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Proceso de producción de aluminio
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Proceso de producción de aluminio

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  • 1. ALUMINIOGENERALIDADES- PRODUCCIONProfesora: MAZZINI, NoraCEPEDA NELSON
  • 2. ALUMINIOCEPEDANELSON Introducción En el grupo 13 encontramos por vez primera elementos con más de un estado de oxidación. El aluminio tiene el estado de oxidación +3, ya sea que sus enlaces sean iónicos o covalentes. En virtud de que el aluminio es un metal con un gran potencial de reducción estándar negativo, es de esperar que sea muy reactivo. Así es, en efecto. Entonces, ¿por qué se puede usar el aluminio como metal ordinario en vez de quedar confinado al laboratorio de química como el sodio? La respuesta nos la da su reacción con el oxígeno gaseoso. Cualquier superficie expuesta de aluminio metálico reacciona rápidamente con el oxígeno para formar óxido de aluminio. En estas condiciones, una capa impermeable de óxido, de entre 10- 4 y 10- 6 mm de espesor, protege las capas de átomos de aluminio subyacentes. Esto sucede porque el ion oxígeno tiene un radio iónico (124 pm) similar al radio metálico del átomo de aluminio (143 pm). En consecuencia, el empaque superficial prácticamente no cambia porque los pequeños iones aluminio (68 pm) encajan en los intersticios de la estructura del óxido superficial. El especial atractivo del aluminio como metal de construcción es su baja densidad superior únicamente a la del magnesio si no tomamos en cuenta a los metales alcalinos muy reactivos. Por ejemplo, compárese la densidad del aluminio con la del hierro o la del oro. El aluminio es buen conductor del calor, propiedad que explica su uso en los utensilios de cocina. Sin embargo, este metal no es tan bueno como el cobre para conducir el calor. A fin de distribuir el calor de manera más uniforme a partir del elemento eléctrico (o la flama de gas), el fondo de las cacerolas de más alto precio se recubre con cobre. El aluminio también es excepcional como conductor de la electricidad; de ahí su importante función en las líneas de energía eléctrica y en el cableado doméstico. El problema principal que plantea el uso de cableado de aluminio está en las conexiones. Si el aluminio se une a un metal electroquímicamente disímil, como el cobre, por ejemplo, se establece una celda electroquímica en condiciones de humedad. Esto causa oxidación (corrosión) del aluminio. Ésta es la razón por la que hoy en día no se recomienda el uso de aluminio en el cableado doméstico. Producción del aluminio El descubrimiento de un método electrolítico por el químico francés Henri Sainte- Claire Deville y el menguante costo de la electricidad, hizo que el precio del aluminio metálico cayese de manera espectacular a finales del siglo XIX. Sin embargo, la producción del metal en gran escala exigía un método capaz de utilizar una mena de bajo costo y fácilmente disponible. Dos jóvenes químicos, uno en Francia, Paul Héroult, y uno en Estados Unidos, Charles Hall, encontraron esta ruta de manera independiente en 1886. Por tanto, el proceso se conoce como proceso Hall-Héroult. De hecho, era la hermana de Charles, Julia, quien tenía una formación química más sólida y quien llevaba las notas pormenorizadas de los experimentos. 2
  • 3. ALUMINIOCEPEDANELSON El aluminio es el metal más abundante en la corteza terrestre, principalmente en forma de arcillas. Hasta la fecha no se dispone de una ruta económica para extraer aluminio de la arcilla. Sin embargo, en los ambientes cálidos y húmedos los iones más solubles son lixiviados de la estructura de la arcilla para dejar el mineral bauxita (óxido de aluminio hidratado impuro). Por tanto, los países que producen bauxita son principalmente los cercanos al ecuador, entre los cuales la fuente más grande es Australia, seguida de Guinea, Brasil, Jamaica y Surinam. La primera etapa del proceso de extracción es la purificación de la bauxita. Esto se consigue mediante la digestión (calentamiento y reacción) del mineral triturado con solución de hidróxido de sodio caliente para dar el ion aluminato soluble: Los materiales insolubles, en especial el óxido de hierro (III), se eliminan por filtración en forma de "lodo rojo". El ion hierro (III) y el ion aluminio tienen numerosas similitudes entre sí, pero difieren en el hecho de que el aluminio es anfótero y reacciona con el ion hidróxido, en tanto que el óxido de hierro(III) no reacciona con el mismo ion. Al enfriarse la solución, el equilibrio se desplaza a la izquierda y se precipita el trihidrato de óxido de aluminio, en tanto que las impurezas solubles quedan en solución: El hidrato se calienta fuertemente en un horno rotatorio (similar al que se utiliza en la producción de cemento) para obtener óxido de aluminio anhidro: Con sus elevadas cargas iónicas, el óxido de aluminio tiene una energía reticular muy grande y por tanto un alto punto de fusión (2040°C). Para electrolizar el óxido de aluminio, sin embargo, era necesario encontrar un compuesto de aluminio con un punto de fusión mucho más bajo. Hall y Héroult anunciaron simultáneamente el descubrimiento de este compuesto de aluminio de más bajo punto de fusión, el mineral criolita, cuyo nombre químico es hexafluoroaluminato de sodio. Hay pocos depósitos naturales de este mineral; Groenlandia tiene el más grande de ellos. Debido a su escasez casi toda la criolita se fabrica. Éste es en sí mismo un proceso interesante, porque el punto de partida es normalmente un material residual, el tetrafluoruro de silicio, que se produce en la síntesis de fluoruro de hidrógeno. El tetrafluoruro de silicio gaseoso reacciona con el agua para dar dióxido de silicio insoluble y una solución de ácido hexafluorosilícico, un compuesto fluorado relativamente inocuo: Los detalles de la química que se lleva a cabo en la celda electrolítica aún no se conocen bien, pero la criolita actúa como electrólito. El óxido de aluminio se 3
