CAPÍTULO 4 OBTENCIÓN DE METALES CÓMO SE OBTIENEN LOS METALES?

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1 CAPÍTULO 4 OBTENCIÓN DE METALES CÓMO SE OBTIENEN LOS METALES? 4.1 Usos de los metales La historia de la humanidad y el descubrimiento de los metales y su aplicación forman un trinomio indivisible ya que por ejemplo el hierro no es sólo el metal más importante de la naturaleza que nos rodea, sino también es la base de la civilización y de la industria, ya que nos permite construir tanto un arma de guerra como un instrumento de trabajo pacífico. Es difícil encontrar otro elemento que se halle tan ligado con el pasado, presente y futuro de la humanidad. Otro ejemplo es el del aluminio, de símbolo Al, que es el elemento metálico más abundante en la corteza terrestre. Su número atómico es 13 y se encuentra en el grupo 13 o III-A de la tabla periódica. El químico danés Hans Christian Oersted aisló el aluminio por primera vez en 1825, por medio de un proceso químico que utilizaba una amalgama de potasio y cloruro de aluminio. El aluminio es un metal muy electropositivo, es decir cede con mucha facilidad sus electrones externos, razón por la cual es muy reactivo. Cuando el aluminio se encuentra en contacto con el aire, de manera muy rápida se cubre de una capa de óxido la cual lo protege contra la corrosión. Por esta razón, los materiales hechos de aluminio no se oxidan. El aluminio reduce muchos compuestos metálicos a sus metales básicos. Por ejemplo, al calentar una mezcla de óxido de hierro y aluminio en polvo, el aluminio extrae rápidamente el oxígeno del óxido; el calor de la reacción es suficiente para fundir el hierro posee una alta conductibilidad eléctrica y térmica.. El aluminio es resistente a la acción de los ácidos orgánicos y del ácido nítrico, para aumentar su resistencia mecánica y sus cualidades de fundición se fabrican aleaciones con otros metales. Los metales se usan ampliamente con fines estructurales en edificios, coches, ferrocarriles, buques y aviones. También sirven como conductores del calor y la electricidad. En décadas recientes, la investigación médica y nutricional ha proporcionado una visión de importantes funciones biológicas de los metales. Los metales Na, K, Ca y 37

2 CAPÍTULO 4 Mg, así como algunos no metales (C, H, 0, N, P y S), están presentes en el cuerpo humano en cantidades importantes. Otros metales están presentes en menores cantidades, pero son esenciales para el buen funcionamiento de nuestro cuerpo. Las propiedades tanto físicas como químicas de los metales influyen en los tipos de minerales en que se encuentran combinados, y por supuesto son importantes en la selección de los procesos metalúrgicos usados para extraerlos de sus menas. Los metales activos en todos los casos se encuentran en la naturaleza combinados con otros elementos. Los metales menos activos, pueden encontrarse en estado libre como yacimientos. Ejemplos de metales nativos son Cu, Ag, Au, Pt, Os, Ir. En la corteza terrestre las menas contienen minerales relativamente puros, mezclados con cantidades considerables de material de desecho que está formado por arena, tierra, arcilla, roca y otros materiales. Otra forma de encontrar a los metales es en forma disuelta en el mar o en lechos salinos y en áreas en las que se han evaporado grandes masas de agua. 4.2 Obtención de los metales a partir de sus minerales Entendemos por mineral aquella sustancia natural con una composición química característica la cual puede variar dentro de ciertos límites, y un arreglo molecular ordenado cuyo origen es de carácter inorgánico. En general los minerales no se encuentran libres sino en mezclas con otros minerales, a la mezcla natural de minerales se le conoce como roca. En el lenguaje metalúrgico al mineral de donde se va a obtener el metal se le llama Mena y a los otros minerales que se desechan al concentrar el mineral en cuestión se les llama Ganga. La metalurgia es la operación combinada de extracción comercial de metales a partir de sus menas y la preparación y tratamiento de los metales para su posterior uso. De manera genérica la metalurgia implica varias etapas: 1) Extracción del mineral 2) Pretratamiento de la mena 3) Obtención del metal 3.1 Pirometalurgía 3.2 Electrometalurgia 3.3 Hidrometalurgia 4) Refino o purificación del metal y 5) Aleación, si es necesario. 38

