unidad 1 apuntes caracterizacion

7/24/2019 Unidad 1 Apuntes caracterizacion

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Universidad Autónoma de Coahuila Caracterización de MaterialesFacultad de Metalurgia

Noviembre 2008 1

CONTENIDO

INTRODUCCION…………………………………………..……………………………2

CONCEPTOS……………………………………………………………….…………..3

Análisis Químico….……….……………………..... ......................3

Procedimiento del Análisis Químico.………………………...….4

Espectrometría………….…..……………………………………...7

Ejemplos de algunos tipos de espectrometría ……………….10

Vía Húmeda………………………….……………………………15

Rayos X……………………………………………………………..16

ARTICULO………………………………………………………………………………21

APLICACIONES DE UNA MEJORA EN EL SECTOR INDUSTRIAL...…………..27

CONCLUSION……………………………………………..……………….…………..29

DIFICULTADES……………………………………………………………...………….29

BIBLIOGRAFIA………………………………………………………………..……..…30




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INTRODUCCION

Junto con la necesidad de crear y fabricar nuevos tipos de materiales, está la

necesidad de poder caracterizarlos apropiadamente.

El desarrollo tecnológico está basado sobre la explotación apropiada de las

propiedades de los matearles. Es imposible saber como utilizar cualquier material

sólo si tenemos la capacidad previa de poder caracterizarlos con un conjunto

apropiado de técnicas experimentales.

Usualmente la composición superficial de un material cambia respecto a la de su

interior. Por esto dependiendo del estudio que se desea realizar habrá que utilizar

la técnica más apropiada. Hay técnicas que dan información más del interno del

sólido y otras que más bien lo hacen sólo de su superficie.

También, podemos tener técnicas que permitan estudiar composición y

conformación de la superficie.

Este trabajo describirá los análisis de diferentes procesos para el estudio de la

composición de diferentes materiales, además se mostrara el fundamento,

características y aplicaciones de estos.




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CONCEPTOS

ANÁLISIS QUÍMICO

Es un conjunto de técnicas y procedimientos empleados para identificar y

cuantificar la composición química de una substancia; este tipo de análisis se

divide en dos grandes análisis como es el cualitativo y cuantitativo.

Análisis Cualitativo

Trata de la identificación de substancias. Esta interesado en que elementos o

compuestos estas presentes en una muestra. La muestra en cuestión puede ser

un puro elemento o una sustancia químicamente pura o cualquier mezcla posible.

En el desarrollo de un análisis cualitativo no solamente se llega a demostrar la

presencia de determinados constituyentes, sino que puede también obtenerse

una aproximación relativa de las cantidades de cada una de ellos en la muestra

tomada.

Análisis Cualitativo

Se interesa en la determinación de que cantidad de substancia en particular esta

presente en una muestra.

La substancia determinada muchas veces se llama componente deseado o

analita y puede constituir una pequeña o gran parte de la muestra analizada.

Procedimiento Del Análisis Químico




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La realización del análisis químico, esta precedida por una serie de pasos, que

deben ser realizados concienzudamente, ya que son muy elaborados, tanto o mas

que la medición en si.

Fig. 1 Procedimiento del Análisis Químico

1. Elección del método de análisis.

La elección del método a usar es potestad del analista, este debe tener en cuenta

varios factores, como la cantidad de muestra que se le va a suministrar, el equipo

y reactivos disponibles para realizar la medición, la exactitud con que se necesita

el análisis, tiempo disponible, entre otros factores.

2. Toma de la Muestra.La muestra que llegue a las manos del analista, debe ser representativa de la

totalidad del producto o población. Cuanto más pulverizado u homogeneizado

este el producto, más fácil será obtener una muestra. Cuando se trabaja con

gases o líquidos, el grado de homogeneidad molecular asegura que una muestra

muy pequeña es representativa de una gran cantidad de material.




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Contrario a lo anterior, el trabajo con materiales sólidos y heterogéneos, como

muestras de material particulado, de diferentes diámetros, hace de la toma de

muestra un procedimiento difícil, ya que lo que se lleve al laboratorio debe

representar el total del material. Incluso existen normas internacionales para la

toma de muestras, y su tratamiento, la ASTM regula estos estándares, así pues,

un cliente puede exigir que las pruebas de una producto se hagan bajo estas

directrices, de lo contrario dará como no validos los resultados.

3. Transformación de la muestra

Preparación de la Muestra

Si la muestra es un sólido, se debe someter a un tratamiento previo, como

pulverizarse para reducir el tamaño de sus partículas y lograr homogeneidad.

También se puede eliminar la humedad de la muestra para que esta no tenga

inferencia en los resultados.

Medición de la Muestra.

Se refiere a cuantificar la cantidad de materia disponible para análisis, en las

unidades más convenientes; masa, volumen o numero.

Disolución de la muestra.

