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Presentaciones adaptadas al texto del libro: “Temas de química (II) para alumnos de ITOP e ICCP” PowerPoint PPT Presentation


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Presentaciones adaptadas al texto del libro: “Temas de química (II) para alumnos de ITOP e ICCP”. Tema 23: Productos Bituminosos. ROCÍO LAPUENTE ARAGÓ Departamento de Ingeniería de la Construcción UNIVERSIDAD DE ALICANTE. Dispersiones Coloidales.

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Presentation Transcript


Presentaciones adaptadas al texto del libro temas de qu mica ii para alumnos de itop e iccp

Presentaciones adaptadas al texto del libro:

Temas de qumica (II) para alumnos de ITOP e ICCP

Tema 23:

Productos Bituminosos

ROCO LAPUENTE ARAG

Departamento de Ingeniera de la Construccin

UNIVERSIDAD DE ALICANTE


Presentaciones adaptadas al texto del libro temas de qu mica ii para alumnos de itop e iccp

Dispersiones Coloidales

En 1850, el qumico ingls Thomas Graham aplic el trmino coloides (de la palabra griega que significa goma o cola) a polipptidos (albmina, gelatina), a gomas vegetales (acacia, almidn, dextrinas), y a compuestos inorgnicos como hidrxidos metlicos gelatinosos.

Estos compuestos no cristalizaban y se difundan lentamente cuando se dispersaban en agua.

La qumica coloidal se transform en ciencia alrededor de 1906. Se comenz a considerar a los sistemas coloidales, como un estado de la materia que tiene fase dispersa de tamao intermedio entre las molculas pequeas o los iones en solucin y grandes partculas.


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1. Introduccin.

DISOLUCIN: sustancia homognea cuya composicin puede ser variable dentro de ciertos lmites.

La diferencia entre disolucin y mezcla consiste en la homogeneidad o heterogeneidad pero existen casos en que esa distincin no est clara.

SUSPENSION: Si se agita arena con agua estos componentes se separan inmediatamente sedimentndose la arena, y se pueden separa por filtracin los dos componentes.


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DISOLUCIN:

las partculas de soluto no pueden distinguirse de la disolucin. Las partculas no sedimentan, ni siquiera con fuerzas centrfugas enormes

DISPERSION COLOIDAL:

Son pseudodisoluciones en que las partculas de soluto pasan a travs de todos los filtros,

no son visibles con el microscopio ordinario

con un microscopio especial (ultramicroscopio) se pueden observar la luz reflejada y refractada por las partculas.


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1.1. Tamao de las partculas coloidales

La diferencia entre suspensin, dispersin coloidal y disolucin reside en el tamao de las partculas de soluto.

  • SUSPENSION Tamao de partcula > 0.2 m

  • DISPERSION COLOIDAL Tamao de partcula entre 0.001 y 0.2 m

  • DISOLUCION VERDADERATamao de partcula<0.001m

1m = 10-6 m = 104

Los limites son arbitrarios, el superior 0.2 m representa el poder resolutivo del mejor microscopio ordinario (utilizando luz azul) y el inferior 0.001 m es el limite de resolucin del ultramicroscopio.


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Fase dispersante o

Medio de dispersion

Fase dispersa

Sistemas Dispersos

Son aquellos sistemas constituidos por dos fases o ms no miscibles entre s.

Una de las fases est uniformemente distribuida en forma de partculas o gotas finamente divididas en el seno de otra fase que las engloba o encierra.

La fase subdividida:

FASE INTERNA DISPERSA DISCONTINUA(es la fase que conforma las partculas o gotitas)

La fase que engloba o encierra las partculas o gotas:

FASE EXTERNADISPERSANTE CONTINUA(es el medio en que las partculas se encuentran dispersas)


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En esta interfase se manifiestan las propiedades caractersticas de los sistemas coloidales.

  • Desde el punto de vista fisicoqumico estos sistemas sontermodinmicamente inestables.

  • Las caractersticas ms representativas de estos sistemas son:

    • La existencia de una superficie de separacin entre la dos fases llamada interfase (entre las partculas y el medio de dispersin (rea interfacial) es muy elevada)

    • Gran inestabilidad

  • las partculas tienden a aglomerarse, para reducir su energa libre interna.


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1.2. Clasificacin de las dispersiones coloidales

Fase dispersa (o dispersoide): soluto que est en menor proporcin

Medio de dispersin: el disolvente.


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Segn afinidad relativa fase dispersa y medio de dispersin

Lifobos

Lifilos

Pequea afinidad.

Dispersiones coloidales de metales en agua

Dispersiones irreversibles

Gran afinidad.

