Química orgánica para estudiantes de ingeniería de minas e ingeniería metalúrgica

OTROS TRABAJOS QU~MICA ORGÁNICA PARA ESTUDIANTES DE INGENIER~A DE MINAS E INGENIER~A METALÚRGICA MAURELIA GÓMEZ, R. Departamento de Ciencias Naturales, Facultad de Ingeniería, Universidad de Atacama, Casilla 240, Copiapó (Chile). SUMMARY Organic Chemistry is usually related to agricultural, pharmaceutical, alimentary, petroleum and derivate industries among others. However, the use of organic substances in other different industrial fields, like mining and metallurgy has increased and it is hoped that this increment will go on in the future. In this paper, a brief review of this kind of substances was realized. Besides, an Organic Chemistry Program for Mining and Metallurgy Engineering students is proposed. INTRODUCCI~N La incorporación creciente en la segunda mitad del siglo procesos y a la disminución de las leyes de los yacimiende poderosas técnicas instrumentales para dilucidar o tos. Algunos especialistas han señalado la necesidad de confirmar estructuras, tales como la espectroscopía y la expertos en termodinámica, cinética de procesos y equicristalografía de rayos X y el desarrollo de nuevos librios químicos entre 10s profesionales del sector para procedimientos preparativos, han imprimido un fuerte hacer frente a esta realidad (SU~U~OV 1978). La química impulso a la síntesis orgánica(Cohendet et al. 1989). A orgánica se aproxima cada vez con más énfasis a estas lo anterior debe agregarse el almacenamiento y manejo prioridades Y debe Pensarse en incorporar algunos de sus de la información a través de la informática, la robotielementos en 10s currícuios de las carreras que invoíuzación de las operaciones y la «funcionalización» de los eran a este tipo de profesionales. métodos sintéticos. Esto último se refiere a considerar en ellos la función que deberán cumplir 10s productos, sus La introducción de elementos de química orgánica en los vías de eliminación, sus condiciones de empleo y evenCUIT~CU~OS de ingeniería de minas e ingeniería metalúrgitualmente la valorización de los subproductos, concepto ca, permitiría : que ha trasladado la atención desde la química del producto a la química de la función. Estos avances han a) Facilitar a 10s estudiantes la comprensión de los posibilitado el desarrollo de la síntesis orgánica también procesos U operaciones minero-extractivas basados, O en desde el punto de vista industrial (Ourisson 1990) y han 10s que participan, compuestos orgánicos. facilitado la obtención de una variada gama de compuestos cuyas aplicaciones alcanzan todas las ramas de la industria, 6) l+~n~~ver la interacción de ingenieros de minas Y siendo el sector minero-metalúrgico un ejemplo relemetalúrgicos con profesionales químicos en estudios vante. Ya en 1967 se estimaba que solamente las ventas interdisciplinarios. de polímeros orgánicos a la industria minera norteamericana excedían los 4 millones de dólares anuales y la c) Reunir, en un cuerpo estructurado Y coherente, conteproyección era de 40 millones al cabo de 10 años (McLean nidos actualmente dispersos en asignaturas de especiali1968). dad dentro del currículo. Adicionalmente, debe señalarse que las actividades mid) Familiarizar a estudiantes de estas especialidades con nero-metalúrgicas tienen, la tendencia a hacerse ((más materiales que tienden a reemplazar los metales en químicas» debido a la evolución tecnológica de los algunas aplicaciones. 