Metodos De Obtencion De Metales.pptx

Métodos de obtención de metales de transición Dra. ZUNILDA N.CABRERA DEL CARPIO DE MORALES

Preparación de los metales de transición • Preparación de metales de transición. • Para completar la generalización de las características y propiedades de los elementos de transición, y debido a la importancia tecnológica y comercial que tienen estos metales en la vida moderna, realizaremos a continuación un resumen de los métodos principales de extracción y preparación de los metales de transición.

Preparación de los metales de transición • Los métodos más comunes de reducción incluyen: • a) reducción de los óxidos con carbón, hidrógeno o aluminio • b) reducción de cloruros • c) electrólisis de sales fundidas o en disolución.

Reducción de los óxidos con carbón, hidrógeno o aluminio. • Con independencia de cuál sea el agente reductor seleccionado, este tipo de proceso debe ser realizado a altas temperaturas, lo cual implica el encarecimiento del mismo. De hecho, temperaturas superiores a los 2000 oC son económicamente impracticables. Es por ello que, siempre que sea posible por las características químicas del sistema, se escoge el carbono, generalmente coke, como agente reductor, ya que es un reductor relativamente económico, además de las ventajas que proporciona desde el punto de vista químico.

Reducción de los óxidos con carbón, hidrógeno o aluminio. • Atendiendo a criterios termodinámicos, la reducción de óxidos con carbono sigue el siguiente esquema de reacción: MO+C→M +CO La producción de CO incrementa la entropía grandemente, por lo que para lograr un valor suficientemente alto de la variación de la energía libre, no se requieren temperaturas demasiado elevadas. La mayoría de los metales se extrae de sus óxidos por reducción con carbón

Reducción de los óxidos con carbón, hidrógeno o aluminio. • Sin embargo, tratándose de usar al carbono como reductor los elementos de transición tienen un problema a considerar, que es la formación de carburos intersticiales. De aquí que este método no pueda ser usado para obtener Ti, V y Cr, ya que ocurriría preferentemente la siguiente reacción (ejemplificado para el Ti):

TiO2(s) + 3 C(s) → TiC(s) + 2 CO(g)

Reducción de los óxidos con carbón, hidrógeno o aluminio. • Por el contrario, es el método más utilizado para obtener los metales Mn, Fe, Co y Ni, aunque de forma impura (en realidad, para la mayor parte de sus aplicaciones, no es esencial obtener Fe puro): Mn3O4(s) + 4 C(s) → 3 Mn(s) + 4 CO(g) Co2O3(s) + 3 C(s) → 2 Co(s) + 3 CO(g) Fe2O3(s) + C(s) → 2 FeO(s) + CO(g)

Reducción de los óxidos con carbón, hidrógeno o aluminio. • El CO producido en estas reacciones es, en sí mismo un agente reductor, por lo que puede formularse un proceso como el que sigue: CO(g) + FeO(s) → Fe(s) + CO2(g) El CO2 producido se reconvierte a CO con exceso de carbono: CO2(g) + C(s) = 2 CO(g)

Reducción de los óxidos con carbón, hidrógeno o aluminio. • Cuando se requiere que el metal no contenga carbono, se emplea entonces el hidrógeno como reductor, el cual es peligroso para al trabajo a altas temperaturas y además, no es tan barato ni efectivo, pero resulta útil a los efectos deseados:

Co2O3(s) + 3 H2(g) → 2 Co(s) + 3 H2O(g)

Reducción de los óxidos con carbón, hidrógeno o aluminio. • De modo alternativo, si la temperatura requerida para la reducción con carbono es muy alta, y considerando que el problema de la contaminación con gases de efecto invernadero es importante, se puede emplear un metal activo como agente reductor, estando entre los más usados el Ca, Mg y Al. • El proceso que tiene lugar se conoce como “reacción de la termita” y es el más usado para la obtención de Cr y aleaciones Fe – V y Fe – Ti libres de carbono

