Dpto. Química Física y Química Inorgánica

Tema 1. Tema 1. Fundamentos de metalurgia Fundamentos de metalurgia

extractivaextractiva

Química Aplicada a la Ingeniería Grado en Ingeniería de las Tecnologías

Industriales

ContenidosContenidos• Propiedades generales de los metales

• Enlace metálico

• Estado natural

• Procesos de enriquecimiento de minerales. Metalurgia

• Pirometalurgia

• El diagrama de Ellingham

• Metales que se obtienen por pirometalurgia

• El alto horno para la obtención de hierro

• Hidrometalurgia

• Lixiviación

• Recuperación del metal

• Metales que se obtienen por hidrometalurgia

• Electrolisis

• Metales que se obtienen por electrolisis

• Método Hall-Hèroult de obtención del aluminio

• Purificación del metal

Los metalesLos metales

http://www.dayah.com/periodic/

Importancia y PropiedadesImportancia y Propiedades• Las 3/4 partes de elementos del sistema periódico son metales

• Fundamentales en el desarrollo de la humanidad

• Propiedades macroscópicas

• Son sólidos, excepto el Hg y el Ga

• Excelentes conductores del calor y la electricidad en estado sólido

• Alta resistencia mecánica

• Dúctiles y Maleables

• Facilidad para formar aleaciones

• Propiedades atómicas

• Número de electrones de valencia inferior al de orbitales de valencia.

• Energías de ionización pequeñas

• Baja electronegatividad

El enlace metálico El enlace metálico

• Las teorías que se propongan deben explicar:

• el enlace entre un gran número de átomos idénticos en un

metal puro y el enlace entre átomos de metales diferentes en

una aleación

• la gran movilidad de los electrones

• la mayoría de las propiedades de los metales permanecen

incluso cuando el metal está en estado líquido

• Altos números de coordinación

• Enlaces no direccionales

Teoria de Drude: Mar de electronesTeoria de Drude: Mar de electrones

• Conductividad: electrones “libres”• Altos NC: no direccional

Teoría de Drude o del mar de Teoría de Drude o del mar de electrones electrones

Explica la conductividad eléctrica y térmica, la ductilidad y maleabilidad, la formación de aleaciones, los puntos de fusión y las densidades.

Teoria de bandasTeoria de bandas

Basada en la Teoria de Orbitales MolecularesSolapamiento de orbitales atómicos

Formación de orbitales moleculares

Teoría de bandasTeoría de bandas• Formación de bandas.

Teoria de bandasTeoria de bandas• Formación de bandas que explican la conductividad.

Teoria de bandasTeoria de bandas• En los metales, las bandas estan muy juntas o incluso solapan

• Conductividad.

Estructuras de bandas en los Estructuras de bandas en los metales (conductores)metales (conductores)

E E3s3s

3p

2p

2s

1s

2p

2s

1s

NaMg

3p

Estructuras

• Estructuras cristalinas (ordenadas, periodicas)• compactas (máximo empaquetamiento)

• Cubico compacto• Hexagonal compacto

Empaquetamientos compactos

ABAB:hcp

ABCABC:ccp

http://www.hull.ac.uk/php/chsajb/general/closepacked.html

Empaquetamiento hexagonal compacto

• Capas A-B-A-B-A…….

Empaquetamiento cubico compacto

• Empaquetamiento A-B-C

• Azul: capa A

• Dorado: capa B

• Verde: capa C

Estructuras Estructuras

Casi todos estructuras compactas (cubica compacta (fcc) o hexagonal compaca (hc)o muy compactas (cubica centrada en el cuerpo (bcc)

PolimorfismoPolimorfismo

Polimorfismo: un elemento presenta diferentes estructuras dependiendo de las condiciones de P y T

-Fe bcc, estable hasta 906ºC-Fe fcc, estable hasta 1401ºC-Fe bcc,estable hasta el punto de fusión a 1530ºC -Fe hcp, altas presiones

Reactividad de los elementos Reactividad de los elementos metálicosmetálicos

La reactividad de los metales está en relación con la facilidad con la que se oxidan. La tabla de potenciales predice ésta.

