Capítulo 5

CAPÍTULO 5 METALURGIAS DE ALGUNOS ELEMENTOS

5.1 HIERRO Su nombre hierro proviene del latín ferrum, su símbolo Fe, su número atómico es 26, pertenece a los elementos de transición de la tabla periódica, es un elemento metálico de color gris plata con propiedades magnéticas, es muy maleable y dúctil, El hierro no es sólo el metal más importante de la naturaleza, sino también la base de la civilización y de la industria y puede considerarse un arma de guerra y a la vez una herramienta de trabajo pacífico. Es difícil encontrar en toda la Tabla periódica otro elemento que se halle tan ligado con el pasado, presente y futuro de la humanidad. La lucha por el hierro transcurre a través de toda la historia de la humanidad, iniciándose en los milenios III y IV antes de nuestra era, cuando por primera vez aprendió el hombre a dominar y manejar este metal. Es posible que al principio se limitara a recoger las piedras caídas del cielo, los meteoritos, y de ellos elaboró utensilios parecidos a los que usaban los aztecas de México, los indios de América del Norte, los esquimales de Groenlandia y los habitantes del Cercano Oriente. No en vano existe una antigua leyenda árabe en la que se dice que el hierro es de origen celestial. Durante mucho tiempo, el uso del hierro no se difundió, puesto que su extracción por fusión de los minerales presentaba grandes dificultades, y, las piedras caídas del cielo, los meteoritos, eran muy escasos. Solamente a partir del primer milenio de nuestra era, el hombre aprendió a fundir los minerales de hierro, y la edad de bronce fue reemplazada por la edad de hierro que se mantiene hasta nuestros días en la historia de la civilización.

Estado natural Aunque en la corteza terrestre (16 Km. de profundidad ) el hierro sólo representa menos del 5 %, este metal es probablemente el elemento más abundante en

CAPÍTULO 5 nuestro planeta ya que se supone que el núcleo de la Tierra consta de manera fundamental de hierro. De manera natural muy pocas veces el hierro se encuentra como mineral nativo debido a su actividad química, de manera normal se encuentra en rocas y minerales como óxidos y como carbonatos y sulfuros. Las menas de hierro más adecuadas para su beneficio contienen hematita, Fe2O3, o magnetita, Fe3O4 Como un buen número de las reservas disponibles de estas menas se han consumido, la taconita, que es magnetita en roca de sílice muy dura, se ha convertido en una importante fuente de hierro. En pocas ocasiones las rocas y los minerales no contienen hierro, y su presencia se hace evidente por una coloración amarilla o roja. En cualquier lugar donde crezcan plantas debe de existir hierro en el suelo, pues es necesario para la síntesis de la clorofila verde. Los minerales de hierro más importantes se pueden considerar los siguientes: Nombre del Magnetita Hematita mineral Contenido de Fe 50 al 70 % 35 a 60 % Compuesto de Fe Fe3O4 Fe2O3 Color Negro Rojo mate brillante o brilloso

Hierro de las praderas 25 a 50 % Fe2O3 nH2O Pardo mate

Siderita

Pirita

30 a 40 % FeCO3 Marrón cristalino

40-45 % FeS2 Amarillo Brillante

Propiedades El hierro se presenta en cuatro formas estables, dentro de límites de temperaturas establecidos, que tienen diferentes estructuras cristalinas y por lo tanto diferentes propiedades, a saber son: hasta 770 °C hierro alfa 770- 900 °C hierro beta 900-1400 °C hierro gamma 1400-14350 °C hierro delta El comportamiento del hierro resulta en la práctica más complicado porque forma combinaciones con el carbono presente y, con las otras impurezas presentes en el mineral, por ejemplo, silicio, manganeso, azufre y fósforo, se forman mezclas que pueden caracterizarse con técnicas microscópicas. Los cristales que pueden formarse por la combinación entre carbono y hierro son:

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METALURGIAS DE ALGUNOS ELEMENTOS 1. 2. 3. 4. 5.

Ferrita = Hierro-alfa puro Grafito = Carbono puro Cementita = Combinación hierro-carbono (Fe3C con 6.7 % de C) Austenita = Disolución de cementita en hierro-gamma con 0.1-0.8% de C Martensita = Disolución de cementita en hierro-alfa con 0.1 a 0.8 % de C (producto de transformación de la austenita por enfriamiento rápido). 6. Ledeburita = Mezcla eutéctica de cementita y austenita 7. Perlita = Mezcla eutéctica de cementita y ferrita

Obtención del hierro por pirometalurgia Método del Alto Horno La obtención de hierro y acero se realiza hoy principalmente por un método pirometalúrgico que utiliza como reactor continuo el alto horno obteniéndose como producto el arrabio, es decir, hierro impuro, el esquema general se muestra gráficamente a continuación.

Preparación de las materias primas. 47

CAPÍTULO 5

Los minerales de hierro se trituran, se lavan y se criban y mediante magnetos se lleva a cabo una separación de la ganga, para conseguir la concentración del mineral. El coque si es necesario se refina aunque en la mayoría de los casos no requiere tratamiento pues se suministra directamente del tamaño deseado (80 – 120 mm) y con las propiedades adecuadas (denso, duro, 85 % C; 3.5 a 4.5 % de agua; 9.8 a 10.2 % de cenizas; 0.9 a 1.2 % de azufre y 1 a 3 % de volátiles). La piedra caliza se tritura, se lava y se criba y se introduce al alto horno para eliminar el fósforo presente en el mineral y ayudar a formar las escorias. En el alto horno, el coque desempeña dos papeles: al quemarse, suministra la energía necesaria para alcanzar una elevada temperatura y al combinarse con el oxígeno forma el CO el cual reduce los óxidos de hierro.

El alto horno El alto horno es un reactor que tiene la forma característica de dos conos unidos por sus bases mayores. Un horno moderno tiene una altura de 30 m y un diámetro interior de hasta 7 m. Las paredes interiores están revestidas con ladrillos refractarios. La parte superior del alto horno se llama “cuba” y el cuerpo inferior “etalaje”. El espacio ancho entre ambos se llama “vientre”. Finalmente, el etalaje se apoya en el crisol. En la parte superior, el horno se cierra mediante el “tragante” que es el dispositivo de carga para la mezcla de coque, mineral y piedra caliza. Al cargar se abre automáticamente la parte superior, que se cierra de nuevo en cuanto se ha introducido el material, enseguida se abre el cierre inferior, dejando caer el material al horno y se cierra automáticamente. De este modo, ni pueden escapar los gases ni puede entrar aire. Para proteger el revestimiento, el horno tiene un sistema de refrigeración por medio de agua. Los altos hornos tienen producciones diarias de unas 2 000 Ton a lo largo de períodos de unos 6-8 años.

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METALURGIAS DE ALGUNOS ELEMENTOS

Figura Alto horno

Funcionamiento del alto horno El aire caliente para la combustión se introduce por la parte inferior del horno mediante un compresor, el aire del compresor se calienta previamente a contracorriente mediante grandes intercambiadores de calor utilizando el gas caliente que sale por la parte superior del alto horno que contiene bióxido y monóxido de carbono. En el interior del alto horno el oxígeno del aire reacciona con el coque de la parte inferior, formando primeramente dióxido de carbono que se reduce rápidamente por el coque incandescente a monóxido de carbono: C(s) + O2(g) C (s) + CO2(g)

CO2(g) 2CO(g)

El monóxido de carbono producido reduce gradualmente a los óxidos de hierro hasta hierro metálico y se oxida, a su vez, a dióxido de carbono. Los procesos se pueden resumir, en forma simplificada, en la siguiente ecuación: Fe2O3(s). + 3 CO(g)

2 Fe(l) + 3 CO2(g)

Como el CO2 formado se pone enseguida en contacto con carbón incandescente, se reduce de nuevo a monóxido y así continúa el camino ascendente de los gases: el CO reduce al mineral, oxidándose a CO2 y siendo reducido rápidamente por el coque incandescente.