3 4.3 Pretratamiento de la mena La concentración del mineral implica pretratamiento de la mena que consiste en separar el mineral de una parte de los materiales de desecho, por lo general arena y minerales silícicos. Los métodos de separación más comunes son: flotación, separación magnética y amalgamación, La flotación es un proceso en el cual el mineral se muele finamente y se vierte en agua que contiene aceite o agente de flotación y detergente; la mezcla sólidolíquido (mineral y agua) se calienta y se le inyecta aire para formar espuma, el aceite moja selectivamente las partículas del mineral y los arrastra hacia la espuma, este proceso es aplicable a sulfuros, carbonatos y silicatos los cuales al tener carácter hidrofobito no se humedecen con el agua o la repelen. Las moléculas del aceite o agente de flotación tienen un extremo no polar que se une a la superficie del mineral y el extremo polar es el que interactúa con el agua por ejemplo. Donde se observa que la molécula tiene un extremo no polar con enlaces covalentes ( CH 2 CH 3 ) y el otro extremo de carácter polar, formado por un enlace iónico S K +. La separación magnética se aplica a materiales ferromagnéticos como es el caso del hierro y el cobalto En ese procedimiento se hace uso de las propiedades magnéticas de ciertos minerales. En particular la magnetita Fe 3 O 4 se puede separar de la ganga usando un electroimán. Otro método de concentración es la formación de amalgamas, sistemas en los cuales el mercurio disuelve una buena cantidad de metales. Este método cada vez menos empleado por su peligrosidad y daño ambiental consiste en que el oro y plata contenidos en una mena, se disuelven en mercurio para formar una amalgama, de la cual los metales preciosos se separan por destilación del mercurio que hierve a 357 C. 39

4 CAPÍTULO Obtención del metal Debido a que los metales, en su forma combinada, tienen siempre número de oxidación positivo, la producción de un metal libre, es siempre una reducción. Para obtener el metal, se cuenta con tres procesos metalúrgicos que son: Pirometalurgia Hidrometalurgia Electrometalurgia a. Pirometalurgia La pirometalurgia implica la utilización del calor primeramente para: Tostación o calcinación que implica convertir el mineral a óxido metálico. Reducción que implica el uso de una sustancia reductora con la cual el óxido metálico reacciona y se convierte en metal y una sustancia gaseosa como CO 2 o SO 2. La obtención de un metal por pirometalurgia se puede representar mediante el siguiente esquema: Figura 4.1 Tostación y calcinación 40

5 La tostación es un tratamiento térmico que conduce a la oxidación o la reducción del mineral (según la actividad del metal) y puede ir acompañada de calcinación. Se aplica principalmente a sulfuros 2 CuS (s) + 3O 2 (g) 2CuO(s) + 2SO 2 (g) pirita NiS(s) + 3O 2 (g) 2NiO(s) + 2SO 2 (g) Millerita HgS(s) + O 2 (g) Cinabrio Hg(v) + SO 2 (g) La calcinación se aplica principalmente a minerales que se descomponen al calentarlos formando un óxido y dejando en libertad un gas, esencialmente se aplica a los carbonatos metálicos, por ejemplo: ZnCO 3 (s) ZnO(s) + CO 2 (g) smithsonita FeCO 3 (s) siderita FeO(s) + CO 2 (g) La tostación de menas de sulfuro produce la contaminación del aire ya que enormes cantidades de SO 2 escapan a la atmósfera, donde producen un gran daño ambiental al producir la llamada lluvia ácida mientras que la calcinación de carbonatos metálicos produce grandes cantidades de bióxido de carbono gas que es el causante del calentamiento global. En la actualidad las normas ambientales exigen una disminución de la cantidad de SO 2 y CO 2 que escapa con los gases de chimenea y de combustibles. Por ello la mayor parte del S0 2 producto de la tostación se almacena y se usa como materia prima en la fabricación de ácido sulfúrico. La etapa de la reducción en la pirometalurgia Los metales menos activos existen en el estado libre y por tanto no requieren reducción. Son ejemplos Au, Ag y Pt. Este es la razón por lo que el oro y plata han sido usados como metales ornamentales desde tiempos prehistóricos. Los óxidos metálicos resultantes de la tostación se reducen a metales libres con coque (carbono) o CO. Si puede emplearse C, es factible utilizar otro agente reductor, como H., Fe o Al. Fe 2 O 3 (s) + 3CO(g) 2Fe(l) + 3CO 2 (g) 41