Potenciales normales de reducción a 25ºC

Se oxidan fácilmente(Eox>0)

No se oxidan fácilmente(Eox<0)

Espontaneidad de las reaccionesEspontaneidad de las reacciones• La lista de potenciales indica potenciales de reducción (por convenio).

• Para que una reacción sea espontánea E>0• Debe haber dos semirreacciones redox:

• Una de oxidación y otra de reducción: Ecelda = Eº1-Eº2 >0

Ej: Zn2+ +2e- → Znº Eº=-0.13V

2H+ +2e- →2H2 Eº= 0.00V

Como E debe ser >0

Znº → Zn2+ +2e- Eº= 0.76V

2H+ +2e- →2H2 Eº= 0.00V

Znº + 2H+ → Zn2+ + 2H2 +2e- Eº= 0.76V

Zinc se oxida en medio ácido

EjerciciosEjercicios• Teniendo en cuenta los potenciales normales, ¿usaría Zn para

fabricar las tuberías en una planta de ácido sulfúrico?

• De acuerdo a lo que acabamos de ver el Zn se disuelve en ácidos y no se podría usar

Ej: Zn2+ +2e- → Znº Eº=-0.76V

2H+ +2e- →2H2 Eº= 0.00V

Como E debe ser >0

Znº → Zn2+ +2e- Eº= 0.76V

2H+ +2e- →2H2 Eº= 0.00V

Znº + 2H+ → Zn2+ + 2H2 +2e- Eº= 0.76V

EjerciciosEjercicios• Teniendo en cuenta los potenciales normales, ¿usaría Pb para

fabricar tuberías de agua?

Según la tabla de potenciales nomales:

Pb2+ +2e- → Pbº Eº=-0.13V

2H+ +2e- →2H2 Eº= 0.00V

Como E debe ser >0

Pbº → Pb2+ +2e- Eº= 0.13V

2H+ +2e- →2H2 Eº= 0.00V

Pbº + 2H+ → Pb2+ + 2H2 +2e- Eº= 0.13V

Pb se disuelve solo ligeramente. Pero si el pH del agua disminuye, la oxidación puede ser más importante y dar problemas de salud

EjerciciosEjercicios• Utilizando los potenciales normales, explicar por qué el Au existe como metal libre en la naturaleza

Según la tabla de potenciales nomales:

Au3+ +3e- → Auº Eº=+1.49V

O2+ 4H+ +4e- →2H2O Eº= 1.23V

Como E debe ser >0

Auº → Au3+ +3e- Eº=-1.49x4= -5. 92V

O2+ 4H+ +4e- →2H2O Eº= 1.23 x3= +3.69 V

4Auº + 3O2+ 12H+ → 4Au3+ +6H2O Eº= -2.23V

Au no se disuelve en presencia de oxígeno (metal noble) y por eso existe nativo en la naturaleza

Estado natural de los elementos metálicosEstado natural de los elementos metálicos

Clasificación de los minerales según sus compuestos Clasificación de los minerales según sus compuestos químicosquímicos

• Elementos nativos: son los que se encuentran en la naturaleza en estado libre, sin combinar o formar compuestos químicos.

• Ejemplos: oro, plata, azufre, diamante.• Sulfuros: compuestos de diversos metales combinados con el azufre(-2).

• Ejemplos: pirita, galena, blenda, cinabrio.• Sulfatos: sales o ésteres del ácido sulfúrico.

• Ejemplos: yeso, anhidrita, barita.• Óxidos: producto de la combinación del oxígeno con un elemento.

• Ejemplos: oligisto, corindón, casiterita, bauxita.• Haluros: compuestos de un halógeno (F, Cl, I o Br) con otro elemento,

• Ejemplos: sal común, halita.• Carbonatos: sales derivadas de la combinación del ácido carbónico y un metal.

• Ejemplos: calcita, azurita, marmol, malaquita.• Nitratos: sales derivadas del ácido nítrico.

