Introduccion a la metalurgia

5,697 views

Published on

Introducción a la metalurgia

1 Comment
0 Likes
Statistics
Notes
  • Be the first to like this

No Downloads
Views
Total views
5,697
On SlideShare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
2
Actions
Shares
0
Downloads
285
Comments
1
Likes
0
Embeds 0
No embeds

No notes for slide
  • Refractarios ácidos.- Contienen cantidades importantes de SiO2 que reacciona con refractarios básicos a ­ T p.e. refractarios basados en SiO2, en Al2O3 y en arcillas · Refractarios básicos.- Refractarios que reacciona con refractarios ácidos a ­ T p.e. MgO, dolomita (CaCO3.MgCO3) y cromita · Refractarios neutros.- Refractarios que no reacciona con refractarios ácidos ni con básicos a ­ T p.e. Carbón y mullita, · Refractarios especiales.- Incluye materiales Refractarios de alto coste: ZrO2, SiC, Si3N4,..
  • Introduccion a la metalurgia

    1. 1. Tema 1.Fundamentos de metalurgia extractiva Química Aplicada a la IngenieríaGrado en Ingeniería de las Tecnologías Industriales Dpto. Química Física y Química Inorgánica
    2. 2. Contenidos• 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
    3. 3. Los metaleshttp://www.dayah.com/periodic/
    4. 4. Importancia 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
    5. 5. 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
    6. 6. Teoria de Drude: Mar de electrones • Conductividad: electrones “libres” • Altos NC: no direccional
    7. 7. Teoría de Drude o del mar de electrones Explica la conductividad eléctrica y térmica, la ductilidad y maleabilidad, la formación de aleaciones, los puntos de fusión y las densidades.
    8. 8. Teoria de bandasBasada en la Teoria de Orbitales Moleculares Solapamiento de orbitales atómicos Formación de orbitales moleculares
    9. 9. Teoría de bandas• Formación de bandas.
    10. 10. Teoria de bandas• Formación de bandas que explican la conductividad.
    11. 11. Teoria de bandas• En los metales, las bandas estan muy juntas o incluso solapan • Conductividad.
    12. 12. Estructuras de bandas en los metales (conductores) 3p 3p 3s E E 3s 2p 2p 2s 2s 1s 1s MgNa
    13. 13. Estructuras• Estructuras cristalinas (ordenadas, periodicas) • compactas (máximo empaquetamiento) • Cubico compacto • Hexagonal compacto
    14. 14. Empaquetamientos compactoshttp://www.hull.ac.uk/php/chsajb/general/closepacked.html ABAB:hcp ABCABC:ccp
    15. 15. Empaquetamiento hexagonal compacto• Capas A-B-A-B-A…….
    16. 16. Empaquetamiento cubico compacto• Empaquetamiento A-B-C• Azul: capa A• Dorado: capa B• Verde: capa C
    17. 17. EstructurasCasi todos estructuras compactas (cubica compacta (fcc) o hexagonalcompaca (hc)o muy compactas (cubica centrada en el cuerpo (bcc)
    18. 18. PolimorfismoPolimorfismo: un elemento presenta diferentes estructurasdependiendo de las condiciones de P y T α-Fe bcc, estable hasta 906ºC γ-Fe fcc, estable hasta 1401ºC α-Fe bcc,estable hasta el punto de fusión a 1530ºC β-Fe hcp, altas presiones
    19. 19. Reactividad de los elementos metálicosLa reactividad de los metales está en relación con la facilidad con laque se oxidan. La tabla de potenciales predice ésta. Se oxidan fácilmente (Eox>0) No se oxidan fácilmente (Eox<0) Potenciales normales de reducción a 25ºC
    20. 20. Espontaneidad 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 >0Ej: 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
    21. 21. Ejercicios• 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 usarEj: 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
    22. 22. Ejercicios• 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= 0.13VPb se disuelve solo ligeramente. Pero si el pH del agua disminuye, la oxidaciónpuede ser más importante y dar problemas de salud
    23. 23. Ejercicios• Utilizando los potenciales normales, explicar por qué el Au existe como metal libre en la naturalezaSegún 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= -2.23VAu no se disuelve en presencia de oxígeno (metal noble) y por eso existe nativo en la naturaleza
    24. 24. Estado natural de los elementos metálicos
    25. 25. Clasificación de los minerales según sus compuestos químicos• 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
    26. 26. Estado natural de los elementos metálicosMenas : compuestos bastante puros delmetal y adecuados para realizar laextracción del metalGanga: cantidades elevadas de arena,arcilla y otros materiales que acompañana la mena.
    27. 27. Extracción de elementos metálicos• Etapas en el proceso de obtención de un metal : • a) concentración del mineral • b) reducción del metal • c) purificación del metal.
    28. 28. Concentración de minerales. Métodos físicos• 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
    29. 29. Concentración de minerales. Métodos físicos • 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 Separación electrostática/magnética
    30. 30. Concentración de minerales. Tratamientos 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
    31. 31. Reducción 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.