Almidon, jabn, protenas, gomas

Dispersiones reversibles

Tensin superficial, y viscosidad similares a los del medio de dispersin

Menor tensin superficial, y mayor viscosidad que el medio de dispersin


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Tensin superficial

Las fuerzas de cohesin intermoleculares en los lquidos (fundamentalmente de Van Der Waals) provocan que una molcula en el seno del liquido est en equilibrio (la fuerza resultante sobre ella es nula)

en cambio para una molcula en la superficie existe una fuerza resultante hacia abajo


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Cuando intentamos llevar una molcula de lquido desde el interior hasta la superficie hemos de vencer esa fuerza resultante y por tanto realizar un trabajo, aumentando dicha superficie.

Ese trabajo queda almacenado en forma de energa potencial en dicha superficie.

Se define la tensin superficial como el trabajo necesario para incrementar la superficie de un liquido en la unidad de superficie.


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Para medir la tensin superficial se utiliza el Tensimetro

Consta de una plaquita metlica de longitud l que debe enrasarse con la superficie

en el otro platillo se colocan pesas hasta que se desprende la plaquita

En ese momento el peso de las pesas iguala a la fuerza debida

a la tensin superficial


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Viscosidad

Si en una masa de fluido intentamos desplazar una lamina de fluido respecto de otra, aparece una fuerza de rozamiento debida tambin a la cohesin de las molculas de fluido.

Para la medida de la viscosidad se utiliza el viscosmetro de Ostwald.


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En l se mide el tiempo que tarda en fluir un volumen V de liquido por un tubo capilar (viendo el tiempo que tarda el menisco en pasar por las marcas 1 y 2), y se puede demostrar que

Donde t = tiempo que tarda el lquido

tAGUA = tiempo que tarda el agua


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Para las emulsiones asflticas se utiliza el viscosmetro de Saybolt-Furol.

Se mide el tiempo que tarda en fluir una cantidad fija de emulsin por un orificio normalizado a una temperatura fija (ya que la viscosidad disminuye con la temperatura).

Se mide el tiempo que tarda en llenarse el matraz aforado, y se expresa como

segundos Saybolt-Furol.


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2. Propiedades de las dispersiones coloidales

Las sustancias en estado coloidal presentan propiedades caractersticas que no muestran en otros grados de dispersin

y que no son especficas de la sustancia sino ms bien del grado de dispersin, es decir del estado coloidal.


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2.1. Sedimentacin

Las dispersiones coloidales son estables y no sedimentan normalmente.

La concentracin de las partculas puede variar con la altura en una dispersin coloidal,

tanto mas cuanto mayor es el tamao de las partculas,

de manera anloga a como el aire tiene distinta presin a diferente altura.

Con ultracentrfugas (w 100000 rpm) y que producen campos gravitatorios de 104 g pueden separarse partculas coloidales de diferente tamao, por ejemplo protenas.

De esta forma se pueden purificar protenas o determinar sus pesos moleculares.


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2.2. Propiedades pticas

A) Efecto Tyndall

Las disoluciones son claras y transparentes mientras que las suspensiones son turbias.

Las dispersiones coloidales a simple vista y con microscopio ordinario son claras pero si se observan directamente en direccin perpendicular al haz de luz son turbias y si la observacin se realiza en la oscuridad y la nica luz es la del haz, la dispersin coloidal se hace visible con minsculos y no diferenciados puntos de luz. Este es el Efecto Tyndall


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Qu es efecto Tyndall?

Es un fenmeno que se aprecia cuando un rayo de luz pasa por una mezcla coloidal y ste es reflejado por las partculas grandes dispersas en la mezcla, haciendo que se ilumine mayor espacio del coloide y perdindose el aspecto de rayo luminoso.

Las partculas coloidales se pueden observar como puntos de luz en fondo oscuro, movindose irregularmente.


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B) Movimiento browniano

Observando dispersiones coloidales en el ultramicroscopio se puede observar este movimiento irregular en zig-zag. Es debido a los choques no compensados de las molculas del medio de dispersin. Fue descubierto por Robert Brown (1827).

Midiendo el recorrido medio a intervalos constantes de tiempo de las partculas, se puede determinar el numero de Avogadro.

http://teleformacion.edu.aytolacoruna.es/FISICA/document/applets/Hwang/ntnujava/term_browniano/gas2D_s.htm


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2.3. Propiedades elctricas

A) Electroforesis

En el montaje de la figura, un tubo en U con dispersin coloidal y un poco de medio de dispersin

si se aplica una diferencia de potencial (V) grande, la dispersin coloidal se desplaza como un conjunto hacia uno de los electrodos.

Este fenmeno se denomina electroforesis y revela que las partculas coloidales tienen carga.


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Tienen carga negativa y migran hacia el nodo:

Metales, sulfuros, almidn, goma arbiga

Tienen carga positiva y migran hacia el ctodo: xidos, hidrxidos y colorantes bsicos

La carga elctrica se puede deber a dos causas:

a) Disociacin de las propias molculas que constituyen la partcula coloidal, dndole carcter de electrolito.

b) Adsorcin de iones cargados sobre la partcula coloidal.


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Ambas capas forman la doble capa elctrica .