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CAPÍTULO 5 Simultáneamente, el gas ascendente precalienta la carga de las capas superiores. En la zona de temperaturas de 500 – 400° C cesa la acción reductora del CO y actúa solo como transportador de calor, hasta que sale del horno por la descarga de gases.. En el vientre del alto horno, a 900° C, tiene lugar la carburación del hierro reducido pero todavía no fundido. Con ello aumenta su volumen, lo que justifica la forma del horno. En esta zona de temperaturas, el CO se descompone en carbono y dióxido de carbono: 2 CO(g) C(g) + CO2(g) el carbono formado y parte del coque son absorbidos por el hierro con aumento de volumen, reduciéndose simultáneamente el punto de fusión del hierro de 1528° C a 1100° C. Finalmente en la zona de temperaturas de 1200° C el hierro funde y gotea a través del coque, calentándose hasta 1 800° C. Sobre el hierro se encuentra la escoria también fundida ambos se extraen del alto horno por lugares diferentes. El hierro contiene ahora 4.5 % de carbono; también los sulfatos, fosfatos, silicatos y otros compuestos contenidos en las materias primas son reducidos, por lo que el hierro contiene, además del carbono, azufre, fósforo, silicio y otros elementos. Las escorias tienen aplicaciones por ejemplo, las escorias de sílice se emplean para fabricar ladrillos, lana aislante (lana de escorias); las escorias básicas, con alto contenido en CaO se usan en la fabricación de cemento (cemento siderúrgico). El polvo de los gases de descarga se elimina en un ciclón y un electrofiltro antes de utilizar la corriente gaseosa como medio de calentamiento del aire que entra al alto horno. .

Arrabio El hierro bruto o arrabio tiene de 3 a 5 % de carbono., contiene también, como impurezas, azufre, fósforo, silicio y manganeso, y en tal estado no es aún utilizable. Cuando hay silicio se presenta la fundición gris, pues, en tal caso, el carbono se separa al enfriarse en forma de grafito y da a los bordes un color de gris hasta negro. La fundición blanca se forma en presencia de manganeso, puesto que se forma carburo de hierro (cementita) Fe3C, que liga el carbono y es incoloro. A esto obedece el color claro de la fundición blanca.

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METALURGIAS DE ALGUNOS ELEMENTOS

Fundición nodular Se encontró que el hierro fundido obtiene una resistencia especial a la tracción si el carbono no está en forma de láminas u hojuelas, sino que cristaliza en el hierro en forma de esferitas o granos. Esta forma de cristalización del carbono se favorece por la presencia de magnesio, ya que este elemento se evapora en el hierro fundido, forma remolinos y simultáneamente elimina oxígeno y azufre. Después de evaporarse, una pequeña cantidad de magnesio queda en el hierro y actúa decisivamente para que el carbono cristalice en forma de grafito nodular.

Producción de hierro por nuevos métodos No se debe concluir con la metalurgia del hierro sin hacer referencia a que los métodos de producción de acero establecidos están sometidos a desarrollo continuo. Se intenta encontrar otros métodos más sencillos y más económicos para producir acero, hay propuestas para prescindir del alto horno, pero todavía no se tiene un proceso de fabricación de hierro alterno que logre obtener el volumen total de la producción que se requiere, se han optimizado métodos de reducción, en los que el mineral se reduce a esponja de hierro (hierro finamente dividido, sin llegar a fundir). Esta esponja de hierro, que contiene muy pocas impurezas, se utiliza en las acererías en sustitución de la chatarra. En el método de reducción directa, se emplean agentes reductores como gas natural, monóxido de carbono e hidrógeno o grafito. El procedimiento consiste en triturar la mena de hierro y pasarla por un reactor con los agentes reductores, con lo que algunos elementos no convenientes para la fusión del hierro son eliminados. El producto del sistema de reducción directa es el hierro esponja que consiste en unos pellets de mineral de hierro los que pueden ser utilizados directamente para la producción de hierro.. A continuación se muestra el diagrama de flujo de una planta que produce hierro esponja.

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CAPÍTULO 5

Este proceso requiere primero obtener CO e H2 haciendo reaccionar CH4 y H2O, sustancias reductoras que reaccionan con el mineral de hierro y lo reducen a hierro metálico sin necesidad de que se funda el hierro, por esta razón, se obtiene un fierro que semeja una esponja como se observa en la figura siguiente: Figura Hierro esponja

Producción de acero Se llama “acero” a todas las clases de hierro forjable ya que al calentarlas al rojo, es decir, por debajo del punto de fusión, se ablandan y pueden ser 'forjadas.

Afino El primer paso en la conversión del hierro bruto en acero es la eliminación o reducción de las impurezas de carbono, azufre, fósforo y silicio, lo que se consigue mediante oxidación que puede realizarse de diversos modos. Como oxidantes se 52

METALURGIAS DE ALGUNOS ELEMENTOS emplean aire, aire enriquecido con oxígeno, oxígeno puro, mezcla de oxígeno y argón, etc. El proceso de oxidación se denomina “afino”..

Convertidor La primera forma de convertidor fue introducido por el inglés Sir Henry Bessemer (1813-1898) y conocido como “pera de Bessemer” (ver figura ¿?. Es un recipiente capaz de rotar por cuya parte inferior se introduce aire comprimido que atraviesa el baño de hierro. Con esto, se queman las impurezas del hierro, con fuerte desprendimiento de calor, por lo que no sólo se mantiene la temperatura de fundido sino que aumenta considerablemente. Recientemente, se ha comenzado a utilizar para el afino en el convertidor aire enriquecido de oxígeno y una mezcla de oxígeno y argón.

Figura

“Pera de Bessemer”

En el de convertidor se elimina el fósforo, porque el P2O5 formado se une al revestimiento básico, formando fosfato cálcico, antes de que el hierro fundido lo reduzca nuevamente.

Método LD Un método de afino utilizando oxígeno puro, es el puesto a punto en Austria (Linz y Donawitz), que se llama “método L D”, por las iniciales de ambas ciudades. Consiste en soplar oxígeno, pero no a través del baño fundido, sino haciéndolo chocar a una presión de 6 a 15 atm contra su superficie. El baño fundido adquiere un vivo movimiento y comienza rápidamente una fuerte reacción que da lugar a que las impurezas se quemen casi simultáneamente y rápidamente. Con frecuencia, se inyecta también polvo de cal, con lo que la combustión se acelera aún más.

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CAPÍTULO 5

Hierro y acero El acero se obtiene a partir del hierro cuando se disminuye el contenido de carbono a menos de 1.7 %. Cuando contiene solamente 0.1-0.5 % de carbono no funde rápidamente al alcanzar una determinada temperatura sino que ya bastante por debajo del punto de fusión se torna blando y forjable (hierro forjado). El acero con más de 0.5% y menos de 1.7 % de C se puede “templar” por enfriamiento rápido.

Procesos durante el temple y el recocido Cuando un hierro con menos de 1.7 % de C solidifica lentamente, hasta 770°C, se separan principalmente cristales de austenita, los cuales por enfriamiento se transforman en cristales de ferrita y de perlita. El acero producido de esta manera es tenaz, fácilmente forjable, pero poco duro. Para endurecerlo, se le calienta de nuevo a 770°C con lo que los cristales de ferrita y perlita se transforman otra vez en austenita. Si se enfría este acero rápidamente por inmersión en agua o en aceite, los cristales de austenita se transforman en cristales muy duros de martensita. El acero templado de esta forma es duro y tenaz aunque bastante frágil. Si se le quiere quitar la fragilidad es preciso “recocerlo”, es decir, calentarlo nuevamente a una temperatura ligeramente por debajo de la temperatura de fusión-. Según la temperatura de recocido, una proporción mayor o menor de la martensita dura, se transforma en perlita moldeable, por lo que el acero llega a ser más o menos elástico. El “templado” y el “recocido” del acero son tratamientos posteriores y se ejecutan directamente sobre las piezas ya terminadas, pues las propiedades de éstas se eligen de acuerdo con el tipo de aplicación. Las propiedades del hierro se modifican, no solamente por su contenido en carbono sino también por las cantidades de Si, Mn, P y S, procedentes del mineral utilizado, las propiedades del hierro se pueden modificar mediante la adición de diferentes metales como Cr, Ni, Co, W, Mo, y V con objeto de hacer el material más adecuado para las distintas aplicaciones. Por ejemplo, el Cr, W y Mn aumentan la dureza, el Ni y el V elevan la resistencia y la tenacidad, y el Ni y Cr aumentan la flexibilidad y la resistencia a la corrosión.