La mayoría de los análisis químicos se realiza vía fase húmeda, debido a que de

esta forma las reacciones químicas son mas rápidas y completas, el solvente

utilizado debe disolver toda la muestra, preferiblemente se usa agua a menos que

la muestra sea insoluble en ella.

Eliminación de Interferencias

Algunas veces al disolverse la muestra, algunos residuos no lo hacen con el

solvente utilizado, estos residuos dificultan la medida directa del analito, es decir,

constituyen interferencias, aquí surge la necesidad de eliminarlos de forma

conveniente; ya sea por filtración, decantación u otros métodos.




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Además, existen muy pocas propiedades químicas que sean exclusivas de una

especia química, así que, se hace necesario desarrollar esquemas en los cuales

las reacciones utilizadas, sirvan para aislar la especie de interés del resto.

4. Adquisición de los datos

Medición del Analito

Comprende una parte crucial de análisis ya que es el procedimiento usado en si,

aquí se lleva a la práctica el método elegido, sea este gravimétrico y volumetrico.

Instrumentales o Fisicoquímicos

Los métodos fisicoquímicos se basan en propiedades de interacción (absorción o

emisión) de la materia con energía radiante o electromagnética. Estos métodos

están muy difundidos gracias a las características de estas interacciones y al

amplio espectro de las radiaciones.

5. Tratamiento de los Datos

La realización de la parte experimental, arroja una serie de datos, estos deben ser

procesados de una manera correcta y con el margen de exactitud permitido.

6. Valorización e Interpretación de los Resultados.

Una vez obtenidos los resultados del análisis, el experimentador debe detenerse

para analizar y corroborar la veracidad de los resultados, con el fin de tener la

seguridad que dichos datos están acordes con el comportamiento esperado o

postulado, además puede ser necesario aplicar criterios estadísticos para

interpretar la información




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Espectrometría

Los métodos espectrométricos son un amplio grupo de métodos analíticos

basados en la interacción de la radiación electromagnética, u otras partículas, con

un analito para identificarlo o determinar su concentración. Algunos de estos

métodos también se emplean en otras áreas de la química para elucidación de

estructuras. La espectroscopia es un término general para la ciencia que trata de

las distintas interacciones de la radiación con la materia. La espectrometría y los

métodos espectrométricos hacen referencia a la medida de la intensidad de la

radiación mediante un detector fotoeléctrico o con otro tipo de dispositivo

electrónico.

Estos métodos emplean técnicas que se dividen en técnicas espectroscópicas y

en técnicas no espectroscópicas. Las técnicas espectroscópicas son aquellas en

las que el analito sufre procesos de absorción, emisión o luminiscencia. El resto

corresponde a técnicas no espectroscópicas.

Las técnicas espectroscópicas se diferencian también según la forma en la que se

encuentra el analito en el momento en el que sufre el proceso espectroscópico,

dando lugar a la espectroscopia atómica y a la espectroscopia molecular.

Según el rango de energía que presente la radiación electromagnética existen

diferentes técnicas, por ejemplo, espectroscopia de infrarrojo, espectroscopia de

resonancia magnética nuclear, etcétera.

Las técnicas no espectroscópicas aprovechan diferentes propiedades de la

radiación electromagnética, como el índice de refracción o la dispersión.

Otra técnica importante es la espectrometría de masas, también empleada en

química orgánica para la elucidación de estructuras moleculares.

Los métodos espectrométricos más ampliamente utilizados son los relacionados

con la radiación electromagnética, que es un tipo de energía que toma varias

formas, de las cuales las más fácilmente reconocibles son la luz y el calor radiante

y sus manifestaciones más difícilmente reconocibles incluyen los rayos gamma y

los rayos X, así como las radiaciones ultravioleta, de microondas y de

radiofrecuencia.

http://es.wikipedia.org/wiki/Analito

http://es.wikipedia.org/wiki/Concentraci%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Espectroscopia_at%C3%B3mica&action=edit&redlink=1

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Espectroscopia_molecular&action=edit&redlink=1

http://es.wikipedia.org/wiki/Espectrometr%C3%ADa_de_masas

http://es.wikipedia.org/wiki/Qu%C3%ADmica_org%C3%A1nica

http://es.wikipedia.org/wiki/Qu%C3%ADmica_org%C3%A1nica


http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Espectroscopia_molecular&action=edit&redlink=1

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Espectroscopia_at%C3%B3mica&action=edit&redlink=1

http://es.wikipedia.org/wiki/Concentraci%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Analito