V es el potencial electroqumico total entre partcula y disolucin.

es el potencial electrocintico o potencial zeta que representa la diferencia de potencial debido a la capa difusa.

El valor del potencial zeta es una magnitud importante para el estudio de las propiedades coloidales en especial la estabilidad de los coloides.


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B) Estabilidad y precipitacin de los coloides

La carga elctrica y la doble capa inica que rodea las partculas coloidales y el potencial zeta son los responsables de su estabilidad.

Si no fuera por sus repulsiones electrostticas al acercarse quedaran asociadas por fuerzas de Van Der Waals y se producira la precipitacin del coloide.


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La adicin de electrolitos a soles lifobos produce la agrupacin de las partculas y su separacin del liquido como precipitado.

Este hecho se conoce como coagulacin o floculacin.

La coagulacin se refiere al proceso de desestabilizacin de las partculas suspendidas de modo que se reduzcan las fuerzas de separacin entre ellas.

La floculacin tiene relacin con los fenmenos de transporte dentro del lquido para que las partculas hagan contacto. Esto implica la formacin de puentes qumicos entre partculas de modo que se forme una malla de cogulos, la cual sera tridimensional y porosa.


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La adicin de electrolitos tiene dos efectos

a) Disminucin del espesor de la capa difusa y por tanto de su efecto protector del coloide.

b) Adsorcin de iones en la capa fija, lo que produce una disminucin del potencial zeta.

Ambos efectos explican la accin precipitante de los electrolitos sobre los coloides. El efecto coagulante de estos iones de signo opuesto es mayor cuanto mayor es su valencia.

Un ejemplo de precipitacin por electrolitos lo representa la formacin de deltas en las desembocaduras de los grandes ros. El agua dulce que contiene partculas de arcilla en estado coloidal al ponerse en contacto con el agua salada del mar hace precipitar dichas arcillas.


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C) Efecto Emulgente. Tensioactividad

Los soles lifobos inestables pueden estabilizarse por adicin de un sol lifilo.

Un ejemplo de esto es la accin detergente de los jabones para disolver la grasa o aceite.

Las emulsiones de grasa en agua son inestables pero en presencia de un poco de jabn, que acta como emulsionante, son estables.


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La cadena alqulica se disuelve en la grasa y queda la parte inica de la molcula en la parte exterior con carga negativa.

Esta carga contribuye a formar la doble capa elctrica y a estabilizar la partcula de grasa en el agua.

Este efecto se complementa con un aumento de la capacidad de penetrar el agua en los tejidos debida a la disminucin de tensin superficial que provoca el jabn en el agua.


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Una sustancia tensioactiva es la que disuelta en un lquido, se concentra en su interfase con otro lquido, slido o gas, provocando una interrupcin de los enlaces responsables de la tensin superficial del disolvente, de tal manera que esta disminuye.

Los tensioactivos alteran las propiedades de un lquido que dependen de su tensin superficial: capacidad de mojar otras sustancias, ngulo de contacto...

El jabn es un tensioactivo usado desde hace muchos siglos.

Tradicionalmente fabricado con grasas naturales, procedentes de aceites o restos de grasa animal, tratadas con ceniza.

R-COO-CH2 R-COOK HO-CH2

| |

R-COO-CH2 + 3KOH R-COOK + HO-CH2

| |

R-COO-CH2 R-COOK HO-CH2

Ester (grasa) Jabn Glicerina


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Un jabn es una sustancia con dos partes, una de ellas llamada lipfila (o hidrfoba), se une a las gotitas de grasa y la otra, denominada hidrfila, se une al agua.

De esta manera se consigue disolver la grasa en agua

Qumicamente es una sal alcalina de un cido graso de cadena larga

Los jabones, en su empleo para dispersar grasas y materiales no hidrosolubles tienen algunos inconvenientes:

Dan precipitados con Ca2+ y Mg2+ por lo que su utilizacin en aguas duras supone mayores consumos

En medio cido precipitan como cido graso (el anin se asocia con H+ pues se trata de un cido dbil) insoluble.

R-COO- + H+ R-COOH


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Adems, los jabones son retenidos por las fibras textiles y se mantienen aun tras el aclarado pues las molculas del mismo son adsorbidas por las fibras; eso da posterior enranciamiento de las cadenas hidrocarbonadas y mal olor.

Los detergentes modernos son sintetizados a base de diferentes tamaos y tipos de grupo lipfilo y grupo hidrfilo. Los mas usados son los aninicos, en los que el anin queda unido a la cadena lipfila

Uno de los mas corrientes procedente de la destilacin del petrleo, se prepara por sulfonacin del dodecil-benceno:


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El producto se llama sulfonato de decilbenceno (sal sdica ) que tiene una estructura semejante al jabn y parecidas propiedades detergentes. Pero no forma precipitados con agua dura.

  • Adems otros detergentes tienen propiedades especiales:

  • Pueden no formar espuma (eligiendo ambas partes se pueden modificar las propiedades finales del producto de sntesis).