Aceros especiales Los aceros normales no resisten el ataque de los agentes atmosféricos, a la temperatura ordinaria se oxidan con facilidad y hay que protegerlos contra la 54

METALURGIAS DE ALGUNOS ELEMENTOS corrosión. Si el acero se alea con cromo resiste temperaturas superiores, por ejemplo, con 6 % de cromo hasta 800° C y con 20 % de cromo hasta 1 200° C. Un acero con 13 – 16 % de cromo y 0.5 % de níquel es bastante resistente a los ácidos a temperatura ambiente. La producción de aceros especiales por aleación con cromo, níquel y otros metales, fueron descubiertos el año 1912 en el curso de investigaciones metalúrgicas hechas en la firma Krupp. Hoy es muy elevado el número de aceros especiales de gran resistencia. CUESTIONARIO DE AUTOEVALUACIÓN 6 1. Los minerales más adecuados para la metalurgia del hierro son: a. Bauxita y fluorita b. Esfalerita y smithsonita c. Yeso y cuarzo d. Corundum y malaquita e. Hematita y magnetita 2. De las siguientes aseveraciones identifica con una (V) las verdaderas y con una (F) las falsas: 1. El hierro como metal fue conocido desde la prehistoria. 2. El hierro raramente se encuentra libre en la corteza terrestre pero es abundante en los meteoritos. 3. Las fórmulas de la magnetita y de la hematita son respectivamente FeO y Fe2O4 4. Por su abundancia el hierro siempre está presente en casi todos los minerales a. b. c. d. e.

1 (F), 2 (F), 3 (V), 4 (F) 1 (V), 2 (V), 3 (F), 4 (V) 1 (V), 2 (F), 3 (V), 4 (F) 1 (F), 2 (F), 3 (V), 4 (V) 1 (V), 2 (V), 3 (F), 4 (F)

3. Cuando se calienta polvo de hierro en presencia de oxígeno del aire, se produce la siguiente reacción: a)

3 Fe

+

2 O2

b)

2 Fe

+

O2

Fe3O4 2 FeO 55

CAPÍTULO 5

c)

4 Fe

+

3 O2

2 Fe2O3

d)

Fe

+

O2

No se oxida

e)

Fe

+

O2

Se oxida superficialmente

4. Para que el hierro forme herrumbre se requiere oxígeno y: a. b. c. d. e.

Calor Nitrógeno del aire Una base Hidróxido de sodio Agua

5. El acero es una aleación de: a. b. c. d. e.

Hierro y carbono Hierro y manganeso Hierro y estaño Hierro y cobre Hierro y oxígeno del aire

6. La diferencia entre hierro colado y acero es: a. b. c. d. e.

La temperatura de proceso El contenido de impurezas metálicas La estructura cristalina que adquiere al enfriarse Contenido de carbón El contenido de sílice que se elimina de las escorias

7. El recocido del acero consiste en: a. Calentar el material y formar una aleación con manganeso. b. Calentar el hierro por encima de los 800°C y enfriarlo bruscamente. c. En calentarlo a una temperatura por debajo de la temperatura de fusión. d. Calentarlo y enfriarlo muchas veces por arriba de los 400°C e. Calentarlo por 2 horas introducido en agua. 8. De las siguientes aseveraciones identifica las verdaderas con una (V) y las falsas con una (F): 1. El arrabio es hierro de alta pureza 2. Al hierro que contiene más de 1.7% de carbono se le denomina hierro colado. 3. El templado y el recocido de acero se ejecutan durante la metalurgia del hierro 56

METALURGIAS DE ALGUNOS ELEMENTOS 4. Las impurezas metálicas como cromo, níquel y cobalto modifican las propiedades del acero. a. 1 (V), 2 (F), 3 (V), 4 (F) b. 1 (F), 2 (F), 3 (V), 4 (V) c. 1 (V), 2 (V), 3 (F), 4 (F) d. 1 (F), 2 (V), 3 (F), 4 (V) e. 1 (V), 2 (F), 3 (F), 4 (F) 9. Las funciones que cumple el coque al quemarse dentro del alto horno son: a. Elevar la temperatura del mineral y formar monóxido de carbono para la reducción de los óxidos de hierro. b. Únicamente calentar arriba de los 1000°C c. Calentar el alto horno para que el mineral se oxide completamente. d. Calentar el alto horno para que los silicatos se fundan y se separen. e. Calentar el alto horno para mejorar el contacto entre el oxígeno del aire y el dióxido de carbono producido por la combustión. 10. La adición de caliza CaCO3 en conjunto con el mineral y el coque sirve para eliminar las impurezas de: a. Sulfato de cobre b. Dióxido de carbono c. Dióxido de silicio d. Óxido de cobalto e. Monóxido de carbono 11. La reacción de reducción para la obtención de hierro en el alto horno es: a)

FeO

+

b)

Fe2O3

c)

FeCO3

d)

2 Fe2O3

e)

2 Fe

CO

+

+

CO2

3CO

2 Fe

+ 3 CO2

Δ

FeO

+

+ + +

Fe

O2

4 Fe

O2

2 FeO

CO2 +

4 O2

12. Para elevar la pureza del hierro impuro o arrabio se utiliza el: a. Calentamiento para eliminar carbono b. Se funde para oxidar las impurezas c. Se utiliza otra pasada por el alto horno para reprocesar el arrabio d. Horno de cúpula e. Se enfría bruscamente para que se resorban los gases

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CAPÍTULO 5 13. Se llama acero a: a. Al hierro con impurezas metálicas b. Al hierro con pureza cercana al 100% c. A todas las clases de hierro forjable d. Al hierro que se ha templado y recocido e. Al hierro que funde a temperaturas inferiores a los 400°C 14. Dentro de la metalurgia del hierro: a. Se convierte el hierro en acero. b. Se convierte el hierro en óxido al alimentar aire. c. Se convierte el hierro en hierro forjado por enfriamiento rápido. d. Se convierte el hierro en óxido para su reducción. e. Se queman las impurezas del hierro y se eliminan. 15. Los aceros especiales son: a. Los obtenidos al eliminar totalmente el carbono b. Mezclas de Fe y C a temperaturas por debajo de la fusión del hierro c. Los obtenidos después del proceso de recocido d. Mezclas de acero con otros metales como cromo y niquel e. Los obtenidos por calentamiento superior a los 2000°C

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METALURGIAS DE ALGUNOS ELEMENTOS

5.2 ALUMINIO Estado natural. El aluminio, de símbolo Al, es el elemento metálico más abundante en la corteza terrestre. Su número atómico es 13 y se encuentra en el grupo 13 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. Propiedades Generales El aluminio es un elemento metálico que se clasifica como un metal ligero, es blando y muy maleable, pueden formar láminas de milésimas de mm de espesor. Recién cortado, el aluminio tiene brillo de plata, pero solo en unos minutos se cubre una capa mate de óxido. Debido a que el Aluminio es un metal activo la reacción de oxidación es relativamente rápida, a temperatura ambiente al oxidarse el aluminio se cubre con una capa de óxido, la cual lo protege contra una posterior oxidación es por esta razón que resulta más resistente a la corrosión que el hierro. El aluminio tiene un comportamiento anfótero ya que es atacado por los ácidos y por las sales cuya reacción de hidrólisis es ácida, también reacciona con las bases. . Aplicaciones Debido a su baja densidad y buenas cualidades como metal, es se emplea en la construcción de aviones y otras aplicaciones tanto industriales como material de construcción de objetos del hogar. Si se utiliza aluminio como material de construcción en contacto con agua, es recomendable el empleo de aluminio de alta pureza (99.995 %) ya el aluminio con menor pureza es fácilmente atacado por el agua. También se utiliza aluminio como reductor para reacciones químicas. Cuando se emplea polvo de aluminio se pueden obtener metales como el cromo y el manganeso, exentos de carbono, a partir de sus óxidos que se reducen con mucha dificultad.