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Métodos Espectrométricos

Espectroscopia atómica

Técnica Calor UV-vis

Espectroscopia de

absorción atómicaUV-vis Calor

Espectroscopia de

fluorescencia atómica

UV-vis UV-vis

Espectroscopia de

rayos XRayos X Rayos X

Tabla 1. Espectroscopia atómica

Espectroscopia molecular

Técnica Radiación electromagnética

Espectroscopia infrarroja Infrarrojo

Espectroscopia

ultravioleta-visibleUltravioleta-visible

Espectroscopia de

fluorescencia

ultravioleta-visible

Ultravioleta-visible

Espectroscopia de

resonancia magnética

nuclear

Radiofrecuencias

Tabla 2. Espectroscopia molecular

http://es.wikipedia.org/wiki/Espectroscopia_de_absorci%C3%B3n_at%C3%B3mica


http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Espectroscopia_de_fluorescencia_at%C3%B3mica&action=edit&redlink=1


http://es.wikipedia.org/wiki/Espectroscopia_de_rayos_X


http://es.wikipedia.org/wiki/Espectroscopia_infrarroja

http://es.wikipedia.org/wiki/Espectroscopia_ultravioleta-visible


http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Espectroscopia_de_fluorescencia_ultravioleta-visible&action=edit&redlink=1



http://es.wikipedia.org/wiki/Espectroscopia_de_resonancia_magn%C3%A9tica_nuclear











http://es.wikipedia.org/wiki/Espectroscopia_infrarroja










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Métodos Espectrométricos

Técnicas no espectroscópicas

Técnica Propiedad

Polarimetría Polarización de la luz

Dispersión óptica rotatoria Polarización de la luz

Refractometría Índice de refracción

Interferometría Índice de refracción

Turbidimetría Dispersión de la luz

Nefelometría Dispersión de la luz

Espectrometría Raman Dispersión

Tabla 3. Técnicas no espectroscópicas

Otras técnicas espectrométricas

Espectrometría de masas

Difracción de rayos X

Tabla 4. Otras técnicas espectrométricas

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Polarimetr%C3%ADa&action=edit&redlink=1

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Dispersi%C3%B3n_%C3%B3ptica_rotatoria&action=edit&redlink=1

http://es.wikipedia.org/wiki/Refractometr%C3%ADa

http://es.wikipedia.org/wiki/Interferometr%C3%ADa

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Turbidimetr%C3%ADa&action=edit&redlink=1

http://es.wikipedia.org/wiki/Nefelometr%C3%ADa

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Espectrometr%C3%ADa_Raman&action=edit&redlink=1


http://es.wikipedia.org/wiki/Difracci%C3%B3n_de_rayos_X

http://es.wikipedia.org/wiki/Difracci%C3%B3n_de_rayos_X


http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Espectrometr%C3%ADa_Raman&action=edit&redlink=1

http://es.wikipedia.org/wiki/Nefelometr%C3%ADa

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Turbidimetr%C3%ADa&action=edit&redlink=1

http://es.wikipedia.org/wiki/Interferometr%C3%ADa

http://es.wikipedia.org/wiki/Refractometr%C3%ADa

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Dispersi%C3%B3n_%C3%B3ptica_rotatoria&action=edit&redlink=1

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Ejemplos de algunos tipos de espectrometría

Espectrofotometría de absorción atómica

La absorción atómica es el proceso que ocurre cuando átomos de un elemento

en estado fundamental absorben energía radiante a una longitud de onda

específica y luego la pierden en forma de calor.

Las muestras se vaporizan y se convierten en átomos libres, en un proceso

denominado atomización. Sobre el vapor atómico originado se hace incidir la

radiación electromagnética que será absorbida parcialmente por el analito.

Fig.2 Componentes básicos de un espectrómetro de absorción atómica




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El espectro de absorción atómica de muchos elementos se origina por

transiciones electrónicas desde el estado fundamental a estados excitados.

Por eso consta preferentemente de líneas de resonancia, que se producen como

consecuencia de transiciones desde el estado fundamental, que son las más

intensas.

En otros elementos, por su estructura electrónica más compleja, o por otros

motivos, el número de transiciones permitidas es mucho mayor aparecen lineas

no resonantes, y además suelen tener un gran número de líneas de resonancia

que se presentan muy próximas.

Aplicaciones

Determinación de más de 60 elementos en las más variadas muestras: rocas,

suelos, aguas, vegetales, muestras biológicas, productos petrolíferos, metales

y aleaciones, combustibles nucleares, productos farmacéuticos, vinos, etc.

Los fluidos biológicos, sangre y orina, pueden, con frecuencia, ser introducidos

directamente en la llama después de una simple dilución.

Cuando se requiere la destrucción de la materia orgánica, ésta puede llevarse

a cabo por calcinación en seco, o por vía húmeda.

Las muestras metálicas y las aleaciones suelen disolverse en ácidos

minerales.




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Espectrometría de Infrarrojo

La zona de radiación infrarroja del espectro electromagnético está limitada por las

regiones del espectro visible y del microondas. Como se muestra en la siguiente

tabla, se distinguen tres zonas, siendo la del infrarrojo medio la que hasta el

momento actual tiene mayor aplicación analítica.

