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Ficha temática

Procesos químicos industriales

Te invitamos a estudiar acerca de la metalurgia, hidrometalurgia y la electrorrefinación del cobre. El recurso contiene ilustraciones.

Procesos químicos industriales

Algunos metales, tales como el oro, la plata y a veces el cobre, se encuentran en la naturaleza como elementos libres; sin embargo, la mayoría de los metales se encuentran como óxidos o bien como sales.

La metalurgia es la ciencia y la tecnología de la extracción de metales de sus fuentes naturales y de su preparación para usos prácticos. En general contempla los siguientes pasos:

  • Explotación de yacimientos.
  • Concentración de la mena.
  • Reducción de la mena para obtener el metal libre.
  • Refinación o purificación del metal.
  • Mezclado del metal con otros elementos a fin de modificar sus propiedades, caso donde se obtiene una aleación.


Minerales

La corteza terrestre en su mayoría está formada  por  trozos de rocas de muchos tipos. Las rocas están compuestas por minerales y estos, a su vez, por elementos químicos que se encuentran combinados formando diferentes ejemplares de compuestos. Si analizáramos la composición de la corteza terrestre, veríamos que los elementos más abundantes son el oxígeno y el silicio, a los que les siguen el aluminio y el hierro.

Propiedades físicas de los minerales

La fractura, dureza y la exfoliación son algunas  propiedades  físicas que se pueden apreciar  en cualquier mineral.

Fractura: Es la forma en que se parte un mineral, según una dirección preferencial.

Ejemplo,
Algunos minerales se parten dejando una superficie curva, la fractura de otros deja fibras o astillas y hay otros que se parten en superficies irregulares.

mineral      mineral

Dureza: Es la resistencia que ofrece una superficie lisa del mineral a ser rayada. Existe una escala de dureza denominada escala de Mohs, formada por diez minerales, ubicados por orden creciente de dureza, desde 1 hasta 10. Estos minerales están dispuestos en la escala de tal forma que cada uno puede rayar solo al anterior y ser rayado por el posterior. Así, el mineral más duro es el diamante y el más blando el talco.

dureza

Exfoliación: Es la tendencia que tienen algunos minerales a partirse a lo largo de una o más direcciones cuando son golpeados o comprimidos. El mármol se rompe en muchos fragmentos.

mármol

Propiedades químicas de los Minerales
 
Los minerales pueden identificarse también por sus propiedades químicas, es decir, identificando su composición química. Las experiencias para saber las propiedades químicas de un mineral son en general:
 
• Probar  si el mineral reacciona con ácido clorhídrico.
• Prestar atención si, al calentar el mineral, éste pierde agua.
• Examinar si el mineral se funde al calentarlo y desprende gases.
• Ver si el mineral es soluble en agua.
• Someter el mineral a la acción de la  llama y ver si emite luz de algún color.


El valor de los minerales

La geología económica se dedica al estudio de las relaciones entre los minerales de un yacimiento y su aprovechamiento económico.

Es importante distinguir en un yacimiento la mena, que corresponde al material de un depósito mineral suficientemente concentrado para permitir la recuperación económica del metal deseado, y la ganga, que consiste en las impurezas como arena y barro con las que está mezclada la mena.

Una vez extraída la mena del yacimiento, se tritura, se muele y posteriormente se trata para concentrar el mineral y separarlo de la ganga. Posteriormente, de la mena se extrae el metal por un proceso de reducción, que puede ser la pirometalurgia, cuando se usan altas temperaturas o la hidrometalurgia, cuando se utiliza agua en el proceso.

Industria metálica

Pirometalurgia del hierro

La hematita, Fe2O3, y la magnetita, Fe3O4, son dos minerales donde el hierro se encuentra como óxido y es mediante el proceso de la pirometalurgia que se puede obtener este elemento.

La reducción del hierro ocurre en un “alto horno”, que consiste en un reactor químico capaz de trabajar de manera continua. Ilustración de alto horno para formar hierro

Ilustración de alto horno para formar hierro

El alto horno se carga por la parte superior con una mezcla de mena de hierro, coque y piedra caliza. El coque sirve como combustible, es decir, entrega la energía necesaria para producir las altas temperaturas y además aporta los gases reductores CO y H2.