Reducción de los óxidos con carbón, hidrógeno o aluminio. • Cuando se emplea aluminio (K. Goldschmidt), la reacción suele denominarse como “aluminotermia” y es un proceso que debe ser iniciado mediante un agente externo, pero una vez activada la reacción, ésta se auto mantiene hasta que finaliza debido a que es un proceso sumamente exotérmico La energía liberada eleva la temperatura del sistema hasta tal punto que el metal obtenido funde y por su mayor densidad respecto a la escoria, se deposita en el fondo del crisol del cual se extrae posteriormente. El proceso puede ser representado mediante la ecuación siguiente: Cr2O3(s) + 2 Al(s) = 2 Cr(s) + Al2O3(s)

Reducción de cloruros. • Los haluros de los metales de transición pueden ser reducidos con metales alcalinos, alcalino-térreos, hidrógeno o por descomposición térmica simplemente. • El método de producción de metales por reducción haluros más empleado aún en la actualidad es el desarrollado por W. Kroll en 1938, mediante el cual aún se obtiene virtualmente todo el titanio que demanda la tecnología moderna

Reducción de cloruros. • Se parte del mineral que contiene al titanio, generalmente rutilo, y a partir del óxido se obtiene el TiCl4 mediante el empleo de carbono y cloro (se requiere un agente desoxigenante (que es el carbono en este caso para facilitar la ruptura de los enlaces Ti – O). • El proceso, que debe ser realizado en atmósfera inerte (para evitar la oxidación del carbono y la hidrólisis del TiCl4, se representa por la siguiente ecuación: TiO2(s) + 2 Cl2(g) + C(s) TiCl4(g) + CO2(g T > 800 oC

Reducción de cloruros. • Posteriormente se reduce el TiCl4 con Mg ó Na en atmósfera de argón (para evitar la oxidación de los metales que participan en la reacción, entre otros factores): 950- 1150°C TiCl4(g) + 2 Mg(l ) Ti(s) + 2 MgCl2(s)

Reducción de cloruros. El proceso resulta ser caro, pero su uso se justifica por las siguientes razones: • El titanio, a diferencia del hierro, debe ser muy puro para la mayoría de sus usos, ya que las impurezas lo hacen más duro y quebradizo (menos dúctil). • El titanio tiene una gran afinidad por el oxígeno y por el carbono, (los enlaces del óxido son difíciles de romper y se forman fácilmente enlaces con el carbono) por lo que no puede ser reducido con carbono solamente. • El titanio forma compuestos intersticiales con hidrógeno y con nitrógeno, por lo que debe evitarse la presencia de estas sustancias, razón por la que adicionalmente a las antes apuntadas, hay que emplear argón como atmósfera protectora. • La eliminación del MgCl 2 puede realizarse por lixiviación con agua o por sublimación al vacío

Reducción de cloruros. • Existen procesos de purificación de metales de transición que se basan en la formación y descomposición térmica de haluros, siendo uno de ellos el ideado por Van Arkel y de Boer. Este método es la única vía de obtener al zirconio en alto grado de pureza. El fundamento del proceso es el siguiente. Teniendo en cuenta que la reacción: Zr(s) + 2 I2(g) ZrI4(g) ΔH<0

Método de Van Arkel para la purificación de zirconio.

Reducción de cloruros. • Es exotérmica, la misma se favorecerá a temperaturas más bajas (T1 = 600 – 650 oC). • El ZrI4(g) producido se difunde por la cámara y cuando alcanza la zona donde un filamento de wolframio incandescente se encuentra a la temperatura T2 (T2 = 1750 – 1850 oC), lo cual se logra por aplicación de una corriente o potencial eléctrico, se produce la reacción inversa, que es endotérmica: ZrI4(g) → Zr(s) + 2 I2(g) ΔH>0

Reducción de cloruros. • En este caso particular, el reactor (purificacion de metales)es un ámpula en la cual se introducen el zirconio impuro y el yodo y luego se sella al vacío. Esta ámpula se introduce en un horno que se encuentra a la temperatura T1, con lo cual se produce la reacción entre el Zr impuro y el yodo; el ZrI4 que se produce migra por el interior de la cámara y cuando llega al filamento de wolframio que se encuentra a la temperatura T2, se descompone térmicamente produciendo un depósito de W puro sobre el filamento y liberando el yodo gaseoso, que nuevamente reacciona con Zr impuro