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CAPÍTULO 5 El cloruro de aluminio ánhidro AlCI3 se emplea como catalizador en la síntesis de Friedel y Crafts. También se emplea como catalizador y reductor en el hidruro de litio y aluminio LiAIH4,

Producción de aluminio Para lograr la obtención del aluminio se aplican dos procesos uno hidrometalúrgico que tiene como primer objetivo purificar la bauxita para posteriormente calcinarla y obtener el Al2O3 anhídro, a este proceso se le conoce como proceso Bayer, posteriormente se utiliza una electrometalurgia llamada proceso Hall – Héroult donde el Al2O3 anhidro disuelto en criolita fundida [Na3 AlF6 (l)] se convierte en aluminio metálico al hacer pasar a través de la solución una corriente eléctrica.

Proceso Bayer Preparación de la bauxita. La bauxita impura se muele y se tamiza, se calienta para eliminar la humedad que contiene y la que haya podido ser absorbida durante el almacenamiento y también para quemar las sustancias orgánicas que pudiesen estar presentes. El producto seco se pasa a un molino de bolas donde se muele finamente, se tamiza y se coloca en el mezclador, en este tanque es donde se agrega una solución caliente de NaOH al 40 % donde se disuelve al formar el compuesto Na[Al(OH)4], posteriormente se precipita al burbujear CO2 para neutralizar el exceso de NaOH y un radical OH – del Na[Al(OH)4], para formar el Al(OH)3 el cual al calentar se deshidrata formando Al2O3 anhídro o alumina. Lo mencionado lo podemos representar con las siguientes ecuaciones. Al2O3(s) + 2 NaOH(ac)

+ 3 H2O(l)

2Na[Al(OH)4](ac) + CO2(ac)

2Na[Al(OH)4](ac)

2Al(OH)3(s) + Na2CO3(aq) + H2O

calor

2Al(OH)3 (s)

Al2O3(s)

+

3H2O(l)

Obtención de alúmina.

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METALURGIAS DE ALGUNOS ELEMENTOS La mezcla caliente bauxita- sosa se carga en un autoclave con agitación y se calienta a 150-200° C bajo una presión de 6-8 atm durante unas 4 horas. Con ello, el óxido de aluminio, debido a su carácter anfótero, reacciona con sosa concentrada formando aluminato de sodio, mientras el hierro y otras impurezas precipitan como hidróxidos. La pasta contenida en el autoclave se diluye con sosa de lavado (sosa diluida) con objeto de terminar de disolver el óxido de aluminio y después se concentra. Del concentrador sale una disolución clara de aluminato de sodio y simultáneamente se separa el lodo. La disolución se hace pasar por un filtro prensa para eliminar residuos sólidos. Para recuperar los restos de aluminato el lodo se lava con agua, la disolución se concentra de nuevo y se filtra. El lodo, que tiene color rojo debido al hidróxido de hierro que contiene, lleva también aluminosilicatos de sodio por lo que no se puede evitar una cierta pérdida de NaOH y Al2O3. La disolución de aluminato de sodio pura y concentrada que sale del filtro prensa a unos 100-125° C se lleva a un tanque agitado de 400 a 450 m 3 en el que se mantiene en agitación durante 2 a 3 días. Durante esta operación se diluye con agua produciéndose la hidrólisis del aluminato de sodio: Na3AlO3(ac) + 3 H2O (l)

3 NaOH(ac) + Al(OH)3(s)

La precipitación de Al(OH)3 se acelera agregando cristales de hidróxido de aluminio. El AI(OH)3 sólido se separa de la sosa en un filtro rotatorio y se calcina. 2 AI(OH)3

Al2O3 + 3 H2O

Se debe calentar a unos 1 300° C con objeto de que el óxido de aluminio producido no vuelva a hidratarse al enfriarse. La disolución de NaOH que sale del filtro rotatorio es sosa diluida con un elevado contenido en aluminio, por lo que se somete a concentración al vacío en evaporadores de efecto múltiple y se recicla al depósito, con lo que el aluminio que no había precipitado se reintegra al proceso. El proceso descrito se observa a continuación en el siguiente diagrama:

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CAPÍTULO 5

METALURGIA DEL ALUMINIO NaOH

AGUA MINERAL

MOLIENDA

PREPARACIÓN DE ALUMINATO

IMPUREZAS

FILTRACIÓN NaOH

Al2O3 CALCINACIÓN

FILTRACIÓN

HIDRÓLISIS DEL ALUMINATO

CRIOLITA

ALUMINIO 99.7 %

CUBA ELECTROLÍTICA

Proceso Hall – Heroult Este proceso se basa en que el óxido de aluminio puro (alúmina) se disuelve en criolita. La criolita es un mineral fluoroaluminato de sodio Na3AlF6. Frecuentemente se prefiere producir criolita sintética, ya que ésta última tiene un mejor desempeño que la natural. Síntesis de la Criolita La síntesis de la criolita consiste en hacer reaccionar hidróxido de aluminio, carbonato de sodio y ácido fluorhídrico, de acuerdo a las siguientes ecuaciones Al(OH)3 + 3 Na2CO3 + 12 HF

2 Na3AlF6 + 9 H20 + 3 CO2

Es posible utilizar cloruro de sodio en lugar de carbonato de sodio Al(OH)3 + 3 NaCI + 6 HF

Na3AlF6 + 3 H20 + 3 HCl

La criolita tiene un punto de fusión de 1000° C y en la criolita fundida se disuelve el óxido de aluminio hasta 15-20 %, con lo que el punto de fusión disminuya hasta 935 ° C. A través del material fundido se hace pasar corriente eléctrica continua y en el cátodo se separa el metal el cual debido a su densidad se hunde y se deposita en el fondo. Obtención de aluminio. El horno de electrólisis Ver figura ¿? normalmente es una caldera abierta que funciona simultáneamente como horno de fusión y aparato de electrólisis. El cátodo está constituido por una masa de carbón que se utiliza para recubrir el fondo. Los ánodos son electrodos con camisas de aluminio. Para la fabricación de

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METALURGIAS DE ALGUNOS ELEMENTOS los cátodos y ánodos se utiliza coque muy puro ya que cualquier impureza presente pasa al baño disminuyendo la calidad del aluminio. La superficie interna de la celda se cubre con carbono o hierro carbonizado, que funciona como el cátodo en el que los iones aluminio se reducen al metal libre. El ánodo de grafito se oxida a CO2 gas y debe reemplazarse frecuentemente. Las reacciones que se llevan a cabo son : Disolución de alumina en criolita 2Al2O3(s)

4Al3+(solv)

+

6O2 – (solv)

En los electrodos (cátodo)

4Al3+ + 12 e-

(ánodo)

3C

+ 602 –

4 Al0 3CO2 + 12 e–

El aluminio fundido es más denso que la criolita fundida, así que se recoge en el fondo de la celda hasta que se drena y se enfría y se convierte en s6lido. Existe una modificación de obtención del aluminio a escala comercial un proceso más económico, el proceso del cloro Alcoa. Que consiste en:

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CAPÍTULO 5 La bauxita anhidra primero se convierte en AlCl3 por reacción con Cl2 en presencia de carbono. El AlCl3 se funde y electroliza para dar aluminio, y el cloro recuperado se reutiliza en la primera etapa.

2Al2O3 + 3C(coque) + 6Cl2 2AlCl3

4AlCl3 + 3CO2

2AI + 3Cl2

Este proceso usa sólo un 30 % de la energía eléctrica utilizada en el proceso Hall.. El uso de grandes cantidades de energía eléctrica en la electrólisis hace que la producción de aluminio a partir de sus menas sea una metalurgia cara. Los métodos para reciclar Al ahorran el 10 % de la energía requerida para hacer metal nuevo a partir de bauxita por el proceso Hall. El procesado de Al reciclado constituye más del 25 % de la producción de este metal. Esto ayuda a mantener bajo el costo del aluminio.

