Guía didáctica completa de la asignatura

UNIVERSIDAD CENTROCCIDENTAL “LISANDRO ALVARADO” DECANATO DE CIENCIAS Y TECNOLOGÍA DIRECCIÓN PROGRAMA INGENIERÍA DE PRODUCCIÓN

INGENIERÍA DE PRODUCCIÓN

Tema 1. Estado Gaseoso

Prof. José Luis Márquez

QUÍMICA INDUSTRIAL

TEMA 1. ESTADO GASEOS ESTADO GASEOSO LEYES QUE RIGEN EL COMPORTAMIENTO DE LOS GASES GASES IDEALES GASES

REALES: ECUACIÓN

DE

VAN DER WAALS,

FACTOR DE COMPRESIBILIDAD ESTEQUIOMETRÍA EN REACCIONES QUE OCURREN EN FASE GASEOSA. EQUILIBRIO QUÍMICO EN FASE GASEOSA TEORÍA CINÉTICO-MOLECULAR DE LOS GASES EFUSIÓN Y DIFUSIÓN DE LOS GASES LEY DE GRAHAM

ESTADO GASEOSO. En ciertas condiciones de presión y temperatura es posible que la mayoría de las sustancias existan en algunos de los tres estados de la materia: sólido, líquido o gaseoso. Por ejemplo, el agua puede estar en estado sólido como hielo, en estado líquido como agua o en estado gaseoso como vapor. Las propiedades físicas de una sustancia dependen a menudo de su estado.

Los gases, son en diversos aspectos mucho más sencillos que los líquidos y los sólidos. El movimiento molecular de los gases resulta totalmente aleatorio, y las fuerzas de atracción entre sus moléculas son tan pequeñas que cada una se mueve en forma libre y fundamentalmente independiente de las otras. Sujetos a cambios de temperatura y presión, los gases se comportan en forma más previsible que los sólidos y los líquidos. Las leyes que norman este comportamiento han desempeñado una importante función en el desarrollo de la teoría atómica de la materia y la teoría cinética molecular de los gases.

Uno de los estados de agregación de la materia es el gaseoso. A las sustancias que se encuentran en este estado se les da el nombre de gases.

CARACTERÍSTICAS DE LOS GASES. • Expansibilidad • Compresibilidad • Densidad • Difusibilidad • Miscibilidad

QUÍMICA INDUSTRIAL

OTROS CONCEPTOS Presión de un gas: Los gases ejercen presión sobre cualquier superficie con la que entren en contacto, ya que las moléculas gaseosas se hallan en constante movimiento.

Presión atmosférica: La presión atmosférica, como lo indica su nombre, es la presión que ejerce la atmósfera de la tierra.

Presión Crítica (PC): Es una característica de cualquier sustancia, que define el campo en el que ésta puede transformarse en vapor en presencia del líquido correspondiente.

Temperatura Crítica (TC): Es la temperatura límite por encima de la cual un gas miscible no puede ser licuado por compresión.

Atmósfera: Está constituida por varios gases que varían en cantidad según la presión a diversas alturas.

Licuefacción: Es el cambio de estado que ocurre cuando una sustancia pasa del estado gaseosa al líquido, por el aumento de presión y la disminución de la temperatura, llegando a una sobrepresión elevada, hecho que diferencia a la licuefacción de la condensación.

QUÍMICA INDUSTRIAL

LEYES DE LOS GASES Las leyes de los gases son producto de incontables experimentos que se realizaron sobre las propiedades físicas de los gases durante varios siglos. Cada una de las generalizaciones en cuanto al comportamiento macroscópico de las sustancias gaseosas representa una etapa importante en la historia de la ciencia. En con junto, tales generalizaciones han tenido un papel muy destacado en el desarrollo de muchas ideas dela química.

• Relación presión-volumen: ley de Boyle.

En el siglo XVII, Robert Boyle estudió en forma sistemática y cuantitativa el comportamiento de los gases. Boyle analizó la relación que existe entre la presión y el volumen de una muestra de un gas. A medida que la presión aumenta, el volumen ocupado por el gas disminuye. Por lo contrario, si la presión aplicada disminuye, el volumen ocupado por el gas aumenta. Esta relación se conoce como la ley de Boyle, según la cual la presión de una cantidad fija de un gas a temperatura constante es inversamente proporcional al volumen de un gas.

Aunque los valores individuales de presión y volumen pueden variar mucho para una muestra dada de un gas, siempre que la temperatura permanezca constante y la cantidad de gas no cambie, P multiplicada por V siempre será igual a la misma constante. Por consiguiente, para una muestra de un gas bajo 2 conjuntos de condiciones distintas a temperatura constante, tenemos: P1V1 = P2V2 donde V1 y V2 son los volúmenes sometidos a las presiones P1 y P2, respectivamente.

Relación temperatura-volumen: ley de Charles y de Gay-Lussac: ¿Cómo afectará el cambio de la temperatura al volumen y la presión de un gas? Veamos por principio de cuentas el efecto de la temperatura sobre el volumen de un gas. Los primeros investigadores que estudiaron esta relación fueron los científicos franceses Jacques Charles y Joseph Gay-Lussac. Sus estudios demostraron que, a una presión constante, el volumen de una muestra de gas se expande cuando se calienta y se contrae al enfriarse.

La ecuación se conoce como ley de Charles y de GayLussac, o simplemente ley de Charles, la cual establece que el volumen de una cantidad fija de gas mantenido a presión constante es directamente proporcional a la temperatura absoluta del gas. podemos comparar 2 condiciones de volumen-temperatura para una muestra dada de un gas a presión constante, podemos escribir: V1/T1 = V2/T2 donde V1 y V2 son los volúmenes de los gases a temperatura T1 y T2(ambas en kelvins), respectivamente.

Relación entre el volumen y cantidad: ley de Avogadro: El trabajo del científico italiano Amedeo Avogadro complementó los estudios de Boyle, Charles y Gay-Lussac. En 1811 publicó una hipótesis en donde estableció que a la misma temperatura y presión, volúmenes iguales de diferentes gases contienen el mismo número de moléculas. De ahí que el volumen de cualquier gas debe ser proporcional al número de moles de moléculas presentes, es decir: V1/n1 = V2/n2 donde n1 y n2 representa el número de moles.

Gases Ideales Podemos combinar las 3 expresiones explicadas anteriormente a una sola ecuación maestra para el comportamiento de los gases: PV = nRT donde R, la constante de proporcionalidad, se denomina constante de los gases. La ecuación es conocida como ecuación del gas ideal, explica la relación entre las 4 variables P, V, T y n. un gas ideal es un gas hipotético cuyo comportamiento de presión, volumen y temperatura se puede describir completamente con la ecuación del gas ideal.

Antes que apliquemos la ecuación del gas ideal a un sistema real debemos calcular R, la constante de los gases. A 0°C (273,15 K) y 1 atm depresión, muchos gases reales se comportan como un gas ideal. En los experimentos se demuestra que en esas condiciones, 1 mol de un gas ideal ocupa un volumen de 22.4 L. las condiciones de 0°C y 1 atm se denominan temperatura y presión estándar, y a menudo se abrevian TPE. Con base en la ecuación del gas ideal podemos escribir: R= 0.0821 atm.L/mol.K Los puntos entre L y atm, y entre K y mol, recuerdan que tanto L como atm están en el numerador, y que K y mol están en el denominador y utilizaremos 22.4 L parar el volumen molar de un gas a TPE.

Densidad de Gas

Masa molar de un Gas De lo que se ha dicho hasta aquí, quizá tenga la impresión de que la masa molar de una sustancia se encuentra examinando su fórmula y al sumar las masas molares de los átomos que la componen. Sin embargo, este procedimiento solo funciona si se conoce la formula real de la sustancia. En la práctica, los químicos con frecuencia trabajan con sustancias de composición desconocida o solo parcialmente definida. No obstante, si la sustancia desconocida es un gas, se puede encontrar su masa molar gracias a la ecuación del gas ideal. Todo lo que se necesita es determinar el valor experimental de la densidad (o los datos de masa y volumen) del gas a una presión y temperatura conocidas. Así obtenemos:

GASES REALES Los gases reales no se expanden infinitamente, sino que llegaría un momento en el que no ocuparía más volumen

Esto se debe a que entre sus átomos/moléculas se establecen unas fuerzas bastantes pequeñas, debido a los cambios aleatorios de sus cargas electrostáticas, a las que se llama fuerzas de Van Der Waals.

Ecuación de Van Der Waals para un gas real

Factor de compresibilidad El factor de compresibilidad z, es un factor de corrección, que se introduce en la ecuación de gas ideal para modelar el comportamiento de los gases reales, los cuales se pueden comportar como gases ideales para condiciones de baja presión y alta temperatura, tomando como referencia los valores del punto crítico, es decir, si la temperatura es mucho más alta que la del punto crítico, el gas puede tomarse como ideal, y si la presión es mucho más baja que la del punto crítico el gas también se puede tomar como ideal.

Remitiéndonos a la sección de gases ideales tenemos: PV = nRT Introduciendo el factor de corrección Z: PV = ZnRT

Significado del valor Z. Si el valor Z es menos o igual a 5 esto indica que el gas se comporta como ideal, si el valor de Z es mayor que 5, el gas se comporta como un gas real.

Los gases se comportan de forma similar a temperaturas y presiones normalizadas respecto a sus temperaturas y presiones crĂ­ticas. Es decir, Z es aproximadamente igual a la misma presiĂłn y temperatura reducida para todos los gases.

PresiĂłn reducida= P/PC Temperatura reducida = T/TC

ESTEQUIOMETRÍA EN REACCIONES QUE OCURREN EN FASE GASEOSA. Cuando intervienen gases en las reacciones químicas, los datos y los resultados suelen expresarse en volumen de gas, en unas condiciones determinadas de presión y temperatura.

Cuando en una reacción química todas las sustancias que intervienen son gases, en la misma condición de presión y temperatura, los coeficientes estequiométricos también indican la relación de volúmenes entre las sustancias que reaccionan. Esto es debido a que, de acuerdo con la ley de Avogadro, un mol de un gas ocupa el mismo volumen que un mol de otro gas, en las mismas condiciones de presión y temperatura: hay el mismo número de partículas en ambos casos.

EQUILIBRIO QUÍMICO EN FASE GASEOSA. Es el estado al que se llega al final de cualquier sistema químico. La expresión matemática que representa al equilibrio químico, se conoce como ley de acción de masas y se enuncia como: la relación del producto de las actividades (actividad igual a concentración en soluciones diluidas) elevadas los coeficientes estequiométricos en la reacción de productos y reactivos permanece constante al equilibrio. Para cualquier reacción: aA + bB  cC + Dd Factores que influyen en la reacción.

Concentración Presión Temperatura

TEORÍA CINÉTICA MOLECULAR DE LOS GASES. Las leyes de los gases ayudan a predecir el comportamiento de los gases, pero no explican lo que sucede a nivel molecular y que ocasiona los cambios que observamos en el mundo macroscópico.

Por ejemplo, ¿Por qué un gas se expande al calentarlo?

Los descubrimientos de Maxwell, Boltzmann y otros produjeron numerosas generalizaciones acerca del comportamiento de los gases que desde entonces se conocen como la teoría cinética molecular de los gases, o simplemente la teoría cinética de los gases. Dicha teoría se centra en las siguientes suposiciones: 1. Un gas está compuesto de moléculas que están separadas por distancias mucho mayores que sus propias dimensiones. Las moléculas pueden considerarse como “puntos”, es decir, poseen masa pero tienen un volumen insignificante.

2. Las moléculas de los gases están en continuo movimiento en dirección aleatoria y con frecuencia chocan unas contra otras. Las colisiones entre las moléculas son perfectamente elásticas, o sea, la energía se transfiere de una molécula a otra por efecto de las colisiones. Sin embargo, la energía total de todas las moléculas en un sistema permanece inalterada.

3. Las moléculas de los gases no ejercen entre í fuerzas de atracción o de repulsión.

4. La energía cinética promedio de las moléculas es proporcional a la temperatura del gas en kelvins.

DIFUSIÓN Y EFUSIÓN DE LOS GASES. • Difusión de los gases.

La difusión, es decir, la mezcla gradual de las moléculas de un gas con moléculas de otro gas, en virtud de sus propiedades cinéticas, constituye una demostración hacia la derecha del movimiento aleatorio de los gases. A pesar de que las velocidades moleculares son muy grandes, el proceso de difusión toma un tiempo relativamente grande para completarse.

• Efusión de los gases.

Si bien la difusión es un proceso mediante el cual un gas se mezcla gradualmente con otro, la efusión es el proceso mediante el cual un gas bajo presión se escapa de un compartimiento de un contenedor a otro atravesando por un pequeño orificio.

LEY DE GRAHAM. En 1832, el químico escoces Thomas Graham encontró que bajo las mismas condiciones de temperatura y presión, las velocidades de difusión de los gases son inversamente proporcionales a las raíces cuadradas de sus masa molares. Este precepto, conocido como la ley de Graham, se expresa matemáticamente como:

Bibliografías 

Chang, Raymond College, Williams (2007). Química. Editorial Mc Graw Hill Interamericana Editores SA. México. 9 edición.



Edición. Pearson Educación. México.



http://www.ejemplode.com/38-quimica/3374caracteristicas_de_los_gases.html



http://es.slideshare.net/mnlecaro/caractersticas-de-los-gases35308117



http://www.fullquimica.com/2011/10/gas-real.html



http://unefa-termodinamica.blogspot.com/2009/06/factor-decompresibilidad-z.html

Prof. José Luis Márquez

UNIVERSIDAD CENTROCCIDENTAL “LISANDRO ALVARADO” DECANATO DE CIENCIAS Y TECNOLOGÍA DIRECCIÓN PROGRAMA INGENIERÍA DE PRODUCCIÓN

INGENIERÍA DE PRODUCCIÓN

Tema 2. Estado sólido.

Prof. José Luis Márquez

QUÍMICA INDUSTRIAL

Estado Sรณlido Propiedades de los sรณlidos Leyes que rigen el comportamiento de los sรณlidos Estructura cristalina a escala atรณmica y molecular Sistemas de cristalizaciรณn

Estado Sólido Se le denomina como sólidos a todas las sustancias cuyas moléculas se encuentran unidas estrechamente entre sí, gracias a la fuerza de cohesión, en donde los espacios entre las moléculas son muy reducidos lo que impida que exista movimiento entre ellas (como es el caso de los líquidos y los gases).

En el estado sólido las partículas solamente pueden moverse vibrando u oscilando alrededor de posiciones fijas, pero no pueden moverse trasladándose libremente a lo largo del sólido.