  • Pueden ser biodegradables (el alkil-bencen-sulfonato ramificado no lo es, pero si el alkil-sulfonato lineal).

Ramificado = NO biodegradable


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Los detergentes son una mezcla de muchas sustancias.

El componente activo de un detergente es similar al de un jabn, su molcula tiene tambin una larga cadena lipfila y una terminacin hidrfila.

Suele ser un producto sinttico normalmente derivado del petrleo.

Una de las razones por las que los detergentes han desplazado a los jabones es que se comportan mejor que estos en aguas duras.


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En 1907 una compaa alemana fabric el primer detergente al aadirle al jabn tradicional perborato sdico, silicato sdico y carbonato sdico.

El nombre elegido fue :"PERSIL" (PERborato + SILicato)


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D) Precipitacin electrosttica de los aerosoles. Proceso Cottrell.

Los humos constituyen una dispersin coloidal de partculas slidas en un gas, generalmente aire, es decir aerosoles

FORMACION DE HUMOS

-Cuando una sustancia que a temperatura ordinaria es slida se forma a temperatura tan elevada en que es un gas, al enfriarse quedan partculas de slido en dispersin.

-Cuando se forma una sustancia slida por reaccin entre dos gases.

-Otros procesos como la trituracin de materiales slidos a polvo fino (por ejemplo cemento).


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Los humos son muy perjudiciales en zonas urbanas y son difciles de precipitar. Por otra parte cuando se pueden coagular son de gran valor econmico.

El proceso Cottrell esta basado en las propiedades elctricas de las partculas coloidales y, por tanto, la propiedad de moverse en un campo elctrico hacia el electrodo de signo opuesto y, al llegar a l, descargarse y precipitar.


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3. Geles

Un gel conforma una dispersin coloidal muy viscosa con capacidad de absorcin de mucho disolvente y de aumentar su volumen.

Cuando una dispersin coloidal liofila se enfra, su viscosidad va aumentando hasta que llega a transformarse en una masa semislida de aspecto homogneo que se denomina gel.

En ste, las partculas fuertemente hidratadas se renen en un retculo esponjoso que contiene mucho agua de hidratacin o imbibida por fuerzas de capilaridad en los poros.


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El hecho de que un gel sea elstico o inelstico depende de que los capilares del mismo sean flexibles o rgidos.

Algunos geles presentan la propiedad de licuarse cuando se someten a tensiones mecnicas fuertes (se agitan) pero al dejarlos en reposo vuelven al estado de gel.

Este fenmeno se denomina tixotropa. Un ejemplo de l son ciertas pinturas que al agitarse se licuan pero despus de aplicarlas melifican de nuevo


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4. Ligantes bituminosos y ligantes hidrocarbonados

Los ligantes bituminosos estn constituidos por mezclas complejas de hidrocarburos de distintos tipos, que tienen en comn :

su color, normalmente negro o pardo oscuro

su consistencia, normalmente slida o semislida

y su poder aglomerante

natural

o

artificial (destilacin)

derivan

ORIGEN

PETRLEO

Se denominan genricamente

betn o asfalto o betn asfltico.


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el alquitrn

Otro material aglomerante de caractersticas similares , que procede de la destilacin de carbones o maderas.

Todos son materiales termoplsticos

es decir su consistencia es muy dependiente de la temperatura

Tienen buena adhesividad con los ridos

se utilizan principalmente para la construccin de firmes de carreteras e impermeabilizaciones

Llamamos ligantes hidrocarbonados

al conjunto formado por

los ligantes bituminosos ms el alquitrn y sus derivados.


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Algunos tipos de ligantes bituminosos se utilizaron en Mesopotamia y el Valle del Indo, como aglomerantes para albailera, construccin de caminos e impermeabilizaciones, 3000 aos antes de Cristo.


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  • Las principales aplicaciones actuales son las siguientes:

  • Construccin y reparacin de firmes de carreteras, normalmente se utilizan en forma de mezclas con ridos, aplicadas en caliente para conseguir la consistencia adecuada.

  • Construccin de pavimentos especiales: estaciones de servicio, industriales, etc.

  • Impermeabilizacin de cubiertas de edificios, de muros y cimentaciones, de obras hidrulicas (conducciones, depsitos, etc.)


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Hay que sealar que existen contradicciones en la terminologa internacional utilizada para designar estos materiales, sobre todo entre Europa y Estados Unidos.

En Europa se usa preferentemente el trmino betn asfltico.

Se define este material como un producto procedente del petrleo, de forma natural o artificial, y casi totalmente soluble en sulfuro de carbono y en tetracloruro de carbono (contenido de impurezas insolubles menor del 5%).

En la terminologa estadounidense se le denomina asphalt cement.

En cambio en Europa se utiliza el trmino asfalto cuando el betn viene impurificado en ms de un 5% con materiales insolubles en sulfuro de carbono.