• Ejemplos: nitrato sódico (o de Chile), salitre o nitrato potásico.• Boratos: constituidos por sales minerales o ésteres del ácido bórico.

• Ejemplos: borax, rasorita.• Fosfatos, arseniatos y vanadatos: sales o ésteres del ácido fosfórico, arsénico y

vanadio.• Ejemplos: apatita, turquesa, piromorfita.

• Cromatos, volframatos y molibdatos: compuestos de cromo, molibeno o wolframio. • Ejemplos: wolframita, crocoita.

• Silicatos: sales de ácido silícico, los compuestos fundamentales de la litosfera, formando el 95% de la corteza terrestre.

• Ejemplos: sílice, feldespato, mica, cuarzo, piroxeno, talco, arcilla.• Minerales radioactivos:

• compuestos de elementos emisores de radiación. Ejemplos: uraninita, torianita, torita

Estado natural de los elementos metálicosEstado natural de los elementos metálicos

Menas : compuestos bastante puros del

metal y adecuados para realizar la

extracción del metal

Ganga: cantidades elevadas de arena,

arcilla y otros materiales que acompañan

a la mena.

Extracción de elementos metálicosExtracción de elementos metálicos

• Etapas en el proceso de obtención de un metal :

• a) concentración del mineral

• b) reducción del metal

• c) purificación del metal.

Concentración de minerales. Métodos Concentración de minerales. Métodos físicosfísicos

• Operaciones físicas: • triturado, molido, filtrado (a presión o al vacío), centrifugado, lavado,

decantado, flotación, disolución, destilación, secado, precipitación física, etc.

• Lavado• se basa en la mayor densidad de las partículas de la mena frente a las de la

ganga, que son arrastradas mediante un lavado turbulento con chorros de agua

• Flotación.• se basa en la formación de espumas que se adhieren de forma muy

diferente a las distintas partículas de minerales

Flotación

Concentración de minerales. Métodos Concentración de minerales. Métodos físicosfísicos

Separación electrostática/magnética

• Separación electrostática • se basa en las propiedades conductoras de muchas menas metálicas, que

pueden ser cargadas y atraídas por placas con signo contrario

• Separación magnética • se basa en las propiedades magnéticas de algunas menas

Concentración de minerales. Concentración de minerales. Tratamientos químicos previosTratamientos químicos previos

• El objetivo es transformar la mena en otros compuestos más

convenientes para su reducción.

• Calcinación

• Menas constituidas por hidratos, hidróxidos o carbonatos metálicos

• Calentamiento, sin llegar a fusión, con lo que se desprenden compuestos

volátiles, obteniéndose el correspondiente óxido metálico.

2 Al(OH)3 Al2O3 + 3H2O

ZnCO3 ZnO + CO2

• Tostación

• Menas metálicas formadas por sulfuros

• Calentamiento en corriente de aire, obteniéndose el óxido metálico y

SO2.

2 ZnS + 3 O2 2 ZnO + 2 SO2

HgS + O2 Hg + SO2

Reducción del óxido metálicoReducción del óxido metálico

• 3 métodos para llevar a cabo la etapa de reducción:

• Reducción pirometalúrgica (pirometalurgia): fundición de

metales a altas temperaturas

• Reducción hidrometalúrgica (hidrometalurgia): solubilización

de metales en soluciones acuosas.

• Reducción electroquímica (electrometalurgia): Aplicación de

energía eléctrica a soluciones acuosas para obtener metales puros.

• Método general de obtención de metales Reducción de óxidos

• MO2 (s) M(s) + O2(g) ΔGo /mol O2

• 2 MO (s) 2 M(s) + O2 (g) ΔGo /mol O2

• La reacción debe tener un ΔGo negativo

• ¡OJO! Se considera la variación de energía libre, ΔGo, correspondiente a la transformación de un mol de oxígeno

• .

Variación de la energía libre de formación del óxido Posibilidad de reducción de los óxidos metálicos mediante otro elemento o compuesto

• Representaciones de ΔGo en función de T (ΔGo = ΔHo - T ΔSo ) Diagramas de Ellingham.

