OBTENCION DE LOS ELEMENTOS QUIMICOS
Oxigeno:
El oxígeno industrialmente se puedo obtener a partir de la destilación fraccionada del aire líquido. En este procedimiento llamado método de Georges Claude se desprende primero ázoe a -193° y luego el oxígeno a -181°.
El aire esta compuesto por:
| Sustancia | % En peso | % En volumen |
| Nitrógeno (N2) | 75.51 | 68.03 |
| Oxigeno (O2) | 23.15 | 29.98 |
| Argón (Ar) | 1.29 | 0.94 |
| Dióxido de carbono (CO2). | 0.04 | 0.03 |
| Hidrogeno (H2) | 0.0007 | 0.01 |
| Helio, Kriptón y Xenón | Vestigios | |
Carbono
Se prepara insuflando, en un generador de gases, una corriente de vapor de agua a travès de una capa de carbono caliente:
C(s) + H2O(g) ---- CO(g) + H2(g)
También se obtiene como coproducto en la combustión incompleta de las sustancias que contienen carbono en su composición.
C(s) + H2O(g) ---- CO(g) + H2(g)
También se obtiene como coproducto en la combustión incompleta de las sustancias que contienen carbono en su composición.
HIDROGENO
Reformado con vapor (steam reforming): Con este procedimiento el hidrógeno se obtiene a partir de hidrocarburos, fundamentalmente del gas natural. El principal componente del gas natural es metano CH4 y la reacción consiste básicamente en separar el carbono del hidrógeno. El proceso tiene lugar en dos etapas: En la fase inicial, el gas natural se convierte en hidrógeno, dióxido de carbono y monóxido de carbono. La segunda etapa consiste en producir hidrógeno adicional y dióxido de carbono a partir del monóxido de carbono producido durante la primera etapa. El monóxido de carbono es tratado con una corriente de vapor a alta temperatura produciéndose hidrógeno y dióxido de carbono. El hidrógeno producido, se almacena en tanques.La mayoría del hidrógeno empleado por la industria petroquímica se genera de esta manera. El proceso tiene una eficiencia entre el 70 y el 90%. A continuación se muestran las reacciones químicas producidas durante el proceso:
CH4 + H2O => CO + 3H2
CO + H2O => CO2 + H2
NITROGENO
La obtención del nitrógeno se da a través de un proceso denominado destilación. La destilación es un proceso caracterizado por un doble cambio en el estado físico, en que una sustancia, inicialmente en estado líquido es calentada hasta alcanzar la temperatura de ebullición, transformándose en vapor y nuevamente enfriada hasta que toda la masa retorne al estado líquido.
POTASIO
Reducción de cloruro de potasio fundido con sodio metálico en estado de vapor a 870 ºC.
FOSFORO
Se obtiene por métodos electroquímicos, en atmósfera seca, a partir del mineral (fosfato) molido mezclado con coque y arena y calentado a 1400 ºC en un horno eléctrico o de fuel. Los gases de salida se filtran y enfrían hasta 50 ºC con lo que condensa el fósforo blanco, que se recoge bajo agua o ácido fosfórico. Calentando suavemente se transforma en fósforo rojo.
MAGNESIO
Para la extracción del magnesio se utilizan distintos métodos basados en dos procedimientos
generales (Fig. 3.1), la electrólisis ígnea del MgCl2
anhidro fundido (que representa el 80 % de lo
obtenido) y la reducción térmica del MgO.
FLUOR
Mediante electrólisis de fluoruro ácido de potasio anhidro (KF · 3HF) fundido a temperaturas entre 70 - 130 ºC.
Como subproducto en la síntesis de ácido fosfórico y superfosfatos.
CALCIO
Reducción aluminotérmica del óxido de calcio: una mezcla de cal pulverizada y aluminio en polvo se comprime en frío para aglomerarlo y se calienta a 1200 ºC a alto vacío; así, se recoge el vapor del calcio.
Electrólisis de cloruro cálcico fundido: a la sal se le añaden como fundentes fluoruro cálcico y cloruro potásico (para disminuir el punto de fusión) y se calienta a 790 ºC; como ánodo se utilizan placas de cobre y el cátodo es una varilla de hierro.
COBRE
i. Extracción de cobre a partir de menas sulfuradas (pirometalurgia)
ii. Extracción de cobre a partir de menas de óxido (hidrometalurgia)
Extracción de cobre a partir de menas sulfuradas
Alrededor del 90% del cobre que se produce en el mundo proviene de los minerales de sulfuro. La extracción tiene cuatro etapas:
i. Concentración por flotación
ii. Tostación
iii. Fusión de mata
iv. Afino
Concentración por flotación
Las concentraciones de cobre en las menas actuales son demasiado bajas por lo que la fundición directa sería muy costosa. Ésta implicaría que se fundiesen enormes cantidades de material sin valor que conllevarían un gran gasto energético y una gran capacidad de horno. Por estas razones, hoy en día se recurre al aislamiento de los minerales de cobre en forma de un concentrado. El método más efectivo de concentración es la concentración por flotación, que requiere un proceso previo de trituración y molienda.