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Llamamos ligantes hidrocarbonados

al conjunto formado por

los ligantes bituminosos ms el alquitrn y sus derivados.

Los ligantes bituminosos: betn o asfalto o betn asfltico.

natural

o

artificial (destilacin)

derivan

ORIGEN

PETRLEO

el alquitrn

Otro material aglomerante de caractersticas similares , que procede de la destilacin de carbones o maderas.


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5. Clasificacin de los ligantes hidrocarbonados

  • Naturales

  • Asfalto natural

  • Rocas asflticas

    B) Artificiales

  • Alquitrn y sus derivados

  • Betn asfltico de destilacin

  • Betunes modificados por mezcla con otros materiales

  • Betunes fluidificados y fluxados

  • Emulsiones asflticas


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    El asfalto natural:

    se form a partir del petrleo en un proceso muy lento gracias a condiciones ambientales y bio-geoqumicas favorables (temperaturas y presiones elevadas, presencia de catalizadores, etc.).

    Se encuentra en algunos yacimientos como el del lago de la Isla Trinidad, del cual se obtiene un asfalto natural de gran calidad, que contiene un 55% de betn y un 45% de material mineral muy fino y partculas orgnicas solubles.

    El mayor yacimiento de asfalto del mundo est en el lago Brea


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    Las rocas asflticas son mezclas, obtenidas tambin de yacimientos naturales, de betn y material mineral (rocas) en fracciones ms gruesas.

    Gilsonite

    North American Asphaltum natural

    Ozokerite from Utah


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    El alquitrn y sus derivados (brea, creosota) son ligantes hidrocarbonados procedentes de la destilacin

    -de carbones (hulla, lignito) o

    -de la destilacin de la madera.

    DESTILADOR DE MADERA EN HUNGRIA

    A la palabra alquitrn debe seguir el nombre de la materia de origen, por ejemplo alquitrn de hulla, y el mtodo de obtencin (alta o baja temperatura, cracking, etc.).


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    La brea y la creosota son materiales obtenidos de la evaporacin parcial o destilacin del alquitrn.

    El alquitrn y sus derivados no se utilizan mucho en Espaa para aplicaciones de carreteras.


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    5. Clasificacin de los ligantes hidrocarbonados

    • Naturales

  • Asfalto natural

  • Rocas asflticas

    B) Artificiales

  • Alquitrn y sus derivados

  • Betn asfltico de destilacin

  • Betunes modificados por mezcla con otros materiales

  • Betunes fluidificados y fluxados

  • Emulsiones asflticas

  • PETROLEO

    MADERA


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    6. Betn asfltico

    El betn asfltico es un material de construccin muy verstil y de gran inters al constituir

    • un ligante o aglomerante muy resistente

    • adhesivo con los ridos

    • impermeable

    • estable en condiciones atmosfricas ambientales

    • es una sustancia plstica

    • muy resistente a la mayora de los cidos, lcalis y sales

    A temperaturas ordinarias presenta una consistencia slida o semislida.

    Y puede fluidificarse fcilmente por la accin del calor, por adicin de disolventes o por emulsificacin con agua.


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    6.1. Naturaleza

    La composicin qumica del betn asfltico es muy compleja y adems vara para los distintos crudos de petrleo y segn los procesos de fabricacin.

    - destacan los anillos naftnicos, que son parafinas (alcanos) cclicas de 5 o 6 tomos de carbono.

    Contiene muchos hidrocarburos de elevado peso molecular

    y

    muchas molculas orgnicas con diferentes grupos funcionales.

    - tambin hidrocarburos aromticos sustituidos, condensados directamente o a travs de teres o sulfoteres.

    El peso molecular medio es de aproximadamente 1000.

    Los elementos mayoritarios son: C, H, O, y despus en menores proporciones N y S.


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    Resinas

    Asfaltenos

    Cclicos

    Saturados

    Normalmente se atribuye al betn una estructura de:

    - medio de dispersin es un medio aceitoso fluido (aceite)

    Dispersin coloidal en forma de gel

    - la fase dispersa esta formada por asfaltenos y resinas asflticas

    (emulgente)

    Asfalto duro

    Asfalto blando


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    Los componentes del betn se suelen clasificar de acuerdo a las fracciones que se separan por precipitacin fraccionada en:

    • Maltenos: Aceite (medio de dispersin)

    • Resineno o resinas asflticas (emulgente de la dispersin coloidal)

    • Asfaltenos (fase dispersa o micelas)

    Los maltenos suelen ser ms ricos en parafinas (alcanos)

    y

    los asfaltenos ms ricos en hidrocarburos aromticos.


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    se obtiene

    6.2. Fabricacin

    a partir del residuo de la destilacin del crudo de petrleo en las refineras, una vez separados los componentes voltiles.

    El betn asfltico

    No todos los crudos son aptos para obtencin de betn.

    Los crudos parafnicos, ricos en hidrocarburos saturados, no son aptos.