PirometalurgiaPirometalurgia

Diagrama de EllinghamDiagrama de Ellingham

Representación de G de cada una de las reacciones frente a la temperatura para una determinada reacción (frente a 1 mol de oxígeno)

• M+O2 → M2O o bien

• 2M +O2 →MO)

. G = H - TS

H es la ordenada en el origen

S es la pendiente de una línea

S = Sprod - Sreac

Ag+ O2→Ag2O

Permite predecir la posibilidad de reducción de los óxidos metálicos mediante otro elemento o compuesto

Reducción de óxidos con otro elementoReducción de óxidos con otro elemento

• Se restan dos reacciones de formación de óxidos

G = Gx - Gy

• Cuando la diferencia de ΔGo sea negativa Reducción espontánea del óxido por otro elemento

• Un elemento reduce al óxido de otro si su recta queda por debajo de la del oxido que queremos reducir

• Proceso en el que el reductor es carbono carbotermia

• Proceso en el que el reductor es aluminio Aluminotermia

Y + 2XO = 2X + YO2G = Gprod - Greac

X reduce a YO2Y reduce a XO

Reducción pirometalúrgica. Reducción pirometalúrgica. • Pirometalurgia es la reducción de las menas calentándolas

con un agente reductor tal como el carbono (carbotermias).

• En la reducción de un óxido metálico con carbono, una de las reacciones

(a) C(s) + ½ O2 (g) CO(g) G (C, CO)

(b) ½C(s) + ½O2 (g) ½ CO2 (g) G (C, CO2)

(c) CO(g) + ½ O2 (g) CO2 (g) G(CO, CO2)

debe tener una energía libre normal más negativa que una reacción de la forma

(d) xM(s o l) + ½ O2 (g) MxO(s) G (M, MxO) en las mismas condiciones de reacción.

Diagrama de Ellingham; Diagrama de Ellingham; carbotermiacarbotermia

Representación de G de cada una de las reacciones frente a la temperatura.

G = H - TS

H es la ordenada en el

origen

S es la pendiente de una

línea para una determinada

reacción

S = Sprod - Sreac

Diagrama de Ellingham Diagrama de Ellingham (cont.)(cont.)..Existirán unas condiciones en las que

una de las tres reacciones tendrá una energía libre normal negativa y será espontánea :

(a-d) MxO(s) + C(s) xM(s o l) + CO(g)G =G (C, CO) - G (M,MxO)

(b-d) MxO(s) + ½C(s) xM(s o l) + ½CO2(g)

G = G (C, CO2) - G (M,MxO)

(c-d) MxO(s) + CO(g) xM(s o l) + CO2 (g)

G =G (CO, CO2) -G (M,MxO)

MxO (s) + C (s) → xM (sólido o líquido) + CO(g)ΔG0 (C, CO) - ΔG0 (M, MxO) <0 Reacción espontánea

Proceso siderúrgicoProceso siderúrgicoReducción de óxidos de Reducción de óxidos de hierro con carbón de coque en los altos hierro con carbón de coque en los altos

hornos.hornos.

Boudouard)

Obtención de hierro. Horno altoObtención de hierro. Horno alto

coque + aire calor + gas reductor (CO)

minerales + gas reductor + calor hierro (arrabio) + gases de salida

ganga + fundente + calor escorias (silicatos)

La reacción global al final del proceso es la siguiente:

Fe2O3(s) + 3 CO(s) 3 CO2(g) + 2 Fe(s)

Materias primas: mineral de hierro, chatarra, coque y carbonato cálcico

• Composición de la carga:• - El mineral de hierro: magnetita, limonita, siderita o hematite.

• - Combustible: generalmente es carbón de coque (obtenido por destilación del carbón de hulla y tiene alto poder calorifico.

• El carbón de coque, además de actuar como combustible provoca la reducción del mineral de hierro

• El coque, se mezcla con el mineral, con cuyo oxigeno se combina, transformandose, primero en monóxido de carbono (CO) y luego en dióxido carbónico (CO2).