6 CAPÍTULO 4 SnO 2 (g) + 2C(s) Sn(l) + 2CO(g) WO(s) + H 2 (g) W(s) + H 2 O(v) b. Hidrometalurgia La hidrometalurgia es la rama de la metalurgia que comprende la extracción y recuperación de metales usando soluciones acuosas. Se basa en la concentración de soluciones de uno a varios metales, presentes como iones, que por reacciones acuosas y diferencias físicas de las soluciones son separados y aislados de forma especifica, como resultado se obtiene una solución rica en el ion de interés y con características propicias para la siguiente etapa en su producción. El origen de la hidrometalurgia fue en la obtención de uranio y actualmente se utiliza para obtener metales como cobre, níquel y vanadio. Los procesos hidrometalúrgicos normalmente operan a temperaturas bajas (en el rango de 25ºC a 250ºC). El punto fuerte de la hidrometalurgia radica en la gran variedad de técnicas y combinaciones que pueden ser usadas para separar metales una vez que han sido disueltos a la forma de iones en solución acuosa. De manera general se puede decir que existen cuatro etapas en el desarrollo de los procesos hidrometalúrgicos: Disolución del componente deseado presente en la fase sólida. Concentración y purificación de la solución obtenida. Precipitación del metal deseado. Refinación del metal. Los agentes lixiviantes deben ser baratos, recuperables con facilidad, selectivos para disolver únicamente determinados compuestos. Por ejemplo, el cobre se puede obtener por pirometalurgia a partir de calcopirita CuFeS 2 los subproductos que se obtienen y se desechan causan grandes daños ambientales como puede observarse en la siguiente ecuación: 4CuFeS 2 (s) + 13 O 2 (g) 4CuO(s) + 2Fe 2 O 3 (s) + 8SO 2 (g) 42

7 En la actualidad de manera alternativa se emplea el método hidrometalúrgico que implica realizar la oxidación del mineral en medio acuoso, después de que ha sido concentrada por flotación. El mineral finamente dividido se suspende en una solución acuosa de ácido sulfúrico en presencia de oxígeno, donde tiene lugar la oxidación de la calcopirita, según la siguiente ecuación: 2CuFeS 2 (s) + 2H + (ac) + 4O 2 (g) 2Cu 2+( ac) + Fe 2 O 3 (s) +4S(s) + H 2 O(l ) La solución resultante se sujeta a una electrólisis para obtener cobre metálico, la solución remanente es ácido sulfúrico el cual se vuelve a reciclar al sistema. Es evidente que el proceso hidrometalúrgico de obtención de cobre es desde el punto de vista ambiental muy superior ya que los subproductos de la reacción azufre y óxido de hierro (III) pueden ser recuperados y comercializados evitando emitir a la atmósfera bióxido de azufre SO 2 (g) y Fe 2 O 3 en forma de escoria. c. Electrometalurgia. La electrometalurgia es el proceso empleado para obtener un metal a partir de cualquiera de sus compuestos o bien la purificación de una forma impura del metal. Dentro de los procesos electrometalúrgicos podemos mencionar la reducción electrolítica, la cual es aplicable a metales muy electropositivos como el sodio, magnesio y aluminio. El proceso electrolítico por lo general se lleva a cabo con el óxido o haluro de un metal fundido, obteniéndose en el cátodo el metal y se desprende en el ánodo oxígeno o cloro dependiendo del compuesto empleado, las reacciones químicas se pueden ver a continuación. 2 MO p 2 M (cátodo) + po 2 (ánodo) 2 MCl n 2 M (cátodo) + ncl 2 (ánodo) Otro proceso electrometalúrgico es la electrolisis, que puede utilizarse para la purificación de un metal como en el caso del cobre impuro obtenido del proceso pirometalúrgico que contiene Fe, Zn, Ag y Au. El ánodo (+) de la celda electrolítica es una plancha de metal impuro y el cátodo ( ) es una delgada lámina de cobre refinado. Al circular la corriente los átomos de cobre del ánodo se oxidan y pasan a la solución como iones Cu 2+ los cuales viajan al cátodo, donde al reducirse se depositan como cobre metálico puro en la lamina delgada, la cual va incrementado su grosor a medida que el proceso electrolítico se lleva a cabo. 43

8 CAPÍTULO 4 El hierro y el zinc, al igual que los otros metales más reactivos, se oxidan en el ánodo de cobre y pasan a la disolución pero no se reducen en el cátodo. Los menos electropositivos, como el oro y la plata, no se oxidan en el ánodo y caen al fondo. El cobre que se deposita en el cátodo llega a una pureza de 99.99%. 4.5 Refinamiento de metales Los metales obtenidos en procesos de reducción pirometalúrgica siempre son impuros, por lo cual se requiere de una purificación posterior. El procedimiento de purificación más común es la electrólisis que consiste en el paso de corriente eléctrica a través de soluciones acuosas que contienen el metal como ion. Entre los metales purificados electrolíticamente están Cu, Ag, Au y Al. El proceso en general consiste en que el metal impuro es el ánodo, y una pequeña muestra del metal puro es el cátodo ambos se sumergen en una disolución del ion metálico del metal a obtener. La purificación del metal por zonas se usa a menudo cuando se desean metales extremadamente puros para aplicaciones como las celdas solares o materiales semiconductores, Este proceso de refinamiento consiste de una fuente de calor que rodea una barra del metal sólido impuro que se mueve lentamente de un extremo a otro. Conforme la fuente calorífica pasa, funde porciones de la barra, que lentamente precristalizan conforme el elemento calefactor avanza. Las impurezas no se fijan en la red cristalina, así que la mayor parte de impurezas se mueven hacia uno de los extremos por lo que el paso repetido del elemento calefactor produce una barra de alta pureza. 4.6 Formación de aleaciones Después del refino, muchos metales se alean, o mezclan con otros elementos, para cambiar sus propiedades físicas y químicas. En algunos casos se dejan ciertas impurezas durante el refino porque su presencia mejora las propiedades del metal. Por ejemplo, una pequeña cantidad de carbono en el hierro refuerza grandemente su dureza. Son ejemplos de aleaciones el latón, el bronce, el duraluminio y el acero inoxidable. 44