    Los crudos de menor densidad, ms ricos en hidrocarburos aromticos, producen ms cantidad de betn y de ms calidad.


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    Crudo

    Se pueden clasificar los crudos segn su aptitud para obtener betn en:

    - Crudos de petrleo de base asfltica

    - Crudos de petrleo de base semiasfltica

    - Crudos de petrleo de base no asfltica (parafnicos)


    Product os del crudo y p ropiedades de los productos

    PRODUCTOS DEL CRUDO Y PROPIEDADES DE LOS PRODUCTOS

    GLP

    Crudo

    Gasolinas

    Querosenos

    Gasleos

    Lubricantes

    Ful leo pesado

    Betn

    Punto de ebullicin(C)

    Nmero de

    Carbonos

    Productos ligeros

    3 - 4

    10 - 15

    5 - 10

    15 - 150

    12- 18

    150 - 260

    18 - 24

    230 - 370

    24 - 40

    370 - 525

    24 - ~300

    370 -

    ~40 - ~300

    525 -

    Productos pesados


    Presentaciones adaptadas al texto del libro temas de qu mica ii para alumnos de itop e iccp

    El proceso de fabricacin pasa por dos etapas de destilacin:

    una atmosfrica y otra a vaco

    en las que se separan todos los componentes ms voltiles, quedando el residuo asfltico.


    Presentaciones adaptadas al texto del libro temas de qu mica ii para alumnos de itop e iccp

    Este residuo se somete a un proceso de rectificacin

    soplado u oxidacin con una corriente de aire a elevada temperatura (betn asfltico oxidado),

    O

    destilacin prolongada

    O

    una combinacin de destilacin y oxidacin (betn asfltico duro).

    aumenta el contenido de asfaltenos y disminuye el de aceites,

    aumentando la consistencia o dureza del betn (menor fluencia en fro),

    mejora la susceptibilidad trmica,

    y disminuye la ductilidad del betn.


    Estructura coloidal del bet n

    Estructura coloidal del betn

    Resinas

    Asfaltenos

    Cclicos

    Saturados

    Betunes blandos

    Betunes duros


    Comparaci n de betunes soplados y destilados

    Comparacin de betunes soplados y destilados

    Destilados

    Soplados


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    Los betunes asflticos obtenidos por destilacin en refineras suelen denominarse betunes de penetracin.

    Este trmino hace referencia al ensayo de penetracin, en el que se mide la penetracin a 25C de una aguja calibrada en el betn.

    El resultado se mide en dcimas de mm y nos indica la consistencia dura o blanda del betn.

    Las especificaciones espaolas definen los betunes B20/30, B40/50, B60/70, B80/100, B150/200 y B200/300, expresiones en las que los dos nmeros indican el intervalo en dcimas de mm en el que debe estar comprendida la penetracin.

    Cuanto menor es la penetracin ms duro es el betn.


    T pico esquema de refino para betunes asf lticos de carreteras

    TPICO ESQUEMA DE REFINO PARA BETUNESASFLTICOS DE CARRETERAS

    300 pen.

    200 pen.

    100 pen.

    70 pen.

    50 pen.

    Dest.Atm.

    Crudo

    Dest.Vac.

    Residuo

    300 pen.

    Soplado

    o destilado

    Residuo

    300 pen.

    Mezclador

    25 pen.


    Presentaciones adaptadas al texto del libro temas de qu mica ii para alumnos de itop e iccp

    Grfico de mezclado para betunes de penetracin

    0

    10

    20

    30

    40

    50

    60

    70

    80

    90

    100

    % peso B

    1000

    1000

    Componente a (blando) (pen a 25C)

    Componente B (duro) (pen a 25C)

    100

    100

    10

    10

    % peso A

    100

    90

    80

    70

    60

    50

    40

    30

    20

    10

    0


    Presentaciones adaptadas al texto del libro temas de qu mica ii para alumnos de itop e iccp

    6.3. Ensayos del betn asfltico

    Ensayo de penetracin

    Sirve para determinar la consistencia y clasificar los betunes asflticos.

    Se mide la penetracin de una aguja calibrada en una muestra de betn a 25C.

    La medida se expresa en dcimas de mm.

    68


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    Ensayo de la temperatura anillo y bola o punto de reblandecimiento

    Se define como la temperatura a la que un disco de betn se reblandece lo suficiente para permitir que una pequea bola de acero, inicialmente apoyada en su superficie, caiga a travs del disco.

    El resultado del ensayo se denomina temperatura de anillo y bola.

    IMPORTANCIA DE LA QUIMICA DEL ASFALTO EN SUS PROPIEDAES FSICAS

    69


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    Ensayo de ductilidad

    La ductilidad de un betn se mide por el alargamiento en centmetros que produce la rotura de una probeta de betn en condiciones fijas de temperatura (25C) y velocidad de deformacin (5 cm/min).