Las partículas en el estado sólido propiamente dicho, se disponen de forma ordenada, con una regularidad espacial geométrica, que da lugar a diversas estructuras cristalinas.

Al aumentar la temperatura aumenta la vibración de las partículas.

Por otro lado, se sabe que aumentan su volumen cuando se calientan y lo disminuyen cuando se enfrían; estos fenómenos se conocen como dilatación y contracción, respectivamente.

Principalmente los sólidos presentan las siguientes características: Tienen un volumen y posiciones fijas.

Su densidad es alta.

Es virtualmente incompresible.

El movimiento de moléculas vibran en torno a formas definidas.

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Propiedades de los sólidos ELASTICIDAD: Un sólido recupera su forma original cuando es deformado. Un resorte es un objeto en que podemos observar esta propiedad ya que vuelve a su forma original.

FRAGILIDAD: Un sólido puede romperse en muchos fragmentos (quebradizo).

DUREZA: Hay solidos que no pueden ser rayados por otros más blandos. El diamante es un sólido con dureza elevada.

ALTA DENSIDAD: Los sólidos tienen densidades relativamente altas debido a la cercanía de sus moléculas por eso se dice que son más “pesados”.

FLOTACION: Algunos sólidos cumplen con esta propiedad, solo si su densidad es menor a la del líquido en el cual se coloca.

INERCIA: Es la dificultad o resistencia que opone un sistema físico o un sistema social a posibles cambios, en el caso de los sólidos pone resistencia a cambiar su estado de reposo.

TENACIDAD: En ciencia de los materiales la tenacidad es la resistencia que opone un material a que se propaguen fisuras o grietas.

MALEABILIDAD: Es la propiedad de la materia, que presentan los cuerpos a ser labrados por deformación. La maleabilidad permite la obtención de delgadas láminas de material sin que éste se rompa, teniendo en común que no existe ningún método para cuantificarlas.

DUCTILIDAD: La ductilidad se refiere a la propiedad de los sólidos de poder obtener hilos de ellas.

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Propiedades químicas PUNTO DE FUSION: El punto de fusión de un sólido (que es el mismo que el punto de congelación de un líquido) es la temperatura a la que la velocidad de fusión de un sólido es la misma que la velocidad de congelación de un líquido bajo una presión determinada. Es decir, la temperatura a la que el sólido y el líquido están en equilibrio.

El punto de fusión normal de una sustancia es su punto de fusión a una atmosfera de presión. Las variaciones de los puntos de fusión y ebullición de las sustancias suelen ser paralelas, ya que son similares las fuerzas intermoleculares de las que dependen. Para el agua solida (hielo) el punto de fusión normal es 0ºC. SUBLIMACION DE SOLIDOS: La sublimación es el procedimiento que se basa en modificar el estado sólido de un material por el de estado gaseoso, sin necesidad de llevarlo hacia el estado líquido.

TRANSFERENCIA DE CALOR ENTRE SOLIDOS: La transferencia de calor es el paso de energía térmica desde un cuerpo más caliente a otro más frio. Cuando un cuerpo está a una temperatura diferente de la de su entorno, la transferencia de calor ocurre de tal manera que el cuerpo y su entorno alcancen equilibrio térmico.

EL CALOR DE SOLIDIFICACION: Es igual en magnitud al calor de fusión.

Representa la cantidad de calor que debe eliminarse de una cantidad dada de líquido en su punto de congelación para que solidifique.

Leyes que rigen el comportamiento de los sólidos Las fuerzas intermoleculares : son fuerzas de atracción entre las moléculas. Estas fuerzas son las responsables del comportamiento no ideal de los gases, ejercen aún más influencia en las fases condensadas de la materia, es decir, en los líquidos y los solidos.

A medida que baja la temperatura de un gas disminuye la energía cinética promedio de sus moléculas. Así, a una temperatura suficientemente baja, las moléculas ya no tienen la energía necesaria para liberase de la atracción de las moléculas vecinas. En este momento las moléculas se agregan y forman pequeñas gotas de líquidos. En esta transición de la fase gaseosa a la fase liquida se conoce como condensación.

A diferencia de las fuerzas intermoleculares, las fuerzas intramoleculares mantienen juntos a los átomos de una molécula.

Estas fuerzas estabilizan a las moléculas individuales, en tanto que las fuerzas intermoleculares son las principales responsables de las propiedades macroscópicas de la materia ( por ejemplo el punto de fusión y punto de ebullición).

Las fuerzas intermoleculares suelen ser más débiles que las intramoleculares; por ello, se necesita menos energía para un liquido que para romper los enlaces de sus moléculas

Para comprender las propiedades de la materia condesada es necesario entender los diferentes tipos de fuerzas intermoleculares.

Las fuerzas dipolo-dipolo, dipolo-dipolo inducido y las fuerzas de dispersión integran lo que los químicos denominaban fuerzas de van der Waals, nombradas así en reconocimiento al físico holandés Johannes van der Waals.

Los iones y dipolos se atraen entre si mediante fuerzas electrostáticas conocidas como fuerzas ion-dipolo particularmente fuerte. Dado que sólo unos pocos elementos participan en la formación del puente de hidrogeno, este se trata como una categoría aparte.

Fuerzas dipolo-dipolo Son las fuerzas de atracción entre moléculas polares, es decir, entre moléculas que poseen momentos dipolares. Su origen es electrostático y se pueden entender en función de la ley de Coulomb. 

Las moléculas que tienen un momento dipolo permanente tiende a alinearse con las polaridades opuestas en la fase sólida para lograr la atracción máxima.

Fuerzas ion-dipolo La ley de coulomb también explica las fuerzas ion-dipolo, las cuales atraen entre si a un ion ya sea un catión o un anión ) y a una molécula polar. La intensidad de esta interacción depende de la carga y tamaño del ion así como de la magnitud del momento dipolo y del tamaño de la molécula.

Las cargas en los cationes están más concentradas porque estos iones suelen ser mas pequeños que los aniones. En consecuencia, con una carga de igual magnitud, un catión experimenta una interacción mas fuertes con los dipolos que un anión.

Fuerzas de dispersión Si un ion o una molécula polar se acerca a un átomo (o una molécula no polar), la distribución electrónica del átomo (o molécula) se distorsiona por la fuerza que ejerce el ion o la molécula polar, dando lugar a una clase de dipolo.

Se dice que el dipolo del átomo (o molécula no polar) es un dipolo inducido porque la separación de sus cargas positivas y negativa se debe a la proximidad de un ion o una molécula polar.

La interacción de atracción entre un ion y el dipolo inducido se conoce como interacción ion-dipolo inducido, en tanto que la atracción entre una molécula polar y el dipolo inducido se conoce como interacción dipolo-dipolo inducido.

La probabilidad de inducir un momento dipolo depende no solo de la carga del dipolo, sino también del grado de polarización del átomo o molécula, es decir, de que tan fácil se distorsione la distribución electrónica del átomo (o molécula).

El punto importante es que este tipo de interacción produce fuerzas de dispersión, es decir , fuerzas de atracción que se generan por los dipolos temporales inducidos en los átomos o moléculas.

Estructura cristalina a escala atómica y molecular Los sólidos se dividen en dos categorías: cristalinos y amorfos. El hielo es un sólido cristalino que posee un ordenamiento estricto y regular, es decir, sus átomos, moléculas o iones ocupan posiciones específicas. Gracias a la distribución de estas partículas en el sólido cristalino, las fuerzas netas de atracción intermolecular son máximas. Las fuerzas que mantienen la estabilidad de un cristal pueden ser iónicas, covalente, de Van der Waals, de puentes de hidrogeno o una combinación de todas ellas. Un sólido amorfo, como el vidrio, carece de un ordenamiento bien definido y de un orden molecular repetido.

Una celda unitaria es la unidad estructural básica que se repite en un sólido cristalino. Cada esfera representa un átomo, ion o molécula y se denomina punto reticular. En muchos cristales este punto en realidad no contiene tal partícula; en su lugar, puede haber varios átomos, iones o moléculas distribuidos en forma idéntica alrededor de cada punto reticular. Sin embargo, para simplificar, se supone que cada punto reticular está ocupado por un solo átomo. Este es el caso para la mayoría de los metales. Cada solido se representa con uno de los siete tipos de celdas unitarias.

La geometría de la celda unitaria cúbica es particularmente simple porque todos los lados y ángulos son iguales .

Las celdas unitarias al reproducirlas al espacio tridimensional, forman una estructura reticular característica de un sólido cristalino.

La estructura cristalina es la forma sólida de cómo se ordenan y empaquetan los átomos, moléculas, o iones. Estos son empaquetados de manera ordenada y con patrones de repetición que se extienden en las tres dimensiones del espacio.

Los átomos que pertenecen a un sólido cristalino se pueden representar situándolos en una red tridimensional, que se denomina retículo espacial o cristalino.

Los sietes tipos de celdas unitarias 

Cubica Simple: Las sustancias que cristalizan bajo este sistema forman cristales de forma cúbica, los cuales se pueden definir como cuerpos en el espacio que manifiestan tres ejes en ángulo recto, con “segmentos”, “látices”, o “aristas” de igual magnitud, que forman seis caras o lados del cubo. A esta familia pertenecen los cristales de oro, plata, diamante, cloruro de sodio  Tetragonal : Estos cristales forman cuerpos con tres ejes en el espacio en ángulo recto, con dos de sus segmentos de igual magnitud, hexaedros con cuatro caras iguales, representados por los cristales de óxido de estaño.  Ortorrómbica: Presentan tres ejes en ángulo recto pero ninguno de sus lados o segmentos son iguales, formando hexaedros con tres pares de caras iguales pero diferentes entre par y par, representados por los cristales de azufre, nitrato de potasio, sulfato de bario, entre otras.  Romboédrica: Presentan tres ejes de similar ángulo entre sí, pero ninguno es recto, y segmentos iguales, como son los cristales de arsénico, bismuto y carbonato de calcio y mármol.

 Monoclínica: Presentan tres ejes en el espacio, pero sólo dos en ángulo recto, con ningún segmento igual, como es el caso del bórax y de la sacarosa.  Triclínica: Presentan tres ejes en el espacio, ninguno en ángulo recto, con ningún segmento igual, formando cristales ahusados como agujas, como es el caso de la cafeína.  Hexagonal: Presentan cuatro ejes en el espacio, tres de los cuales son coplanares en ángulo de 60°, formando un hexágono bencénico y el cuarto en ángulo recto, como son los cristales de zinc, cuarzo, magnesio, cadmio.

Sistema de cristalización La estructura y propiedades de los cristales, como punto de fusión, densidad y dureza, están determinadas por el tipo de fuerzas que mantienen unidas a las partículas. Cualquier cristal se puede clasificar en uno de los siguientes tipos: 

Cristales Iónicos: Tienen dos características importantes, están formados de especies cargadas, y los aniones y cationes suelen ser de distintos tamaño. El conocimiento del radio de los iones ayuda a comprender la estructura y estabilidad de estos compuestos. No es posible medir el radio de un ion individual, pero en ocasiones es posible obtener un estimado razonable de esta propiedad.

La mayor parte de los cristales iónicos tienen punto de ebullición elevados, lo cual refleja la gran fuerza de cohesión que mantienes juntos a los iones. Su estabilidad depende en parte de la energía reticular, cuanto mayor sea esta energía, mas estable es el compuesto.

 Cristales Covalentes:

Los átomos de los cristales covalentes se mantienen unidos en una red tridimensional únicamente por enlaces covalentes.

El diamante y el grafito, son ejemplos bien conocidos.

 Los en laces covalentes fuertes en tres dimensiones constituyen a la dureza particular del diamante (es el material mas duro que se conoce).

 El cuarzo es otro tipo de cristal covalente. La distribución de los átomos de silicio en el cuarzo es semejante a la del carbono en el diamante, pero en el cuarzo hay un átomo de oxigeno entre cada par de átomos de Si.



Cristales Moleculares: En este tipo de cristales, los puntos reticulares están ocupados por moléculas que se mantienen unidas por fuerzas de Van der Waals y de puentes de hidrogeno. El dióxido de azufre (SO2) sólido es un ejemplo de un cristal molecular, en el que la fuerza de atracción predominante es una interacción dipolo-dipolo. Los puentes de hidrógeno intermoleculares son los que mantienen la red tridimensional de hielo.

Con excepción del hielo, las moléculas de los cristales moleculares suelen empacarse tan juntas como su tamaño y forma lo permitan. Debido a que las fuerzas de van der Waals y los puentes de hidrógeno son más débiles que los enlaces iónicos y covalentes, los cristales moleculares son más quebradizos que los cristales covalentes o iónicos. De hecho, la mayoría de los cristales se funden a temperaturas menores de 100°C.





Cristales Metálicos: En cierto sentido, ésta es la estructura más simple porque cada punto reticular del cristal está ocupado por un átomo del mismo metal. Los cristales metálicos por lo regular tienen una estructura cubica centrada en el cuerpo o centrada en las caras; también pueden ser hexagonales de empacamiento compacto, por esta razón, los elementos metálicos suelen ser muy densos.

Los enlaces en los cristales de metales son diferentes a los de otros tipos de cristales, en este tipo, los electrones de enlaces están deslocalizados en todo el cristal. De hecho, los átomos metálicos en un cristal se pueden imaginar como una distribución de iones positivos inmersos en un mar de electrones de valencia deslocalizados.  La gran fuerza de cohesión debida a la deslocalización electrónica es la que le confiere la resistencia al metal. La movilidad de los electrones deslocalizados hace que los metales sean buenos conductores de calor y electricidad.

Tipo de cristal

Fuerzas que mantiene unidas a las unidades

Propiedades generales

Ejemplos

Iónico

Atracción electrostática

Duro, quebradizo, punto de fusión alto, mal conductor del calor y la electricidad

NaCl , LiF, MgO,

Covalente

Enlace covalente

Duro, punto de fusión alto, mal conductor del calor y la electricidad.

C (Diamante), SiO2 (Cuarzo).

Molecular

Fuerzas de dispersión, fuerzas dipolo-dipolo, puentes de hidrogeno

Suave, punto de fusión bajo, mal conductor de electricidad

Ar, CO2, I2, H2O, C12H22O11 (Sacarosa).

Metálico

Enlace metálico

Suave a duro, punto de fusión bajo a alto, buen conductor del calor y la electricidad.

Na, Mg, Fe, Cu.

Sólidos Amorfos Los sólidos son más estables cuando están en forma cristalina.

Sin embargo, si un sólido se forma con rapidez, sus átomos o moléculas no tienen tiempo de alinearse por sí mismos y pueden quedar fijos en posiciones distintas a las de un cristal ordenado.

