Trabajo de inorgánica

El interés de las espinelas tiene su origen en las propiedades eléctricas y magnéticas de las mismas, que son poco comunes, pues son conductores de la corriente eléctrica pero no son conductores térmicos.
Nos vamos a centrar en dos tipos de espinelas, por un lado las ferritas y por otro lado : beta-alúmina de sodio, ambas con propiedades interesantes de cara a la aplicación tecnológica.

• FERRITAS:

• Introducción:

Son materiales con propiedades muy valiosas en el campo del magnetismo , pues como hemos dicho antes son magnetocerámicos, lo que les da aplicaciones en el campo audiovisual y mecánico. La resistencia a la conductividad térmica , la presentan todas las ferritas pero el comportamiento magnético de las mismas se puede clasificar en dos : ferritas blandas y ferritas duras.

• Fundamento teórico:

Las ferritas se pueden clasificar en dos tipos, atendiendo , no a sus propiedades físicas( error que pueden inducir esos términos) sino en función a sus propiedades magnéticas, de la forma que las ferritas blandas se pueden magnetizar de forma rápida y eficiente con un electroimán . Un electroimán es un tipo de imán en el que el campo magnético se produce mediante el flujo de una corriente eléctrica, desapareciendo en cuanto cesa dicha corriente ; de tal forma que ese cese produciría la perdida del magnetismo en la ferrita blanda. Las ferritas duras, en cambio , conservan sus propiedades magnéticas , es decir , son imanes permanentes.

Para describir estos comportamientos diferentes es necesario recurrir a la curva de histéresis y a las estructuras de las mismas:

• Curva de histéresis: es la tendencia de un material a conservar una de sus propiedades, en ausencia del estímulo que la ha generado. Para entenderlo mejor: s e denomina histéresis a la diferencia entre la distancia de activación y desactivación. Cuando la ferrita se acerca al sensor inductivo, ésta lo detecta a la “distancia de detección” o "distancia de sensado". Cuando ésta es alejada , no lo deja de detectar inmediatamente, si no cuando alcanza la “distancia de detección”. Por tanto podemos concluir que las ferritas blandas tiene una distancia de detección mucho menor que al de las ferritas duras y de ahí que distingamos dos ciclos de histéresis diferentes como se observa en la figura : la magnetización de la ferrita a medida que se incrementa el campo magnético es diferente a medida que disminuimos la intensidad de este último .

Todo esto se sustenta que la magnetización( M) de la ferrita ( ferrimagnetica) no es proporcional a la intensidad del campo magnético aplicado ( H).Para las ferritas duras ( rojo) el ciclo es amplio y M grande cuando el campo se reduce a cero , de ahí que la magnetización de la ferrita dura sea ya constante ( un imán ) .Para las ferritas blandas , su ciclo de histéresis es más estrecho ( azul) y por tanto responde mucho mejor al campo aplicado , de ahí que juegue un papel tan importante la distancia de detección del electroimán respecto a al ferrita blanda pues cuando este se retira la ferita blanda pierde la imanación:

Con esta figura se ha pretendido ilustrar cómo se alteran los espines en las distintas ferritas . Para mayor comprensión nos fijamos solamente en un dominio magnético ( de los varios en los que se organizan los espines):

• En las ferritas blandas(línea superior), inicialmente los espines están en distintas direcciones , pero existe un momento magnético total , no nulo , orientado en una determinada dirección del espacio ( que coincidirá con la dirección que tengan en común el mayor número de espines).Al poner la ferrita blanda en presencia de un imán, los espines se alinean en la dirección del campo magnético , y tenemos entonces el comportamiento magnético de un imán , pero al alejar el imán de la ferrita ( lo que en la figura superior se ha pretendido ilustrar dibujando el imán más pequeño) los espines vuelven a la posición inicial , volviendo así el comportamiento ferrrimagnético de la ferrita.

• En las ferritas duras el comportamiento es el mismo , pero al alejar el imán los espines no pierden la alineación , por tanto se sigue comportando esta ferrita como un imán permanente.

Este comportamiento, en cierto modo, está relacionado con las distintas estructuras de las ferritas .A continuación se procederá a describirlas pero no se establecerá la relación directa entre la estructura y el comportamiento magnético :

• Ferrita blanda: MFe₂O₄ : ECC.

Los átomos de oxígeno , son los que constituyen en sí el empaquetamiento cubico , dejando 8 huecos tetraédricos ( 2n , siendo n el número de oxígenos) y 4 huecos octaédrico ( n huecos ).De éstos , los átomos metálicos bispositivos ( M ) ocupan 1/8 de los tetraédricos , y los cationes Fe ⁺³ ocupan 2/4 =1/2 de los huecos octaédricos. Por tanto es una espinela normal ya que los cationes tripositivos están en entorno octaédrico:

En azul tenemos las posibles posiciones octaédricas a rellenar, pero de ellas solo están llenas la mitad (catión tripositivo). En morado oscuro, se ha señalado una posible posición tetraédrica (catión bipositivo).