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    Ensayo de fragilidad

    El punto de fragilidad, o temperatura de Fraass, representa la temperatura a la que una lmina de betn se agrieta sometida a unas condiciones normalizadas de esfuerzo de flexin.

    Se determinan, adems, por medio de ensayos normalizados, el peso especfico, calor especfico, conductividad calorfica, dilatacin trmica, propiedades elctricas, impermeabilidad, permeabilidad al aire, adhesividad, etc.


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    7. Betunes modificados

    En ocasiones es conveniente mezclar el betn asfltico con otros materiales para mejorar sus propiedades.

    • Los materiales que se adicionan o mezclan con el betn son los siguientes:

    • Alquitrn.

    • Filleres o cargas minerales u orgnicas

    • Azufre.

    • Polmeros.


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    8. Betunes fluidificados y fluxados

    Con la finalidad de reducir la viscosidad y consistencia del betn,

    facilitando su aplicacin en obra,

    se mezcla el betn con aceites o fluidificantes de tipo orgnico,

    con disolventes hidrocarbonados derivados del petroleo que sean compatibles (a menudo del mismo crudo).


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    9. Emulsiones asflticas

    9.1. Definicin y clasificacin

    Son dispersiones coloidales, cuyo medio de dispersin (disolvente) es el agua y la fase dispersa (soluto) es el betn asfltico.

    Son productos lquidos a temperatura ambiente, por lo que no es preciso calentar para su aplicacin.

    La emulsin asfltica es una dispersin lifoba, por lo que requiere necesariamente un emulgente para la estabilidad de la emulsin.


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    Durante el almacenamiento y transporte, la emulsin debe ser estable, es decir no debe producirse separacin del betn y el agua (coagulacin).

    Segn el tipo de emulgente utilizado se clasifican las emulsiones asflticas:

    Emulsiones aninicas (EA).

    Emulsiones catinicas (EC).

    Emulsiones no inicas.


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    • Emulsiones aninicas (EA).

    El emulgente tiene naturaleza aninica (in negativo), por lo que dota a las micelas de betn de carga negativa.

    Los emulgentes aninicos son normalmente molculas orgnicas grandes dotadas de un grupo polar, que al disociarse proporciona carga negativa, tales como el grupo cido carboxlico o el grupo cido sulfnico.

    cido carboxlico: R-COOH R-COO- + H+

    cido sulfnico: R-SO3H R-SO3- + H+


    Presentaciones adaptadas al texto del libro temas de qu mica ii para alumnos de itop e iccp

    Estas molculas se utilizan en forma de cidos o de sus sales alcalinas (Na o K).

    En todos los casos la parte orgnica (R) de la molcula, que es la ms voluminosa, se introduce en el glbulo (micela) de betn, por su carcter no polar que tiene mayor afinidad por las molculas orgnicas del betn.

    La parte inica con carga elctrica, queda en la superficie por su mayor afinidad por las molculas polares del agua. Con ello el emulgente tapiza de cargas negativas la micela de betn.


    Presentaciones adaptadas al texto del libro temas de qu mica ii para alumnos de itop e iccp

    • Los emulgentes aninicos se obtienen de los siguientes materiales:

    • Emulgentes de la madera y de la industria del papel: colofonia, cidos resnicos como el cido abitico o sus sales, tall-oil (mezcla de cidos grasos y resnicos).

    • Emulgentes del petrleo: cidos naftnicos (derivados de cicloalcanos de 5 o 6 tomos de carbono), cidos o sales sulfnicos muy semejantes a los detergentes, como el alquil-benceno-sulfonato sdico.

    • Emulgentes de las grasas: cidos grasos (por ejemplo el cido oleico) o sus sales.+


    Presentaciones adaptadas al texto del libro temas de qu mica ii para alumnos de itop e iccp

    b)Emulsiones catinicas (EC).

    El emulgente tiene naturaleza catinica (in positivo), por lo que dota a las micelas de betn de carga positiva.

    Los emulgentes catinicos son normalmente molculas orgnicas grandes dotadas de un grupo amina o en forma de sales de amonio cuaternario.

    Las aminas al disociarse proporcionan carga positiva:

    Amina orgnica:R-NH3 + H2O R-NH4+ + OH-

    +


    Presentaciones adaptadas al texto del libro temas de qu mica ii para alumnos de itop e iccp

    Estas molculas se suelen utilizar en forma de sales del amonio correspondiente con un anin por ejemplo el cloruro.

    En todos los casos la parte orgnica (R) de la molcula, que es la ms voluminosa, se introduce en el glbulo (micela) de betn, por su carcter no polar que tiene mayor afinidad por las molculas orgnicas del betn.

    La parte inica (+) con carga elctrica, queda en la superficie por su mayor afinidad por las molculas polares del agua. Con ello el emulgente tapiza de cargas positivas la micela de betn.


    Presentaciones adaptadas al texto del libro temas de qu mica ii para alumnos de itop e iccp

    c) Emulsiones no inicas.