Tabla.5 Zonas espectrales infrarrojas

Las moléculas no son asociaciones rígidas de átomos; a temperatura normal, los

átomos unidos por un enlace de constante de fuerza k están en continuo

movimiento vibratorio sobre sus posiciones de equilibrio, lo que determina unos

niveles de energía vibracional en la molécula.

La radiación electromagnética infrarroja tiene una energía que no es suficiente

para producir transiciones electrónicas; sin embargo, su energía es similar a las

pequeñas diferencias energéticas entre los distintos estados vibracionales y

rotacionales existentes en la mayoría de las moléculas.

La espectroscopia de absorción en el infrarrojo tiene su origen en las vibracionesmoleculares. El espectro de infrarrojo de una molécula se obtiene como resultado

de medir la intensidad de una radiación exterior absorbida, para cada longitud de

onda, que hace posible la transición entre dos niveles de energía vibracional

diferentes. Cada una de estas absorciones características de energía se

corresponde con un movimiento vibracional de los átomos en la molécula




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Aplicaciones

La espectroscopía infrarroja es una de las técnicas espectroscópicas más

versátiles y de mayor aplicación. Las posibles aplicaciones de esta técnica son

por tanto innumerables. Sin embargo, a continuación se citan algunas de las

aplicaciones más importantes:

Caracterización e identificación de materiales:

- Polímeros y plásticos

- Sólidos inorgánicos (minerales, catalizadores, materiales compuestos)

Análisis de productos farmacéuticos y de síntesis.

Análisis de contaminantes

Ciencia Forense (identificación)

Biomedicina (análisis de tejidos)

Conservación artística (análisis de pigmentos, materiales utilizados…)

Industria del reciclaje (identificación de materiales poliméricos)

Agricultura y alimentación (IR cercano)

Seguimiento de procesos químicos

- Polimerizaciones, curado, reticulaciones…

- Reacciones catalíticas

Fig. 3 Diagrama esquemático de un espectrómetro infrarrojo sencillo




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Espectrometría de Masas

Es una técnica analítica basada en la posibilidad de separar especies moleculares

(y atómicas) según su masa.

Es aplicable para muchos tipos de muestras desde elementos hasta grandes

proteínas y polímero.

Fig. 4 Diagrama del Procedimiento de Espectrometría de Masas

Ventajas

Se puede obtener mucha información con una cantidad muy pequeña de

compuesto.

No implica la absorción o emisión de luz.

Se utiliza, por ejemplo, un haz de electrones de alta energía que rompe la

molécula en fragmentos.

Las masas de los fragmentos y su abundancia relativa proporcionan información

sobre la estructura de la molécula.

Desventajas

Es una técnica destructiva: porque la muestra no se puede recuperar íntegra, al

haber sufrido la fragmentación.




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VIA HUMEDA

Es un método de análisis en los que se separan e identifican los elementos que

compone la muestra a analizar.

Es la técnica basada en métodos semimanuales en donde se efectúan la

disolución de la muestra mediante un ataque químico, por lo general se utilizan

agua y ácidos inorgánicos.

Para la determinación cuantitativa de cada uno de los elementos requeridos que

se utilizan e los siguientes métodos.

Gravimétrico

Análisis en el cual la cantidad de analito se determina por medio de una pesada.

Éste se separa de los demás componentes de la mezcla, así como del solvente.)

Volumétrico

Se determina el volumen de una disolución de concentración conocida que se

necesita para reaccionar con todo el analito, y en base a este volumen se calcula

la concentración del analito en la muestra.




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RAYOS X

Son radiaciones electromagnéticas cuya longitud de onda va desde unos 10 nm

hasta 0,001 nm (1 nm o nanómetro equivale a 10-9 m). Cuanto menor es la

longitud de onda de los rayos X, mayores son su energía y poder de penetración.

Los rayos de mayor longitud de onda, cercanos a la banda ultravioleta del

espectro electromagnético, se conocen como rayos X blandos; los de menor

longitud de onda, que están más próximos a la zona de rayos gamma o incluso se

solapan con ésta, se denominan rayos X duros.

Los rayos X formados por una mezcla de muchas longitudes de onda diferentesse conocen como rayos X ‘blancos’, para diferenciarlos de los rayos X

monocromáticos, que tienen una única longitud de onda. Tanto la luz visible como

los rayos X se producen a raíz de las transiciones de los electrones atómicos de

una órbita a otra. La luz visible corresponde a transiciones de electrones externos

y los rayos X a transiciones de electrones internos. En el caso de la radiación de

frenado o bremsstrahlung los rayos X se producen por el frenado o deflexión de

electrones libres que atraviesan un campo eléctrico intenso. Los rayos gamma,cuyos efectos son similares a los de los rayos X, se producen por transiciones de

energía en el interior de núcleos excitados.

