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Obtención de Metales
Obtención de Metales
Obtención de Metales
A los minerales
que se pueden
usar como fuente
de producción
comercial de
metales se les
llama mena.
1. Localización.
2. Extracción del mineral (roca).
3. Trituración o molienda.
4. Concentración de la mena.
5. Reducción química del elemento o fundición.
6. Refinación.
7. Modificación de propiedades.
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1. EXTRACCIÓN DEL MINERAL
La extracción del mineral se realiza en minas a cielo abierto si la capa del mineral
se haya a muy poca profundidad. Si se encuentra a mayor profundidad la
excavación se realiza bajo tierra y se le llama mina subterránea. Se utilizan
explosivos, excavadoras, taladradoras y otras máquinas.
2. TRITURACIÓN O MOLIENDA
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3. CONCENTRACIÓN DE LA MENA
La roca que se extrae del suelo casi siempre contiene uno o varios minerales sin valor
llamados ganga.
a) Métodos físicos
i) Lavado
Consiste en someter a la roca triturada a una corriente turbulenta de agua la cual
separa la ganga del mineral deseado o mena.
ii) Flotación
Es un método muy importante para la concentración de los minerales, se basa en
agitar la mena en un recipiente con un detergente o agente espumante. El mineral
valioso, que es más denso, se adhiere a las burbujas de la espuma y flota con la
misma, quedando la ganga en el recipiente, o bien puede ser atraída a la capa de
espuma y flotar con ella.
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iii) Atracción magnética
iv) Lixiviación
Procedimiento por medio del cual se trata el mineral con un disolvente para separar
los componentes insolubles de los solubles.
b) Métodos químicos
i) Calcinación
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Ejemplo
ii) Tostación
Ejemplos
Δ
2ZnS(s) + 3O2(g) 2ZnO(s) + 2SO2(g)
Δ
2MoS2 (s) + 7O2(g) 2MoO3(s) + 4SO2(g)
Ejemplo
TiC(s) + 4Cl2(g) TiCl4(g) + CCl4(g)
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iii) Formación de escoria
Si la ganga es un óxido ácido como la sílice (SiO2), se usa como fundente un óxido
básico de bajo costo como la cal, CaO. Estos dos óxidos reaccionan en el horno
formando silicato de calcio un compuesto de bajo punto de fusión, la escoria:
iv) Cianuración
Método por medio del cual la mena triturada se coloca en grandes lozas de concreto
y se rocía sobre él una solución de NaCN.
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En metalurgia a todos los procesos industriales de reducción se les llama fundición.
Existen diversos métodos químicos que pueden usarse para reducir un cierto metal
desde su estado de oxidación en la mena hasta el estado elemental. Cuando es
difícil la reducción de un metal se hace necesario usar procesos de reducción
drásticos.
∆
HgS + O2 Hg + SO2
∆
Cu2S + O2 2Cu + SO2
∆
CoO + C Co + CO
∆
CoO + CO Co + CO2
Este método de reducción es adecuado para los metales de la familia del fierro y
para algunos otros como el plomo, el estaño y el zinc. El carbón puede oxidarse a
monóxido de carbono o a dióxido de carbono. En presencia de carbón
(generalmente coque) y a temperaturas elevadas, el gas dominante es el CO y este
gas es un agente reductor efectivo en la mayor parte de los procesos de fusión con
carbón.
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c) Reducción con hidrógeno
El hidrógeno puede ser utilizado para liberar metales de una moderada actividad
química de sus compuestos. Por ejemplo, el estaño y el plomo en su forma de óxidos
pueden ser reducidos calentándolos en presencia de hidrógeno.
∆
SnO + H2 Sn + H2O
∆
PbO + H2 Pb + H2O
∆
WO3 + 3H2 W + 3H2O
A pesar de que el hidrógeno se utiliza a veces para reducir óxidos metálicos, sigue
siendo un agente reductor caro.
Los metales muy activos, tales como los alcalinos y alcalinotérreos se producen
eficientemente por medio de la electrólisis de sus sales fundidas anhidras.
c.e.
2NaCl(l) 2Na(s) + Cl2 (g)
Y
Familia III B
La
Ac
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Nota: Los metales preciosos de los grupos I B y VIII B se producen con bastante
facilidad. El platino, el oro y algunas veces la plata, existen en sus estados
elementales. Sólo tienen que calentarse para fundirse y separarlos de la ganga.