72 ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 1994, 12 (l), 72-77 OTROS TRABAJOS En el presente trabajo se realiza una revisión de las etapas de obtención de minerales (ingeniería de minas) y su posterior procesamiento hasta la elaboración de piezas metálicas (ingeniería metalúrgica) (Peele 1927, Young 1955 y Schulz 1978). En esta secuencia se identifican los compuestos orgánicos utilizados y se especifica la función que cumplen en los procesos en que están insertos. En esta revisión se han considerado aplicaciones más bien específicas y no comunes a cualquier tipo de industria, como combustibles,lubricantes, etc. Esta información se resume en las tablas 1 y 11 (Kirk y Othmer 1962, McLean 1968, Karger et al. 1973, Catálogo Hoesch 1980, Jarufe 1986, Arriaza 1986, Catálogo Allied Colloids 1986). La función orgánica a que pertenecen las sustancias identificadas, las propiedades físicas y químicas que sustentan su rol en los procesos respectivos y los aspectos estructurales que determinan dichas propiedades han servido de base para diseñar un Programa de Química Orgánica que en términos generales pueda satisfacer los requerimientos curriculares antes mencionados. En esta proposición se ha tratado de observar una apropiada dosificación de contenidos con el objeto de que su eventual implementación,ya sea en carácter de asignatura obligatoria o electiva, no signifique un recargo de estos currículos, de suyo extensos y, más aún, de los cuales se piensa que deberán acentuar progresivamente su componente en otras áreas, como gestión y negocios (Whiting y Duncan 1988). ESTRUCTURA DEL PROGRAMA PROPUESTO Introducción Naturaleza de la química orgánica. Estructura molecular y propiedades de las sustancias químicas: Representación de compuestos orgánicos, fórmulas estructurales. Funciones orgánicas y grupos funcionales. Series homólogas. Hidrocarburos Nomenclatura. Características estructurales: Geometría molecular, isomería. Propiedades físicas. Fuente natural y obtención. Combustión y combustibles. Hidrocarburos como materias primas. Compuestos orgánicos oxigenados Alcoholes, fenoles, éteres, aldehídos y cetonas: Nomenclatura. Obtención industrial. Rasgos estructurales. Propiedades físicas y químicas. Importancia industrial. Compuestos 1,3 dicarbonílicos: equilibrio ceto-enólico, propiedades quelantes. Ácidos carboxílicos y derivados Ácidos y sales carboxílicas, cloruros de ácidos, anhídridos, ésteres y amidas. Obtención. Aspectos estructurales. Propiedades físicas y químicas. Importancia industrial. Compuestos orgánicos nitrogenados Aminas, sales de amonio cuaternarias y nitrilos: Obtención. Aspectos estructurales. Propiedades físicas y químicas. Importancia industrial. Compuestos organosulfurados, organofosforados y polifuncionales Nomenclatura de compuestos orgánicos polifuncionales. Esteres de los ácidos carbónico, nítrico, carbámico, sulfúrico, sulfónico y fosfónico y sus respectivos derivados sulfurados : Nomenclatura, propiedades físicas y químicas. Polímeros y polimerización Conceptos preliminares. Clasificación de polímeros. Propiedades físicas y estructura. Procesos de polimerización. Polímeros naturales. Aplicaciones de los productos orgánicos a la minería Introducción Extractantes líquido-líquido y sólido-líquido de iones metálicos en solución. Explosivos. Reactivos de flotación. Floculantes y dispersantes. En el primer capítulo se dan los elementos introductorios a la química orgánica, su naturaleza, campo de acción y vinculación con otras ciencias. Se clasifican los compuestos orgánicos y se indican formas de representarlos. Entre los capítulos 2 y 7, se describen las funciones orgánicas más relevantes, su nomenclatura IUPAC y trivial, propiedades físicas y químicas, la forma de obtenerlas desde fuentes naturales o sintéticas; como asimismo los compuestos de mayor importancia industrial y sus aplicaciones de mayor interés. Dada la diversidad de aplicaciones de polímeros a la industria minera y metalúrgica, estos compuestos se tratan en un capítulo aparte (cap. VII), se clasifican, se describen sus propiedades y las diferentes reacciones de polimerización. La orientación que se pretende dar al programa se fundamenta en el capítulo VIII, donde se discute la participación de compuestos orgánicos en determinadas operaciones importantes de esta rama de la industria. Sin perjuicio de lo anterior, cuando se estudian las distintas funciones orgánicas en los capítulos 2 al 7, se hace mención a ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 1994, 12 (1) OTROS TRABAJOS Tabla 1 Sustancias orgánicas utilizadas en ingeniería de minas. 