El sólido así formado se llama amorfo. Un ejemplo de este tipo de solido es el vidrio, el mismo carece de una distribución tridimensional regular de átomos.

Bibliografías

 Química novena edición. Raymond CHANG  https://es.wikipedia.org/wiki/Sólido  www.quimitube.com/.../fuerzas-de-london-ode-dispersion-dipolo-instantaneo-dipolo-in..

Prof. José Luis Márquez

UNIVERSIDAD CENTROCCIDENTAL “LISANDRO ALVARADO” DECANATO DE CIENCIAS Y TECNOLOGÍA DIRECCIÓN PROGRAMA DE INGENIERÍA DE PRODUCCIÓN

INGENIERÍA DE PRODUCCIÓN

TEMA3.

Introducción a la Química Orgánica

Prof. José Luís Márquez

QUÍMICA INDUSTRIAL

INTRODUCCIÓN A LA QUÍMICA ORGÁNICA Nomenclatura de compuestos orgánicos.

Enlaces químicos. Tipos de enlace.

Molécula de Metano, Etano, Etileno, Acetileno y Benceno.

Hidrocarburos Saturados: Alcanos, Cicloalcanos.

Propiedades físicas: punto de ebullición y punto de fusión.

Hidrocarburos Insaturados: Alquenos, Alquinos y Aromáticos.

Grupos funcionales: Alcoholes y Éteres, Aldehídos y Cetonas, Ácidos Carboxílicos, Esteres, Aminas y Amidas.

QUÍMICA INDUSTRIAL

INTRODUCCIÓN A LA QUÍMICA ORGÁNICA Para los químicos de comienzos del siglo XIX la química orgánica consistía en el estudio de compuestos procedentes solamente de la materia viva, a la que se atribuía la “fuerza vital” necesaria para obtener estos compuestos. En 1928, Friedrich Wohler se propuso sintetizar cianato de amonio, NH4OCN mediante la reacción AgOCN(S) + NH4Cl (aq)  AgCl(s) + NH4OCN (aq) El sólido cristalino blanco que obtuvo de la disolución no tenía ninguna de las propiedades del cianato de amonio, aunque si tenía la misma composición. El compuesto no era NH4OCN sino (NH2)2CO, urea, un compuesto orgánico. Wohler comunicaba con entusiasmo su hallazgo a J.J. Berzelius: “tengo que decirle que puedo preparar urea sin utilizar riñones humanos o caninos. El cianato de amonio es urea”.

Desde entonces los químicos han sintetizado varios millones de compuestos orgánicos.

En la actualidad los compuestos orgánicos comprenden el 98 por ciento de todas las sustancias químicas conocidas.

QUÍMICA INDUSTRIAL

INTRODUCCIÓN A LOS COMPUESTOS ORGÁNICOS Los compuestos orgánicos contienen átomos de carbono e hidrogeno, en combinación con unos pocos de átomos más, como oxígeno, nitrógeno o azufre. El carbono merece un estudio especial por la capacidad de los átomos de C para formar entre si fuertes enlaces covalentes dando lugar a cadenas lineales o ramificadas y ciclos. Las innumerables posibilidades para las disposiciones espaciales de los átomos de C son la causa del gran número y la gran variedad de compuestos orgánicos.

Los compuestos orgánicos más simples son los formados por carbono e hidrogeno, los hidrocarburos. El hidrocarburo más sencillo es el metano, CH4, componente principal del gas natural.

QUÍMICA INDUSTRIAL

NOMENCLATURA DE COMPUESTOS ORGÁNICOS Los primeros químicos orgánicos solían asignar nombres a los compuestos nuevos, relacionados con su origen o con algunas de sus propiedades. Algunos de estos nombres todavía se utilizan. Al irse sintetizando miles y miles de compuestos nuevos se hizo evidente que este sistema de asignar nombres era inviable. Después de utilizarse varios sistemas provisionales, se adoptó el recomendado por la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC).

En esta introducción a la nomenclatura consideraremos solo hidrocarburos que tengan todos los enlaces carbono-carbono simple. Estos hidrocarburos se denominan hidrocarburos saturados o alcanos. No hay problemas para nombrar los primeros: CH4, metano; C2H6, etano; C3H8, propano. El primer problema surge con el C4h10, que tiene 2 isómeros, pero podemos resolverlo asignando los nombres butano al isómero de cadena lineal, CH3CH2CH2CH3 e isobutano al isómero de cadena ramificada, CH3CH (CH3)2. Este método no es adecuado para los alcanos C5h12, porque hay 3 isómeros estructurales (ejemplo tabla 27.1) y aun es menos adecuado para alcanos con un número mayor de átomos de carbono. Sin embargo, los nombres ambiguos pueden evitarse siguiendo las reglas siguientes:

QUÍMICA INDUSTRIAL

1. Seleccione la cadena de carbonos más larga de la molécula y utilice el nombre del hidrocarburo con esta cadena como nombre base. Con la excepción de los nombres vulgares metano, etano, propano y butano, los prefijos griegos estándar sirven para relacionar el nombre con el número de átomos de C en la cadena, como en pentano (C5), hexano (C6), heptano (C7), octano (C8),…

2. Considere que cada rama de la cadena principal es un sustituyente derivado de otro hidrocarburo. Para cada uno de estos sustituyentes cambie el final del nombre de ano a il. Es decir, el sustituyente alcano se transforma en un grupo alquilo (tabla 27.1).

3. Numere los átomos de carbono de la cadena principal de manera que los sustituyentes aparezcan en los números más bajos posibles.

4. Asigne a cada sustituyente un nombre y un número. Para sustituyentes idénticos utilice di, tri, tetra y así sucesivamente, y escriba el número del carbono correspondiente a cada sustituyente.

5. Separe los números entre sí mediante comas y los números de las letras mediante guiones.

6. Escriba los sustituyentes según el orden alfabético de sus nombres.

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ENLACES QUÍMICOS. TIPOS DE ENLACES El carbono tiene un número atómico de 6, lo que significa que tiene 6 protones en el núcleo y 6 electrones en la corteza, que se distribuyen en 2 electrones en la primera capa y 4 en la segunda. Por tanto, el átomo de carbono puede formar 4 enlaces covalentes para completar los 8 electrones de su capa más externa. Estos enlaces pueden ser de 3 tipos: enlace simple, enlace doble y enlace triple.

Enlace Simple Es la manera más sencilla en la que el carbono comparte sus 4 electrones. Los enlaces se colocan apuntando a los 4 vértices de un tetraedro regular, estando el carbono en el baricentro de dicho tetraedro. Se dice que el carbono actúa de manera tetragonal.

El ejemplo más simple lo representa el metano, en el que un átomo de carbono comparte cada uno de sus 4 electrones exteriores con un átomo de hidrogeno, de modo que tanto el carbono como cada uno de los 4 hidrógenos completen su última capa electrónica.

Pero el átomo de carbono puede formar enlaces con otros átomos de carbono, originando cadenas que pueden ser larguísimas.

El ejemplo más simple de esto es un átomo de carbono que se une a 3 hidrógenos y a otro carbono, que a su vez se une a otros 3 hidrógenos.

En este compuesto, de nombre etano, los 2 carbonos actúan de forma tetragonal.

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ENLACES QUÍMICOS. TIPOS DE ENLACES Enlace Doble El carbono no tiene por qué formar los 4 enlaces con 4 átomos distintos. Puede darse el caso de que 2 de esos enlaces los forme con un mismo átomo. Hablamos entonces de un enlace doble. Los 2 electrones que le quedan al carbono se enlazan con otros 2 átomos de enlaces simples. En este caso, el enlace doble y los 2 simples apuntan a los vértices de un triángulo casi equilátero. Se dice que el carbono actúa de forma trigonal.

El ejemplo más simple es el etileno, en el que los 2 carbonos comparten 2 electrones entre si y los otros 2 que le quedan a cada uno los comparten con 2 átomos de hidrogeno. La estructura es trigonal y plana.

También puede el carbono formar el enlace doble con otros elementos, entre ellos el nitrógeno y el O.

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ENLACES QUÍMICOS. TIPOS DE ENLACES Enlace Triple Por último, puede el carbono formar 3 enlaces con un mismo átomo, y el cuarto con un átomo distinto. Se habla entonces de un enlace triple. En este caso la molécula es lineal, y decimos que el carbono actúa de forma lineal.

El ejemplo más simple de esto es el acetileno, en el que 2 carbonos se unen mediante un enlace triple y el electrón que les queda a cada uno lo comparten con un átomo de hidrogeno. Por supuesto, la molécula es lineal. También puede el carbono formar el enlace triple con otros elementos como el nitrógeno.

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MOLÉCULA DE METANO El metano es el hidrocarburo saturado de cadena más corta que existe. Su fórmula química es CH4, en la que cada uno de los átomos de hidrogeno está unido a un átomo de carbono a través de un enlace covalente.

Es una sustancia incolora y no polar, que se presenta en forma de gas a temperaturas y presiones ordinarias, y se caracteriza por su baja solubilidad en fase liquida y elevada persistencia en la atmósfera

MOLÉCULA DE ETANO El etano es un hidrocarburo alifático alcano con 2 átomos de carbono, de formula C2H6. A condiciones normales es gaseoso y un excelente combustible. Su punto de ebullición esta en -88 ºC.

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MOLÉCULA DE ETILENO El etileno es un compuesto químico orgánico formado por 2 átomos de carbono enlazados mediante un doble enlace. Es uno de los productos químicos más importantes de la industria química, siendo el compuesto orgánico más utilizado en todo el mundo. Gran parte de su producción industrial se utiliza para obtener polietileno. El etileno es también una hormona natural de las plantas, usada en la agricultura para forzar la maduración de las frutas.

MOLÉCULA DE ACETILENO Es el nombre comercial del Etino, el alquino más sencillo. Es un gas, altamente inflamable, un poco más ligero que el aire, incoloro y que posee un olor característico a ajo.

Su fórmula general es C2H2 y su fórmula desarrollada HC≡CH. Se obtiene mediante la reacción del agua con el Carburo de Calcio, la cual libera un gas volátil que es capaz de producir hasta 3000 ºC, la mayor temperatura por combustión conocida hasta el momento.

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MOLÉCULA DE BENCENO El benceno es un líquido incoloro de olor característico y sabor a quemado, de formula C6H6. La molécula de benceno consiste en un anillo cerrado de 6 átomos de carbono unidos por enlaces químicos que resuenan entre uniones simples y dobles cada átomo de carbono esta a su vez unido a un átomo de hidrogeno

HIDROCARBUROS SATURADOS Los hidrocarburos saturados son compuestos químicos que se encuentran formados en exclusiva por átomos de carbono y de hidrógeno. Dichos compuestos se obtienen por destilación fraccionada, a partir del petróleo o el gas natural.

Los hidrocarburos saturados, son los hidrocarburos alifáticos que tienen todos sus átomos de carbono unidos mediante enlaces de tipo simple. Este tipo de hidrocarburos sigue la fórmula generalizada, CnH2n+2, en donde “n”, hace referencia al número de carbonos que forman la molécula.

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ALCANOS Los alcanos son hidrocarburos saturados, están formados exclusivamente por carbono e hidrogeno y únicamente hay enlaces sencillos en su estructura.

Fórmula general: CnH2n+2 donde “n” representa el número de carbonos del alcano.

Esta fórmula nos permite calcular la formula molecular de un alcano. Por ejemplo para el alcano de 5 carbonos: C5H [(2 x 5) +2] = C5H12.

Serie homóloga: Es una conjunto de compuestos en los cuales cada uno difiere del siguiente en un grupo metileno (-CH2-), excepto en los dos primeros.

Serie Homóloga de los Alcanos Fórmula molecular

Nombre

Fórmula semidesarrollada

Metano Etano Propano Butano Pentano Hexano Heptano Nonano Decano

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La terminación sistémica de los alcanos es ANO. Un compuesto con esta terminación en el nombre no siempre es un alcano, pero la terminación indica que es un compuesto saturado y por lo tanto no tiene enlaces múltiples en su estructura.

Punto de ebullición: los puntos de ebullición muestran un aumento constante al aumentar el número de átomos de carbono. Sin embargo la ramificación de la cadena del alcano disminuye notablemente el punto de ebullición, porque las moléculas que forman el compuesto se van haciendo esféricamente más simétricas y, en consecuencia, disminuyen las fuerzas de atracción entre ellas.

Punto de fusión: los alcanos no muestran el mismo aumento en los puntos de fusión con el aumento del número de átomos de carbono. Se observa una alternancia a medida que se progresa de un alcano con un número par de átomos de carbono, al siguiente con un número impar de átomos de carbono.

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NOMENCLATURA DE LOS ALCANOS Las reglas de nomenclatura para compuestos orgánicos e inorgánicos son establecidas por la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada, IUPAC (de sus siglas en inglés).

A continuación se señalan las reglas para la nomenclatura de alcanos. Estas reglas constituyen la base de la nomenclatura de los compuestos orgánicos.

La base del nombre fundamental, es

La numeración se inicia por el extremo más cercano a una ramificación. En caso de encontrar

la cadena continua más larga de

dos ramificaciones a la misma distancia, se empieza a numerar por el extremo más cercano a

átomos de carbono.

la ramificación de menor orden alfabético. Si se encuentran dos ramificaciones del mismo nombre a la misma distancia de cada uno de los extremos, se busca una tercera ramificación y se numera la cadena por el extremo más cercano a ella.

Si se encuentran dos o más cadenas con el mismo número de átomos de carbono, se selecciona la que deje fuera los radicales alquilo más sencillos. En los isómeros se toma los lineales como más simples. El n-propil es menos complejo que el isopropil. El ter-butil es el más complejo de los radicales alquilo de 4 carbonos.

Número

Prefijo

2

Di o bi

Cuando en un compuestos hay dos o más ramificaciones iguales, no

3

Tri

se repite el nombre, se le añade un prefijo numeral. Los prefijos

4

Tetra

numerales son:

5

Penta

6

Hexa

7

Hepta

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NOMENCLATURA DE LOS ALCANOS Se escriben las ramificaciones en orden alfabético y el nombre del alcano que corresponda a la cadena principal, como una sola palabra junto con el último radical. Al ordenar alfabéticamente, los prefijos numerales y los prefijos n-, sec- y ter- no se toman en cuenta.

Por convención, los números y las palabras se separan mediante un guión, y los números entre si, se separan por comas.

La comprensión y el uso adecuado de las reglas señaladas facilitan la escritura de nombres

y

fórmulas

de

compuestos

orgánicos.