Métodos electrolíticos. • La mayoría de los metales de transición, a diferencia de los metales representativos, pueden ser obtenidos a partir de disoluciones acuosas de sus sales debido a sus mayores potenciales de reducción. Solamente el escandio debe ser obtenido a partir de sales fundidas, pero el producto obtenido no es muy puro, por lo que se prefieren otros métodos. • Los procesos electrolíticos encuentran su mayor aplicación en este caso, en la purificación de metales de transición tales como el Cu, el Ni y el Cr. El ánodo en la celda está constituido el metal impuro y el baño es una disolución acuosa del sulfato o el cloruro; sobre el cátodo se deposita el metal muy puro. Las impurezas quedan en la zona del ánodo y se les denomina “barro anódico”. Este procedimiento es muy utilizado para recubrimiento de piezas con estos metales, con lo cual se protegen de la oxidación al mismo tiempo que adquieren un acabado muy brillante y duradero

Métodos electrolíticos. • La electrorrefinación se lleva a cabo mediante el sistema múltiple (paralelo), en el que ánodos y cátodos están intercalados en un acomodo eléctricamente en paralelo en el interior de la celda electrolítica. Con este sistema, todos los ánodos están a un solo potencial eléctrico y todos los cátodos están en otro potencial más bajo. Cada ánodo está colocado entre dos cátodos, de manera que se disuelven electroquímicamente a velocidad similar. • Las celdas están conectadas en serie para formar secciones. Cada serie, de 26 a 42 celdas, constituye una parte independiente que puede ser aislada eléctrica y químicamente para las operaciones de colocación y retiro de electrodos, limpieza de residuos y mantenimiento

Métodos electrolíticos. • Las secciones están conectadas eléctricamente para que la tensión total sea del orden de 100 a 250 V dependiendo del equipo de rectificación CA/CD de la planta. • Las celdas de refinación electrolítica están hechas de concreto reforzado (en forma de bloques o de monolito), revestidas con plomo antimonial (de 3 a 6 % de Sb) o láminas de PVC blando. En años recientes ha habido una tendencia hacia el uso de revestimientos y materiales de tubería orgánicos para toda la refinería, particularmente cloruro de polivinilo. Estos materiales son más ligeros que el plomo y su resistencia al deterioro en un medio ácido es satisfactoria

Métodos electrolíticos. • La electrorrefinación comienza con el flujo de electrolito a través de la hilera o sección de celdas de la refinería recientemente limpiadas, seguida por la colocación en grupo de un conjunto completo de ánodos y cátodos en cada celda. • En las refinerías modernas, los ánodos y los cátodos están cuidadosamente espaciados por medio de grúas de posición fija, lo que disminuye considerablemente las probabilidades de un corto circuito accidental. • Una vez instalados los ánodos y cátodos, se conecta la energía eléctrica y el cobre se corroe gradualmente en los ánodos para depositarse sobre los cátodos. Lo usual es que un ánodo permita producir dos cátodos, proceso que se extiende por 12 a 14 días .

Métodos electrolíticos. • Al final de un ciclo, cada ánodo ha sido disuelto electroquímicamente en casi el 85 %. Los restos de los ánodos sin disolver (desperdicio o chatarra) se retiran de las celdas y después de lavados, se funden y se vuelven a vaciar como ánodos nuevos. Se retira el electrolito de las celdas y los residuos del ánodo se canalizan hacia un sistema de donde se recolectan y desde donde son transportados a la planta de recuperación de metales preciosos. Entonces comienza de nuevo el ciclo de refinación. • Los cátodos finales pesan entre 100 y165 kg., lo que facilita su manejo posterior.

Métodos electrolíticos. Control de los Procedimientos de Refinación • Los factores técnicos más importantes en la electrorrefinación son: • a) Pureza del cátodo. b) Producción. c) Consumo de energía por toneladas de cátodo. • Las variables más importantes que determinan estos parámetros son: • a) Calidad del ánodo (uniformidad en la forma y peso). b) Condiciones del electrolito (pureza, temperatura, velocidad de circulación). c) Densidad de corriente del cátodo. • El control del espaciamiento entre los electrodos y la prevención de cortos circuitos también son importantes.