9 CUESTIONARIO DE AUTOEVALUACIÓN 5 1. A la parte de la roca que contiene el metal deseado se le conoce como: a) mena b) ganga c) compuesto d) elemento e) mezcla 2. Un elemento químico o un compuesto que existe naturalmente y que se ha formado como producto de procesos inorgánicos es: a) un sedimento b) un silicato c) una roca d) un mineral e) una mezcla 3. Completar la información La metalurgia es una operación combinada de (A) comercial a partir de su (B) y la preparación posterior para su uso. a) (A) Extracción (B) Venta b) (A) Extracción (B) Mena c) (A) Venta (B) Mina d) (A) Descubrimiento (B) Metalurgia e) (A) Venta (B) Hallazgo 4. Indicar el orden correcto de las etapas que implica la metalurgia: A) Purificación B) Aleación C) Extracción de la mena D) Obtención del metal E) Pretratamiento del mineral a) C, E, D, A, B b) E, A, C, D, B c) B, A, C, D, E d) C, A, B, E, D e) D, A, B, C, E 5. La pirometalurgia consiste en la obtención del metal mediante: a) Electricidad b) Reacciones en fase heterogénea c) Calor d) Reacciones del metal con gases 45

10 CAPÍTULO 4 e) Reacciones en fase acuosa 6. De las siguientes reacciones cuál es de tostación? a) 2 Na + 2 H 2 O 2NaOH + H 2 b) CuO + CO Cu + CO 2 c) 2 Zn S + 3 O 2 2 ZnO + 2 SO 2 d) Zn O + H 2 Zn + H 2 O e) Fe O + CO Fe + CO 2 7. En un proceso metalúrgico: a) El metal permanece fundido b) Un mineral se purifica c) El oxígeno del aire convierte en óxido al metal d) Se obtiene el metal a partir de un mineral e) En todos los casos se hacen aleaciones 8. En pirometalurgia la reacción de reducción se utiliza para: a) Disminuir la temperatura b) Formar el óxido del metal c) Obtener el metal d) Disminuir las impurezas de la mena e) Formar aleaciones muy blandas 9. El refino o refinamiento de un metal es: a) Cuando se le deja brillante b) Cuando se combina con el azufre c) Cuando se purifica d) Cuando se funde en ausencia de oxígeno e) Cuando alcanza el precio más alto 10. Organizar las etapas que se utilizan en la hidrometalurgia. A) Precipitación del metal deseado B) Refinación del metal. C) Concentración y purificación de la solución D) Disolución del componente deseado presente en la fase sólida. a) B,A;D;C b) D,C,A,B 46

11 c) A,B,C,D d) C,A,D,B e) D,C,B,A 11. Cuándo se dice que un metal se obtuvo electrolíticamente? a) Cuando se le hace pasar corriente eléctrica b) Cuando utilizando corriente directa se separa el metal de una solución c) Cuando al utilizar corriente eléctrica se descompone el agua d) Cuando el metal no conduce bien la corriente eléctrica e) Cuando la corriente eléctrica descompone la mena. 12. La reducción electrolítica es un proceso electrometalúrgico que consiste en: a) Tratar el mineral con ácido sulfúrico para disolverlo. b) Burbujear un agente reductor como CO en la mena disuelta c) Obtener el metal por la electrolisis de una sal fundida d) Precipitar el metal al disolver la mena en agua e) Pasar corriente eléctrica a una solución acuosa de la mena 13. La purificación de metales por zonas se emplea para: a) Distinguir el tipo de metal b) Para obtener los metales de soluciones acuosas c) Para eliminar aire atrapado en el metal impuro d) Para separar el metal de la mena e) Para obtener metales muy puros 14. Una aleación metálica es: a) Un metal extrapuro b) El óxido del metal separado con electricidad c) Una mezcla homogénea entre dos o más metales d) Un elemento bimetálico formado por cobre y hierro e) El metal antes de ser purificado 15. De los siguientes materiales cuál no es una aleación? a) Acero inoxidable b) Duraluminio c) Bronce d) Zinc e) Latón 47