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NOMENCLATURA DE LOS ALCANOS eJEMPLO1

Ejemplo 2

Buscamos la cadena de carbonos continua más larga y numeramos por el extremo más cercano a un radical, e identificamos los que están presentes.

Buscamos la cadena continua de carbonos más larga, la cual no tiene que ser siempre horizontal. Numeramos por el extremo más cercano a un radical, que es el derecho. Ordenamos los radicales en orden alfabético y unimos el nombre de la cadena al último radical.

La cadena continua más larga tiene 7 carbonos y se empezó la numeración por el extremo derecho porque es el más cercano a un radical. . Identificamos los radicales y el número del carbono al que están unidos, los acomodamos en orden alfabético y unido el último radical al nombre de la cadena.

5-ISOPROPIL-3- METILNONANO

4-ETIL-2-METILHEPTANO.

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NOMENCLATURA DE LOS ALCANOS eJEMPLO 3. De nombre a estructura 3,4,6-TRIMETIL HEPTANO La cadena heptano tiene 7 รกtomos de carbono. Los numeramos de izquierda a

Ahora colocamos los radicales en el carbono que les corresponda. Tenga cuidado de colocar el radical por el enlace libre.

derecha, pero se puede hacer de izquierda a derecha.

Como el carbono forma 4 enlaces, completamos nuestra estructura con los hidrรณgenos necesarios para que cada uno tenga sus 4 enlaces

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CICLOALCANOS Los cicloalcanos son alcanos que tienen los extremos de la cadena unidos, formando un ciclo. Tienen 2 hidrogenos menos que el alcano del que derivan, por ello su formula molecular es CnH2n. Se nombran utilizando el prefijo ciclo seguido del nombre del alcano

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NOMENCLATURA DE LOS CICLOALCANOS Las reglas IUPAC para nombrar cicloalcanos son muy similares a las estudiadas en los alcanos.

regla1

Regla 2 Si el cicloalcano tiene dos sustituyentes, se

En cicloalcanos con un solo sustituyente, se toma el ciclo como cadena principal de la molécula. Es innecesaria la numeración del ciclo.

nombran por orden alfabético. Se numera el ciclo comenzando por el sustituyente que va antes en el nombre.

Regla 3 Si el anillo tiene tres o más sustituyentes, se nombran por orden alfabético. La numeración del ciclo se hace de forma que se otorguen los

Si la cadena lateral es compleja, puede tomarse como cadena principal de la molécula y el ciclo

localizadores más bajos a los sustituyentes.

En caso de obtener los mismos localizadores

al

numerar

comenzando

por

diferentes

como un sustituyente. Los cicloalcanos como

posiciones, se tiene en cuenta el

sustituyentes

orden alfabético.

se

nombran

terminación –ano por –ilo.

cambiando

la

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HIDROCARBUROS INSATURADOS Los hidrocarburos insaturados pueden ser de dos tipos: alquenos (con dobles enlaces) y alquinos (con triples enlaces). Todos ellos hidrocarburos lineales no cíclicos.

ALQUENOS Tienen al menos un enlace doble entre dos átomos de carbono. El caso más simple es el eteno o etileno, CH2=CH2.

El siguiente será el propeno, CH3-CH=CH2, con dos átomos de carbono unidos mediante un enlace doble y el otro con enlace simple, como puedes ver bajo estas líneas. Observa que los carbonos e hidrógenos implicados en el doble enlace están en el mismo plano.

Estos hidrocarburos se nombran de igual forma que los alcanos pero con la terminación -eno. El siguiente alqueno es el buteno. A partir precisamente del buteno será necesario precisar la posición del doble enlace numerando la cadena, ya que existen dos butenos con propiedades diferentes, que son el 1-buteno, C4H3-C3H2-C2H=C1H2, y el 2-buteno, C4H3C3H=C2H-C1H3.

Estos compuestos son isómeros, pues tienen la misma fórmula molecular (C4H8) y se llaman isómeros de posición. Los alquenos pueden ramificarse, al igual que los alcanos. A continuación tienes un ejemplo de alqueno ramificado: el 2-metil-2-penteno.

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ALQUINOS Los hidrocarburos lineales que tienen al menos un enlace triple. Se nombran de forma similar a los alcanos adoptando la terminación -ino. Al igual que en los alquenos, a partir del butino hay que numerar la posición del triple enlace, y aparecen isómeros de posición. Además, los alquinos pueden ramificarse igual que los alcanos y alquenos, dando lugar a isómeros de cadena.

El más simple de ellos es el acetileno o etino, y el siguiente de la serie es el propino, que tienes bajo estas líneas

HIDROCARBUROS AROMÁTICOS Los hidrocarburos aromáticos tienen estructuras cíclicas no saturadas (con enlaces múltiples) en los enlaces carbono-carbono de los anillos. La mayor parte de los hidrocarburos aromáticos se basan en la molécula del benceno, C6H6.

Estructura de Kekulé

Oros ejemplos de hidrocarburos aromáticos son:

Tolueno

o-Xileno

Naftaleno

Antraceno

Representación de orbitales moleculares simplificada

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Características de las hidrocarburos aromáticos Los hidrocarburos aromáticos son muy inflamables y deben manejarse siempre con precaución. La inhalación prolongada de vapores de benceno causa una disminución en la producción de glóbulos rojos y blancos de la sangre que puede ocasionar la muerte. Además el benceno es carcinógeno. El benceno y otros compuestos aromáticos tóxicos han sido aislados en el alquitrán que se forma al arder los cigarrillos, en el aire contaminado y como producto de la descomposición de la grasa en la carne asada en barbacoas.

Si se examina con detalle las estructuras de las moléculas aromáticas se observan las 2 características comunes siguientes:  Son moléculas planas y cíclicas.  Tienen un sistema de enlaces conjugados, un sistema de enlaces entre los átomos del anillo que consiste en enlaces dobles y simples alternados. Este sistema debe extenderse por todo el anillo y las nubes de electrones π asociados con los dobles enlaces implican (4n + 2) electrones, donde n = 1,2,….

Así, la molécula de benceno tiene 6 electrones en las nubes de electrones π: (4 X 1) + 2 = 6. La molécula de naftaleno tiene diez: (4 X 2) 2 = 10. La molécula de antraceno tiene 14: (4 X 3) + 2 = 14. A continuación se muestran 2 moléculas que no son aromáticas , sino alifáticas.

1,3,5-Hexatrieno

1,3-Ciclopentadieno

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Características de las hidrocarburos aromáticos El benceno y sus homólogos tienen en común con otros hidrocarburos su insolubilidad en agua y la solubilidad en disolventes orgánicos. Los puntos de ebullición de los hidrocarburos aromáticos son un poco mas altos que los de los alcanos con un números similar de átomos de carbono. Por ejemplo, el hexano C6H14 hierve a 69 °C, mientras que el benceno hierve a 80 °C. esto puede explicarse por la estructura plana y la densidad de carga electrónica deslocalizada del benceno, que incrementa las fuerzas atractivas entre las moléculas. La estructura simétrica del benceno permite un empaquetamiento mas compacto de las moléculas en el estado cristalino y, como resultado, su punto de fusión es mas alto que el del hexano. El benceno funde a 5,5 ° C y el hexano a -95 °C. Cuando en una molécula de benceno se elimina uno de los 6 átomos de H equivalentes, la especie que resulta se denomina grupo fenilo. Los grupos fenilos pueden unirse entre si formando un bifenilo o pueden ser sustituyentes en otras moléculas, como en la fenilhidracina, utilizada en la detección de azucares.

Grupo fenilo

Bifenilo

Fenilhidracina

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NOMENCLATURA DE LOS COMPUESTOS AROMÁTICOS Los átomos de H de la molécula de benceno pueden ser sustituidos por otros átomos o grupos y para nombrar estos compuestos se utiliza un sistema de numeración de los átomos de C del anillo. Si el nombre de un compuesto aromático se basa en un nombre no sistemático que no sea benceno (como tolueno), se asigna al grupo sustituyente característico –CH3 la posición “1” del anillo bencénico. En los otros casos se enumeran los sustituyentes por orden alfabético como en el 2-bromoclorobenceno, que se muestra a continuación.

3

1 6

2

5 4

3

2

4

2

1

3

1

6

5

1

2

4

6

6 5

3

5 4

3-Bromotolueno

2-Bromoclorobenceno

1,4--Diclorobenceno

2-Clorotolueno

(m-bromotolueno)

(o-bromoclorobenceno)

(p-diclorobenceno)

(o-clorotolueno)

Cuando hay 2 sustituyentes en el anillo bencénico, también se pueden utilizar los términos orto, meta y para (o-, m-, p-). Orto indica sustituyentes en átomos contiguos, meta sustituyentes con un átomo de carbono entre ellos y para sustituyentes en posiciones opuestas del anillo.

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GRUPOS FUNCIONALES Se llama grupo funcional porque es el sitio en que la mayoría de las reacciones químicas tienen lugar.

Al respecto el doble enlace en los alquenos y el triple enlace en los alquinos se consideran también como grupos funcionales.

ALCOHOLES Y FENOLES Los alcoholes y fenoles se caracterizan por el grupo hidroxilo, -OH. En los alcoholes, el grupo hidroxilo esta unido a un átomo de carbono con hibridación sp3 (alifático). Si a este átomo de C también esta unido un grupo R (y 2 átomos de H), el alcohol es un alcohol primario. Si el átomo de C tiene unidos a el dos grupos R (y un átomo de H), el alcohol es un alcohol secundario. Finalmente, si hay tres grupos R unidos al átomo de C (y no hay átomos de H), el alcohol es un alcohol terciario.

1-Butanol

2-Butanol

Metil-2-propanol

(alcohol butílico)

(alcohol s-butílico)

(alcohol t-butílico)

(un alcohol primario)

(un alcohol secundario)

(un alcohol terciario)

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ALCOHOLES Y FENOLES La nomenclatura sistemática de los alcoholes se basa en el sufijo ol. En los fenoles el grupo hidroxilo esta unido a un anillo bencénico.

Fenol

2,4,6-trinitrofenol

(acido carbólico)

(acido pícrico)

Una molécula puede tener mas de un grupo –OH. Las moléculas con 2 grupos –OH se denominan dioles (o glicoles) y las que tienen mas de 2 grupos –OH se denominan polioles. El etilenglicol, un diol, se utiliza en disoluciones anticongelantes para automóviles; la glicerina, un poliol, es una molécula biológica importante que participa en el mecanismo para el almacenamiento de grasas en el cuerpo humano

1,2-Etanodiol

1,2,3- Propanotriol

(etileneglicol)

(glicerol)

QUÍMICA QUÍMICA INDUSTRIAL INDUSTRIAL

ALCOHOLES Y FENOLES Las propiedades físicas de los alcoholes alifáticos están muy influenciadas por el enlace de hidrogeno. Sin embargo, al aumentar la longitud de la cadena, la influencia del grupo hidroxilo polar en las propiedades de la molécula disminuye. La molécula se parece menos al agua y mas a un hidrocarburo. En consecuencia, los alcoholes de masa molecular pequeña tienden a ser solubles en agua; los alcoholes de masa molecular alta no lo son. Los puntos de ebullición y las solubilidades de los fenoles varían mucho, dependiendo de la naturaleza de los otros sustituyentes del anillo bencénico.

ÉTERES Un éter es un compuesto con la formula general R-O-R. desde el punto de vista estructural los éteres pueden ser alifáticos puros, aromáticos puros o mixtos.

Dimetil éter

Difenil éter

Metil fenil éter (anisol)

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ÉTERES Los éteres simétricos, como el dietil éter, pueden obtenerse por eliminación de una molécula de agua entre 2 moléculas de alcohol con un agente deshidratante fuerte como el H2SO4 concentrado.

Desde el punto de vista químico, los éteres son relativamente poco reactivos. La unión éter es estable frente a la mayor parte de agentes oxidantes y reductores y a la acción de ácidos y bases diluidos.

ALDEHÍDOS Y CETONAS

R C=O

Los aldehídos y cetonas tienen el grupo carbonilo

Si uno de los grupos R es un atomo de H, el compuesto es un

R

aldehído. Si ambos grupos R son grupos alquilo o aromáticos (arilo), el compuesto es una cetona.

O CH3CH-CH2-C-H Matenal (formaldehido)

Cl 3-Clorobutanal

Propanona Benzaldehido

(acetona)

3-Pentanona

1-Feniletanona

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ALDEHÍDOS Y CETONAS La nomenclatura IUPAC de los aldehídos utiliza el sufijo al. La cadena principal es la cadena mas larga que contiene el grupo aldehído. El aldehído con cuatro carbonos se denomina butanal porque el nombre se deriva del alcano (butano) sustituyendo la terminación o por al. La cadena se numera empezando por el carbono del grupo aldehído; su posición es siempre uno y no es necesario indicarla. Por tanto, el 3-cloro-2metilbutanal es =

Cl CH3 O

CH3-CH-CH-C-H

La nomenclatura IUPAC de las cetonas utiliza el sufijo ona. El grupo cetona debe estar en la cadena principal y esta se numera empezando por el extremo de la cadena mas próximo al grupo carbonilo; de esta forma, el numero del grupo carbonilo es el mas bajo posible, como requieren las normas de la IUPAC. Por ejemplo, la molecula es la 4-cloro-3-metil-2pentanona.

Cl CH3 O CH3-CH-CH-C-CH3

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ÁCIDOS CARBOXÍLICOS Los ácidos carboxílicos son compuestos que contiene el grupo carboxilo (carbonilo e hidroxilo)

O -C-OH Estos ácidos tiene la fórmula general R-COOH. Se conocen muchos compuestos en los que R es un residuo alifático. A estos compuestos se les denomina ácidos grasos porque se pueden obtener fácilmente compuestos de peso molecular alto de este tipo a partir de las grasas y aceites naturales. Si en la misma molécula hay 2 grupos carboxílicos, el ácido se denomina ácido dicarboxílico. El grupo carboxilo puede encontrarse también unido al anillo bencénico.

Ácido acético (un ácido alifático)

Ácido benzoico (un ácido aromático)

Ácido o-ftálico (un ácido aromático dicarboxílico)

Ácido oxálico (un ácido alifático dicarboxílico)

Los ácidos alifáticos sustituidos pueden nombrarse ya sea por sus nombres IUPAC o utilizando letras griegas en combinación con sus nombres no sistemáticos. Los ácidos aromáticos se nombran como derivados del ácido benzoico.