74 ENSENANZA DE LAS CIENCIAS, 1994, 12 (1) Etapa de la obtención de minerales 1. Prospección 2. Reconocimiento 3. Planificación 4. Preparación e infraestructura S. Explotación Sustancias orgánicas - Cortes de petróleo, almidón carboximetilcelulosa, sulfonatos de lignina - Resinas epóxidas, copolímeros de acrilamida Resinas de poliéster, poliacrilamidas Resinas epóxidas, poliésteres Poliésteres, poliuretanos, resinas epóxidas (emulsiones) Resinas epóxidas, poliuretanos clorosulfonado P.V.C., poliuretanos, polietileno clorosulfonado Resinas epóxidas, PVC Poliésteres Polietileno, resinas de poliéster Poliuretanos, policroropreno Poliuretanos Sales sódicas de terpineoles y carboximetilcelulosa, almidón, fenoles, polioxietileno, sulfonatos de lignina Derivados nitrados de polioles, fenoles, hidrocarburos aromáticos y celulosa - Copolímeros de: estireno, butadieno, acrilato de etilo Operaciones involucradas - Sondaje - Construcción superficial o subterránea Labores mineras Instalaciones de equipos Perforación (petrolífera) Tronadura Carguío Transporte Función - Aditivos para lodos: viscosificantes, emulsificantes - Acondicionamiento y consolidación de suelos arenosos Rellenos químicos para pernos de anclaje Rellenos de formaciones rocosas fracturadas Cubiertas protectoras contra erosión y generación de polvos en techos y túneles Sellantes de fisuras y filtraciones de agua Cañerías antiácidos para drenajes de agua de mina Recubrimiento de cañerías contra corrosión y abrasión Protección antiimpacto de equipo pesado Cañerías de ventilación Sellantes y aislantes térmicos de ventilación Retardantes de llama Emulsificantes, viscosificantes y anticontaminantes de lodos de perforación Explosivos - Aglomeraciones de finos para prevenir pérdidas por viento y lluvia Área de metalurgia 1. Metalurgia extractiva 1.1. Preparación de de minerales 1.2. Procesos unitarios .- OTROS TRABAJOS Tabla 11 Sustancias orgánicas Operación o proceso unitario Chancado, molienda, cribado Flotación Filtrado, sedimentación y transporte hidraúlico Lixiviación Electrorecuperación y electrorefinación Proceso hidrometalúrgico utilizadas en ingeniería metalúrgica. ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS, 1994, 12 (1) 75 Función Aglomerantes de finos para contrarrestar formación de polvos en conminución y pérdidas en almacenamiento Rellenos y recubrimientos antiimpacto y revestimientos antiabrasión Colectores Espumantes Modificadores, recubridores, depresantes Floculantes Dispersantes, «antiqueque» y anticongelantes Cañerías antiformación de depósitos Lixiviantes Telas impermeables para evitar percolación de soluciones tóxicas Cañerías, fittings y revestimientos resistentes a la abrasión, corrosión y ácidos Reguladores (inhibidores) de electrodepositación Solventes y extractantes de especies metálicas desde solución acuosa Sustancias orgánicas Copolímeros de estireno, butadieno, acrilato de etilo Resinas de poliéster, poliuretanos, PVC Xantatos y ditiofosfatos alcalinos, tionocarbamatos, tiocarbamatos, tiocarbanilida, xantoformiatos, sulfonatos alcalinos, ácidos grasos, aminas, sales de amonio cuaternarias Alcoholes naturales y sintéticos, fenoles, parafinas alcoxisustituidas, cetonas Poliacrilamida, dextrina, almidón, carboximetilcelulosa Polímeros de la acrilamida y N, N-metilenbisacrilamida Aminas, policrilamidas de bajo peso molecular PVC Tiourea (para Au y Ag) Poliuretanol Resinas epóxidas, polietileno y polipropileno de alta densidad, PVC de alto impacto, poliuretano, polietileno clorosulfurado. Polímeros de acrilamida, tiourea, derivados de la lignina, caseína, sulfonatos de sodio, aminas aromáticas Cortes de petróleo, hidroxilaminas, hidroxioximas, hidroxiquinolinas, aminas, sales de amonio cuaternatias, ésteres y óxidos del ácido fosfórico, ácidos carbolxilicos, ésteres, cetonas OTROS TRABAJOS Tabla 11 (continuación) Área de metalurgia 2. Metalurgia adaptiva 2.1. Procesamiento de metales 2.2. Metalurgia de aplicación Operación o proceso unitario