• - Fundente: Puede ser piedra caliza o arcilla. El fundente se combina químicamente con la ganga para formar escoria, que queda flotando sobre el hierro liquido, por lo que se puede separar. Además ayuda a disminuir el punto de fusión de la mezcla.

• El producto final del alto horno se llama arrabio, también llamado hierro colado o hierro de primera fusión

• A partir de la primera fusión, se obtienen todos los productos ferrosos restantes: otras fundiciones, hierro dulce, acero...

Procesos en un alto hornoProcesos en un alto horno

Alto hornoAlto horno

• Un alto horno es un horno especial en el que tienen lugar la fusión de los minerales de hierro y la transformación química en un metal rico en hierro llamado arrabio.

• Esta constituido por dos troncos en forma de cono unidos por sus bases mayores. Mide de 20 a 30 metros de alto y de 4 a 9 metros de diámetro; su capacidad de producción puede variar entre 500 y 1500 toneladas diarias.

Partes de un alto horno y procesos que Partes de un alto horno y procesos que ocurren en cada parte ocurren en cada parte

• Cuba:• Tiene forma troncoconica y constituye la parte superior del alto horno;

por la zona mas estrecha y alta de la cuba (llamada tragante) se introduce la carga.

• etalaje: • Esta separada de la cuba por la zona mas ancha de esta ultimaparte,

llamada vientre. • El volumen del etalaje es mucho menor que el de la cuba. • La temperatura de la carga es muy alta (1500 oC) y es aqui donde el

mineral de hierro comienza a transformarse en hierro.• La parte final del etalaje es mas estrecha.

• · Crisol: • Bajo el etalaje se encuentra el crisol, donde se va depositando el metal

liquido. Por un agujero, llallamado bigotera o piquera de escoria se extrae la escoria, que se aprovecha para hacer cementos y fertilizantes.

• Por un orificio practicado en la parte baja del mismo, denominada piquera de arrabio sale el hierro liquido, llamado arrabio, el cual se conduce hasta unos depositos llamados cucharas.

Diagrama de Ellingham Diagrama de Ellingham (cont.)(cont.)..

• La producción de todos los metales del diagrama, incluso el Mg y el Ca, se puede realizar por pirometalurgia. Pero hay limitaciones prácticas (1500ºC).

• En la práctica, la extracción pirometalúrgica de los metales queda confinada, principalmente, al Fe, Co, Ni, Zn.

• También existen diagramas de Ellingham para sulfuros y haluros.

EjercicioEjercicio

• ¿Es posible reducir TiO2 con

Carbono como reductor?

• Según el Diagrama De Ellingham, para reducir el

TiO2 con C,

• T debería ser mayor de 1500ºC

• No se obtiene puro porque a T tan altas el Ti obtenido

reaccionaría con el aire volviendose a formar TiO2.

• Para obtener Ti hay que usar otros métodos:

Proceso Kroll

• A) obtencion de TiCl4

• T = 800ºCTiO2(s) + 2C(s) + 2Cl2(g) →

TiCl4(g) + 2CO(g)

• B) reduccion con Mg

• T = 1000ºC TiCl4(g) + 2Mg(l) →Ti(s) +

2MgCl2(l)

EjercicioEjercicio

• ¿Es posible reducir TiO2 con

Carbono como reductor?

MetalotermiasMetalotermias• Se puede utilizar el diagrama de Ellingham para

explorar si se puede utilizar un metal M' para

reducir el óxido de otro metal M. En este caso, se

observa en el diagrama si a una temperatura

determinada la línea del óxido de M' se encuentra

por debajo de la línea del óxido de M, pues M'

ocupa ahora el lugar del carbono.

• Si ΔG = ΔG (M', óxido) - ΔG (M, MxO) < 0

MO(s) + M'(s o l) → M(s o l) + M'O(s) es viable.

• Por ejemplo, se puede utilizar el magnesio para

reducir el SiO2 a temperaturas inferiores a 2200

ºC. Esta reacción se emplea para producir

grandes cantidades de silicio de baja pureza.