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ÁCIDOS CARBOXÍLICOS O CH3CHCH2C-OH Cl Ácido 3-clorobutanoico

Ácido 3-metilbenzoico

Ácido 2-hidroxibenzoico Ácido o-hidroxibenzoico

Como muchos derivados de los ácidos carboxílicos se obtienen sustituyendo los grupos hidroxilo, se han desarrollado nombres especiales para el resto de la molécula, es decir,

O

Por ejemplo, el grupo

-C-R O -C-CH3

se denomina grupo acetilo. El derivado acetilo del ácido o-hidroxibenzoico (salicílico) es la aspirina.

Ácido acetilsalicílico (aspirina)

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ÁCIDOS CARBOXÍLICOS El grupo carboxilo muestra el comportamiento químico de los grupos carbonilo e hidroxilo. Si se cede un protón a una base se forma un sal.

ÉSTERES El producto de la reacción entre un acido y un alcohol se denomina éster. Se puede considerar que se forma por eliminación de H2O (HOH) entre las 2 moléculas. El mecanismo de esta reacción es tal que el –OH procede del ácido y el –H del alcohol.

O

H+

O

CH3CH2O – H + HO - CCH3 Calor  H2O + CH3CH2O – CCH3 Etanol (alcohol etílico)

Ácido etanoico (Ácido acético)

Etanoato de etilo (acetato de etilo)

Este tipo de reacción es una reacción de condensación, reacción en las que 2 moléculas se combinan por eliminación de una molécula pequeña como la de agua.

Los nombres de los esteres tienen 2 partes. La primera parte es el nombre del acido carboxílico con la terminación combinada a ato y la segunda parte es la designación del grupo alquilo procedente del alcohol. Por ejemplo, la combinación del acido acético y el etanol es el Etanoato de etilo.

Los ésteres tienen aromas muy agradables que contrastan con los olores punzantes de los ácidos carboxílicos de los que proceden. La mayor parte de los ésteres son líquidos incoloros, insolubles en agua. Sus puntos de fusión y ebullición son generalmente mas bajos que lo de los alcoholes y ácidos con un contenido similar de carbono. Esto es debido a la ausencia de enlaces de hidrógeno en los ésteres.

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AMINAS Las aminas son derivados orgánicos del amoníaco, NH3, en el que se han sustituido uno ó mas átomos de H por grupos orgánicos (R). Su clasificación se basa en el número de grupos R unidos al átomo de nitrógeno: uno para las aminas primarias, 2 para las secundarias y 3 para las terciarias.

CH3CH3NH2 Etilamina (una amina primaria)

CH3NCH2CH2CH3 Difenilamina (una amina secundaria)

etilmetilpropilamina (una amina terciaria)

Las aminas de masa molecular baja son gases que se disuelven fácilmente en agua, proporcionando disoluciones básicas. Las aminas volátiles tienen olores semejantes al amoniaco, pero mas parecidos a los del pescado. Las aminas primarias y secundarias forman enlaces de hidrógeno, pero estos enlaces son más débiles que los del agua porque el nitrógeno es menos electronegativo que el oxígeno. Como el amoníaco, las aminas tienen estructuras de pirámide trigonal, con un par de electrones solitario sobre el átomo de N. también como el amoniaco, las aminas deben su basicidad a estos pares de electrones solitarios. En las aminas aromáticas, debido a la no saturación del anillo bencénico, los electrones son atraídos hacia el anillo, reduciéndose la densidad de carga electrónica sobre el átomo de nitrógeno.

Como resultado, las aminas aromáticas son bases mas débiles que el amoniaco. Las aminas alifáticas son bases un poco mas fuertes que el amoniaco.

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AMIDAS Si se calienta la sal de amonio de un ácido carboxílico se elimina agua y se forma una amida.

Si la amida se calienta con un agente deshidratante fuerte como el P4H10 se pierde mas agua y se obtiene un producto final con el grupo – C invertirse por tratamiento con agua.

N denominado un nitrile. Estas reacciones pueden

O

O

CH3 – C – O –NH4+  CH3 – C - NH2 + H2O Acetato de amonio

Acetamida Calor

CH3C

P4O10

N + H2O

QUÍMICA INDUSTRIAL

BIBLIOGRAFÍA Petrucci Ralph., Harwood William; Herring Geoffrey (2003). Química General. Octava Edición. Pearson Educación. México. http://www.deciencias.net/simulaciones/quimica/carbono/enlaces.htm http://www.prtr-es.es/CH4-metano,15588,11,2007.html http://primerabsp5to.blogspot.com/2008/03/qumica-orgnica.html https://es.wikipedia.org/wiki/Etileno https://www.ecured.cu/Acetileno http://genesis.uag.mx/edmedia/material/quimicaII/Alcanos.cfm http://www.deciencias.net/proyectos/4particulares/quimica/carbono/insaturados.htm https://edithnicasio108b4.blogspot.com/2013/04/grupos-funcionales.html QUÍMICA INDUSTRIAL

UNIVERSIDAD CENTROCCIDENTAL “LISANDRO ALVARADO” DECANATO DE CIENCIAS Y TECNOLOGÍA DIRECCIÓN PROGRAMA INGENIERÍA DE PRODUCCIÓN

INGENIERÍA DE PRODUCCIÓN

Tema 4. Química de los Materiales .

Prof. José Luis Márquez

QUÍMICA INDUSTRIAL

Química de los Materiales •

Tipos de materiales: metales, cerámicas y vidrios, polímeros, compuestos y semiconductores.

•

Propiedades de los materiales: propiedades mecánicas, eléctricas., ópticas térmicas y ambientales.

• Relación entre la estructura química de los materiales y sus propiedades.

• Selección de materiales en ingeniería.

La ciencia de materiales implica investigar la relación entre la estructura y las propiedades de los materiales. Es una área multidisciplinaria que involucra disciplinas como la química, física, biología y diferentes ingenierías. Desde la perspectiva de la química, la ciencia de materiales desarrolla procesos de síntesis para la fabricación de materiales funcionales y estructurales, se establece la relación entre la estructura y sus propiedades, así como evaluar las aplicaciones de los materiales generados.

Algunos de los materiales son: metales, cerámicos, vidrios , polímeros y semiconductores donde cada uno presentan propiedades muy diferentes entre sí a escala macroscópica como, conductividad eléctrica, propiedades magnéticas, ópticas, mecánicas y térmicas.

• Dentro de la ciencia de materiales, la nanotecnología ha despertado un profundo interés en la comunidad científica debido a que estos materiales presentan propiedades muy diferentes a los observados en los materiales a escala macroscópica, entre las que se pueden mencionar la conductividad eléctrica, las propiedades magnéticas, ópticas y actividad catalítica, que hacen a los materiales candidatos a innumerables aplicaciones.

Tipos de materiales: metales, cerámicas y vidrios, polímeros, compuestos y semiconductores 

• • • • • • • • •

Metales: Representan el 80% de los elementos del Sistema periódico; cuando los metales se solidifican a partir de un estado fundido, los átomos se arreglan por si mismos en diversas configuraciones ordenadas, denominadas cristales, y a este arreglo se le llama estructura cristalina. Los elementos metálicos generalmente presentan las siguientes características: Poseen brillo metálico.

Existen en estado sólido, excepto el mercurio que se encuentra líquido.

Son buenos conductores de corriente eléctrica y de calor.

La mayoría son de color grisáceo, otros como el bismuto es rosáceo, el cobre es rojizo y el oro amarillo.

El punto de fusión de los metales varía entre -39 °C para el mercurio, a los 3.410 °C del tungsteno.

Suele ser duros y resistentes.

Elasticidad o capacidad de volver a su forma original después de sufrir deformaciones.

Maleabilidad o posibilidad de cambiar de forma por la acción del martillo.

Ductilidad o posibilidad de deformarse sin sufrir roturas.

La mayor parte de los metales provienen de los minerales. Un mineral es una sustancia de origen natural, con una composición química característica dentro de cierto intervalo. Un deposito mineral cuya concentración es adecuada, en el aspecto económico, para extraer el metal deseado ,se conoce como mena.

Los metales mas abundantes que existen como minerales en la corteza terrestre son aluminio, hierro, calcio, magnesio, sodio, potasio,titanio y manganeso. El agua del mar es una rica fuente de algunos iones metálicos, como Na, Mg y Ca. grandes zonas de la plataforma oceánica están cubiertas por nódulos de manganeso, los cuales se componen principalmente por manganeso, junto con hierro, níquel, cobre y cobalto en estado de combinación química.

 La metalúrgica es la ciencia y tecnología de la separación de los metales a partir de sus menas y de la preparación de aleaciones. Una aleación es una disolución solida de dos o mas metales.  los tres pasos principales en la recuperación de un mental a partir de su mena son: (1) la preparación de la mena,(2) la producción del metal y (3) la purificación del metal.

1. Preparación de la mena En el tratamiento preliminar de una mena, el mineral deseado se separa de los minerales de desecho, casi siempre arcillas y minerales de silicatos, que en general reciben el nombre de ganga. Un método muy utilizado para llevar a cabo esta separación se denomina flotación. En esta proceso, la mena se muela finamente y se vierte en agua que contiene aceite y detergente.

2. Producción de metales Debido a que los metales en su formas combinadas siempre tienen números de oxidación positivos, la producción de un metal libre es un proceso de reducción. En ocasiones es necesario realizar operaciones preliminares para llevar el metal a un estado químico mas adecuado para la reducción.

3. Purificación de metales Los metales preparados por reducción casi siempre requieren un tratamiento posterior para eliminar algunas impurezas. Por supuesto, el grado de purificación depende del uso al que se destinara el metal.

• Tres procedimientos comunes de purificación son la la destilación la electrólisis y la refinación por zonas.

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Destilación: Los metales que tienen bajos puntos de ebullición , como el mercurio, el magnesio y el zinc, se pueden separar de otros metales mediante destilación fraccionada .Un método de destilación fraccionada muy conocido es el proceso de Mond para la purificación del níquel.

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Electrolisis : Es otra importante técnica de purificación. El cobre metálico obtenido por la tostación o calcinado del sulfuro de cobre, por lo general contiene impurezas como Zinc, hierro, plata y oro.

Refinación por zonas : En esta proceso, una varilla metálica que contiene algunas impurezas se pasa a través de una bobina eléctrica de calentamiento que funde el metal. La mayoría de las impurezas se disuelven en el metal fundido. A medida que emerge la varilla de la bobina de calentamiento, se enfría y cristaliza el metal puro, dejando las impurezas en la porción metálica fundida que esta todavía en el interior de la bobina de calentamiento.

 Cerámicas Son compuestos de elementos metálicos y no metálicos. El término cerámicos se refiere tanto al material como al producto de cerámico.

Debido al extenso número de posibles combinaciones de elementos, existe una gran variedad de cerámicos para una amplia gama de aplicaciones para consumidores industriales.

Los cerámicos se pueden dividir en dos categorías:

 Cerámicos Tradicionales: Objetos de cerámica blanca, losetas, ladrillos, tubos de drenaje, utensilios de cocina y discos abrasivos.



Cerámicos Industriales: También conocidos como Cerámicos de Ingeniería, son componentes de turbinas, automotores y aeroespaciales, intercambiadores de calor, semiconductores, sellos, prótesis y herramientas de corte.

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La estructura de los cristales de cerámicos es una de las más complejas de todas las estructuras de los materiales. Por lo general, el enlace entre estos átomos es covalente o iónico. Estos enlaces son mucho más fuertes que los metálicos, por consiguiente, propiedades como la dureza y la resistencia térmica y eléctrica son sustancialmente más altas en los cerámicos que en los metales; es resistente a la corrosión y al desgaste, es más liviana que el acero; el tamaño de grano tiene una influencia principal en la resistencia y las propiedades de los cerámicos, cuanto más fino sea el tamaño del grano, más altas serán la resistencia y la tenacidad.

 Vidrios Es un sólido amorfo con la estructura de un líquido. se ha enfriado a una velocidad demasiado alta para permitir la formación de cristales. técnicamente, se define como un producto inorgánico de fusión que se ha enfriado hasta adquirir una condición rígida sin cristalizarse. Se encuentra en la naturaleza aunque también puede ser producido por el ser humano. el vidrio artificial se usa para hacer ventanas, lentes, botellas y una gran variedad de productos. el vidrio es un tipo de material cerámico amorfo.

El vidrio no tiene punto distintivo de fusión o solidificación, por lo que su comportamiento es similar al de las aleaciones amorfas y polímeros amorfos.

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Son considerados perfectamente elásticos y frágil, tiene baja conductividad, alta resistividad eléctrica y resistencia dieléctrica; las propiedades ópticas como la reflexión, absorción, transmisión y refracción se pueden modificar variando su composición y tratamiento. Son resistentes a ataques químicos y por su resistencia a la corrosión se clasifican como ácidos, álcalis o agua.

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Las propiedades del vidrio común, son una función tanto de la naturaleza, como de las materias primas, como de la composición química del producto obtenido. Esta composición química se suele representar en forma de porcentajes en peso de los óxidos más estables a temperatura ambiente de cada uno de los elementos químicos que lo forman.

 Polímeros Suele emplearse como sinónimos de “Plástico”. Los plásticos son numerosos materiales poliméricos y tienen moléculas extremadamente grandes. Entre los productos industriales fabricados con polímeros están los recipientes para alimentos y bebidas, empaques, artículos de señalización, partes o piezas de computadoras, entre otros.  Lo que distingue a los polímeros de los materiales constituidos por moléculas de tamaño normal son sus propiedades mecánicas. En general, los polímeros tienen una excelente resistencia mecánica debido a que las grandes cadenas poliméricas se atraen. Las fuerzas de atracción intermoleculares dependen de la composición química del polímero y pueden ser de varias clases.

 La característica principal de estos materiales, que establece la diferencia con los materiales cerámicos y con los materiales metálicos, es que están constituidos por macromoléculas. Al igual que cualquier molécula, los materiales poliméricos están formados (en su mayor parte) por átomos de elementos no metálicos unidos entre sí por enlaces covalentes y se les ha denominado con el nombre genérico de polímeros (o macromoléculas) debido a que son gigantescas moléculas constituidas por unidades repetitivas. Existen casos en los que el polímero está formado por átomos de elementos no metálicos y semi metálicos.

 A continuación se proporciona de manera resumida, la información que corresponde a los materiales poliméricos  Estructura a escala atómica de los materiales poliméricos  Están constituidos, en su mayor parte, por átomos de elementos no metálicos  El enlace covalente explica cómo se unen los átomos para formar las moléculas de los materiales poliméricos.  Las Fuerzas de van der Waals explican las débiles uniones que existen entre las moléculas de los materiales poliméricos.