Los rayos X afectan a una emulsión fotográfica del mismo modo que lo hace la

luz. La absorción de rayos X por una sustancia depende de su densidad y masa

atómica. Cuanto menor sea la masa atómica del material, más transparente será

a los rayos X de una longitud de onda determinada. Cuando se irradia el cuerpohumano con rayos X, los huesos absorben la radiación con más eficacia, por lo

que producen sombras más oscuras sobre una placa fotográfica. En la actualidad

se utiliza radiación de neutrones para algunos tipos de radiografía, y los

resultados son casi los inversos. Los objetos que producen sombras oscuras en

una imagen de rayos X aparecen casi siempre claros en una radiografía de

neutrones.

http://es.encarta.msn.com/encyclopedia_761559355/Espectro.html

http://es.encarta.msn.com/encyclopedia_761565664/Neutr%C3%B3n.html

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Aplicaciones

Los rayos X se emplean sobre todo en los campos de la investigación científica, la

industria y la medicina. Además de las aplicaciones de los rayos X para la

investigación en física, química, mineralogía, metalurgia y biología, los rayos X

también se emplean en la industria como herramienta de investigación y para

realizar numerosos procesos de prueba.

Son muy útiles para examinar objetos, por ejemplo piezas metálicas, sin

destruirlos.

Las imágenes de rayos X en placas fotográficas muestran la existencia de

fallos, pero la desventaja de este sistema es que el equipo de rayos X de alta

potencia que se necesita es voluminoso y caro. Por ello, en algunos casos se

emplean radioisótopos que emiten rayos gamma de alta penetración en vez de

equipos de rayos X.

Muchos productos industriales se inspeccionan de forma rutinaria mediante

rayos X, para que las unidades defectuosas puedan eliminarse en el lugar de

producción.

Existen además otras aplicaciones de los rayos X, entre las que figuran la

identificación de gemas falsas o la detección de mercancías de contrabando en

las aduanas.

También se utilizan en los aeropuertos para detectar objetos peligrosos en los

equipajes. Los rayos X ultrablandos se emplean para determinar la autenticidad

de obras de arte y para restaurar cuadros.




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Existen tres propiedades diferentes de los rayos X que se pueden usar en la

práctica:

Absorción

La alta penetración de los rayos X en un material y la variación de la absorción

por el material al cambiar el espesor conduce naturalmente a la técnica bien

conocida de radiografía, tanto médica como industrial. Las soldaduras y las

fundiciones son rutinariamente inspeccionadas por rayos X para buscar defectos

como grietas. Debido a que los resultados se registran fotográficamente, existen

buenas revisiones de las técnicas disponibles por parte de los fabricantes de

película de rayos X, por ejemplo, Kodak, Ilford y Gevaert.

Esta técnica también se puede utilizar para monitorear continuamente el espesor

de placas y hojas de papel metálico roladas y, también de recubrimientos en

placas de metal. Todo lo que se requiere es una fuente de rayos X en un lado de

la hoja móvil y un tubo Geiger en el otro.

Cualquier variación en el espesor se registrará inmediatamente como una

variación en la tasa de conteo. La señal también podría usarse mediante un relé

para corregir las fluctuaciones automáticamente sin la intervención de cualquier

persona.

La radiografía se utiliza todos los días en muchas industrias. Se utiliza para

examinar llantas radiales, para inspeccionar soldaduras o elementos de

calentamiento y para muchos otros propósitos: las posibilidades sonprácticamente ilimitadas




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Fluorescencia

La fluorescencia de rayos X (FRX) es una técnica espectroscópica que utiliza la

emisión secundaria o fluorescente de radiación X generada al excitar una muestra

con una fuente de radiación X. La energía absorbida por los átomos de la muestra

genera la producción de rayos X secundarios, ó de fluorescencia emitidos por la

muestra.

Estos rayos X secundarios tienen una intensidad proporcional a la concentración

de cada elemento de la muestra, por ello, al cuantificar esta radiación se

determina la cantidad de cada elemento presente en la muestra. Ello se debe a

que la radiación X incidente o primaria expulsa electrones de capas interiores delátomo.

Es la técnica empleada, normalmente, cuando se quiere conocer con rapidez la

composición elemental exacta de una sustancia, pues permite determinar todos

los elementos del sistema periódico, desde el flúor hasta el uranio, en muestras

sólidas, en polvos y en líquidos.

Permite la determinación de la composición de aleaciones que contengan hasta

cuatro elementos, la composición y el grosor de una capa elemental, binaria o

ternaria y el grosor de dos o tres capas elementales.

Ventajas

El análisis es no destructivo, la interpretación de resultados es simple, permitediferentes tamaños de muestras y facilita el análisis de multicomponentes

complejos en pocos minutos.

Desventajas

Necesidad de patrones, limitada sensitividad del método en la detección de los

elementos ligeros (el numero atómico mínimo es 6 – carbono)




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La selección apropiada de estándares de calibración es fundamental en la

aplicación de FRX, esta es un método no destructivo en el sentido en que la

muestra no sufre daños durante el análisis.