• Los reductores más potentes son aluminio,

magnesio y calcio.

EjercicioEjercicio• Utilizando el diagrama de

Ellinghan establezca si es posible usar Al para reducir MgO.

• Resp. Si, por encima de 1750 ºC, donde la curva del Al corta a la curva del MgO

MetalotermiasMetalotermias• Reacción de la termita: Se pueden usar piezas de desecho

de aluminio para reducir óxidos metálicos:

• Fe2O3 + 2Al = Al2O3 + 2Fe + 185 000 cal.

• Durante la combustión se desarrolla una temperatura

de 3 000 °C.

• Esta reacción desprende una gran cantidad de calor y

tiene aplicaciones tanto para obtener el metal como en

soldadura.

Soldadura con termita

HidrometalurgiaHidrometalurgia

• La hidrometalurgia es el proceso en cual se obtiene el mineral puro de interés con base en reacciones químicas en solución acuosa. Este proceso se realiza para minerales que son solubles, que en general corresponden a minerales oxidados.

• La hidrometalurgia consta de dos etapas distintas:• Lixiviación, en la cual el mineral que contiene el metal que se desea

extraer se disuelve de un modo selectivo. Si el compuesto es soluble en agua, entonces el agua resulta ser un buen agente para la lixiviación, pero, en general, para la lixiviación se utiliza una solución acuosa de un ácido, una base o una sal.

• Ej: Para la extracción de cobre oxidado se utiliza ácido sulfúrico, que diluye todos los metales que contiene el mineral, incluyendo el cobre.

• Recuperación selectiva de ese metal de la disolución. La solución lixiviada puede ser tratada directamente para precipitar el metal que interesa, o puede ser purificada y concentrada antes de precipitar dicho metal.

Agentes lixiviantesAgentes lixiviantes• Se clasifican en:

• Acidos: (ácido sulfúrico, ácido clorhídrico, ácido nítrico…)

• Bases: (hidróxido de amonio, de sodio, etc…)

• Agentes complejantes (amoniaco, sales de amonio, cianuros, carbonatos, etc.)

Reducción hidrometalúrgicaReducción hidrometalúrgica• Ventajas frente a la pirometalurgia:

• menor consumo de energía,• manejo más fácil de los materiales

• reducción de contaminación por emisiones de SO2, si bien los líquidos y sólidos de desecho que proporciona pueden acarrear serios problemas.

Obtención del ZnObtención del Zn• Los minerales se trituran y se someten a un proceso de

flotación para obtener el concentrado de mena y tostación

2 ZnS(l) + 3 O2(g)→ ZnO(l) + 2 SO2(g)

• La reducción del óxido depende del grado de pureza• Si el mineral tienen mucho contenido en Fe: obtencion por via seca:

reducción con carbono

2 ZnO(s) +C(s) → Zn(l) + CO(g)

• Si no hay mucho Fe, por via húmeda• el óxido que se lixivia con ácido sulfúrico diluido; El sulfato de cinc se

somete posteriormente a electrólisis con ánodo de plomo y cátodo de aluminio sobre el cual se deposita el cinc formando placas de algunos milímetros de espesor que se retiran cada cierto tiempo. Los cátodos obtenidos se funden y se cuela el metal para su comercialización.

Mezcla de óxidos de Zn, Pb, Cu, Fe

Lixiviación con H2SO4

Zn2+, Fe3+, Cu2+ en disolución.PbSO4 como precipitado

Filtración

Precipitación del Fe3+ con (NH4)2SO4 en medio básico

Zn2+, Cu2+ en disolución.Precipitado de jarosita (NH4)2Fe6(OH)12(SO4)4

Filtración

Cementación del Cu2+ por reducción con Zn

Zn2+ en disoluciónPrecipitado de Cu

Filtración

Electrolisis

Cátodo: Zn2+(ac) + 2 e- Zn (s)

Ánodo: H2O 2 H+ (ac) + 1/2 O2 (g) + 2 e-

Global: Zn2+(ac) + H2O Zn (s) + 2 H+ (ac) + 1/2 O2 (g)

HIDROMETALURGIA DEL ZINC

Obtención del CuObtención del Cu• Se obtiene a partir de los sulfuros de cobre

• principalmente, de la calcopirita.•

Existen dos métodos de obtención del cobre:

• Por vía seca.• Cuando el contenido de cobre

supera el 10 %. En caso contrario, será necesario un enriquecimiento o concentración.