Los principios en los que se basa el proceso de flotación son los siguientes:
· Los minerales sulfurados normalmente se humedecen por el agua, pero pueden ser acondicionados con reactivos que los volverán repelentes al agua.
· Esta hidrofobicidad puede ser creada en minerales específicos dentro de una pulpa agua – mena.
· Los choques entre las burbujas de aire y los minerales que se han hecho hidrofóbicos conducirán a la unión entre las burbujas y dichos minerales
· Las partículas de mineral no acondicionadas no se unirán a las burbujas de aire.
Con todo esto conseguimos que los minerales de cobre se adhieran a las burbujas de aire con las cuales se van a elevar hasta la superficie de la celda de flotación. El resto de minerales (ganga) se quedan atrás y abandonan la celda a través de un sistema de descarga.
Los reactivos que se utilizan para crear las superficies hidrofóbicas consisten en moléculas heteropolares, es decir, moléculas que tienen un extremo polar cargado y un extremo no polar (hidrocarburo). Estos reactivos tienen normalmente un grupo portador de azufre en su extremo polar, el cual enlaza a los minerales de sulfuro pero ignora las superficies de los óxidos. Lo reactivos de sulfuro más conocidos son los xantatos de sodio y potasio, pero también se usan otras moléculas portadoras de azufre como tionocarbonatos, ditiofosfatos y tiocarbanilida.
Tostación
La tostación es una oxidación parcial de los concentrados de sulfuro de cobre con aire y la eliminación parcial del sulfuro en forma de SO2. Los objetivos de la tostación son dos:
· Utilizar el calor de la tostación para secar y calentar la carga antes de ser introducida al horno de fundición.
· Aumentar la concentración de cobre en el producto de fundición, es decir, en la mata líquida.
La tostación se lleva a cabo entre 500 y 700ºC, dentro de los tostadores tipo hogar o de lecho fluidificados, bajo condiciones bien controladas. El producto de la tostación es una mezcla de sulfuros, sulfatos y óxidos, cuya composición puede variarse mediante el control de la temperatura del proceso de tostación y la relación aire – concentrado.
Fusión de mata
El objetivo de la fundición de mata es formar dos fases líquidas inmiscibles: una fase líquida de sulfuro (mata) que contiene todo el cobre de la carga y una fase líquida de escoria sin cobre. La mata tiene un contenido en cobre de entre un 35 a un 65%. La escoria fundida se desecha directamente o después de una etapa de recuperación de cobre. La gran desventaja de este método es la contaminación de la atmósfera con el gas SO2.
La fusión de mata se lleva a cabo al fundir la carga total del horno a una temperatura aproximada de 1200ºC, normalmente con fundentes de sílice y carbonato de calcio. Hoy en día la fundición se realiza de forma mayoritaria en hornos de reverbero aunque todavía se utilizan altos hornos y hornos eléctricos.
La mata fundida resultante del proceso de fundición contiene cobre, hierro y azufre como componentes principales y hasta un 3% de oxígeno disuelto. Además, contiene cantidades menores de metales como As, Sb, Bi, Pb, Ni y metales preciosos.
Para eliminar el hierro, el azufre y otras impurezas, se pasa la mata por un convertidor cilíndrico Pierce –Smith, revestido con refractario básico. En este convertidor se produce la oxidación de la mata con oxígeno a una temperatura de 1200ºC. Al final del proceso se obtiene un cobre metálico líquido no refinado con una pureza de entre un 98.5 a un 99.5%, denominado cobre blíster. Además de éste, también se produce la escoria y grandes volúmenes de gases calientes que contienen entre un 5 a un 15% de SO2. Las reacciones que se llevan a cabo son:
2FeS + 3O2 + SiO2 2FeO.SiO2 + 2SO2
Aire Fundente Escoria2Cu2S + 3O2 → 2Cu2O + 2SO2 Cu2S + O2 2Cu + SO2
Cu2S + 2Cu2O → 6Cu + SO2 Aire Cobre Blister
Afino
Finalmente, el cobre blíster se refina electroquímicamente para obtener cobre catódico de una gran pureza, superior al 99.99%.
Previamente a la refinación electroquímica es necesario llevar a cabo una refinación térmica, para evitar así la formación de ampollas de SO2. Estas ampollas se forman cuando solidifican pequeñas cantidades de azufre y fosforo que todavía contiene el cobre blíster en forma residual. La aparición de ampollas conllevaría a la debilitación de los ánodos y a la aparición de una superficie áspera de espesor irregular.
La refinación térmica se lleva a cabo en hornos de refinación tipo giratorio que se asemejan a los convertidores Pierce – Smith. La temperatura de operación está entre los 1130º y los 1150ºC.
Una vez refinado térmicamente se realiza el afino electrolítico del cobre. Este afino se puede realizar mediante electrorrefinación de los ánodos de cobre impuro o mediante separación por electrolisis a partir de soluciones de lixiviación. El primer método es el más utilizado, ocupando alrededor del 95%.