Frecuentemente no es necesaria la toma de muestras; el equipo puede ser

dispuesto para acomodar objetos de grandes dimensiones. Las muestras

analizadas pueden volver a analizarse las veces que se desee sin que sufran

daños. Existen ciertas limitaciones a este carácter no destructivo, ya que ciertos

materiales pueden deteriorarse cuando están sometidos durante largos pedidos a

una intensa radiación con rayos X.

Difracción

Otro fenómeno que experimentan los rayos X y que puede ser aprovechado con

fines analíticos es su difracción, es decir, el cambio de dirección que

experimentan al atravesar la muestra, lo que produce interferencias explicables

por la llamada ley de Bragg y que se plasman en el patrón o en el espectro de

difracción de rayos X de esa muestra. Este es característico de cada especie

química, por lo que puede ser usado en análisis cualitativo.

En análisis suelen ser necesarias cantidades muy pequeñas de muestras y

prácticamente sin preparación, si bien se obtienen los mejores resultados

triturándola y homogeneizándola hasta obtener un polvo microcristalino. Se

pueden identificar tanto átomos como moléculas, e incluso se pueden distinguir

distintas fases cristalinas de una misma especia química. No es una técnicaadecuada para investigar trazas en sólidos ni tampoco para estudiar líquidos,

gases ni, en general, sistemas amorfos




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ARTICULO

Caracterización por difracción de rayos X

Revista De Metalurgia, 43 (6) Noviembre-Diciembre

R. Montalvo*, E. Zeballos*, P. Paz*, J. Huayna*, M. Casaverde*

Resumen

Entre los residuos producidos en siderúrgicas de alto horno, la escoria representa

el de más alto porcentaje. El gran impacto que sobre el medio ambiente ejerce

este material ha llevado a desarrollar diversas técnicas para su

reaprovechamiento, previa caracterización de sus propiedades físicas y químicas.

En este trabajo presentamos los resultados de la determinación cualitativa y

cuantitativa de fases en muestras de escoria, mediante la técnica de difracción de

rayos X y procesos de refinamiento por el método Rietveld.

Introducción

La necesidad y preocupación por preservar los recursos naturales y controlar la

contaminación ambiental son algunas de las motivaciones que han impulsado la

investigación y desarrollo de técnicas de recuperación y reutilización de recursos

industriales, en particular los desechos de la industria siderúrgica. Estos

materiales contienen una elevada cantidad de elementos reciclables y constituyen

una fuente de materia prima de muy bajo costo; tal es el caso de la escoria de alto

horno utilizada con éxito en la elaboración de cemento.

Las escorias producidas en siderúrgicas de alto horno son utilizadas en el

hormigón como agregado del cemento Portland. Este nuevo componente confiere

al cemento mejores propiedades mecánicas y mayor resistencia, rigidez y

durabilidad contra los efectos perjudiciales de agentes químicos, sulfatos y aguade mar que pueden llegar a desintegrar el hormigón.

En una siderúrgica, la producción de una tonelada de acero genera

aproximadamente media tonelada de escoria, constituida básicamente por óxidos

de una elevada energía de formación, que permanecen sin alterarse en el alto

horno.




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Durante la elaboración del acero la escoria constituye el medio idóneo por el cual

las impurezas son separadas del metal líquido, logrando la composición deseada

de éste.

TABLA I. Concentraciones de óxidos presentes en escoria reciclable.

Una vez cumplida su función, la escoria es evacuada para evitar la contami-

nación del acero, luego pasa a un estado de vitrificación adquiriendo las

propiedades que la caracterizan como material reutilizable.

Entre las fases de la escoria se encuentra la mer-winite (Ca3Mg(SiO4)2) y la

diopsite (CaMgSi2O6); la merwinite es una fase frecuente en los hornos de la in-

dustria siderúrgica,4 independientemente del grado de cristalización que la

escoria alcance. Ambas fases favorecen las estructuras sometidas a altas

presiones, debido a la disposición octaédrica y tetraédrica de las moléculas de

MgO6 y SiO4 en la red cristalina.5 Otra fase es la sílice, uno de los mayorescontaminantes del acero que al combinarse con la cal forma los silicatos

2CaO.SiO2 y CaO.2Al2O3; también están presentes óxidos tales como SiO2,

Al2O3, CaO, MgO. En la Tabla I mostramos las concentraciones de los óxidos

comúnmente encontrados en la escoria reciclable.

Para ser aprovechable en la preparación del hormigón, la escoria requiere un

estado vítreo mayor al 90%. Por lo tanto, antes de su incorporación al cemento,es necesario caracterizarla para determinar cualitativa y cuantitativamente las

fases presentes y su estado de vitri-ficación. Con este propósito hemos realizado

un estudio de muestras de escoria provenientes de la siderúrgica de alto horno de

Chimbote, aplicando la técnica de difracción de rayos X .