Cu Fe Ru Os
Familia I B
Co Rh Ir
Ag Familia VIII B
Ni Pd Pt
Au
5. REFINACIÓN
a) Destilación
Los metales que tienen puntos de ebullición bajos, como el mercurio, el magnesio y
el zinc, se pueden separar de otros metales mediante destilación fraccionada.
b) Cristalización fraccionada
c) Electrólisis
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Purificación electrolítica del cobre
Tomado de Chang Raymond, Química (1999)
Los metales reactivos del ánodo de cobre, como el hierro y el zinc, se oxidan en el
ánodo y pasan a la disolución en forma de iones Fe 2+ y Zn2+. Sin embargo, no se
reducen en el cátodo. Los metales menos electropositivos como el oro y la plata no
se oxidan en el ánodo. Por último, a medida que se disuelve el ánodo de cobre,
estos metales caen al fondo de la celda. Así, el resultado neto de este proceso
electrolítico es la transferencia del cobre desde el ánodo hacia el cátodo. El cobre
preparado de esta manera tiene una pureza mayor del 99.5%.
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d) Refinación por zonas
En este proceso, una varilla metálica que contiene algunas impurezas se pasa a
través de una espiral eléctrica caliente que funde el metal.
1. FORMACIÓN DE ALEACIONES
Las aleaciones se preparan calentando sus constituyentes hasta formar una masa
fundida homogénea, que se deja enfriar. Las propiedades específicas de las
aleaciones dependen de su composición. En general tienen punto de fusión
menores que los de sus constituyentes, aunque también pueden tenerlos mayores.
Resisten mejor la corrosión y se pueden fresar, moldear, laminar, fraguar o soldar
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más fácilmente que los metales puros. Tienen propiedades de tipo metálico: son
cristalinas, conducen el calor, la electricidad y tienen brillo metálico.
Ejemplos de aleaciones:
2. TEMPLADO
Rápido enfriamiento del acero después de ser calentado a unos 910°C. Su objetivo
es dar al acero mayor dureza y resistencia; a veces, a costa de mayor fragilidad. El
templado se ha explicado, como una distribución de finísimas partículas de
cementita Fe3C, por los planos de cristalización del acero, impidiendo con ello que
se deforme, proporcionándole rigidez y dureza.
1. COBRE
Fue uno de los primeros metales conocidos en la antigüedad por las culturas
primitivas. Es muy probable que la descomposición de rocas causada por las
fogatas diera lugar a la formación de muestras crudas de cobre metálico.
Mezclado con estaño, forma el bronce, aleación resistente y dura con la cual se
fabrican herramientas y armas. Esta aleación fue tan importante que en Europa el
periodo comprendido entre 3000 a 1000 años a.n.e. se denominó la edad de bronce.
El cobre se obtiene a partir de menas de azufre que contienen sulfuro de cobre (I)
(Cu2S) y sulfuro de hierro (II) (FeS), así como una gran proporción de ganga. Por lo
general la ganga está constituida principalmente por óxidos ácidos, tales como SiO 2,
o por un mineral básico como el CaCO3.
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En una fundición moderna, los sulfuros concentrados de cobre y fierro se calientan
en un horno con los gases calientes producidos por la combustión de gas natural o
polvo de coque. Los dos compuestos Cu2S y FeS, forman una mezcla llamada mata.
El calor del horno funde la mata y la ganga. Usando el fundente apropiado, la ganga
forma una escoria que flota hacia la superficie, las principales reacciones son:
∆
2FeS + 3O2 2FeO + 2SO2
El óxido de fierro se combina con dióxido de silicio para formar una escoria.
∆
FeO + SiO2 FeSiO3
Después de extraer la escoria, se pasa más aire a través del sulfuro de cobre
fundido para formar cobre fundido y dióxido de azufre gaseoso.
∆
Cu2S + O2 2Cu + SO2 ↑
Aspectos ambientales
El caso Copperhill
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se sigue llevando a cabo por parte de la principal compañía privada de la región. De
los casi 15 millones de árboles plantados, quizá han sobrevivido la mitad y las
colinas de arcilla roja de la región se están recuperando lentamente.
Hoy en día es poco probable que algún país permitiera un caso similar, por las
consecuencias ambientales causadas por un subproducto químico. Sin embargo,
los efectos acumulativos de acciones y sustancias menos contaminantes pueden
ser igualmente serios. La tala de árboles para combustible está causando un
alarmante aumento en el tamaño de las regiones desérticas de nuestro planeta.
2. FIERRO
El fierro es más activo que el cobre por lo que sus menas no pueden reducirse al
metal con un simple calentamiento. Uno de los avances técnicos más importantes
de la historia fue el descubrimiento de métodos para preparar hierro elemental. La
Edad de Hierro se inició unos 2000 años después de la Edad de Bronce, y tuvieron
que transcurrir otros 3000 años antes de que se desarrollara el fierro colado
industrial, aproximadamente 1000 a.n.e.