CUESTIONARIO DE AUTOEVALUACIÓN 7 1. Explique brevemente porque el aluminio es más resistente a la corrosión que el hierro?. 2. ¿Cuál es la principal razón para que el aluminio no se encuentre en estado nativo? 3. ¿ Porqué se dice que el aluminio tiene un comportamiento anfótero? 4. ¿Cuáles son los tres minerales más importantes que contienen aluminio.? 5. Mencione tres aplicaciones importantes del aluminio. 6. Describa de manera general en que consiste el método Bayer para la obtención del aluminio. 7. ¿Qué compuesto es la criolita y cuál es la reacción química de la obtención de criolita sintética? 8. ¿Cómo se prepara la Bauxita para la obtención del aluminio por el método Bayer? 9. ¿Cuál es la forma de preparar el aluminato de sodio?. 10. ¿Cómo se lleva a cabo la hidrólisis del aluminato de sodio? 11. Describa brevemente la forma en que se lleva a cabo la electrolisis de la alumina para la obtención del aluminio. 12. Escriba las ecuaciones de las reacciones que se llevan a cabo en la celda electrolítica de obtención de aluminio metálico. 13. ¿Cuál es la función de los electrodos de grafito en la celda de obtención del aluminio

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METALURGIAS DE ALGUNOS ELEMENTOS 14. ¿Cuáles son las razones por lo que en la actualidad se prefiere reciclar el aluminio más que obtenerlo a partir de sus minerales? 15. ¿Qué características deben tener las aleaciones de aluminio de ultra alta pureza?

5.3 ZINC El zinc se encuentra en la naturaleza como sulfuro ZnS, la blenda, y como carbonato ZnCO3. Mientras el sulfuro de zinc preparado en el laboratorio es incoloro y tiene interés como componente de un pigmento blanco, la blenda natural se conoce sólo en forma de cristales cúbicos, negros y brillantes. Propiedades En cortes recientes, el zinc metálico tiene un brillo blanco azulado con una densidad es 7.13 g/cm3. En presencia de aire se oxida superficialmente con rapidez. La película de óxido protege al metal de oxidación ulterior. La película es poco transparente, por lo que el zinc metálico tiene aspecto mate. El zinc es atacado por los ácidos minerales y orgánicos, El metal funde a 419.4° C y hierve a 907° C. Debido al bajo punto de ebullición, se le puede purificar por destilación. Aplicaciones El zinc se une bien a superficies de hierro desengrasadas y sin óxido. La chapa de hierro limpia se suele recubrir, por inmersión en zinc fundido, con una capa fina de este metal que se adhiere muy bien y protege al hierro de la corrosión. También se tratan así clavos, alambre, etc., y se denominan láminas y alambres galvanizados. El zinc tiene gran importancia como componente de aleaciones, pues interviene en latones, plata alemana, metal de imprenta, etc. Su reactividad con ácidos lo hace adecuado para clichés. El polvo de zinc es un reductor valioso en la industria de colorantes y como agente de cementación, en la obtención de metales nobles.

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CAPÍTULO 5 El sulfuro de zinc mezclado con BaSO4 constituye el litopón y el óxido se utiliza como blanco de España. Ambos son pigmentos blancos con gran poder de recubrimiento. Producción Los minerales de zinc contienen como impurezas compuestos de cadmio, indio, galio, talio y germanio, metales que se obtienen a partir de los minerales de zinc. Pirometalurgia del Zinc Después de su preparación, los minerales de zinc se transforman en óxido de zinc, para lo cual se tuesta la blenda o se calcina el carbonato: 2 ZnS + 3 O2 ZnCO3

2 ZnO + 2 SO2 ZnO + CO2

La tostación se efectúa en un horno y la calcinación del carbonato en un horno de cuba. Ambos tratamientos llevan a óxido de zinc. El SO2 del proceso de tostación se utiliza para la fabricación de ácido sulfúrico. El óxido de zinc es la materia prima para la posterior obtención del metal por vía seca o húmeda. El óxido de zinc se tritura primero, se mezcla con coque y brea, se prensa en briquetas y estas se sinterizan primero a una temperatura por debajo de 900 ° C. Las briquetas sinterizadas y aún calientes se ponen en un horno de mufla, que se calienta exteriormente a 1200-1300° C. El zinc se reduce de acuerdo a la siguiente ecuación ZnO(s) + C(s)

Zn (l)

+ CO (g)

y aparece en forma de vapor, ya que su punto de ebullición es de 907° C. El zinc se condensa en recipientes refrigerados por aire. Una parte del vapor de zinc se oxida a ZnO al poner en marcha el horno de mufla y, junto con el polvo de zinc metálico, forma el llamado «polvo de zinc>. El zinc impuro obtenido contiene plomo, hierro, arsénico, cadmio (en total, 1 %). La eliminación de estas impurezas tiene lugar a una temperatura ligeramente superior al punto de fusión del zinc (419.4°C). Se deja estar largo tiempo el zinc fundido a dicha temperatura, con lo que se deposita en la parte inferior del horno plomo con algo de zinc y sobre ésta, una aleación de hierro-zinc.

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METALURGIAS DE ALGUNOS ELEMENTOS El zinc refinado que sobrenada no es todavía puro, pues contiene casi 1 % de plomo, que se elimina por destilación. El zinc fino contiene ahora hasta 99.9 % de zinc. El siguiente esquema muestra de una manera gráfica el proceso de obtención del zinc:

Hidrometalurgia Este método parte también de óxido de zinc, que se disuelve en ácido sulfúrico. De la disolución se separan arsénico y antimonio por reducción con sulfato de hierro (II). Para eliminar el hierro, se le oxida a la forma trivalente por adición de MnO2. MnO2(ac) + 2 H2SO4(ac) +2 FeSO4(ac)

MnSO4(ac) + Fe2(SO4)3(ac) + 2 H2O(l)

A esta disolución se añade óxido de zinc, para precipitar el hierro y el manganeso: Fe2(SO4)3(ac)+MnSO4(ac)+4 ZnO(s)+4H2O(l) 2 Fe(OH)3(s) + Mn(OH)2(s) + 4 ZnSO4(ac)

A la disolución, ahora exenta de hierro, se le añade polvo de zinc de alto contenido en Zn, con lo que se separan cobre, cobalto y níquel (cementación). La disolución contiene ahora solamente sulfato de zinc (ZnSO4(ac)) y se somete a electrólisis. Purificación electrolítica del Zn Se emplea como cátodo una placa delgada de aluminio y como ánodo una placa de plomo (que no se disuelve), se obtiene un metal con 99.995 % de zinc, que se 67

CAPÍTULO 5 separa fácilmente del cátodo de aluminio y que se funde. Supuesto previo para el buen transcurso de la electrólisis es que el electrolito tenga elevada pureza, pues los iones de metales extraños condicionan una separación esponjosa del zinc. CUESTIONARIO DE AUTOEVALUACIÓN 8 1. ¿Cuáles son los dos principales compuestos en los que se encuentra el zinc en los minerales? 2. ¿Qué compuesto se forma después de la tostación de los minerales de zinc? 3. Explique como se lleva a cabo reducción del óxido de zinc y escriba la ecuación de la reacción química que se lleva a cabo 4. Describa de manera breve los pasos que se siguen en la pirometalurgia del zinc. 5. Describa en que consiste la obtención del zinc por hidrometalurgia.. 6. Explique como se elimina el hierro en la hidrometalurgia del zinc. Escriba las ecuaciones de las reacciones que se llevan a cabo. 7. ¿Cómo se lleva a cabo la refinación electrolítica del zinc? 8. ¿En que consisten los materiales galvanizados? 9. ¿En que aleaciones importantes interviene el zinc metálico?

5.4 COBRE Estado natural. Es uno de los pocos metales que se encuentran en grandes cantidades en estado nativo. Sin embargo, la mayor cantidad de¡ cobre está formando minerales. Los tres grupos más importantes de minerales de cobre son: Óxidos:

cuprita o cobre rojo (Cu2O) y tenorita o cobre negro (CuO).