• Se tritura y mueve el mineral hasta reducirlo a polvo y luego, por flotación, se separa el cobre de la ganga. El mineral pasa por un horno donde los óxidos del hierro se combinan con sílice y forman la escoria, mientras se produce la “mata blanca” ( sulfuro de cobre). La mata se somete a un proceso de reducción. El cobre aquí obtenido tiene una pureza aproximada del 40 % yrecibe el nombre de cobre bruto o cobre blíster. Si se quiere obtener un cobre depureza superior al 99,9 % (9), es necesario un refinado electrolítico en la cuba

• Vía humeda:• Cuando el contenido de cobre en el mineral es reducido. Consiste en

triturar el mineral y añadirle H2SO4 y aplicar a la mezcla el proceso de electrolísis ( aplicar una corriente continua añadiendo dos electrodos).

Hidrometalurgia del CuHidrometalurgia del Cu• Una vez que tras la lixiviación todos los metales se encuentran disueltos en

una solución acuosa de ácido sulfúrico, se debe extraer aquel metal de interés.

• La purificación del metal se efectúa mediante electrorrefinación, que permite obtener cobre en estado metálico.

Precio del Cu 1986-2011

Minerales de CuMinerales de Cu

Termodinámica en hidrometalurgiaTermodinámica en hidrometalurgia

Cinética de la lixiviaciónCinética de la lixiviación• Es importante conocer a cinética porque el hecho de que una

reacción sea termodinámicamente posible, no asegura que la reacción vaya a ocurrir en una escala de tiempo razonable

«‹›»/361

Posibles métodos de lixiviación para el CuPosibles métodos de lixiviación para el Cu

Electrorrefinación del cobreElectrorrefinación del cobre• El cobre se purifica por electrólisis, proceso que consiste

en lo siguiente:• Grandes planchas de cobre sirven de ánodos (polo

positivo) de la celda, mientras los cátodos (polo negativo) son láminas delgadas de cobre.

• Ambos electrodos se encuentran en una solución acuosa que contiene sulfato de cobre.

• Al aplicar una diferencia de potencial apropiada, causa la oxidación del cobre metálico a Cu+2 en el ánodo y la reducción del Cu+2 a Cu+ metálico en el cátodo.

1

ElectrometalurgiaElectrometalurgia

• Reducción electroquímica (electrometalurgia):

• Aplicación de energía eléctrica a sales fundidas o soluciones acuosas para obtener

metales puros.

• Metales muy reactivos

• Cara

• Ejemplo: obtención de Al

Potenciales normales de reducción a 25ºC

Conceptos básicos de electroquímicaConceptos básicos de electroquímica• La energía libre de Gibbs es la energía libre para hacer trabajo, eso significa que el

cambio de energía libre representa la cantidad máxima de trabajo útil que se obtiene de la reacción:

G=-nF Ecelda •

• Si G es negativo significa que hay energía libre y por lo tanto la reacción es espontanea. Para que ocurra eso el Ecelda debe ser positivo. Caso contrario la reacción no procede.

• Para valores negativos de G muy próximos a cero es posible que la reacción tampoco proceda debido a factores secundarios, como por ejemplo el fenómeno de sobretensión.