Fusión y colada - Función Resinas de intercambio iónico Cañerías y revestimiento para soluciones corrosivas y líquidos orgánicos Aglomerantes de arenas para moldes y almas Pelletizadores Construcción de matrices para moldes Rellenos de moldeo en Full Mold Process Antiprecipitantes para agua en camisas de refrigeración de hornos Sustancias orgánicas Resinas de copolímeros estireno-divinilbenceno sulfonadas y aminadas PVC alto impacto, poliuretan0 Resinas amínicas, fenólicas, alquídicas, arílicas fenoformaldehido, urea-formaldehido y polímeros furánicos Copolímeros de acrilamida y derivados de celulosa Resinas epóxidas, pliacrilamidas, poliuretanos, polímeros vinílicos, resinas de poliéster Espumas de poliestireno Polímeros de acrilamida aplicaciones específicas; por ejemplo, cuando se tratan los alcoholes y fenoles, se describen algunos que se emplean como espumantes y otros que como derivados nitrados se utilizan como explosivos, etc. Atendiendo a que tanto los compuestos químicos estudiados como también las operaciones industriales en las que se insertan son frecuentemente vinculados a problemas ambientales, este aspecto es incorporado en el desarrollo del curso. Así, ya en el capítulo introductorio se destaca que, si bien algunos compuestos orgánicos como por ejemplo los halogenuros de alquilo pueden contribuir al desarrollo tecnológico y al confort de la humanidaden aplicaciones como refrigerantes o propelentes de lacas, pinturas, aromatizantes, etc., del mismo modo, utilizados en gran escala, pueden desencadenar problemas ambientales severos desde un punto de vista global, como, en este caso, la alteración del ciclo natural del ozono atmosférico. Determinados temas son propicios para incorporar la dimensión ambiental. Tal es el caso del capítulo de hidrocarburos, donde en forma natural emergen los problemas de desaparición de fuentes naturales no renovables, necesidades de fuentes energéticas alternativas a los combustibles fósiles, agudización del efecto invernadero por aumento de CO, generado en las combustiones, entre otros. En el capítulo de polímeros se menciona la resistencia a la biodegradabilidad de los plásticos. El mismo aspecto se destaca en la discusión de compuestos organosulfurados y organofosforados tensoactivos utilizados como detergentes sintéticos, incluyendo, en este último caso, como consecuencia, la eutroficación de recursos hídricos. Durante todo el desarrollo del programa, al describir las propiedades de los compuestos orgánicos, cuando es del caso, se pone énfasis en su actividad biológica, para inferir precauciones de manejo por parte de eventuales usuarios, tanto en su manipulación, como en la disposición de sus residuos. Finalmente, así como se describen riesgos y problemas ambientales generados por sustancias orgánicas especialmente en el capítulo VIII, del mismo modo se menciona el uso de algunos de ellos en acciones remediales ENSENANZA DE LAS CIENCIAS, 1994, 12 (1) OTROS TRABAJOS de dichos problemas. Por ejemplo el empleo de aerosoespecialidades, ya que esto facilita el logro de los objeles poliméricos para prevenir generación de polvo en tivos que se propone su formulación. ambientes subterráneos y otras faenas, resinas quelantes o intercambiadoras que pueden disminuir descargas metalogénicas de soluciones residuales emitidas al ambiente, polímeros hidrosolubles floculantes que clarifican aguas industriales, etc. AGRADECIMIENTOS E1 autor desea expresar su agradecimiento a los profesores Este curso ha sido diseñado para Un Semestre de duración Angel Astorga y Enrique Santibáfiez de 10s Departamentos de (1 8 semanas lectivas) con 4 a 5 horas semanales. Como InpenieríaMetalúr~ica e Ingeniería de Minas de launiversidad " Prerequisito exige ~uímica General y es deseable que dev~tacama respectivamente, por sus valiosos aportes y los alumnos se hayan interiorizado de sus respectivas sugerencias. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ALLIED COLLOIDS, LTD., 1986. 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