La piedra caliza, CaCO3, sirve como fuente de CaO, que reacciona con los silicatos y otras sustancias para formar la escoria. Otra materia prima importante es el aire, ya que se requiere para la combustión del coque.

Nótese la diferencia de temperatura en las diferentes partes del alto horno.

El proceso químico que ocurre es el siguiente:

1. En el horno el oxígeno reacciona con el coque y se forma monóxido de carbono, liberándose energía calórica.

          C(s) + O2(g) è 2 CO(g)

2. El vapor de agua reacciona con el carbono, produciendo monóxido de carbono e hidrógeno. Esta reacción es endergónica y además sirve para regular la temperatura en el alto horno.

          H2O(g) + C(s) è CO(g) + H2(g)

3. Estos dos gases (CO y H2) son los encargados de reducir los óxidos de hierro (Fe3O4) a hierro metálico.

         Fe3O4(s)+ 4 CO(g) è 3 Fe(s)+ 4 CO2(g)
         Fe3O4(s)+ 4 H2(g) è 3 Fe(s) + 4 H2O(g)

El hierro fundido se acumula en la base del alto horno y sobre él queda una capa de escoria que impide que el hierro reaccione con el oxígeno que entra.

La mayor parte del hierro que se obtiene se ocupa en la preparación del acero.

4. La piedra caliza por efecto de la temperatura se descompone en óxido de calcio y anhídrido carbónico, tal como lo expresa la ecuación:

          CaCO3 è CaO + CO2

El óxido de calcio reacciona con el óxido de silicio, que generalmente se encuentra presente en los minerales de hierro, y se forman silicatos de calcio:

          SiO2 + CaO è CaSiO3

El silicato de calcio es fundido debido a las altas temperaturas del horno y, dado que es menos denso que el hierro, flota sobre él. Otros óxidos no metálicos se mezclan con el silicato de calcio y forman la escoria, la que puede ser removida fácilmente.

Hidrometalurgia del cobre

La  hidrometalurgia  consiste  en  procesos  en  solución  acuosa  mediante  los cuales se extrae el metal de una mena.

El proceso  hidrometalúrgico  más importante  es la  lixiviación,  en el 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 ocupa una solución acuosa de un ácido, una base, o una sal.

Cabe destacar que en los minerales de cobre oxidados se aplica la lixiviación y en los minerales de cobre sulfurados la flotación para la obtención de cobre metálico.

En  la  obtencn  de  cobre  de  la  calcopirita (CuFeS2), (mineral de cobre sulfurado) este  mineral  se  trata  con  una solución acuosa de cloruro cúprico ( CuCl2). En la reacción todo el cobre precipita como cloruro cuproso (CuCl), el cual se separa fácilmente del azufre y del hierro que queda como cloruro ferroso, tal como lo señala la reaccn:

           CuFeS2(s)+ 3 CuCl2(ac) è 4 CuCl(s)+ FeCl2(ac)+ 2 S(s)

Al cloruro cuproso (CuCl) se le agrega una solución acuosa de cloruro de sodio, lo que provoca la disolución del precipitado y la formación del complejo ión dicloro cobre (I), CuCl21- , que queda en solución acuosa.

          CuCl(s) + Cl1-(ac) è CuCl21-(ac)

Los compuestos de cobre(I) son inestables. El Cu1+ dismuta a cobre metálico y a Cu2+ en forma de CuCl2, sustancia que se ocupa nuevamente para el tratamiento del mineral.

          2 CuCl21-(ac) è Cu(s) + CuCl2(ac) + 2 Cl- (ac)

Electrorrefinación del cobre

El cobre se purifica por electrólisis, proceso que consiste en lo siguiente:

Ilustración de electrorrefinación del cobre

Grandes planchas de cobre sirven de ánodos de la celda, mientras los cátodos son láminas delgadas de cobre. Ambos electrodos se encuentran en una solución acuosa de sulfato cúprico. Al aplicar una diferencia de potencial apropiada, provoca la oxidación del cobre metálico a Cu2+ en el ánodo y la reducción del Cu2+ a Cu metálico en el cátodo.

El proceso ocurre gracias a que es más fácil que ocurra la reducción del Cu2+ que la del agua.

