Procesos químicos industriales

Procesos químicos industriales

Te invitamos a estudiar acerca de la metalurgia, hidrometalurgia y la electrorrefinación del cobre. El recurso contiene ilustraciones.

Procesos químicos industriales

Algunos metales, tales como el oro, la plata y a veces el cobre, se encuentran en la naturaleza como elementos libres; sin embargo, la mayoría de los metales se encuentran como óxidos o bien como sales.

La metalurgia es la ciencia y la tecnología de la extracción de metales de sus fuentes naturales y de su preparación para usos prácticos. En general contempla los siguientes pasos:

• Explotación de yacimientos.

• Concentración de la mena.

• Reducción de la mena para obtener el metal libre.

• Refinación o purificación del metal.

• Mezclado del metal con otros elementos a fin de modificar sus propiedades, caso donde se obtiene una aleación.

Minerales

La corteza terrestre en su mayoría está formada por trozos de rocas de muchos tipos. Las rocas están compuestas por minerales y estos, a su vez, por elementos químicos que se encuentran combinados formando diferentes ejemplares de compuestos. Si analizáramos la composición de la corteza terrestre, veríamos que los elementos más abundantes son el oxígeno y el silicio, a los que les siguen el aluminio y el hierro.

Propiedades físicas de los minerales

La fractura, dureza y la exfoliación son algunas propiedades físicas que se pueden apreciar en cualquier mineral.

Fractura: Es la forma en que se parte un mineral, según una dirección preferencial.

Ejemplo,

Algunos minerales se parten dejando una superficie curva, la fractura de otros deja fibras o astillas y hay otros que se parten en superficies irregulares.

Dureza: Es la resistencia que ofrece una superficie lisa del mineral a ser rayada. Existe una escala de dureza denominada escala de Mohs, formada por diez minerales, ubicados por orden creciente de dureza, desde 1 hasta 10. Estos minerales están dispuestos en la escala de tal forma que cada uno puede rayar solo al anterior y ser rayado por el posterior. Así, el mineral más duro es el diamante y el más blando el talco.

Exfoliación: Es la tendencia que tienen algunos minerales a partirse a lo largo de una o más direcciones cuando son golpeados o comprimidos. El mármol se rompe en muchos fragmentos.

Propiedades químicas de los Minerales

Los minerales pueden identificarse también por sus propiedades químicas, es decir, identificando su composición química. Las experiencias para saber las propiedades químicas de un mineral son en general:

• Probar si el mineral reacciona con ácido clorhídrico.

• Prestar atención si, al calentar el mineral, éste pierde agua.

• Examinar si el mineral se funde al calentarlo y desprende gases.

• Ver si el mineral es soluble en agua.

• Someter el mineral a la acción de la llama y ver si emite luz de algún color.

El valor de los minerales

La geología económica se dedica al estudio de las relaciones entre los minerales de un yacimiento y su aprovechamiento económico.

Es importante distinguir en un yacimiento la mena, que corresponde al material de un depósito mineral suficientemente concentrado para permitir la recuperación económica del metal deseado, y la ganga, que consiste en las impurezas como arena y barro con las que está mezclada la mena.

Una vez extraída la mena del yacimiento, se tritura, se muele y posteriormente se trata para concentrar el mineral y separarlo de la ganga. Posteriormente, de la mena se extrae el metal por un proceso de reducción, que puede ser la pirometalurgia, cuando se usan altas temperaturas o la hidrometalurgia, cuando se utiliza agua en el proceso.

Industria metálica

Pirometalurgia del hierro

La hematita, Fe2O3, y la magnetita, Fe3O4, son dos minerales donde el hierro se encuentra como óxido y es mediante el proceso de la pirometalurgia que se puede obtener este elemento.

La reducción del hierro ocurre en un “alto horno”, que consiste en un reactor químico capaz de trabajar de manera continua.

El alto horno se carga por la parte superior con una mezcla de mena de hierro, coque y piedra caliza. El coque sirve como combustible, es decir, entrega la energía necesaria para producir las altas temperaturas y además aporta los gases reductores CO y H2.

La piedra caliza, CaCO3, sirve como fuente de CaO, que reacciona con los silicatos y otras sustancias para formar la escoria. Otra materia prima importante es el aire, ya que se requiere para la combustión del coque.

Nótese la diferencia de temperatura en las diferentes partes del alto horno.

El proceso químico que ocurre es el siguiente:

1. En el horno el oxígeno reacciona con el coque y se forma monóxido de carbono, liberándose energía calórica.

C(s) + O2(g)  2 CO(g)

2. El vapor de agua reacciona con el carbono, produciendo monóxido de carbono e hidrógeno. Esta reacción es endergónica y además sirve para regular la temperatura en el alto horno.

H2O(g) + C(s)  CO(g) + H2(g)

3. Estos dos gases (CO y H2) son los encargados de reducir los óxidos de hierro (Fe3O4) a hierro metálico.

Fe3O4(s)+ 4 CO(g)  3 Fe(s)+ 4 CO2(g)

Fe3O4(s)+ 4 H2(g)  3 Fe(s) + 4 H2O(g)

El hierro fundido se acumula en la base del alto horno y sobre él queda una capa de escoria que impide que el hierro reaccione con el oxígeno que entra.

La mayor parte del hierro que se obtiene se ocupa en la preparación del acero.

4. La piedra caliza por efecto de la temperatura se descompone en óxido de calcio y anhídrido carbónico, tal como lo expresa la ecuación:

CaCO3  CaO + CO2

El óxido de calcio reacciona con el óxido de silicio, que generalmente se encuentra presente en los minerales de hierro, y se forman silicatos de calcio:

SiO2 + CaO  CaSiO3

El silicato de calcio es fundido debido a las altas temperaturas del horno y, dado que es menos denso que el hierro, flota sobre él. Otros óxidos no metálicos se mezclan con el silicato de calcio y forman la escoria, la que puede ser removida fácilmente.

Hidrometalurgia del cobre

La hidrometalurgia consiste en procesos en solución acuosa mediante los cuales se extrae el metal de una mena.

El proceso hidrometalúrgico más importante es la lixiviación, en el cual el mineral que contiene el metal que se desea extraer se disuelve de un modo selectivo. Si el compuesto es soluble en

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