Algunas características que presentan son:  Resistencia a la corrosión y resistencia a los productos químicos.  Baja conductividad eléctrica y térmica.  Baja densidad.  Alta relación resistencia a peso (Especialmente cuando son reforzados).  Reducción al ruido.  Amplias opciones de colores y transparencias.  Facilidad de manufactura y posibilidad de diseño complejo.  Se puede adaptar según el uso como: baja resistencia y rigidez, alto coeficiente de expansión térmica, gama de temperatura útil baja.

 compuestos: Los materiales compuestos o composites surgen como respuesta a la demanda de nuevos sistemas con propiedades que son imposibles de reunir en un solo tipo de resistentes y rígidos (como los metales), a la vez que ligeros (como los polímeros) y que resistan a las altas temperaturas y la corrosión (como los cerámicos). Los composites son materiales multifasicos que conservan, al menos parcialmente la propiedad de sus sistemas constituyentes y diseñados para que presenten la combinación de propiedades mas favorable.

• La definición mas aceptada, dice que “un material compuesto es un sistema material integrado por una combinación de dos o mas micro o microestructuras que difieren en forma y composición química, y que son esencialmente insolubles entre si”.

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Las propiedades físicas y mecánicas de los plásticos reforzados dependen del tipo, la forma y la orientación del material de refuerzo, la longitud de las fibras y la fracción del volumen del material de refuerzo. Las fibras cortas son menos efectivas que las largas y sus propiedades son fuertemente afectadas por las temperaturas y el tiempo bajo carga. Las propiedades físicas de los plásticos reforzados y su resistencia a la fatiga, termo fluencia y desgaste dependen en gran medida del tipo y la cantidad de refuerzo; se pueden diseñar a la medida de aportar propiedades como permeabilidad y estabilidad dimensional, facilitar el procesamiento y reducir costos de producción.

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Las aplicaciones actuales exigen materiales de baja densidad y buenas propiedades mecánicas (elevada rigidez y resistencia). Esta combinación de propiedades no se puede conseguir con los materiales convencionales: metales, polímeros y cerámicos. El desarrollo de los composites ha permitido la mejora de las propiedades de los materiales.

Ventajas que presentan los materiales compuestos Alta resistencia específica (resistencia/densidad) y rigidez específica (rigidez/densidad) Posibilidad de adaptar el material el esfuerzo requerido gracias a la anisotropía.

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 Semiconductores Una gran cantidad de elementos son semiconductores, es decir, por lo general no son conductores, pero conducen corriente eléctrica a elevadas temperaturas o cuando se combinan con una pequeña cantidad de algunos otros elementos. Los elementos como el silicio y el germanio, son especialmente útiles para este propósito.

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El uso de los semiconductores en transistores y en celdas solares, por mencionar dos aplicaciones, ha revolucionado la industria electrónica durante las ultimas décadas, lo que ha permitido la fabricación de equipo electrónico en miniatura.

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La brecha energética entre las bandas llenas y las bandas vacías en estos solidos es mucho menor que en el caso de los aislantes. Si se suministra la energía necesaria para excitar electrones desde la banda de valencia hacia la banda de conducción el solido se convierte en un conductor. Este comportamiento es opuesto al de los metales. La capacidad de un metal para conducir la electricidad disminuye al aumentar la temperatura, ya que , a mayores temperaturas, se acentúa la vibración de los átomos y esto tiende a romper el flujo de electrones.

Propiedades de los materiales: propiedades mecánicas, eléctricas., ópticas térmicas y ambientales. 

Mecánicas: Al seleccionar materiales para un producto, primero se consideran sus propiedades mecánicas, entre ellas se encuentra la resistencia; tenacidad; la ductilidad, la cual es la medida de la deformación plástica que sufre el material antes de romperse; la elasticidad; la fatiga; la termofluencia; la dureza, la cual proporciona una indicación general de la resistencia del material al rayado y al desgaste. Las propiedades mecánicas especificadas para un producto y sus componentes deben, desde luego, ser apropiadas para las condiciones en que se espera que funcionen. Una combinación de propiedades mecánicas y físicas son las proporciones de resistencia a peso y rigidez a peso de los materiales, que son particularmente importantes para las aplicaciones aeroespaciales y automotrices, así como para artículos deportivos.



Eléctricas: La conductividad eléctrica y las propiedades dieléctricas de los materiales son importantes no sólo en el equipo y la maquinaria eléctrica, sino también en procesos de manufacturas como el formado de láminas metálicas por pulso magnético, el maquinado por descarga eléctrica y la rectificación electroquímica de materiales duros y frágiles.

Los elementos de aleación tienen un efecto importante en la conductividad eléctrica de los metales. Mientas mayor sea la conductividad del elemento de aleación, mayor será la conductividad eléctrica de la aleación. Por su parte, la resistencia dieléctrica tiene que ver con la resistividad de un material a la corriente eléctrica directa.

 Óptica: Entre estas propiedades se encuentran el color y la opacidad, las cuales son muy importantes, particularmente en los polímeros y vidrios.  Térmicas: En cuanto a la conductividad térmica, se utiliza para indicar la velocidad a la que fluye el calor dentro y a través de un material. Los materiales unidos por enlaces metálicos poseen en general alta conductividad térmica, mientras que los materiales unidos por enlaces iónicos o covalentes tienen una conductividad pobre.



Otras Propiedades: Como las químicas también desempeñan un papel importante, tanto en ambientes hostiles como en los normales. La oxidación, corrosión, degradación general de las propiedades, toxicidad e inflamabilidad de los materiales son factores importantes que se deben considerar.

Mientras que las Propiedades Manufactureras de los materiales determinan si se pueden fundir, formar, maquinar, unir y tratar térmicamente con relativa facilidad. El método o métodos utilizados para procesar materiales en las formas finales deseadas pueden afectar el desempeño, la vida de servicio y el costo del producto.

Relación entre la estructura química de los materiales y sus propiedades •

El aspecto fundamental que debe tomarse cuando se requiere producir un componente con una geometría y propiedades adecuadas, es el desempeño que éste tendría durante su vida útil.

Para poder hacer la mejor selección y diseño, debemos tomar en cuenta la compleja relación entre la estructura interna del material, su procesamiento y sus propiedades finales. Cuando alguno de los tres aspectos de esta relación cambia los otros dos se ven afectados. Por lo que resulta ventajoso poder determinar la relación que existe entre estos tres aspectos a fin de obtener el producto requerido.

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El aspecto más importante de un componente o pieza es que tenga la forma y propiedades esperadas y que cumpla su función por el tiempo estipulado. Para cumplir con lo anterior, el ingeniero de materiales debe conocer la relación entre: la estructura interna del material, el procesamiento del mismo y las propiedades finales del producto obtenido. Si uno de estos tres aspectos es modificado cualquiera de los restantes o ambos cambiaran también.

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Las propiedades y características de los materiales dependen del tipo de átomos que contienen, la estructura que adoptan y las fuerzas químicas que los enlazan.

• La estructura de cada material depende de la organización, ordenada o desordenada, de las partículas que lo conforman, sean átomos o iones; y si contienen elementos metálicos, no metálicos o una combinación de ambos. La combinación de elementos y el tipo de enlace que los une determina las características físicas y químicas que poseerá el material, como su estado físico, resistencia a factores externos de presión y temperatura, a agentes químicos, a la presencia de oxígeno, de humedad y de radiación.

La correspondencia entre la composición, el tipo de enlace químico y la estructura de un material determina las características y propiedades que poseerá para desempeñar una función específica, así como el tipo de procesamiento o maquinado mediante el cual se puede obtener un producto particular.

Dicha combinación (composición-enlace-estructura-propiedades) determina, el conocimiento y dominio de este conjunto de factores, permite a los ingenieros controlar y predecir su comportamiento cuando se fabrican o se someten a un trabajo particular se detalla en el siguiente cuadro:

Composición De la materia

Tipo de enlace

Tipo de estructura

Usos posibles

Características y/o propiedades

Selección de materiales en ingeniería.

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Actualmente existe una creciente variedad de materiales, cada uno con sus características, aplicaciones, ventajas, limitaciones y costos.

Los siguientes son los tipos generales de materiales utilizados en manufactura, ya sea individualmente o en combinaciones con otros materiales:  Metales Ferrosos: aceros al carbono, aleados, inoxidables y para herramientas y matrices.  Metales no Ferrosos: aluminio, magnesio, cobre, níquel, titanio, superlaciones, metal refractario, berilio, zirconio, aleaciones de bajo punto de fusión y metales preciosos.  Plásticos (polímeros): termoplásticos, termofijos y elastómeros.

Cerámicos, vidrios, cerámicos vidriados, grafito, diamante y materiales como diamante.  Materiales Compósitos: plásticos reforzados, compósitos de matriz metálica y de matriz cerámica, conocidos también como materiales de ingeniería.  Nanomateriales, aleaciones con memoria de forma, aleaciones amorfas, semiconductores, superconductores y otros materiales avanzados con propiedades únicas.

• El desarrollo de nuevos materiales vuelve aún más demandante la selección de los apropiados. Las estructuras aeroespaciales, las aplicaciones automotrices, el equipo militar y los artículos deportivos se han colocado a la vanguardia en el uso de materiales nuevos. A menudo surgen nuevas tendencias en el uso de materiales en todos los productos, impulsadas sobre todo por razones económicas.

Bibliografía  Química novena edición. Raymond CHANG  http://webdelprofesor.ula.ve/ingenieria/marquezro nald/wp content/uploads/2009/08/1_Introduccion-a-losMateriales.pdf  www.losadhesivos.com/definicion-depolimero.html  https://tecnologiamateriales.wikispaces.com/Pol%C3%ADmeros  https://inescatalina.wordpress.com/materialespolimericos/

Prof. José Luis Márquez

UNIVERSIDAD CENTROCCIDENTAL “LISANDRO ALVARADO” DECANATO DE CIENCIAS Y TECNOLOGÍA DIRECCIÓN PROGRAMA INGENIERÍA DE PRODUCCIÓN

Química de los Alimentos •

El agua en los alimentos: actividad del H2O (aw), tipos de agua en alimentos, importancia del aw en el almacenamiento.

• Proteínas, Lípidos y Carbohidratos: composición química, propiedades químicas, identificación.

• Operaciones generales en la tecnología de los alimentos: Limpieza, selección y clasificación. Conservación por Tratamientos térmicos.

Conservación a bajas temperaturas. Conservación por eliminación de agua. Fermentación.

• El Agua en los Alimentos En muchas ocasiones, al agua no se le considera un nutrimento porque no sufre cambios químicos durante su aprovechamiento biológico; pero es un hecho que sin ello no se pueden llevar a cabo las innumerables transformaciones bioquímicas propias de todas las células activas; desde una sencilla bacteria hasta el complejo sistema del organismo del hombre. Esto es tan cierto que existen teorías que consideran que la vida en nuestro planeta se originó gracias a la presencia de éste compuesto que permanece líquido en un intervalo de temperatura relativamente amplio.

El agua, un elemento esencial para la vida, es además uno de los principales componentes de los alimentos y, por sí sola, un factor determinante para su conservación y seguridad. El ataque de los microorganismos es la principal causa de deterioro y su crecimiento está ligado a la cantidad de agua que contiene el alimento.

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Tiene un gran número de funciones biológicas basadas en su capacidad física para transportar sustancias, disolver otras y mantenerlas tanto en solución como en suspensión coloidal y también en su reactividad química, al intervenir en la fotosíntesis y en muchas reacciones enzimáticas de hidrólisis

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Cabe destacar que, es el principal constituyente de todos los tejidos vivos, ya que representa generalmente al menos el 60% de su composición. En los alimentos se encuentra hasta en un 96-97%, como es el caso de algunas frutas en las que es un factor fundamental la frescura; incluso, muchos deshidratados que en apariencia so totalmente secos, contienen un 10-12% de ella; sólo en la sal y en el azúcar de mesa no existe.

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Actividad del Agua

La actividad de agua (aw) es la cantidad de agua libre en el alimento, es decir, el agua disponible para el crecimiento de microorganismos y para que se puedan llevar a cabo diferente reacciones química. Tiene un valor máximo de 1 y un valor mínimo de 0. Cuanto menor sea este valor, mejor se conservará el producto. La actividad de agua está relacionada con la textura de los alimentos: a una mayor actividad, la textura es mucho más jugosa y tierna; sin embargo, el producto se altera de forma más fácil y se debe tener más cuidado.

A medida que la actividad de agua disminuye, la textura se endurece y el producto se seca más rápido. Por el contrario, los alimentos cuya actividad de agua es baja por naturaleza son más crujientes y se rompen con facilidad. En este caso, si la actividad de agua aumenta, se reblandecen y dan lugar a productos poco atractivos. En ambos casos, el parámetro de la actividad de agua del alimento es un factor determinante para la seguridad del mismo y permite determinar su capacidad de conservación junto con la capacidad de propagación de los microorganismos.

Las propiedades coligativas, reológicas y de textura de un alimento dependen de su contenido de agua, aun cuando éste también influye definitivamente en las reacciones físicas, químicas, enzimáticas y microbiológicas. El agua se divide en “Libre” siendo ésta la única disponible para el crecimiento de los microorganismos y para intervenir en las otras transformaciones; y “Ligada”, la cual está unida a la superficie sólida y no actúa por estar “no disponible o inmóvil”.

Es decir, bajo este sencillo esquema, sólo una fracción de agua, llamada Actividad del Agua, Aa, es capaz de propiciar estos cambios y es aquella que tienen movilidad y disponibilidad. Su importancia radica en que, con base a este valor empírico se puede predecir la estabilidad y la vida útil de un producto, y no con su contenido de agua; refleja el grado de interacción con los demás constituyentes, además de que se relaciona con la formulación, el control de los procesos de deshidratación y de rehidratación, la migración de la humedad en el almacenamiento y muchos otros factores.

En el siguiente cuadro se presentarán valores de actividad de agua de algunos alimentos

Actividad del agua de algunos alimentos

Aa Frutas frescas y enlatadas

0.97

verduras

0.97

Jugos

0.97

Huevos

0.97

Carne

0.97

Queso

0.95

Pan

0.94

Mermeladas

0.86

Frutas secas

0.73

Miel

0.70

Huevo en polvo 5% humedad

0.40

Galletas, cereales

0.35

azúcar

0.10

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Los diversos métodos de conservación se basan en el control de una o más de las variables que influyen en la estabilidad, es decir, actividad del agua, temperatura, pH, disponibilidad de nutrimentos y de reactivos, potencial de óxidoreducción, presión y presencia de conservadores. En este sentido, la Aa es de fundamental importancia, y con base a ella se puede conocer el comportamiento de un producto.