Industria no metálica

El yodo

El yodo (I) es un elemento no metálico que se presenta en estado sólido cristalino y es de color negro grisáceo brillante. El yodo y sus compuestos tienen gran aplicación en medicina, es fundamental para el buen funcionamiento de la tiroides, por lo cual debe estar presente en la dieta. Otros usos de los compuestos del yodo son la fabricación de colorantes y la elaboración de reveladores para las películas fotográficas.

Preparación del Yodo

En Chile, el yodo se extrae principalmente como subproducto de la purificación del salitre, en el que se encuentra en forma de Yodato de sodio (Na I O3). Cuando el salitre se purifica por cristalización, el filtrado contiene yodato de sodio, que se mezcla  y calienta con bisulfato de sodio (Na HSO4). En este proceso precipita el yodo en forma sólida, que luego se lava, prensa, seca y purifica por sublimación, en unas torres diseñadas para ese fin.

Proceso de obtención de ácido sulfúrico

El ácido sulfúrico (H2 SO4) es un compuesto químico que se emplea en la elaboración de fertilizantes, en la metalurgia del cobre y en la fabricación de pigmentos, entre otras múltiples aplicaciones.

El proceso de producción del H2SO4 más utilizado en la actualidad es el método de contacto.

Consiste, primero, en obtener el dióxido de azufre (SO2) en un quemador a partir de los minerales que contienen azufre, según la ecuación

 S (S)   + O2 (g)          →             SO2 (g)

Luego, el dióxido de azufre se convierte en trióxido de azufre en presencia de un catalizador; el pentóxido de vanadio  (V2O5), según:

 2SO 2  (g)  +  O2(g)      →       2SO3 (g)

Posteriormente, el trióxido de azufre se pone en contacto con el agua para obtener el ácido sulfúrico

 SO3 (g)  +  H2O      →            H2SO4


La formación del ácido sulfúrico es un proceso exotérmico, capaz de liberar grandes cantidades  de energía. Las industrias de ácido sulfúrico aprovechan este calor liberado para provocar otros procesos industriales e incluso, en ciertos casos, para producir electricidad.
En las fundiciones de cobre, el SO2 producido se recoge y se trasforma en ácido sulfúrico por este método.

 

 

PROCESOS QUÍMICOS INDUSTRIALES

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Procesos químicos industriales

Invítelos a recordar según los contenidos que se pasaron en 1ero medio y a relacionar las principales fuentes de materias primas y pídales, además, que comenten acerca del impacto ambiental y económico que tiene la industria en Chile.

Explíqueles que la litosfera y la hidrosfera son las principales fuentes de obtención de materias primas.

Para elaborar productos la industria química recurre a la naturaleza, fuente, aún riquísima, en materiales de origen animal, vegetal y mineral. Indíqueles ejemplos de estos tipos de materiales como:

Origen animal: la lana, las pieles y el cuero.

Origen vegetal: madera, corcho y algodón.

Recursos minerales: cobre, salitre y molibdeno.

Ilustre que, debido a la geografía de nuestro país, Chile cuenta con una gran variedad de yacimientos minerales distribuidos a lo largo de su territorio.

Motívelos a investigar sobre los distintos yacimientos presentes en nuestro país, y a desarrollar las actividades de la ficha. Luego, permítales corregir y comparar sus respuestas.

La siguiente tabla le servirá de ayuda para realizar la actividad de la ficha

REGION

MINERALES METALICOS Y NO METALICOS

Decimoquinta Región de Arica y Parinacota

Plata, cobre y oro.

Nitrato de potasio (salitre), yodo y cloruro de sodio (sal común).

Primera Región de Tarapacá

Plata, cobre y oro. Nitrato de potasio (salitre), yodo y cloruro de sodio (sal común).

Segunda Región de Antofagasta

Plata, cobre y oro.

Nitrato de sodio y potasio, carbonato de litio, cloruro de potasio, cal y cemento.

Tercera Región de Atacama

Plata, hierro, cobre y oro.

Cuarta Región de Coquimbo

Plata, hierro, cobre, manganeso y oro.

Quinta Región de Valparaíso

Oro y cobre. Cemento.

Sexta Región del Libertador General

Bernardo O’Higgins

Cobre.

Séptima Región del Maule

Yacimientos de carbón.

Octava Región del Biobío

Yacimientos de carbón.

Novena Región de La Araucanía

 

Decimocuarta Región de Los Ríos

Yacimientos de petróleo y gas natural.