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Diagrama esquemático de un alto horno.
En la parte alta del horno se añade por medio de una tolva una mezcla de mena de
fierro triturada, coque y piedra caliza. Desde el fondo del horno se inyecta aire
caliente que pasa a través de la mezcla, la compleja serie de reacciones puede
resumirse como sigue:
1. Cerca del fondo del horno, por donde entra la ráfaga de aire caliente, se efectúa
la combustión del coque para producir dióxido de carbono:
C + O2 Δ CO2
Δ
CO2 + C 2CO
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5. En la parte baja del horno la cal y el óxido de silicio (la sílice) reaccionan
formando la escoria:
Δ
CaO + SiO2 CaSiO3
Por cada tonelada de fierro de alto horno o arrabio que se produce, se requieren 2
toneladas de mena de fierro, 1 tonelada de coque, 0.3 tonelada de piedra caliza y 4
toneladas de aire. Los principales subproductos son 0.6 toneladas de escoria y 5.7
toneladas de gas de chimenea, que está constituido principalmente por nitrógeno y
dióxido de carbono, pero que contiene un 12% de CO y 1% de H2. Estos últimos
gases tienen cierto valor como combustible y proporcionan energía para una gran
variedad de usos: para calentar el aire de entrada, para desplazar las materias
primas hacia el horno e insuflar el aire y como combustible de los hornos en los que
el fierro (arrabio) se transforma en acero. La transformación del arrabio, débil y frágil,
en acero duro y tenaz, es un proceso complejo.
3. ALUMINIO
El aluminio es un metal ligero que se puede fundir y moldear con facilidad para darle
una gran diversidad de formas que van desde vigas estructurales hasta hojas y
papel de aluminio. Es resistente a la corrosión, posee una gran conductividad
calorífica y es buen conductor de la electricidad.
El aluminio ocupa el segundo lugar después del fierro en cuanto a su uso comercial.
La producción mundial de este metal es de alrededor de 15 millones de toneladas
anuales. La bauxita, Al2O3 • xH2O (el valor de x varía en cada mineral presente), es
la mena más útil del aluminio. Las impurezas principales que se encuentran en la
bauxita son SiO2 y Fe2O3. Es fundamental separar la alúmina Al2O3, de estas
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impurezas antes de recuperar el metal por reducción electroquímica. El proceso que
se emplea para purificar la bauxita es el proceso Bayer.
La mayor parte de la bauxita se extrae de minas a cielo abierto, las minas más ricas
están localizadas en países tropicales, donde las lluvias han eliminado por lixiviación
la mayor parte de los minerales solubles. En muchos casos, los dueños de las minas
explotadas no se preocupan por llevar a cabo programas de recuperación del suelo.
Una forma de recuperación del suelo puede ser usándolos primero para terrenos de
pastos.
Celda electrolítica típica para el proceso Hall empleada para reducir aluminio
Tomado de Brown Theodore, Química: la ciencia central (1998)
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ánodo ataca al carbón para formar dióxido de carbono. Las semirreacciones de
electrodo son:
Al estudiar el efecto de los fluoruros sobre la vida vegetal y animal, los químicos de
la industria del aluminio descubrieron un efecto positivo y benéfico del ión fluoruro.
Estos químicos al trabajar con los dentistas determinaron que las personas que
vivían en áreas donde el suministro de agua natural contenía un nivel de ión fluoruro
superior al promedio, tenían menos caries dental de lo normal. Esta investigación
condujo a la formulación de pastas dentales con contenido de fluoruro, así como a
la adición normal de iones fluoruro a muchos sistemas de aguas municipales.
El reciclaje del aluminio implica un ahorro del 91% de la energía que se requiere
para extraer el metal a partir de la bauxita. El reciclado de la mayoría de los envases
de aluminio que se desecha cada año ahorraría 20 000 millones de Kilowatt-hora
de electricidad (1Watt = 1 Joule por segundo); alrededor del 1% de la potencia
eléctrica que se utiliza anualmente en Estados Unidos de Norteamérica.
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Actividad 12
a. Reducción química.
b. Dar las características deseadas
c. Concentración.
d. Trituración o molienda.
e. Refinación.
f. Extracción del mineral.
g. Localización
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6. Indique en las siguientes reacciones el tipo de reducción que se lleva a cabo.
c.e.
a) 2NaCl 2Na + Cl2 _____________________________
b) CoO + C Co + CO _____________________________
∆
c) WO3 + 3H2 W + 3 H2O _____________________________
b) Los metales que tienen puntos de ebullición altos se pueden separar mediante
destilación fraccionada_______________________________________ ( )
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