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En la siguiente figura aparece su relación con el pH; la Ubicación del alimento en este diagrama da una indicación clara de su estabilidad y contribuye a determinar la necesidad de tratamiento térmico, de adición de conservadores, entre otros, para prolongar la vida de anaquel.

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Carbohidratos

Son biomoléculas compuestas por carbono, hidrógeno y oxígeno, cuyas principales funciones en los seres vivos son el brindar energía inmediata y estructural •

son compuestos formados por carbono, hidrogeno y oxígeno, éstos dos últimos en la proporción del agua. Presentan la fórmula general Cx(H2O)n, y tienen estructura de polihidroxialdehído o de polihidroxiacetona; además, todos los carbohidratos presentan grupos funcionales C=O o –OH. Los CHO son los compuestos orgánicos más abundantes en la naturaleza, y también los más consumidos por los seres humanos. Los hidratos de Carbono que provienen del reino vegetal son más variados y abundantes que los del reino animal; se originan como producto de la fotosíntesis y son los principales compuestos químicos que almacenan la energía radiante del sol.

Existe un gran número de Hidratos de Carbono; los más conocidos son la sacarosa, la glucosa, la fructosa, el almidón y la celulosa, pero también hay otros que, aunque se encuentran en menos concentración en los productos que consumimos diariamente, tienen mucha importancia por sus propiedades físicas, químicas y nutrimentales.

Por lo general, al referirse a los Carbohidratos se prefiere el criterio de la estructura química, que hace referencia al tamaño de la molécula o al número de átomos de carbono que ésta contiene, así como la cantidad de unidades de azúcar que lo conforman. De acuerdo a este principio, los hidratos de carbono pueden ser monosacáridos, oligosacáridos y polisacáridos.

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Monosacáridos: (1unidad de azúcar). Estos compuestos, solubles en agua, son insolubles en etanol y en éter; además son dulces, aunque pueden existir algunos amargos, tienen apariencia cristalina y blanca. Comparativamente, la cantidad de monosacáridos en estado libre es muy inferior al número de los que se encuentran en forma combinada integrando los diversos polisacáridos. Casi todos los monosacáridos se han podido cristalizar, pero en ciertos casos el procedimiento necesario para ello es difícil si no se cuenta con cristales que permitan iniciarlo. Al igual que otros, los cristales de los azúcares pueden descomponerse a temperaturas cercanas a su punto de fusión, e intervienen en un gran número de reacciones.

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La glucosa es el monosacรกrido mรกs abundante en la naturaleza; se encuentra en diferentes frutas como la manzana y fresas, y en las hortalizas como la cebolla. Su concentraciรณn depende bรกsicamente del grado de madurez del producto. Otros monosacรกridos son: galactosa, manosa, fructosa, sorbosa, entre otros.

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Oligosacáridos (de 2 a 10 unidades de azúcar): Este grupo de sustancias se considera tradicionalmente como producto de la condensación de entre tres y 10 monosacáridos mediante un enlace glucosídico. Algunos Oligosacáridos son: Lactosa, sacarosa, maltosa, rafinosa, estaquiosa, verbascosa, entre otros.

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Polisacárido (más de 10 unidades de azúcar): Casi todos los polisacáridos naturales contienen cientos de monómeros y, en ocasiones, varios miles. No producen verdaderas soluciones, sino más bien dispersiones de tamaño coloidal; puros no tienen color, aroma ni sabor. Su peso molecular, que puede llegar a ser hasta de millones, es en realidad un promedio, puesto que las moléculas no son iguales y siempre presentan una distribución de valores. Algunos Polisacáridos son: Almidón, glucógeno, celulosa, hemicelulosa, pectinas, entre otros.

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Proteínas

Las proteínas son macromoléculas compuestas por carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno.

La mayoría también contienen azufre y fósforo. Las mismas están formadas por la unión de varios aminoácidos, unidos mediante enlaces peptídicos. El orden y disposición de los aminoácidos en una proteína depende del código genético, ADN, de la persona.

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Las proteínas constituyen alrededor del 50% del peso seco de los tejidos y no existe proceso biológico alguno que no dependa de la participación de este tipo de sustancias.

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Las proteínas poseen propiedades nutricionales, y de sus componentes se obtienen moléculas nitrogenadas que permiten conservar la estructura y el crecimiento de quien las consume; asimismo, pueden ser ingredientes de productos alimenticios y, por sus propiedades funcionales, ayudan a establecer la estructura y propiedades finales del alimento. Si bien hay ligeras variaciones en diferentes proteínas, el contenido de nitrógeno representa el 16% de la masa total de la molécula.

Las unidades más simples de la estructura química común a todas las proteínas son los aminoácidos (Holoproteidos). En el código genético están codificados las veinte distintas α-aminoácido, también llamados residuos, que constituyen los eslabones que conforman péptidos, que cuando forman cadenas polipeptidicas y alcanzan altos pesos moleculares se denominan proteínas.

Las estructuras de los 20 aminoácidos se presentan en la siguiente figura:

También se pueden clasificar como Heteroproteidos, siendo un productos de proteínas conjugadas, formadas por aminoácidos acompañados de sustancias diversas, y proteínas derivadas, sustancias formadas por desnaturalización y desdoblamiento de las anteriores.

• Papel de las proteínas en sistemas alimenticios

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Lípidos

La palabra lípidos proviene del griego “Lipos”, que significa grasa y cuya aplicación no ha sido establecida; originalmente se definía como “una sustancia insoluble en agua, pero soluble en disolventes orgánicos como cloroformo, hexano y éter de petróleo”; con esta consideración de solubilidad, existen muchos otros compuestos, como terpenos, vitaminas y carotenoides que también están incluidos.

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Sin embargo, algunos autores consideran como lípidos solo a aquellas moléculas que son derivados reales o potenciales de los ácidos grasos y sustancias relacionadas; según esta definición, los aceites y las grasas se consideran por antonomasia como Lípidos.

Los lípidos son grupos de compuestos constituidos por carbono, hidrogeno y oxigeno que integran cadenas hidrocarbonadas alifáticas o aromáticas, aunque también contienen fósforo y nitrógeno.

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Desempeñan muchas funciones en los tejidos, además de que son la fuente energética más importante, ya que cada gramo genera 9 kcal, porque en su estructura contienen más átomos de carbono que las proteínas y los hidratos de carbono que producen 4 kcal/gr cada uno; muchos cumplen una actividad biológica, unos son parte estructural de las membranas celulares y de los sistemas de transportes de diversos nutrimentos, otros son ácidos grasos indispensables, vitaminas y hormonas, algunos son pigmentos, entre otros. También actúan como aislantes naturales en el hombre y los animales ya que, por ser malos conductores del calor el tejido adiposo mantiene estable la temperatura del organismo.

El número de sustancias consideradas como lípidos es muy grande, una manera de clasificarlos son por las propiedades físicas o químicas que lo caracterizan; por lo tanto, se pueden dividir en tres grandes grupos, en función de su estructura química. Los simples (Ésteres de ácidos grasos y alcoholes) abarcan las grasas y los aceites y, por lo tanto, resultan los más abundantes e importantes para el tecnólogo de alimentos. Los lípidos compuestos son aquellos que están integrados por una parte lipídica y otra que no lo es, unida covalentemente, como los fosfolípidos y los glucolípidos. También se incluyen las Lipoproteínas pero, dado que sus integrantes (Proteínas y lípidos) se enlazan hidrófoba y electrostáticamente, algunos autores no las consideran en este grupo; su importancia biológica es enorme, puesto que, entre otras cosas son parte de la membrana celular y de los complejos que forman con el colesterol. Por último los lípidos asociados o derivados son todos los que no se ubican en ninguna de las subdivisiones anteriores; en esta categoría están los ácidos grasos libres, carotenoides, vitaminas liposolubles, colesterol, entre otros.

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Asegurar la calidad de los alimentos implica tener implementado un plan de limpieza y desinfección que coadyuve, conjuntamente con las buenas prácticas de la persona manipuladora, a reducir al mínimo el peligro de contaminación y por lo tanto permita garantizar la inocuidad de los productos. Por ello es importante recordar que es diferente limpiar que desinfectar.

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En la industria alimentaria, se producen gran cantidad y diversidad de productos alimentarios para su distribución y venta, a menudo en distintos países. Sería imposible, y en ocasiones destructivo, comprobar todos y cada uno de los productos elaborados para asegurarse de que cumplen todos los requerimientos de seguridad y calidad. En lugar de ello, el técnico aplica programas de garantía de calidad para asegurarse de que los productos alimentarios cumplan los requisitos necesarios, y se ajusten a la legislación alimentaria en vigor.

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Limpieza, selección y clasificación: La operación preliminar de limpieza, junto con las de selección y clasificación, se pueden considerar, en general, como operaciones de separación.

La limpieza separa los contaminantes de las materias primas; la selección separa las materias primas en categorías de características físicas (como tamaño, forma y color) diferentes; y la clasificación separa las materias primas en categorías de diferente calidad.

•

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Esta clasificación es útil, aunque no rígida, ya que las operaciones de limpieza y selección suponen una mejora de la calidad y la clasificación lleva siempre aparejada una cierta selección. Sin embargo, estos términos tienen sentido, siempre que se apliquen al fin primordial perseguido por la actividad considerada.

Al limpiar las materias primas, el fabricante persigue principalmente dos objetivos, la eliminación de contaminantes que constituye un peligro para la salud o que son estéticamente desagradables, y el control de la carga microbiana y de las reacciones químicas y bioquímicas que perjudican la eficacia del procesado y la calidad del producto

Un proceso de limpieza debe tener los siguientes criterios:  La eficacia de la separación debe ser la máxima compatible con un desperdicio mínimo del producto noble.  El contaminante debe retirarse tras su separación, a fin de evitar la re-contaminación del alimento limpio.

La selección juega un papel importante en el control de la eficacia de muchos procesos de la elaboración de alimentos. Los alimentos seleccionados poseen los siguientes atributos deseables:



Son más adecuados para las operaciones mecanizadas, como el pelado, el escaldado, el deshuesado y el despepitado.  Permite mejor control de los pesos con que se llena los envases normalizados.  Desde el punto de vista del consumidor, los productos seleccionados son más atractivos y permiten servir porciones de un tamaño uniforme, lo que es de gran importancia en los envases destinados a los establecimientos o compañías que distribuyen raciones envasadas.

La clasificación, o separación por calidad, depende de la evaluación global de aquellas propiedades del alimento que afectan a su aceptación, como tal, o como materia prima para el fabricante de alimentos. En términos generales, las propiedades de un alimento que gobiernan su calidad se pueden englobar e cuatro grupos. Son las propiedades que controlan, la adecuación para el proceso, la inocuidad para el consumidor, la conformidad con las disposiciones legales, y la aceptación por el consumidor.

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Algunos parámetros para clasificar productos pueden ser: tamaño y forma, madurez, textura, flavor y aroma, función, carencia de defectos, color, carencia de contaminantes, carencia de partes indeseables de la materia prima, conformidad con los estándares legales o códigos de prácticas correspondientes, entre otros.

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Conservación por tratamientos térmicos: Consiste en procedimientos que tienen entre sus fines la destrucción de los microorganismos por el calor. Se refiere por lo tanto, a la pasteurización y a la Esterilización, cuya finalidad principal es la destrucción microbiana, como el escaldado y a la cocción, procesos en los que también se consigue una cierta reducción de la flora microbiana, pero que sus objetivos principales son la variación de las propiedades físicas del alimento.

La pasteurización implica la destrucción por el calor de todos los organismos en fase vegetativa, productores de enfermedades o la destrucción o reducción del número de organismos productores de alteraciones en ciertos alimentos.

En cuanto a la esterilización, se refiere a la destrucción de todos los organismos viables que puedan ser contados por una técnica de recuento o cultivos adecuados y sus esporas, mediante la aplicación de calor a temperaturas superiores a 100 ° C.

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Conservación a Bajas temperaturas: La congelación conserva los alimentos impidiendo la multiplicación de los microorganismos. Dado que el proceso no destruye a todos los tipos de bacterias, aquellos que sobreviven se reaniman en la comida al descongelarse y a menudo se multiplican mucho más rápido que antes de la congelación

Muchos de los métodos empleados para preservar los alimentos se basan, no en la destrucción o eliminación de los microorganismos sino en retrasar su germinación o impedir su crecimiento. En estos casos la conservación es temporal, debido a que solo se inhibe la actividad de los microorganismos.

Las dos formas de conservación de alimentos en bajas temperaturas son; refrigeración y congelación.

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Conservación por eliminación de Agua: Su finalidad es la eliminación de solo una parte de agua de los alimentos, tal vez de uno o dos tercios de ella, esto se logra exponiendo los alimentos a calor extremo, evitando así el desarrollo de bacterias y procurando la conservación de las vitaminas de los productos deshidratados. El secado de los alimentos pueden ser de forma industrial a través de hornos deshidratadores.

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Fermentación: Este método se utiliza para producir sabores y características físicas nuevas y deseables, así como ayudar a la conservación del alimento.

La conservación por fermentación depende de la conversión de azúcares a ácidos por la acción de microorganismos y de la imposibilidad de las bacterias de crecer en un medio acido. Aquí es necesario inhibir el desarrollo de los microorganismos capaces de provocar putrefacción.

• El cloruro de sodio (Sal) es muy útil, limita el crecimiento de gérmenes putrefactos e inhibe el crecimiento de gérmenes indeseables en el proceso de fermentación.

No obstante, hay ciertas bacterias que soportan grandes concentraciones de sal y crecen en las mismas. Las fermentaciones pueden estar producidas por bacterias, levaduras, mohos o ambas.

Bibliografías

http://www.consumer.es/seguridad-alimentaria/ciencia-ytecnologia/2008/03/26/175613.php

https://es.wikipedia.org/wiki/Glúcido http://www.zonadiet.com/nutricion/proteina.htm

Prof. José Luis Márquez

UNIVERSIDAD CENTROCCIDENTAL “LISANDRO ALVARADO” DECANATO DE CIENCIAS Y TECNOLOGÍA DIRECCIÓN PROGRAMA INGENIERÍA DE PRODUCCIÓN

INGENIERÍA DE PRODUCCIÓN

Control de Calidad.

Prof. José Luis Márquez

QUÍMICA INDUSTRIAL

Control de Calidad

El control de calidad consiste en la implantación de programas, mecanismos, herramientas y/o técnicas en una empresa para la mejora de la calidad de sus productos, servicios y productividad.

Objetivo Establecer un control de calidad significa ofrecer y satisfacer a los clientes al máximo y conseguir los objetivos de la empresas. En primer lugar, se obtiene la información necesaria acerca de los estándares de calidad que el mercado espera y, desde ahí, se controla cada proceso hasta la obtención del producto/servicio, incluyendo servicios posteriores como la distribución.