    El emulgente es un slido reducido a tamao muy fino o un material de naturaleza coloidal (tamaos de partcula menores de 2 micras).

    Por ejemplo se suelen utilizar minerales arcillosos tales como el caoln o las montmorillonitas (bentonita).

    Normalmente estas emulsiones con arcillas dotan de carga negativa a las micelas de betn.

    DEL TEMA 12 sabemos que


    Presentaciones adaptadas al texto del libro temas de qu mica ii para alumnos de itop e iccp

    2.3.- PROPIEDADES DE LAS ARCILLAS.

    A) Carcter coloidal del sistema agua-arcilla.

    Los minerales de arcilla son fcilmente exfoliables en partculas laminares de tamao inferior a 2m.

    Estas partculas se dispersan con facilidad en agua adquiriendo carcter coloidal.

    Capa fija

    +

    -

    +

    Las micelas de arcilla se rodean de iones OH- con lo que adquieren carga negativa, responsable de su estabilidad.

    +

    -

    +

    OH-

    OH-

    +

    OH-

    -

    OH-

    +

    +

    OH-

    -

    OH-

    +

    OH-

    +

    +

    -

    Doble capa elctrica de una partcula de arcilla

    +

    +

    Capa difusa


    Presentaciones adaptadas al texto del libro temas de qu mica ii para alumnos de itop e iccp

    La fabricacin de las emulsiones asflticas requiere un proceso optimizado de mezcla:

    el betn debe calentarse a temperaturas prximas a 100C para rebajar su viscosidad, mezclndose en caliente con el agua previamente mezclada con el emulgente.

    El proceso se realiza en tanques dotados de agitacin muy potente o en molinos coloidales.

    La cantidad de emulgente incorporada es la suficiente para tapizar de cargas elctricas las micelas de betn.


    Presentaciones adaptadas al texto del libro temas de qu mica ii para alumnos de itop e iccp

    9.2. Rotura y adherencia con los ridos

    Se entiende por rotura de la emulsin la separacin del agua y el betn.

    Este proceso no debe producirse durante las fases de almacenamiento y transporte, pero s debe producirse lo ms rpidamente posible al aplicar la emulsin y entrar en contacto con el rido.

    En esta fase el agua se debe evaporar.

    Adems es muy importante conseguir una buena adherencia entre el betn y el rido.


    Presentaciones adaptadas al texto del libro temas de qu mica ii para alumnos de itop e iccp

    • Las causas de rotura de una emulsin asfltica pueden ser las siguientes:

    • Evaporacin de agua.

    • Dilucin excesiva (adicin de agua).

    • Congelacin.

    • Adicin de electrolitos (sales conteniendo iones).

    • Afinidad qumica de las micelas de betn por superficies de carga opuesta.


    Presentaciones adaptadas al texto del libro temas de qu mica ii para alumnos de itop e iccp

    Este es el proceso que se produce en contacto con los ridos:

    las emulsiones aninicas (EA), por tener carga negativa, presentan buena afinidad y adherencia con los ridos calizos, que presentan carga positiva superficial.

    En cambio las EC, por tener carga positiva, presentan buena afinidad y adherencia con los ridos silceos, que presentan carga negativa superficial.

    Segn la rapidez de la rotura se clasifican tambin las emulsiones asflticas en las categoras: lenta (L), media (M) y rpida (R).


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    9.3. Ensayos

    a) Ensayo deviscosidad.

    Se realiza con el viscosmetro de Saybolt-Furol, determinando los segundos necesarios para fluir un volumen fijo de la emulsin (normalmente 50 cm3), mantenida a una temperatura fija.

    IMPORTANCIA DE LA QUIMICA DEL ASFALTO EN SUS PROPIEDAES FSICAS

    87


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    b) Ensayo de destilacin.

    Sirve para determinar el contenido de material voltil (agua) y de material no voltil (betn).

    Se realiza con el equipo de destilacin Dean-Stark.

    El contenido mximo de betn de una emulsin es del 74%.

    A mayor contenido de betn mayor viscosidad de la emulsin para una misma temperatura.


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    c) Tamizado. Este ensayo sirve para determinar si ha habido principios de coagulacin de al emulsin. Se realiza haciendo pasar la emulsin por el tamiz n 20. Se determina el porcentaje de masa que no pasa por dicho tamiz, que representa la fraccin de betn coagulado.

    d) Sedimentacin. En este ensayo se determinan las diferencias de contenido de betn entre muestras tomadas a diferentes alturas de un depsito de emulsin. En caso de encontrar diferencias indica principios de sedimentacin.

    e) Demulsibilidad por contacto con una disolucin de electrolito. Este ensayo indica la facilidad de rotura por contacto con el rido. Se realiza mezclando una muestra de emulsin con una cierta cantidad de una disolucin acuosa de cloruro clcico. Despus de mezclar se realiza el ensayo de tamizado, y se determina la masa de betn coagulado.


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