    32. 32. Pirometalurgia• 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.
    33. 33. Diagrama de Ellingham Representación de ∆G de cada una de las reacciones frente a la Ag+ O2→Ag2O temperatura para una determinada reacción (frente a 1 mol de oxígeno) • M+O2 → M2O o bien • 2M +O2 →MO). ∆G = ∆H - T∆S∆H es la ordenada en el origen∆S es la pendiente de una línea∆S = ∆Sprod - ∆Sreac  Permite predecir la posibilidad de reducción de los óxidos metálicos mediante otro elemento o compuesto
    34. 34. Reducción 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 Y + 2XO = 2X + YO2• Proceso en el que el reductor es ∆G = ∆Gprod - ∆Greac aluminio  Aluminotermia
    35. 35. Y reduce X reduce a YO2a XO
    36. 36. 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.
    37. 37. Diagrama de Ellingham; carbotermia Representación de ∆G de cada una de las reacciones frente a la temperatura. ∆G = ∆H - T∆S∆H es la ordenada en elorigen∆S es la pendiente de unalínea para una determinadareacción ∆S = ∆Sprod - ∆Sreac
    38. 38. Diagrama de Ellingham . (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
    39. 39. Proceso siderúrgico Reducción de óxidos de hierro con carbón de coque en los altos hornos. Boudouard)
    40. 40. Obtención de hierro. Horno alto Materias primas: mineral de hierro, chatarra, coque y carbonato cálcico 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)
    41. 41. Procesos en un alto horno• 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...
    42. 42. Alto 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.
    43. 43. Partes de un alto horno y procesos que 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.
    44. 44. Diagrama de Ellingham . (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.
    45. 45. Ejercicio• ¿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 TiO 2. • Para obtener Ti hay que usar otros métodos: Proceso Kroll • A) obtencion de TiCl4 • T = 800ºC TiO2(s) + 2C(s) + 2Cl2(g) → TiCl4(g) + 2CO(g) • B) reduccion con Mg • T = 1000ºC TiCl4(g) + 2Mg(l) →Ti(s) +
    46. 46. Ejercicio• ¿Es posible reducir TiO2 con Carbono como reductor?
    47. 47. Metalotermias• 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) + MO(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.
    48. 48. Ejercicio• 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
    49. 49. Metalotermias• 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
    50. 50. Hidrometalurgia• 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.
    51. 51. Agentes 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.)
    52. 52. Reducción 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.
    53. 53. Obtención 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.
    54. 54. HIDROMETALURGIA DEL ZINC Mezcla de óxidos de Zn, Pb, Cu, Fe Lixiviación con H2SO4 Zn2+, Fe3+, Cu2+ en disolución. Filtración PbSO4 como precipitado 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 disolución Filtración Precipitado de Cu 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)
    55. 55. Obtención 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 % y recibe el nombre de cobre bruto o cobre blíster. Si se quiere obtener un cobre de pureza 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).
    56. 56. Hidrometalurgia 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
    57. 57. Minerales de Cu
    58. 58. Termodinámica en hidrometalurgia
    59. 59. »/36 1 Cinética 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
    60. 60. Posibles métodos de lixiviación para el Cu
    61. 61. Electrorrefinación 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.
    62. 62. 1
    63. 63. Electrometalurgia• 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
    64. 64. Conceptos 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:
    65. 65. Obtención Al: Proceso Hall-Herault Proceso electrolítico a partir de Alumina fundida (Al2O3) Ánodos de grafito e-  + Desde la f.e.m . Burbujas de CO2 O-2 Al+3 Al+3 -  e- O-2 O-2 Al2O3 (l) Al (l) Sangría Recipiente de acero, revestido de Al (l) con carbon – actúa como cátodo Cátodo: Al+3 + 3e-  Al (l) Anodo: 2 O-2 + C (s)  CO2 (g) + 4e-
    66. 66. Proceso Hall-herault• 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 Oxidación: 3{C(s) + 2O2- → CO2(g) + 4e-} alúmina se combina con el carbono para formar CO2. Reducción: 4{ Al3+ + 3e- → Al (l)}• Potencial aplicado: 3-5V __________________________________• La velocidad de reacción es proporcional a la corriente eléctrica. Alto consumo Global: 3C(s) + 4Al3+ + 6O2- → 4Al (l) + 3CO2(g)
    67. 67. Producción de aluminio por electrólisis en base fundida 1. Preparación de la bauxita 2. 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) + 3CO (g)
    68. 68. 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.
    69. 69. Refinado electrolítico Fusión por zonas
    70. 70. Bibliografía• Petrucci, Harwood, Herring. “Química General. Reactivdad química. Compuestos Inorgánicos y Orgánicos.” Vol II.• Shriver, Atkins, Langford. “Química Inorgánica”.

    ×