Sulfuros: sulfuro de cobre(CuS), calcopirita (CuFeS2) y (Cu2FeS2) que contiene también As, Sb y Ag. Propiedades. Es un metal rojo claro, blando y muy maleable, de punto de fusión 1 083° C y densidad 8,9 gr/cm3. Tiene elevada conductividad calorífica y eléctrica. La conductividad eléctrica depende principalmente de la pureza del metal y

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METALURGIAS DE ALGUNOS ELEMENTOS disminuye considerablemente en presencia de trazas de impurezas. Es estable frente a los ácidos no oxidantes, pues es más noble que el hidrógeno. En presencia de aire se recubre con una película, muy delgada uniforme, de óxido de cobre (I) de color sepia, que protege la superficie del ulterior ataque con oxígeno. Aplicaciones El cobre es un metal que es muy poco atacado por el aire, formándose una delgada capa de Cu2O sobre su superficie la cual protege al metal de oxidación posterior. En presencia de CO2 el aire húmedo forma un depósito verde de carbonato básico de cobre, en forma de película protectora impenetrable, este carbonato puede verse en los tejados de edificios públicos e iglesias antiguas, pues en aquellos tiempos se empleaban con frecuencia chapas de cobre para recubrimiento de tejados. La mayor parte del cobre se consume en la producción de conductores eléctricos. También se utiliza mucho en construcción de aparatos, teniendo en cuenta las pocas posibilidades de corrosión mencionadas. Han alcanzado gran importancia las aleaciones de cobre. El “latón”, con 50 a 70 % de cobre y el resto de cinc, es más resistente que el cobre a la acción del aire húmedo. Una aleación muy dura es la que consta de cobre y cinc con algo de estaño: Tienen gran valor los bronces que contienen de 80-90 % de Cu y 10-20 % de Sn, según las aplicaciones. Los bronces de aluminio contienen 90-95 % de cobre y el resto es aluminio. El constantan, empleado para resistencias eléctricas, consta de 60 % de cobre y 40 % de níquel. La “plata alemana”, que se emplea para fabricar utensilios domésticos, es una aleación de 55-60 % de cobre, 12-26 % de níquel y 19-31 % de cinc. Si se le da un baño de plata se conoce como “alpaca”. Producción Pirometalurgia del Cobre. Etapa de concentración: El mineral más frecuentemente empleado es el sulfuro, y dado el bajo contenido en cobre de los minerales (0.7 – 2.0 %) es necesario proceder a concentrarlos. El método de concentración es la flotación y también puede llevarse a cabo por diferencia de densidad, proceso que consiste en triturar el mineral y colocarlo en 69

CAPÍTULO 5 una corriente turbulenta de agua en la que el mineral, más denso, se va al fondo mientras que la ganga con menor densidad es arrastrada por la corriente Etapa de tostación El mineral así enriquecido se mezcla con carbón y se pone en un horno, en el que, de manera análoga al alto horno, se inyecta por debajo aire caliente. En el horno se produce una tostación reductora. En la parte superior del horno se seca primero por la acción de los gases calientes. Hacia la mitad del horno se produce la reducción y se desprenden productos volátiles. En la parte inferior se forma la llamada “mata bruta de cobre” y una escoria cuya temperatura es de 1 400° C por lo cual la mata bruta funde, lo mismo que los aditivos funden con los formadores de escoria. La mata contiene principalmente sulfuro de cobre (I), Cu2S. La escoria y la mata se sangran por separado, y las escorias se utilizan para fabricar losas y adoquines para pavimentar. La mata fundida se lleva a un convertidor, en donde el sulfuro de hierro presente se oxida en presencia de cuarzo formando silicato de hierro: 4 FeS(s) + 7 O2(g) 2 Fe2O3(s) + 6 SiO2(g)

2 Fe2O3(s) + 4 SO2 (g) 2 Fe2(SiO3)3(s)

El dióxido de azufre se extrae del sistema y se conduce a una planta productora de ácido sulfúrico. El hierro del mineral, en forma de silicio se separa de la mata de cobre. El sulfuro de cobre (I) se oxida ahora, en el segundo periodo de soplado, de forma que se convierta en cobre metálico, pues el Cu2S se oxida a Cu2O por el oxígeno del aire introducido y el óxido es reducido simultáneamente por el sulfuro presente: 2 Cu2S(g) + 3 O2(g) 2 Cu2O(s) + Cu2S (s)

2 Cu2O(s) + 2 SO2(g) 6 Cu(s) + SO2(g)

El convertidor contiene ahora tres diferentes fases: debajo, el cobre metálico, en el centro una mata concentrada de cobre y, arriba, la escoria. Las dos partes que contienen cobre se llaman cobre negro. Este se separa de la escoria y se lleva a un horno de llama, mientras la escoria se moldea para producir ladrillos. Se hace llegar al hogar donde está el cobre negro el fuego procedente de una llama de carbón y se sopla simultáneamente sobre el material fundido aire y vapor de agua, para oxidar y volatilizar las impurezas (zinc, plomo, arsénico y antimonio). Removiendo el material fundido con ramas de árbol verdes, con lo que se pasa vapor de agua, agitándolo y arrastrando el SO2 y reduciendo

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METALURGIAS DE ALGUNOS ELEMENTOS posteriormente con madera seca y carbón de madera, se obtiene cobre con pureza mayor a 99.7 % de Cu, llamado cobre blister. Purificación electrolítica Este cobre no se puede emplear para todos los usos. Sobre todo no es utilizable como conductor de la electricidad y para la fabricación de aparatos, por su baja resistencia a la corrosión y baja conductividad eléctrica es preciso purificarlo. La purificación del cobre Blister se realiza por medio de electrólisis. En un baño que contiene sulfato de cobre y ácido sulfúrico libre, se cuelga cobre purísimo como cátodo (polo – ) y placas de cobre blister como ánodo (polo +) y se hace pasar una corriente eléctrica, el cobre del ánodo se disuelve y llega al cátodo, donde se deposita como cobre purísimo. El cobre electrolítico llega a, un grado de pureza de 99,99 %. Las pequeñas cantidades de impurezas contenidas en el cobre blister, sobre todo metales nobles, no se disuelven a baja diferencia de potencial y caen al fondo formando “lodos anódicos”. Estos lodos, que contienen hasta 40 % de plata se emplean para extraer los metales preciosos. El método descrito es un proceso pirometalúrgico. También es posible emplear métodos hidrometalúrgicos. La elección del procedimiento depende de la composición del mineral y del tipo de ganga. Por ejemplo un mineral que contenga CuCO3 y Cu(OH)2, se puede lixiviar con ácido sulfúrico, extrayendo el cobre como sulfato de cobre. CuCO3(s) + Cu(OH)2(s) + 2 H2SO4(ac)

2 CuSO4(ac) +CO2(g) +3H2O (l)

El cobre se separa por electrolisis empleando cátodos de cobre muy puro, se emplean también ánodos de plomo, los cuales no se disuelven. El siguiente esquema muestra de una manera gráfica el proceso de fabricación del cobre incluyendo la refinación electrolítica:

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CAPÍTULO 5

METALURGIA DEL COBRE GASES AIRE

MINERAL + ADITIVOS + COQUE

HORNO DE CUBA

ESCORIAS

SO2

MATA BRUTA Zn, Pb, As, Sb

CONVERTIDOR

COBRE NEGRO EVAPORADOR GAS DE CALDEO

+

COBRE BRUTO

ÁNODOS

CUBA ELECTROLÍTICA

HORNO DE FUNDICIÓN

ELECTRÓLISIS

CUESTIONARIO DE AUTOEVALUACIÓN 9

1. ¿Cuáles son loa principales tipos de minerales de cobre? 2. Mediante un esquema muestre cuales son las principales etapas de la metalurgia del cobre. 3. ¿Porqué razones es necesario concentrar los minerales de cobre? 4. Describa brevemente en que consiste la etapa de tostación de los minerales de cobre. 5. Explique como se lleva a cabo la reducción del óxido de cobre a cobre 6. ¿Qué es el cobre blister? 7. ¿Qué minerales son adecuados para la hidrometalurgia del cobre. 8. Describa brevemente en que consiste la refinación electrolítica del cobre. 9. De acuerdo con sus propiedades físicas y químicas describa cinco usos del cobre. 10. El latón y la plata alemana son aleaciones en donde participa el cobre, ¿ Cuáles son las composiciones más comunes de estas aleaciones.