  • 4. ALUMINIOCEPEDANELSON disuelve en la criolita fundida a alrededor de 950°C. El aluminio fundido se produce en el cátodo, y el oxígeno que se forma en el ánodo oxida el carbono a monóxido de carbono (y un poco de dióxido de carbono): El proceso consume mucha energía, pues requiere corrientes de alrededor de A a 6 V. De hecho, aproximadamente el 25 por ciento del costo del aluminio metálico se debe al elevado consumo de energía. La producción de 1 kg de aluminio consume alrededor de 2 kg de óxido de aluminio, 0.6 kg de carbono anódico, 0.1 kg de criolita y 16 Kw/h de electricidad. La producción de aluminio genera cuatro productos secundarios que crean importantes problemas de contaminación: 1. Lodo rojo, que se produce en la purificación de la bauxita y es fuertemente básico. 2. Fluoruro de hidrógeno gaseoso, que se produce cuando la criolita reacciona con los rastros de humedad del óxido de aluminio. 3. Óxidos de carbono, que se producen en el ánodo. 4. Fluorocarbonos, que se producen por reacción del flúor con el ánodo de carbono. Con el propósito de reducir el problema de la eliminación del lodo rojo, la suspensión se vierte en tanques de sedimentación, de los cuales el componente líquido, que es en su mayor parte solución de hidróxido de sodio, 4
  • 5. ALUMINIOCEPEDANELSON se extrae y se recicla o se neutraliza. El sólido, que es principalmente óxido de hierro (III), se puede utilizar entonces como relleno de tierras o enviarse a las fundidoras de hierro, donde se extrae el metal. El problema de qué hacer con las emisiones de fluoruro de hidrógeno gaseoso se ha resuelto en gran medida absorbiendo el fluoruro de hidrógeno en un lecho de filtración de óxido de aluminio. El producto de este proceso es fluoruro de aluminio: Este fluoruro se puede agregar periódicamente al material fundido, con lo que se consigue reciclar el fluoruro de hidrógeno. Una solución parcial al problema de cómo deshacerse de los grandes volúmenes de óxidos de carbono que se producen consiste en quemar el tóxico monóxido de carbono, un proceso que genera el dióxido y suministra parte del calor que se requiere para la operación de la planta de aluminio. Sin embargo, el método electrolítico produce inevitablemente estos dos gases y, en tanto no se idee un proceso económico alternativo, la producción de aluminio continuará aportando dióxido de carbono a la atmósfera. Por cada tonelada de aluminio se produce aproximadamente 1 kg de tetrafluorometano, y alrededor de 0 .1 kg de hexafluoroetano. Estos compuestos ocupan el segundo lugar, después de los clorofluorocarbonos (CFC), como contribuyentes al efecto de invernadero. El problema de los fluorocarbonos no se ha resuelto aún, y es objeto de considerable investigación por parte de las compañías fabricantes de aluminio. Un adelanto ha sido la adición de carbonato de litio a la mezcla fundida en la celda electrolítica. La presencia del carbonato de litio baja el punto de fusión de la mezcla, lo que resulta en una corriente más alta y por ende en mayor eficiencia. Al mismo tiempo, la presencia de un compuesto reduce las emisiones de flúor de 25 a 50 por ciento, lo que disminuye la producción de fluorocarbonos. Los principales productores de aluminio metálico y los proveedores de bauxita no son los mismos. El productor más grande de aluminio metálico es Estados Unidos. La gran demanda de energía del proceso de producción favorece a los países que cuentan con fuentes de energía baratas. Así pues, Canadá y Noruega, ninguno de los cuales es productor de bauxita ni un gran consumidor de aluminio, se cuentan entre los cinco productores más importantes de aluminio metálico. Ambos países disponen de energía hidroeléctrica de bajo costo y puertos de aguas profundas que facilitan la importación del mineral y la exportación de aluminio metálico. La mayor parte del valor agregado al material proviene de las etapas de procesamiento. No obstante que el mundo desarrollado depende fuertemente de los países del tercer mundo para la obtención de la materia prima, el tercer mundo recibe relativamente poco en términos de ingresos derivados de la fase de explotación minera. Alrededor del 25 por ciento de la producción de aluminio metálico se utiliza en la industria de la construcción, con menores proporciones destinadas a la fabricación de aeronaves, camiones y vagones de ferrocarril de pasajeros (18 por ciento), recipientes y embalaje (17 por ciento) y líneas de energía eléctrica (14 por ciento). 5
  • 6. ALUMINIOCEPEDANELSON Debido a que la extracción del aluminio consume tanta energía y a que su producción tiene tantas implicaciones de carácter ecológico, el reciclaje del aluminio punto a concientizar en los fabricantes de este preciado metal. Bibliografía Química Inorgánica Descriptiva, Segunda Edición [Geoff Rayner Canham]. “Sector de la Industria del Aluminio y sus manufacturas” http://www.argentinatradenet.gov.ar/sitio/estrategias/Aluminio%20y%20sus%20man ufacturas.pdf 6

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