Décima Región de Los Lagos

 

Undécima Región de Aysén del General Carlos Ibáñez del Campo.

Cinc, oro, plomo y plata.

Duodécima Región de Magallanes y Antártica Chilena

Carbonato de calcio y carbón.

Región Metropolitana de Santiago

Cobre.

Fuente: Archivo Editorial.

Es importante destacar que la industria minera es de gran importancia para el país por los beneficios económicos que aporta. A modo de complementar la información entregada en la ficha, coménteles que la geología económica se dedica al estudio de las relaciones entre los minerales de un yacimiento y su aprovechamiento económico. Los yacimientos minerales son acumulaciones naturales de minerales que permiten su explotación y favorecen el desarrollo económico de un país.

Cada vez que se desea explotar un yacimiento es indispensable hacer el estudio geológico para su clasificación y posterior extracción y utilización. Así, por ejemplo, se hace un estudio acabado de las menas, es decir los minerales utilizables como materias primas en la obtención de metales. Se identifica también la ganga, un mineral sin valor económico, que frecuentemente está asociado con la mena.

Adicionalmente, los minerales se evalúan de acuerdo a su importancia como materias primas en la industria. Se consideran dentro de este grupo los minerales con los que se fabrican fertilizantes, aisladores eléctricos y térmicos, empleados en la metalurgia o en la industria de los materiales de construcción.

La industria utiliza los minerales como fuente de materias primas que debemos explotar racionalmente, para evitar así el desabastecimiento de recursos esenciales para el progreso del país.

Es fundamental que los estudiantes comprendan que en la metalurgia del cobre oxidado, la lixiviación es un proceso hidrometalúrgico que permite, aplicando una solución de ácido sulfúrico y agua, obtener el cobre de los minerales oxidados que lo contienen. En tanto, en la metalurgia del cobre sulfurado, el proceso de flotación es también un proceso hidrometalúrgico que se emplea en la extracción de cobre desde minerales sulfurados.

Discuta con sus estudiantes sobre la importancia de los subproductos de la minería del cobre por sus variados usos y aplicaciones, un ejemplo es el molibdeno. Indíqueles, además, que el proceso de biolixiviación es un método alternativo para la obtención del cobre y se emplea en la extracción de metales provenientes de minerales de baja ley. Es importante que comprendan que las bacterias utilizan la oxidación de compuestos inorgánicos para generar todos los componentes que necesitan. Esta capacidad metabólica es la que se aprovecha para solubilizar cobre. Esta técnica permite obtener metales con un bajo impacto ambiental. Algunas especies de bacterias que se utilizan son: Sulfolobus acidocaldarius y Ferroxidans thiobacillus.

Indíqueles que el principal mineral metálico que se extrae en nuestro país es el cobre.

Representa el 50,6% de la exportación nacional.

Algunas de las aplicaciones que se le otorgan al cobre están dadas primordialmente por su capacidad de ser un buen conductor eléctrico y térmico, ya sea en la elaboración de cables eléctricos, ollas y monedas, entre otros.

De forma complementaria puede mostrar el recurso de la ficha que define procesos metalúrgicos y sus aplicaciones.

Es recomendable que los estudiantes identifiquen las principales características, usos, aplicaciones y métodos en la obtención del hierro. Es importante comentarles que el hierro ocupa el segundo lugar en la producción a nivel nacional. Explíqueles que mientras la obtención del hierro es un proceso de reducción, la conversión de hierro en acero, en tanto, es uno de oxidación en el que las impurezas se separan del hierro mediante su reacción con oxígeno gaseoso. El acero es una aleación del hierro que contiene carbono, además de otros elementos químicos. La amplia gama de propiedades mecánicas útiles asociadas con el acero se deben a su composición química y al tratamiento térmico.

Se sugiere además explicarles a los estudiantes respecto de las propiedades y aplicaciones de litio, que este se obtiene en forma de carbonato de litio y se extrae desde las salmueras. Indíqueles que se utiliza como ánodo para las baterías eléctricas y se emplea en procesos que implican transferencias de calor. Además el carbonato de litio es un fármaco utilizado en el tratamiento de enfermedades depresivas. Se utiliza en la fabricación de vidrios, cerámicas, lubricantes y grasas sintéticas de alto rendimiento.