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Resultados Y Discusión

Se idenficaron componentes cristalinos de merwinite, Ca3Mg(SiO2)4, y diopsite,

Ca(Mg,Al)(Si,AL)2O6, como mostramos en el difractograma de la Figura 1.

En la Figura 2 mostramos el difractograma de la muestra de escoria luego de

incorporado el cloruro de sodio como patrón, este último de porcentaje conocido.

Los porcentajes en peso de los componentes cristalinos y de la fase amorfa,

obtenidos por refinamiento Rietveld se muestran en la Tabla II.

TABLA II. Porcentajes en peso de fases cristalinas y amorfas

presentes en la escoria.

La componente amorfa es predominante, aproximadamente 95%, lo cual indica un

alto estado de vitrificación de la escoria.

La Tabla III muestra porcentajes de las componentes identificadas por la técnica

de espectrofotometría de fluorescencia de rayos X, comparadas con aquellas

encontradas en escorias de la siderúrgica Belgo usadas como agregado delcemento.

TABLA III. Porcentajes en peso de óxidos en escoria

de Chimbote y de Belgo.

La aproximación entre ambos resultados, cualitativa y cuantitativamente, nos

permite asumir que nuestras muestras reúnen características similares a las de la

Belgo y que además contienen los óxidos comunes de escoria reciclable, como

fue especificado en la Tabla I.




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Conclusiones

A partir de los resultados obtenidos por refinamiento Rietveld, verificamos que la

precisión en las medidas de las intensidades de reflexión es fundamental para el

análisis cuantitativo.

Las técnicas empleadas para la caracterización de escoria siderúrgica de alto

horno, mostraron ser eficientes y, por lo tanto, recomendables para este tipo de

estudios.El peso de la merwinite, 0.04%, y de la diopsite, 0.01%, correspondientes

a las fases cristalinas fueron mucho menores a las de la fase amorfa del orden del

95%, lo cual indica el alto estado de vitrificación de la escoria.

FIGURA 1. Difractograma de escoria de alto

horno mostrando fases cristalinas y amorfas.

FIGURA 2. Difractograma de escoria de

alto horno incluyendo cloruro de sodio.

El estudio reportó la presencia de óxidos en proporciones similares a las

encontradas en escorias reciclables.Estos resultados califican a la escoria de la siderúrgica de Chimbote como un

elemento adecuado para un empleo similar al dado a la escoria de la Belgo, es

decir, como componente del cemento. Desde el punto de vista ambiental y de su

reutilización, la escoria siderúrgica debe ser caracterizada, considerando que sus

propiedades físicas y químicas están relacionadas con su composición y

propiedades estructurales.




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Notas

A Para la determinación de las fases cristalinas y amorfas usamos el programa

DBWS-9807a7 basado en el método Rietveld de refinamiento de estructuras; el

programa determina cuantitativamente las fases según el método de patrón

interno. Para la identificación de los elementos químicos presentes en las

muestras usamos espectrofotometría de fluorescencia de rayos X. La sílice

presente se estudió por el método de vía húmeda en medios ácidos a fin de

verificar sus propiedades como producto reciclable, según la Tabla I.

Método De Patrón Interno

El método de patrón interno formulado por Klug y Alexander8 consiste en

introducir en la mezcla una sustancia de concentración conocida (patrón) y

determinar el porcentaje en peso de cualquier fase en términos de la con-

centración del patrón. El método utiliza la relación entre la intensidad del haz

difractado y la concentración de la fase, independiente del coeficiente de

absorción, llegando a determinarse concentraciones menores al 1%.

En una mezcla, la razón de las intensidades del haz difractado por la fase a, por

ejemplo, y por el patrón, es dada por lo que da una recta de pendiente κ, en

función de la fracción volumétrica de la fase a, νa.

De esta gráfica podemos determinar cuantitativamente la concentración de las

fases en una mezcla desconocida siempre que incluya la misma sustancia patrón

usada para la gráfica de calibración.

En el programa DBWS-9807a, la intensidad de las reflexiones está asociada al

factor de escala S de cada fase. La fracción en peso de la fase se determina por

la ecuación donde:




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Sα y Sp son los factores de escala relativos a la fase y al patrón, respectivamente;

ρα y ρp son las densidades de la fase y del patrón, respectivamente; y Xp es la

fracción en peso del patrón.

Esta ecuación permite también determinar fracciones correspondientes a fases

amorfas. La fase amorfa es obtenida por la diferencia entre el peso total de la

muestra y las fracciones en peso de las fases cristalinas.

Referencias

1 Schütz U. Ayudantes de molienda para escoria granulada de alto horno, Grupo

Holderbank Management and Consulting. Administración y Asesoría (HAA).

2 National Slag Association. Blast furnance slag.Pennsylvania. USA.

http://www.nationalslagassoc.org

3 Pal SC, Mukjerhee A y Pathak SR. Investigation of hydraulic activity of ground

granulated blast furnace slag in concrete. Cement and Concrete Research 33

(2003) 1481-1486.

