notación de celda: $\text{Li} / \text{Li}^+ \parallel 2\text{I}^- / \text{I}_2$

• Cátodo (Reducción): $\text{I}_2 + 2e^- \rightarrow 2\text{I}^-$
• Ánodo (Oxidación): $\text{Li} \rightarrow \text{Li}^+ + 1e^-$

3. Electro refinación de Oro ($\text{Au}$), Aluminio ($\text{Al}$), Plata ($\text{Ag}$)

En la electro refinación, las reacciones en el ánodo son la oxidación de los metales impuros, y en el cátodo, la reducción de los iones metálicos puros.

Reacciones en el Cátodo (Reducción)

• $\text{Au}^{3+} + 3e^- \rightarrow \text{Au}$
• $\text{Ag}^+ + 1e^- \rightarrow \text{Ag}$
• $\text{Al}^{3+} + 3e^- \rightarrow \text{Al}$

Reacciones en el Ánodo (Oxidación)

• $\text{Au} \rightarrow \text{Au}^{3+} + 3e^-$
• $\text{Ag} \rightarrow \text{Ag}^+ + 1e^-$
• $\text{Al} \rightarrow \text{Al}^{3+} + 3e^-$

4. Obtención del Yodo

El yodo se obtiene a partir de yoduros presentes en el agua de mar y las algas, o de los yodatos presentes en el caliche chileno.

A. Oxidación con Cloro (a partir de yoduros)

Reacción principal:

$$2\text{I}^- + \text{Cl}_2 \rightarrow \text{I}_2 + 2\text{Cl}^-$$

El yodo ($\text{I}_2$) se obtiene posteriormente por filtración.

B. Reacción de Yodatos con Yoduros (a partir de nitratos de Chile)

Se utiliza una parte de los yodatos para generar yoduros, los cuales reaccionan con el resto de los yodatos:

$$\text{IO}_3^- + 5\text{I}^- + 6\text{H}^+ \rightarrow 3\text{I}_2 + 3\text{H}_2\text{O}$$

5. Obtención de Amoníaco: Proceso de Haber-Bosch

Reacción directa entre el nitrógeno y el hidrógeno gaseoso:

$$\text{N}_{2(g)} + 3\text{H}_{2(g)} \rightleftharpoons 2\text{NH}_{3(g)} \quad \Delta H^{\circ}= - 46,2 \text{ kJ/mol} \quad \Delta S^{\circ} < 0$$

Condiciones de Reacción: La reacción se acelera con un catalizador de hierro y se realiza a 200 atmósferas de presión y $500^{\circ}\text{C}$.

6. Obtención del Nitrato Sintético (Proceso de Ostwald)

Este proceso se basa en la oxidación catalítica del amoníaco obtenido previamente:

1. $\text{N}_2 + 3\text{H}_2 \rightleftharpoons 2\text{NH}_3$ (Haber-Bosch)
2. $4\text{NH}_3 + 5\text{O}_2 \rightarrow 4\text{NO} + 6\text{H}_2\text{O}$ (Se quema el $\text{NH}_3$ para formar $\text{NO}$)
3. $2\text{NO} + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{NO}_2$
4. $3\text{NO}_2 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\text{HNO}_3 + \text{NO}$ (Formación de $\text{HNO}_3$ - Proceso de Ostwald)

7. Obtención de Aluminio a partir de Bauxitas

La bauxita hidratada ($\text{Al}_2\text{O}_3 \cdot 3\text{H}_2\text{O}$) reacciona con hidróxido de sodio ($\text{NaOH}$) en el proceso Bayer:

$$\text{Al}_2\text{O}_3 \cdot 3\text{H}_2\text{O} + 2\text{NaOH} \rightarrow 2\text{NaAlO}_2 + 4\text{H}_2\text{O}$$