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METALURGIAS DE ALGUNOS ELEMENTOS 5. 5 ESTAÑO El estaño se encuentra en la naturaleza en forma de dióxido de estaño SnO2 (0.2 – 5 % Sn). El mineral se llama casiterita y contiene como impurezas sulfuros de arsénico, hierro y molibdeno y también wolframita (FeWO4). Es preciso separar el estaño de estas impurezas pues forma con ellos estannatos que pasan a la escoria (p. ej. FeSnO3, PbSnO3, etc.), lo que daría lugar a grandes pérdidas de estaño. Aplicaciones El estaño tiene aplicaciones muy diversas. Es un metal blanco, brillante que se disuelve fácilmente en ácido clorhídrico es totalmente estable frente a los agentes atmosféricos, los ácidos orgánicos, etc. Además, el metal conserva su brillo y debido a esta propiedad se le emplea para fabricar vasijas muy resistentes a la corrosión. Se suele recubrir con estaño la placa de hierro, después de haber limpiado completamente de óxido la superficie por calentamiento al rojo y desengrasado químico, tras de lo cual se sumerge en estaño fundido. Este «moja» enseguida al hierro y lo recubre con una película muy adherente protegiéndolo contra la corrosión. Este recubrimiento se llama ”hojalata” y se ha empleado sobre todo para fabricar botes de conservas. Una ventaja especial es que el estaño no cambia en lo más mínimo el sabor de los alimentos enlatados. También se puede fabricar hojalata por vía electroquímica. El estaño, debido a su maleabilidad, se puede laminar en hojas muy delgadas que se utilizan para envolver alimentos y tienen siempre buen aspecto. El estaño se emplea en grandes cantidades para producir aleaciones (bronces, metales de soldar, etc..). Finalmente, las dos sales complejas (NH4)2SnCl6, sal de Pink y Na2Sn(OH)6, sal de preparación se utilizan como mordientes en tintorería, pues se descomponen sobre las fibras por la acción de la humedad y el calor y depositan SnO, sobre ellas, que se une muy sólidamente y cuando el tejido se pone en contacto con la disolución del colorante, éste es absorbido por el SnO, adherido a las fibras, con lo que se fija y no puede ser eliminado por decoloración o lavado. Producción Según cada caso, la eliminación de impurezas tiene lugar de modo diferente. El mineral se puede enriquecer parcialmente por métodos mecánicos, escogiéndolo a mano, por flotación, etc. Otros minerales de estaño se someten primero a una tostación oxidante, con oxidación de los sulfuros a sulfatos que son solubles en agua y se lixivían. Se puede llegar así a un concentrado de 70 % de estaño.

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CAPÍTULO 5 Los concentrados se mezclan con formadores de escoria y con carbón y se les somete a fusión reductora a 1 000° C en un horno de llama: SnO2(s) + 2 C(s)

Sn(l)+ 2 CO(g)

En esta operación se reducen también otros óxidos metálicos, por lo que el estaño bruto (99 %) contiene aún 1% de otros elementos que es preciso separar. Por otro lado, una parte del estaño queda en la escoria en forma de silicato de estaño (II) (SnSiO3), de dióxido de estaño y de estanato. La escoria contiene hasta 8 % de estaño y en ella permanece hasta un 25 % del estaño total cargado en el horno. Los polvos volátiles tienen también altos contenidos en estaño (70 %) y llevan hasta un 7 % del estaño total, por lo que el estaño de la escoria como el de los polvos debe ser recuperado. Los polvos se separan en cámaras de polvos y se reincorporan al horno de llama. Las escorias se calientan con hierro y carbón, con lo que el hierro forma silicato FeSiO3. y el dióxido de estaño liberado se reduce estaño metálico con el carbón. En otro proceso, se añade cal a la escoria y se funde de nuevo; con ello, se volatiliza el estaño en forma de óxido de estaño (II) SnO, se le separa como polvos y se lleva nuevamente al horno. El estaño bruto contiene 1 – 3 % de impurezas, principalmente Fe, Cu, As y Sb. Se le puede purificar calentándolo algo por encima de su punto de ebullición (233° C), pues de este modo solamente se funde el estaño y disuelve muy poco hierro y otras impurezas. Una parte del estaño no llega a fundirse porque forma con hierro una aleación de alto punto de fusión. La operación se realiza sobre placas de hierro ligeramente inclinadas por las que resbala el estaño fundido mientras que el residuo (la aleación estaño- hierro, llamada «granos de colada», aproximadamente un 10 % queda sobre la placa. Después de enfriar se le muele y se le mezcla nuevamente, con la masa de mineral a reducir. Los granos de colada se reincorporan al mineral a reducir o se les emplea en la elaboración de las escorias, por su alto contenido en hierro. Los restos de hierro que quedan en el estaño colado se eliminan calentando el estaño justamente por encima de su punto de fusión (233° C) y agitándolo con ramas verdes de abedul, con entrada de aire. El calor del baño elimina el agua de la madera verde y el vapor agita fuertemente el baño. Lo mismo sucede con otras impurezas metálicas que pasan a la espuma, que también contiene algo de estaño. Se retira la espuma y el estaño se cuela en lingotes. La espuma vuelve a la reducción. El estaño refinado contiene 99.6 – 99.9 % de estaño.

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METALURGIAS DE ALGUNOS ELEMENTOS

CUESTIONARIO DE AUTOEVALUACIÓN 10 1. En que forma se encuentra el estaño en la naturaleza y cual es el nombre de su principal mineral. 2. Mediante un diagrama simplificado describa la metalurgia del estaño 3. Escribe la reacción de obtención del estaño mediante la reducción del SnO2. 4. ¿ Qué metales se encuentran como impurezas en el estaño en bruto? 5. Describa la forma como se elimina el hierro del estaño 6. Describa brevemente como se refina el estaño en bruto? 7. ¿Qué es la hojalata? 8. Describa dos usos del estaño 9. Escriba las fórmulas de los compuestos de estaño que son utilizados como mordientes en tintorería.

5.6 MAGNESIO Estado natural El magnesio se encuentra en la naturaleza como magnesita MgCO3., dolomita MgCO3, CaCO3 carnalitia KCl – MgCl2 . 6H20 y también en el agua de mar. Propiedades El magnesio es un metal muy ligero, su densidad es sólo de 1,7 g/cm 3. Funde a 600° C y hierve a 1102° C. Es blando y se corta con facilidad. En contacto con una llama caliente se enciende y se quema produciendo una llama blanca muy intensa. El magnesio encendido reacciona con el dióxido de carbono, formando óxido de magnesio y carbono libre: 2 Mg(s) + CO2 (g)

2 MgO(s) + C(s)

El metal no es estable frente a los ácidos o vapores de ácido en el aire.

Aplicaciones

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CAPÍTULO 5 El magnesio en polvo se ha utilizado para la producción de luz en fotografía o para fuegos artificiales en gran escala, el magnesio también es un componente importante de aleaciones, pues modifica las propiedades de los metales con los que se alea (aluminio, cinc, silicio, etc.) produciendo materiales de construcción mucho más valiosos. El magnesio ha alcanzado gran importancia en la formación de la “fundición grafítica nodular” del acero. Debido a su estructura interna, esta fundición tiene una resistencia a la tracción nueve veces superior a la de la fundición ordinaria. En la industria de maquinaria se utiliza magnesio en gran escala como componente de aleaciones ligeras de alta resistencia. Con esto se logran grandes reducciones de peso, lo que tiene especial importancia en la técnica aeronáutica y del automóvil. Producción El método más aplicado hoy para la producción de magnesio es la electrólisis en fase fundida de cloruro de magnesio anhidro. Se calienta el carbonato de magnesio en corriente de cloro a 712° C, en un horno y en presencia de coque. Se forma cloruro de magnesio, monóxido y dióxido de carbono: MgCO3(s) + C(s) + CI2(g)

MgCl2 (s) + CO2(g) + CO(g)

El cloruro de magnesio formado fluye fundido en la celda de electrólisis. Entre los electrodos hay paredes de separación que penetran en el fundido hasta la profundidad necesaria para que el cloro gaseoso vaya al dispositivo de evacuación de gases. Los ánodos son de grafito y los cátodos son enrejados de acero. Al cloruro de magnesio se le añaden cloruros alcalinos y alcalinotérreos para disminuir el punto de fusión pero que no se descomponen electrolíticamente. La temperatura del baño es de 675 a 725 ° C. El magnesio electrolítico tiene un grado de pureza de 99,5 %. También se ha puesto a punto un método directo para la fabricación de magnesio metálico por reducción de óxido de magnesio con carbono. Este método requiere una temperatura de reacción superior a 2000°C y tiene lugar la siguiente reacción: 2000°C MgO(s) + C(s) Mg(s) + CO(g) Sin embargo, entre 2 000 y 1 000° C (al enfriar) el monóxido de carbono puede oxidar de nuevo al magnesio a óxido de magnesio, por lo que el proceso sólo se puede llevar a cabo si la mezcla de monóxido de carbono y vapor de magnesio se enfría rápidamente a menos de 1 000° C por medio de un gas de refrigeración. Con este fin sólo se pueden emplear hidrógeno y helio, pero con helio el magnesio saldría muy caro y con el hidrógeno existe constante peligro de explosión.