La electrorrefinación consiste en la disolución electroquímica del cobre de los ánodos impuros y el depósito selectivo de este cobre disuelto en forma pura sobre cátodos de cobre. Esta técnica tiene dos objetivos:
· Eliminar las impurezas que dañan las propiedades eléctricas y mecánicas del cobre, consiguiendo cobre con una pureza superior al 99.99% con menos de un 0.004% de impurezas metálicas.
· Separar las impurezas valiosas del cobre, que pueden ser recuperadas después como subproductos metálicos.
Extracción de cobre a partir de las menas de oxido: hidrometalurgia
Aunque el cobre se presenta más frecuentemente en la forma de sulfuros, también se presenta en forma oxidada como carbonatos, óxidos, silicatos y sulfatos, particularmente en África. Estos minerales oxidados, cuando están presentes en cantidad suficiente en la mena, puede ser reducidos directamente a cobre impuro en el alto horno, como se hacía en el pasado. Pero en la actualidad las menas que se explotan tienen una concentración muy baja de cobre, por lo que es necesario recurrir a otras técnicas como la lixiviación mediante ácido sulfúrico seguida por la precipitación o por la electrólisis del cobre de la solución.
ALUMINIO
El aluminio primario se obtiene en dos etapas:
En la primera se produce la alumina o el hidrato de alúmina se precipita del filtrado por adición de gas carbónico y, después de filtrar y lavar, el hidrato se calcina para convertirlo en alúmina.
En la segunda se obtiene el aluminio metálico por reducción electrolítica de la alúmina pura en un baño de criolita fundida.
Dentro de la producción secundaria de aluminio hay que destacar dos procesos diferenciados por el tipo de horno empleado (rotativo y otros). La diferencia entre ambos radica en el empleo o no de sales fundentes para la fusión de las chatarras. Mediante el empleo de sales se obtiene un mayor grado de recuperación del aluminio, ya que éstas disminuyen el grado de oxidación del metal durante la fusión (las sales forman una capa fundida sobre el aluminio y ayudan a prevenirla oxidación), con el consecuente aumento de la producción de escorias salinas, principal problema medioambiental.
HIERRO
Se puede obtener hierro a partir de los óxidos con más o menos impurezas. Muchos de los minerales de hierro son óxidos, y los que no, se pueden oxidar para obtener los correspondientes óxidos.
La reducción de los óxidos para obtener hierro se lleva a cabo en un horno denominado comúnmente alto horno (también, horno alto). En él se añaden los minerales de hierro en presencia de coque y carbonato de calcio, CaCO3, que actúa como escorificante.
Los gases sufren una serie de reacciones; el coque puede reaccionar con el oxígeno para formar dióxido de carbono:
C + O2 → CO2
A su vez el dióxido de carbono puede reducirse para dar monóxido de carbono:
CO2 + C → 2CO
Aunque también se puede dar el proceso contrario al oxidarse el monóxido con oxígeno para volver a dar dióxido de carbono:
2CO + O2 → 2CO2
El proceso de oxidación de coque con oxígeno libera energía y se utiliza para calentar (llegándose hasta unos 1900 °C en la parte inferior del horno).
En primer lugar los óxidos de hierro pueden reducirse, parcial o totalmente, con el monóxido de carbono, CO; por ejemplo:
Fe3O4 + CO → 3FeO + CO2
FeO + CO → Fe + CO2
Después, conforme se baja en el horno y la temperatura aumenta, reaccionan con el coque (carbono en su mayor parte), reduciéndose los óxidos. Por ejemplo:
Fe3O4 + C → 3FeO + CO
CaCO3 → CaO + CO2
Y el dióxido de carbono es reducido con el coque a monóxido de carbono como se ha visto antes.
Más abajo se producen procesos de carburación:
3Fe + 2CO → Fe3C + CO2
Finalmente se produce la combustión y desulfuración (eliminación de azufre) mediante la entrada de aire. Y por último se separan dos fracciones: la escoria y el arrabio: hierro fundido, que es la materia prima que luego se emplea en la industria.
BARIO
Se obtiene mediante reducción aluminotérmica del óxido de bario a alto vacío.
Mediante electrólisis del cloruro de bario.
RUBIDIO
Mediante reducción del cloruro de rubidio con calcio.
Por calentamiento a vacío del dicromato de rubidio con zirconio; el rubidio destila por encima de 39 ºC.
PLOMO
El metal se obtiene a partir de los sulfuros minerales; el cual, tras un previo enriquecimiento es tostado y sinterizado en un horno, obteniéndose así el óxido de plomo (II), el cual se reduce con carbón de coque a plomo metal impuro (plomo de obra). El plomo se purifica por métodos pirometalúrgicos o electrolíticos.
YODO
Mediante reacción química del yodato de calcio con dióxido de azufre.
Por extracción de las cenizas de algas.
Para obtenerlo ultrapuro se hace reaccionar yoduro potásico con sulfato de cobre.
CLORO
Electrólisis de cloruros o del ácido clorhídrico. Se obtiene como subproducto de la obtención de metales alcalinos y alcalino-térreos.
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