Control de Calidad

Ventajas Muestra el orden, la importancia y la interrelación de los distintos procesos de la empresa.

•Se realiza un seguimiento más detallado de las operaciones.

•Se detectan los problemas antes y se corrigen más fácilmente.

Plan de calidad Es un plan donde se recogen los proyectos y acciones orientados a maximizar la calidad de las operaciones y, por consiguiente, la satisfacción de los consumidores.

Estas acciones han de ser lo suficientemente relevantes como para tener un impacto en los objetivos de la compañía.

Control de Calidad Organización de la Normalización en Venezuela LA NORMALIZACIÓN En la sociedad actual crece velozmente las relaciones comerciales, donde comparadores y vendedores requieren de mejores procesos que permitan realizar esas transacciones con un alto de grado de confiabilidad con respecto a la calidad de los productos que se comercializan. La calidad no es una magnitud absoluta, esta influenciada por condiciones subjetivas variables, que necesita tener un sistema que sirva de conexión entre los compradores y los vendedores, para generar unas bases técnicas para el buen entendimiento comercial, como son la metrología, la normalización y el control de la calidad.

Es importante puntualizar las funciones que va a cumplir el bien o servicio que se va a adquirir y así conocer la potencialidad que tiene el fabricante para responder a las expectativas de los clientes. Esto genera la aparición de distintos niveles de calidad y de precios. El éxito de todos estos aspectos para asegurar las calidades esperadas radica en el hecho de un conjunto de reglas técnicas, reconocidas y acatadas que conforman un sistema de normas. Este sistema de entendimiento y control se le denomina normalización.

Control de Calidad Organización de la Normalización en Venezuela SELLOS DE GARANTÍA. Muchos de los inconvenientes entre los fabricantes y compradores se pueden evitar si los productos o servicios son ofrecidos siguiendo procedimientos que generen una garantía de calidad. A un comprador o usuario le interesa saber si están garantizadas las condiciones mínimas, deseables e indispensables, al cumplir con estas condiciones los compradores establecen sus niveles de aceptación. Cuando se hace comercio internacional, la normalización ayuda a resolver los conflictos que se presentan por el muestreo, inspección y desempeño de los comercializados. Uno de los primeros acuerdos se encuentra en el etiquetado, que contiene una información sencilla y sin ambigüedades, anexando información sobre sus sistemas de control, normalización del correspondiente instituto nacional en conformidad con prácticas internacionales. Uno de los mecanismos más utilizados para relacionar los niveles de garantía entre fabricantes y consumidores de diferentes países es el "Sello de conformidad con Normas", iniciado por el Instituto Alemán de Normalización (DIN), que consiste en una marca o sello visible, estampado en la etiqueta del producto, que garantiza que ese producto en particular cumple con los requisitos de calidad que exige la correspondiente norma del país

Control de Calidad Organización de la Normalización en Venezuela La Organización fabricante, es la responsable por la calidad de sus productos y responderá legalmente si se demuestra que su producción ostenta el sello fraudulentamente y que no cumple con la norma. El proceso tiene la siguiente secuencia:  El fabricante de un determinado producto manifiesta su deseo de optar al "Sello de conformidad" y se dirige al organismo que lo administra.  El citado organismo se encarga de comprobar, por vía directa o por la acción de terceros, si el producto que fabrica el solicitante sale al mercado cumpliendo con la norma vigente.  Simultáneamente se evalúa el sistema de controles que utiliza el fabricante durante su producción, para evitar el riesgo de decidir solamente por la calidad del producto a lo largo de un cierto período, pero sin la garantía de que esa calidad pueda no ser circunstancial y no se pueda mantener.  Si la organización de la calidad en la fábrica y en el exterior, son aceptables, se expide la autorización al uso del sello durante un determinado tiempo y sometido a comprobaciones ocasionales durante ese período.

Control de Calidad LA MARCA NORVEN Es importante distinguir el sello que se usa, hay sellos que evidencian y controlan la calidad de un proceso de fabricación o los productos que se generan en el proceso. Otro tipo de sello garantiza la calidad de un determinado lote o grupo de productos. En Venezuela se ha distinguido claramente utilizando para el primer tipo la marca Norven y para el segundo la marca Certiven. El proceso de normalización en Venezuela empieza a finales de la década de los cuarenta, pero no acierta a centralizarse hasta 1958 con la aparición de Covenin que empezó a operar en 1960. Se consolido en el medio industrial en Enero de 1973 con el decreto 1195 del Ministerio de Fomento al crear la marca Norven y Certiven. En Agosto del mismo año con decreto 3939 del Ministerio de Fomento se señalaron todos los detalles sobre la solicitud, estudio, concesión y vigilancia de los sellos venezolanos de calidad.

Control de Calidad Control de Calidad en Venezuela

COVENIN

Corresponde al acrónimo de la Comisión Venezolana de Normas Industriales, como se conoció desde 1958 hasta 2004 a el ente encargado de velar por la estandarización y normalización bajo lineamientos de calidad en Venezuela.

COVENIN estableció los requisitos mínimos para la elaboración de procedimientos, materiales, productos, actividades y demás aspectos que estas normas rigen. En esta comisión participaron entes gubernamentales y no gubernamentales especialistas en un área. A partir del año 2004, las actividades desarrolladas por COVENIN pasan a ser ejecutadas por FONDONORMA. La necesidad de homologación de criterios en el área de la Normalización y Certificación de la Calidad, lleva al Estado Venezolano, en el año de 1958, a la promulgación del Decreto Oficial Nº 501 para la creación de la Comisión Venezolana de Normas Industriales, COVENIN. La creación de COVENIN permite el desarrollo de políticas en el ámbito de la normalización y control de calidad, inexistentes para ese entonces en el país, comenzándose el desarrollo de las primeras normas técnicas a nivel nacional.

Control de Calidad

Fondonorma

Asociación civil sin fines de lucro con personalidad jurídica y patrimonio propio, fue creada en 1973 con el fin de desarrollar en Venezuela las actividades de normalización y certificación en todos los sectores industriales y de servicios, y de formar recursos humanos en dichas especialidades. Desde su creación ha elaborado más de 4.000 normas con la participación de representantes de los sectores público y privado. Ofrece diversas opciones en materia de certificación de sistemas de gestión de las organizaciones y la calidad de productos y servicios, con instrumentos de valor internacional como los certificados ISO 9001, ISO 14001, ISO 22000, ISO 27001, OHSAS 18001, Marca de Conformidad FONDONORMA y Sello FONDONORMA de Servicios. Cuenta con la acreditación de SENCAMER de Venezuela (ISO 9001), y es miembro de IQNet, red mundial de organismos de certificación.

Control de Calidad Control de Recepción Es un proceso mediante el cual se recibe los productos terminados procedentes de fábricas y almacenes, estos se recibe en forma apilada en el camión de transporte para que luego los cargadores preparen los medios de trasporte para empezar la descarga, de acuerdo a la variedad de productos, donde el responsable de ingreso al almacén verifica que la documentación este conforme para autorizar el ingreso de los productos, para que el jefe del almacén verifique la disponibilidad de espacio en módulos y designara la zona donde se depositan los productos.

Funciones de la recepción de materiales  Recibir e inspeccionar los artículos y verificar las cantidades con la orden de compra y el envío.  Preparar informes cuando hay escasez, daños durante el tránsito y devoluciones a los vendedores.  Preparar una guía de recepción para distribuirla a varios departamentos.  Entregar la mercancía a los almacenes.

Control de Calidad Control de Recepción Normas para la recepción materiales  Recibir de una manera ordenada.  Planificar la Recepción con arreglo a la economía (Tiempo y Movimiento).  Delegación de responsabilidades en personas específicamente capacitadas.  Utilizar el equipo suficiente y necesario.  Disponibilidad planificada de los espacios necesarios.  Sistemas de seguridad y protección procedentes.  No recibir nunca, sin pensar contar o medir  Confrontación sistemática del material recibido con los documentos que lo acompañan.

Control de Calidad Control de Recepción

Pasos y medidas Los materiales o insumos deben apartarse en recepción de acuerdo con la orden de compra a la cual deben de ajustarse la factura. La misma debe de especificar: unidades, piezas, kilos o litros, recordando que en Venezuela, el sistema legal para medir o pesar es el sistema métrico decimal, cuya base es el metro.

Área de recepción El flujo rápido del material que entra, para que esté libre de toda congestión o demora, requiere de la correcta planeación del área de recepción y de su óptima utilización. Condiciones que impiden el flujo rápido: 1) Espacio de maniobras restringido o inadecuado.

2) Medios de manejo de materiales deficientes.

3) Demoras en la inspección y documentación de entrada.

El objetivo que persigue toda empresa es obtener rapidez en la descarga y lograr que la permanencia de la mercancía en el área de recepción sea la mínima posible.

Control de Calidad Control de Recepción ZONA DE INSPECCIÓN El flujo rápido de los materiales que se reciben, requiere de un espacio óptimo para descarga y almacenamiento provisional, para revisión y cotejo con la remisión del proveedor, debe ser pesada y elaborarse la documentación de entrada.

Recepción cuantitativa Tiene por objeto verificar las cantidades recibidas y comprobar que son iguales a la de la nota de entrega. En la medida de lo posible las operaciones de recepción cuantitativa se realizan en un local preparado para el efecto, que se llama normalmente sala de recepción.. El receptor cuantitativo efectúa sus verificaciones bien sea contando de pieza por pieza de las mercancías recibidas en número o bien por mediciones que permitan las verificaciones dimensionales de identificación.

Control de Calidad Control de Recepción Recepción cualitativa Es necesario por objeto verificar las cantidades recibidas y comprobar que son iguales a la de la nota de entrega, aunque puede ser procedida por inspecciones previas en la fabrica del suministrador en los casos en que es necesario y sea viable constatar la calidad de la materia prima utilizada, la misma que debe ser realizada exclusivamente por personal técnico calificado. También es importante citar que como parte fundamental de un buen almacenamiento dentro de una bodega, el de tener muy en cuenta importantes factores que ayudan en la administración de los materiales almacenados.

Estos factores son: 1) Control de Inventarios· 2) Análisis en la Rotación· 3) Análisis de stock.

Control de Calidad Control del proceso Un proceso de producción es el conjunto de actividades orientadas a la transformación de recursos o factores productivos en bienes y/o servicios. En este proceso intervienen la información y la tecnología, que interactúan con personas. Su objetivo último es la satisfacción de la demanda.

Etapas del proceso de producción 1. Acopio/ etapa analítica: esta primera etapa de la producción, las

materias primas se reúnen para ser utilizadas en la fabricación 2. Producción/ etapa de síntesis: durante esta fase, las materias primas que se recogieron previamente se transforman en el producto real que la empresa produce a través de su montaje 3. Procesamiento/ etapa de acondicionamiento: la adecuación a las necesidades del cliente o la adaptación del producto para un nuevo fin son las metas de esta fase productiva, que es la más orientada hacia la comercialización propiamente dicha.

Control de Calidad Control del proceso •

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Tipos de proceso de producción

Producción bajo pedido: en esta modalidad productiva solamente se fabrica un producto a la vez y cada uno es diferente, no hay dos iguales, por lo que se considera un proceso de mano de obra intensiva •

Producción por lotes: con la frecuencia que sea necesario se produce una pequeña cantidad de productos idénticos

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Producción en masa: es como se denomina a la manufactura de cientos de productos idénticos, por lo general en una línea de fabricación.

Producción continua: permite fabricar muchos miles de productos idénticos y, a diferencia de la producción en masa, en este caso la línea de producción se mantiene en funcionamiento 24 horas al día, siete días a la semana

Control de Calidad Control de Producto terminado REVISIÓN DE REGISTROS DE CALIDAD DERIVADOS DEL TRABAJO DE CONTROL REALIZADO POR EL PROCESADOR La revisión de los registros se realiza con la finalidad de determinar la cantidad de producto procesado, identificación, lotes procesados, observaciones y anomalías presentadas durante el proceso, resultados de control de calidad del procesador y otros ítems relacionados.

MUESTRA DEL PRODUCTO EN LA CÁMARA DE ALMACENAMIENTO Se realizará en base a un muestreo estratificado y ponderado, dentro de los lotes a embarcarse, para ello se utilizará el plan de muestreo El muestreo se lo realizará en la cámara de almacenamiento y una vez que el producto se identifique claramente.

Control de Calidad Control de Producto terminado EVALUACIร N DEL PRODUCTO En base al producto seleccionado y registrando los cรณdigos inspeccionados, se procederรก a realizar un control para revisar si el producto cumple con las especificaciones del cliente, por medio de diferentes pruebas, dependiendo del tipo de producto inspeccionado.

EMBARQUE DEL CONTENEDOR Una vez que se haya confirmado que el producto cumple con los requisitos del cliente, se procederรก a realizar el embarque siguiendo los requerimientos del cliente y utilizando todas las medidas necesarias de supervisiรณn para preservar la integridad del producto terminado y confirmar que este llegue en buen estado a su destino final.

Control de Calidad Gráficos de Control de Calidad Los Gráficos de control sirven para poder analizar el comportamiento de los diferentes procesos y poder prever posibles fallos de producción mediante métodos estadísticos. Estas se utilizan en la mayoría de los procesos industriales.

Control de Calidad Límites de control modificados Los límites de control modificados para la Xmedia se utilizan cuando Cp o Cpk es mucho mayor que 1, es decir, cuando la variabilidad del proceso es mucho menor que la extensión de los límites.

Control de Calidad En estos casos en los que el intervalo de las especificaciones es tan grande en relación a 6σ se recomienda cambiar de los gráficos de control de Xmedia habitual a los gráficos modificados. En esta, se permite el desplazamiento de la media un cierto rango, siempre que esta variación no resulte en la aparición de un número significativo de piezas defectuosas, es decir, producir piezas defectuosas con una probabilidad δ. La media se puede desplazar, tanto superior µU como inferiormente µL, un valor tal que la probabilidad de estar fuera de las especificaciones sea δ. Supondremos que la variabilidad del proceso está bajo control. Para especificar los nuevos límites de control de la carta modificada, tendremos en cuenta que el valor de la media tiene que estar entre µU y µL, se pueden calcular mediante:

Bibliografías

https://debitoor.es/glosario/definicion-control-calida http://www.monografias.com/trabajos25/normalizacion/normalizac ion.shtml#ixzz4dDgvpYFX http://www.monografias.com/trabajos75/recepcionmateriales/recepcion-materiales2.shtml#ixzz4dDrsdHBa

Prof. José Luis Márquez