• Ferrita dura: MFe₂O_4: EHC.
  

Los átomos de oxígeno son los que constituyen el empaquetamiento hexagonal .Distinguimos 2n =8 huecos tetraédricos , de los cuales se llenan 1/8, y huecos octaédricos se distinguen n=4 , de los cuales se llenan : 2/4 = 1 / 2 .En rojo se ha señalado la posición del átomo tripositivo ( Fe +3) y en violeta intenso al posición del ion metálico ( +2).

• Aplicaciones:

Las ferritas blandas , tienen su principal aplicación en dispositivos de cabezas de grabación –borrado :

Éstas , son las que constituían las antiguas cabezas de grabación-borrado en cintas de casete y de VHS.

• β-ALÚMINA DE SODIO:

• Introducción

  
  

La β-alúmina de sodio presenta unas características muy peculiares :si bien su fórmula NaAl₁₁O₁₇, no se asemeja a la de una espinela la mayor parte de los átomos encajan en los sitios de la red de espinela. Los iones sodio pueden vagar libremente por la estructura , lo que le hace ser un excelente electrolito en fase sólida , y tener aplicaciones en baterías de almacenamiento.

• Fundamento teórico:

Los sólidos iónico tiene una elevada resistencia eléctrica , por ello su conductividad solo es importante cuando están fundidos. La presencia de defectos en la red cristalina facilita la migración de iones que provoca la disminución de la resistencia eléctrica , pues por la migración de los iones la conductividad eléctrica aumenta.

Para la β-alúmina de sodio la migración es de los cationes sodio: cada vez que migra uno , crea una vacante en la estructura que será cubierta por orto catión , que a su vez volverá a crear otra vacante ; y así sucesivamente. La peculiaridad, es que los iones sodio solo migran en una dirección : a través de los espacios entre las capas de espinelas de Al₂O₃ con puentes.

A la vista de la figura que se expone en la página siguiente se puede concluir que tanto al conductividad de la β-alúmina de sodio, es sólo a lo largo de un plano del cristal , como el grafito ( que solo conducía en los planos paralelos al carbono sp2).

La conductividad de la β-alúmina de sodio , es pequeña comparada con la de un metal , pero si es grande , comparada con la de otros sólidos iónicos ; por ejemplo: 10 ^-13 Ω^- m^- el al conductividad del ClNa, mientras que al de la β-alúmina de sodio es 3 Ω^- m^- .

Los iones sodio de la β-alúmina de sodio pueden sustituirse por otros cationes como Li ⁺ , K⁺ , Ag⁺…pero este cambio provocaría una disminución en la conductividad respecto a la β-alúmina de sodio , pues el tamaño de los iones sodio son los idóneos para los canales entre capas de la red hospedadora , facilitando así la máxima movilidad de los iones sodio.

• Aplicación:

En el actual desarrollo de la tecnología de pilas, dispositivos electrónicos y la investigación sobre vehículos eléctricos se utilizan electrolitos sólidos: Ej. la batería de sodio/azufre contiene un electrolito de sodio β-alúmina , es la llamada batería batería sodium-sulfur ; la BASE de la misma primero fue desarrollada por los investigadores en Ford Motor Company®, en la búsqueda para un dispositivo de almacenaje para vehículos eléctricos.

Las reacciones que tiene lugar en el interior de la batería son las siguientes:

En el cátodo: Na(l) -->Na⁺ + e^-

^{Reacción final :} 2 Na⁺ + [S_n]^2---> Na₂S_n (l).

En el ánodo: nS(l) + 2e- --> [S_n]^2-

Los iones sodio producidos en el ánodo migran a través del electrolito de sodio de la β-alúmina y se combinan con los aniones polisulfuro formados en el cátodo. Las reacciones se invierten cuando la célula se carga. Esta batería sellada herméticamente se guarda en aproximadamente 300 grados de centígrado y se funciona bajo condición que los materiales activos en ambos electrodos son líquidos y su electrólito es sólido.

LA batería funciona a unos 570-620 K , y aunque no es una temperatura muy elevada , podría suponer un riesgo para la seguridad en el vehículo, por ello estos ensayos son prometedores pero se necesita todavía una desarrollo adicional para solucionar dicho inconveniente.

• Bibliografía:

· Gutiérrez Ríos : Química inorgánica

· Shiver y Atkins : Química inorgánica

· Atkins Jones :Principios de química ( caminos del descubrimiento) :

· María Dolores Ruiz Cruz: Cristalografía elemental ( para químicos)

· Shriver : Quimica inorgánica.

· http://webcache.googleusercontent.com/search?q=cache:kzhGxNdGF1YJ:www.worldlingo.com/ma/enwiki/es/Beta-alumina_solid_electrolyte+motor+electrolito+solido&cd=6&hl=es&ct=clnk&gl=es

· http://es.wikipedia.org/wiki/Grabaci%C3%B3n_magn%C3%A9tica_anal%C3%B3gica

· www.google.es