Recuérdeles que la gran mayoría de los recursos minerales no metálicos se encuentran en la naturaleza en forma de sal; es decir, en estado sólido.

Al trabajar con los minerales no metálicos como el salitre, comente que este mineral, entre los años 1880 y 1930, fue uno de los recursos más importantes de nuestro país.

Explíqueles que el salitre se obtiene de un mineral que se llama caliche, que corresponde a una mezcla formada por varias sales, como cloruros, sulfatos y nitratos, y que se emplea en la fabricación de fertilizantes y explosivos.

Explique a sus estudiantes que para obtener el yodo a partir de algunas algas, estas se deben secar y quemar; las cenizas que contienen el yoduro de sodio son tratadas con dióxido de manganeso y ácido sulfúrico. De una tonelada de algas se pueden extraer alrededor de 5 kg de yodo. El yodo se encuentra escasamente en la naturaleza. Está presente en el agua en forma de yoduro y también en yacimientos mineros como yodato de sodio. Suele emplearse como desinfectante; además, es un componente de distintos alimentos.

Debido a que el yodo es un elemento que juega un papel importante en el funcionamiento de la glándula tiroides, de manera complementaria pídales que averigüen los efectos producidos por la falta de ingestión de este mineral.

Invite a los estudiantes a responder en forma individual la actividad de la ficha posteriormente, en una puesta en común, permítales corregir y discutir sus respuestas.

Para iniciar el estudio referido a las cerámicas, comente que el uso de estos materiales se remonta a la Edad de Piedra; los primitivos las utilizaban en la construcción de vasijas y recipientes. Son materiales inorgánicos no metálicos; al aplicarles altas temperaturas se endurecen y se vuelven quebradizos. Las cerámicas son materiales de silicatos, infórmeles que los silicatos están formados de Si y O y que son los elementos más abundantes de la corteza terrestre. Hoy estos materiales también forman parte de otras categorías como el ladrillo, el vidrio, la porcelana, etc. Dentro de las características que presentan los cerámicos están: plasticidad, alta capacidad de adsorción y absorción, resistentes a las altas temperaturas y dureza.

Explíqueles que el vidrio es un sólido amorfo, pese a que presenta propiedades que lo hacen parecerse a los líquidos. La diferencia entre el vidrio y los sólidos cristalinos está en que estos últimos se forman por una red ordenada de átomos, con caras regulares y bien definidas.

Permita que los estudiantes planteen sus distintos puntos de vista, acerca de las ventajas y desventajas de la utilización del vidrio contra el uso del plástico.

Indíqueles que el vidrio tarda menos tiempo en degradarse que el plástico.

Por otro lado, infórmeles que el cemento es un material muy resistente que se utiliza en la construcción. Las materias primas utilizadas en la fabricación del cemento son la caliza y la arcilla.

La mezcla de agua, grava y cemento es uniforme y maleable; fragua y se endurece, dando origen al hormigón o también llamado concreto. Explique, además, que el cemento es una combinación química predeterminada y cuidadosamente proporcionada de calcio, silicio, hierro y aluminio. En la actualidad, el cemento es el aglomerante hidráulico que más se emplea en la construcción; su costo económico es relativamente bajo si se compara con el de otros materiales.

Si lo considera necesario, pídales que busquen más información sobre las propiedades de este material.

Es recomendable indicar que los factores que influyen en la eficiencia y productividad de la industria química son: estequiométricos, cinéticos y termodinámicos.

Como apoyo puede usar el recurso que presenta esta ficha, en la que se hace referencia a los productos y materias primas utilizadas en la industria química. Presenta una breve reseña con los aportes realizados por la industria química a la economía nacional. Describe los productos químicos naturales y sintéticos junto con sus reacciones. Contiene una breve síntesis con los aportes del plástico a la vida cotidiana. Además, incluye una lista con los cincuenta principales productos químicos industriales y una visión de la problemática ambiental generada por la industria química.

Información

Técnica

Descripción BreveTe invitamos a estudiar acerca de la metalurgia, hidrometalurgia y la electrorrefinación del cobre. El recurso contiene ilustraciones.
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IdiomaEspañol (ES)
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Fuenteeducarchile
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NivelSectorUnidad o eje
NM4 (4° medio)QuímicaProcesos químicos industriales

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