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METALURGIAS DE ALGUNOS ELEMENTOS En el siguiente esquema se muestra de manera gráfica el método industrial de obtención de magnesio: METALURGIA DEL MAGNESIO MgCO3 + Cl2 + C

MgCl2 + CO2 + CO

Cl2

DOLOMITA + COQUE +

Cl2

-

MgCl2 FUNDIDO

-

CUBA ELECTROLÍTICA

MAGNESIO METÁLICO

En los Estados unidos de América se desarrolló el método Pidgeon. Se calienta dolomíta calcinada y ferrosilicio a 1100° C en retortas de acero especial, con lo que el silicio reduce al magnesio, formándose silicatos de hierro y de calcio. El magnesio formado destila en un vacío de aproximadamente 1 mm Hg.

CUESTIONARIO DE AUTOEVALUACIÓN 11 1. Escriba el nombre los tres principales minerales que contienen magnesio, y diga cual es principal compuesto de magnesio presente. 2. Escriba las reacciones químicas que implican la transformación del carbonato de magnesio a cloruro de magnesio. 3. ¿De qué manera se lleva a cabo la electrolisis del cloruro de magnesio para obtener el metal puro? 4. Mediante un diagrama simplificado muestre en que consiste la metalurgia del magnesio. 5. Describa tres usos del magnesio.

5.7 PLOMO Estado natural 77

CAPÍTULO 5

El plomo se encuentra en la naturaleza principalmente como sulfuro, llamado galena, que contiene siempre sulfuro de cinc y muchas veces plata (hasta 0.2 %), como impurezas. Los mayores yacimientos se encuentran en Canadá, Sudamérica, Australia y Groenlandia. Propiedades Es un metal blando y brillante en la superficie de cortes recientes. Este brillo desaparece en pocos segundos, Pues la superficie limpia absorbe oxígeno y se forma una capa mate, no transparente, que protege al metal de un posterior ataque del oxígeno. El metal es estable frente a los ácidos (excepto ácido nítrico y sulfúrico concentrado y caliente). Funde a 327 °C y tiene una densidad de 11,4 g/cm3. El plomo y sus compuestos son muy venenosos y es también perjudicial el contacto continuo con el metal Aplicaciones El plomo se emplea mucho como material de construcción en la industria química, debido a su alta resistencia a la corrosión. Se utiliza para revestimiento de recipientes donde vayan a reaccionar ácidos calientes, exceptuando los muy oxidantes, como el ácido nítrico. El método de las cámaras de plomo para la fabricación de ácido sulfúrico emplea grandes espacios de reacción revestidos de plomo. Otros ejemplos de empleo del plomo como material de construcción son tuberías, sifones y forros de cables, su resistencia a la corrosión es tanto mayor cuanto más alto es su grado de pureza. El plomo sigue siendo de la mayor importancia para la industria de acumuladores. Una gran zona de aplicación para el plomo es el sector productor de las aleaciones. El metal de los cojinetes es una aleación de plomo, antimonio, estaño y cobre. El plomo se utiliza también en la fabricación de pigmentos. El blanco de plomo es un carbonato básico y el amarillo de plomo es un cromato. Actualmente se ha cuestionado seriamente el uso de pigmentos de plomo basándose en el gran potencial de contaminación, por contacto directo.

Producción

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METALURGIAS DE ALGUNOS ELEMENTOS

El mineral, con un contenido entre 2 y 8 % de Pb, se tritura y se muele a polvo fino , se concentra por flotación hasta una pureza de 60 – 70 % de Pb. Al concentrado se añaden los aditivos de acuerdo a las impurezas presentes y, se tuesta en un horno y simultáneamente se le aglomera en trozos grandes. En la tostación el sulfuro de plomo se transforma en óxido. 2 PbS(s) + 3 O2(g)

2 PbO(s) + 2 SO2(g)

La aglomeración es necesaria pues el producto tostado se tiene que reducir a plomo metálico por medio de coque y en un horno especial, esta reducción no es posible con el material molido, sino que se requieren trozos grandes. En el horno de cuba el óxido de plomo se reduce a plomo metálico: PbO(s) + C(s)

Pb(l) + CO(g)

Se forma el plomo impuro y una escoria, en la que se encuentra el zinc, que puede extraerse posteriormente. El plomo impuro contiene todavía cobre arsénico, antimonio y estaño, metales preciosos y bismuto. Estas impurezas se separan de distintos modos. Para eliminar el cobre se calienta el plomo a 350 – 400° C, con lo que los metales y compuestos metálicos insolubles y de menor densidad suben a la superficie y pueden retirarse. Así se separan cobre, níquel, sulfuros y arseniuros ligeros. Para eliminar arsénico, antimonio y estaño, el plomo impuro se calienta a 800 °C y se burbujea aire sobre el metal fundido. Los metales impureza se oxidan y se les puede retirar de la superficie del baño. El proceso se puede acelerar inyectando vapor de agua. El Cinc y plomo fundidos no son miscibles en todas las proporciones. Si se deja enfriar lentamente el baño, en su superficie se separa una espuma que es una aleación de plata, plomo y zinc (en algunos casos hay también oro y otros metales como platino). De ella se extraen los metales nobles posteriormente, prensándola para expulsar el plomo, separando el zinc por destilación y sometiendo el residuo a oxidación en caliente. Con esto, el plomo pasa a óxido de plomo y se libera la plata. El plomo purificado contiene aún 0.6 %, de zinc, que se oxida a ZnO se trata con ramas verdes o vapor de agua y se quita de la superficie la espuma producida. El plomo contiene aún bismuto que solamente se elimina cuando excede del 1 % o cuando se desea producir un plomo especialmente puro. En ambos casos, se somete al plomo a una electrólisis, de manera análoga a la purificación del cobre. Se emplean como ánodos placas de plomo impuro y láminas delgadas de plomo electrolítico como cátodos. Como electrolito se emplea una disolución de PbSiF6 y H2SIF6 (hexafluorurosilicato de plomo y ácido hexafluorosilícico). El plomo electrolítico tiene una pureza de 99.95 a 99.995 %.

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CAPÍTULO 5 A continuación, se muestra de una manera gráfica el proceso industrial, para la obtención de este peligroso metal:

METALURGIA DEL PLOMO SO2

MINERAL FLOTACIÓN GANGA

HORNO DE TOSTACIÓN

CONCENTRADO

CO REDUCCIÓN CON COQUE PLOMO DE OBRA VAPOR DE AGUA

ESCORIA IMPUREZAS

PURIFICACIÓN

AIRE Ag y Zn VAPOR SOBRECALENTADO REFINACIÓN CINC PLOMO ELECTROLÍTICO

CELDA ELECTROLÍTICA

PLOMO REFINADO

CUESTIONARIO DE AUTOEVALUACIÓN 12 1. Describa con palabras las propiedades del plomo 2. ¿Cuáles son los principales minerales del plomo? 3. Escriba las reacciones principales que se llevan a cabo en la obtención de plomo a partir de PbS. 4. Describa la forma en que se eliminan las impurezas del plomo 5. En que consiste la purificación electrolítica del plomo. 6. Mediante un diagrama muestre las etapas principales de la metalurgia del plomo. 7. Describa brevemente las principales aplicaciones del plomo.

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