• Una reacción espontánea puede ser utilizada para generar energía eléctrica, se trata de una Pila. Mientras que a si la reacción no espontánea se le debe aplicar un suficiente potencial eléctrico para que la misma se lleve a cabo. Este fenomeno es conocido como Electrólisis. En una celda electroquímica, la relación entre la Constante de equilibrio, K, y la energía libre de Gibbs se puede expresar de la siguiente manera: G

• Despejando la Ecelda se obtiene:•

• Aplicando el logaritmo K en base base 10 y suponiendo que la reacción se lleva a cabo a T=298K (25 °C), finalmente llegamos a la siguiente expresión:

Recipiente de acero, revestido con carbon – actúa como cátodo

Burbujasde CO2

Al (l)Al2O3 (l)

Sangría de Al (l)

-

+

Cátodo: Al+3 + 3e- Al (l)

Anodo: 2 O-2 + C (s) CO2 (g) + 4e-

Desde

la f.e.m.Al+3

O-2

O-2

Al+3

O-2

Ánodos de grafito

e-

e-

Obtención Al: Proceso Hall-HeraultObtención Al: Proceso Hall-HeraultProceso electrolítico a partir de Alumina fundida (Al2O3)

Oxidación: 3{C(s) + 2O2- → CO2(g) + 4e-}

Reducción: 4{ Al3+ + 3e- → Al (l)}

_____________________________________

Global: 3C(s) + 4Al3+ + 6O2- → 4Al (l) + 3CO2(g)

• La alúmina (Al2O3), se disuelve en en criolita fundida, (Na3AlF6) (hexafluoroaluminato de sodio).

• El Al2O3 tiene un punto de fusión por encima de los 2,000 °C, mientras que la criolita pura tiene un punto de fusión de 1,012 °C.

• Si a la criolita se le añade un pequeño porcentaje de alúmina, su punto de fusión disminuye a 1,000 °C.

• También se añade trifluoruro de aluminio ( AlF3) para reducir aun mas el PF de la mezcla.

• La mezcla se somete a electrolisis, pasando una corriente por el líquido fundido gracias a unos electrodos de grafito.

• La reacción electroquímica hace que se deposite aluminio líquido en el cátodo, mientras que en el ánodo el oxígeno de la alúmina se combina con el carbono para formar CO2.

• Potencial aplicado: 3-5V• La velocidad de reacción es proporcional a

la corriente eléctrica. Alto consumo

Proceso Hall-heraultProceso Hall-herault

1. Preparación de la bauxita2. Obtención de la alúmina

Al2O3 reacciona con la lejía de sosa formando aluminato de sodio y el Fe y otras impurezas precipitan como hidróxidos

Na3AlO3 + 3 H2O → 3 NaOH + Al(OH)3

2 Al(OH)3 → Al2O3 + 3 H2O

3. Fabricación de criolita sintética

2 Al(OH)3 + 12 FH + 3 Na2CO3 → 2 F3Al + 6

FNa + 9 H2O + 3 CO2

4. Obtención de aluminio

Oxidación: 3{C(s) + 2O2- → CO2(g) + 4e-}

Reducción: 4{ Al3+ + 3e- → Al (l)}

_____________________________________

Global: 3C(s) + 4Al3+ + 6O2- → 4Al (l) + 3CO2(g)

Producción de aluminio por electrólisis en base fundida

Refino de metales Refino de metales

• Los metales obtenidos por métodos químicos suelen contener

bastantes impurezas y hay que someterlos a un proceso de

refinado, hasta conseguir la pureza exigida en sus aplicaciones.

• El refinado puede tener lugar antes, durante o después de la

obtención del metal y muchas veces en varias etapas del proceso

de extracción.

• Los procesos de refinado más generales son:

• Por destilación se suelen purificar los metales de bajo punto de fusión

(los alcalinos) o de bajo punto de ebullición (Hg, Bi, Sn).

• El refinado electrolítico es el más ampliamente utilizado (Cu, Al, Au,

Ag, Zn, Cd, Pb, Sn,...).

• Con la fusión por zonas se producen metales de extraordinaria pureza

(aplicable también a otros compuestos químicos). Se basa en el hecho

de que las impurezas son mucho más solubles en el metal fundido que

en el sólido.

Refinado electrolítico

Fusión por zonas

BibliografíaBibliografía

• Petrucci, Harwood, Herring. “Química General.

Reactivdad química. Compuestos Inorgánicos y

Orgánicos.” Vol II.

• Shriver, Atkins, Langford. “Química Inorgánica”.