4 Fredericci C, Zanotto ED y Ziemath EC. Crystallization mechanism and

properties of a blast furnace slag glass. Journal of Non-Crystalline Solids 273

(2000) 64-75.

5 Moore PB y Araki T. Atomic arragement of merwinite Ca3Mg(SiO4)2, an unusual

dense-packed structure of geophysical interest. American Mineralogist. Vol. 57

(1972) 1355-1374.

6 Emery J. Geotechnical Engineering Limited for Aggregate and Petroleum

Resources Section Mineral Aggregate Conservation Reuse and Recycling. Ontario

Ministry of Natural Resources (1992)




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APLICACIÓN PARA UNA MEJORA QUE IMPACTE EL SECTOR INDUSTRIAL

El CENAM podrá reducir los tiempos y costos de análisis y caracterización

de materiales con la instalación de un nuevo microscopio electrónico de

barrido.

El nuevo equipo se integra a la infraestructura del Laboratorio de Materiales

Cerámicos con lo que se amplia la variedad de análisis y se reduce el tiempo para

realizarlos.

El nuevo microscopio procesa las muestras

en bajo vacío, con lo que es posible

caracterizar una gran cantidad de materiales

que se encuentren en estado sólido. Además

de analizar la morfología de la muestra, este

microscopio cuenta con dispositivos que

permiten determinar la composición química

de su superficie.

Este nuevo sistema complementa al sistema microanalítico utilizado para realizar

análisis de química elemental. Este instrumento posee una gran capacidad pero

solo puede analizar muestras metálicas o preparadas para responder a este tipo

de estudio.

Si bien tiene una alta exactitud microanalítica no está preparado para unacaracterización morfológica, debido a que el haz de electrones que “observa” la

muestra tiene que incidir de manera casi perpendicular a su superficie para llevar

al máximo la emisión de rayos X que permite caracterizarla. Así mismo, el trabajar

con una cámara de alto vacío, limita la gama de materiales susceptibles de ser

analizados.




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La función primaria del laboratorio de Materiales Cerámicos es el desarrollo de

materiales de referencia con aplicaciones micrométricas, la certificación o

calibración de retículas y la calibración de los equipos que realizan mediciones a

esta escala. Durante los últimos 5 años la mayor parte de los servicios han estado

abocados a los sectores de investigación y desarrollo industrial en micro y

nanotecnología.

El nuevo microscopio moderniza las capacidades del laboratorio y le permite

diversificar su oferta de servicios como el diseño de nuevos tipos de materiales.

Debido a sus características es posible ahorrar tiempo y consumibles en la

preparación de materiales de referencia, reduciendo, por ejemplo, el tiempo de

preparación de algunas muestras de 24 horas a tan solo media hora.

La carga de servicios de análisis de alta exactitud que anteriormente eran

atendidos por el microscopio de alto vacío será redirigida al nuevo microscopio,

permitiendo que el trabajo de desarrollo de materiales de referencia ocupe el total

de las capacidades del equipo de mayor exactitud.




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CONCLUSIONES

Con toda esta investigación que he realizado, tengo una visión totalmente

diferente pero sobre todo clara y practica de las distintas herramientas

experimentales de las cuales disponen para caracterizar un material, y de esa

forma poder sacarle el mayor provecho ahora en mi estudio, pero sobre todo en

un futuro a nivel industrial y tecnológico.

DIFICULTADES

Inicie la investigación con la búsqueda de libros, revistas, etc., relacionados con el

tema, después leyendo toda la información recapitulada y allí mismo empezar una

pequeña síntesis para después transcribir.

En lo personal acepto que fue un poco difícil, lo confieso porque a pesar de todo

mi empeño en la investigación, no encontré libros, de temas relacionados con el

trabajo a investigar y sinceramente estuve viendo información de Internet, todo

esto con el fin de sacar adelante mi trabajo.

A pesar de todo, personalmente creo que hubo un resultado satisfactorio, se logro

el objetivo que se pedía.




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BIBLIOGRAFIA

Análisis Instrumental

Skoog / Leary

Principios de Análisis Instrumental

Skoog / Holler / Nieman

Química Analítica Cuántica

R. A. Day, Jr. / A. L. Underwood

Técnicas analíticas de separación

Miguel Valcárcel Cases, M. Gomez Valcarcel, A.

Fundamentos de química analítica básica. Análisis cuantitativo

Néstor Riaño Cabrera

Revista de Metalurgia

Madrid, 43 (6), Noviembre-Diciembre, 458-463, 2007

http://www.google.com/books?id=NqlIdfJzAlEC&printsec=frontcover&hl=es

http://www.google.com/books?id=NqlIdfJzAlEC&printsec=frontcover&hl=es

unidad 1 apuntes caracterizacion

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