4. Metales y Metalurgia Ahora, consideraremos las formas químicas en las que los elementos metálicos se encuentran en la naturaleza, así como los medios.

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1 4. Metales y Metalurgia Ahora, consideraremos las formas químicas en las que los elementos metálicos se encuentran en la naturaleza, así como los medios que nos permiten obtener metales de estas fuentes. Se analizará, además, los enlaces de los sólidos y como se emplean las aleaciones en la tecnología moderna. La historia antigua se suele dividir en la Edad de Piedra, la Edad del Bronce y la Edad del hierro, con base en la composición de las herramientas utilizadas en cada era. Las sociedades modernas dependen de una gran variedad de metales para fabricar herramientas, maquinaria y diversos artículos. Un motor a reacción, por ejemplo, puede estar constituido por 38% de titanio, 37% de níquel, 12% de cromo, 6% de cobalto 5% de aluminio, 1% de niobio y 0.02% de tantalio.

2 4. Metales y Metalurgia I. Distribución de los metales en la naturaleza. Los depósitos que contienen metales en cantidades susceptibles de explotación económica se conocen como menas. Por lo regular, es preciso separar los compuestos o elementos deseados de una gran cantidad de material indeseable, para después tratarlos químicamente de modo que se puedan utilizar. A excepción del oro y los metales del grupo del platino (Ru, Rh, Pd, Os, Ir y Pt), casi todos los elementos metálicos se encuentran en la naturaleza en compuestos inorgánicos sólidos llamados minerales, tal y como se ilustra en la siguiente tabla: Metal Mineral Composición Aluminio Bauxita Al2O3 Cobre Calcopirita CuFeS2 Plomo Galena PbS Manganeso Pirolusita MnO2 Mercurio Cinabrio HgS Como se puede apreciar, los minerales se identifican con nombres comunes.

3 4. Metales y Metalurgia I. Distribución de los metales en la naturaleza. Los nombres de los minerales están relacionados con los lugares donde fueron descubiertos, la persona que los descubrió, o alguna característica como el color. La malaquita, por ejemplo, proviene de la palabra griega malache, que es el nombre de un tipo de árbol cuyas hojas son del mismo color que el mineral.

4 4. Metales y Metalurgia I. Distribución de los metales en la naturaleza. La metalurgia es la ciencia y la tecnología de extracción de metales de sus fuentes naturales y de su preparación para usos prácticos. Por lo común, comprende varias etapas: 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 para modificar sus propiedades. El producto de este último proceso es una aleación.

5 4. Metales y Metalurgia II. Pirometalurgia.
Un gran número de procesos metalúrgicos utiliza temperaturas elevadas para modificar el mineral químicamente y reducirlo a metal libre. Este proceso recibe el nombre de pirometalurgia (Piro significa “a alta temperatura”). La calcinación es el calentamiento de una mena para provocar su descomposición y la eliminación del producto volátil. Por ejemplo, los carbonatos se suelen calcinar para expulsar CO2 y formar el óxido del metal: PbCO3(s) → PbO(s) + CO2(g) ∆ Casi todos los carbonatos se descomponen rápidamente de 400 a 500°C, aunque el CaCO3 requiere una temperatura de 1,000°C. Si el mineral está hidratado, el agua se pierde de 100 a 300°C.

6 4. Metales y Metalurgia II. Pirometalurgia.
La tostación es un tratamiento térmico que favorece las reacciones químicas entre la mena y la atmósfera del horno. Este tratamiento puede dar lugar a la oxidación o la reducción, e ir acompalado de calcinación. Un ejemplo, es la oxidación de menas de sulfuro, en la que el metal se transforma en el óxido: 2ZnS(s) + 3O2(g) → 2ZnO(s) + 2SO2(g) ∆ 2MoS2(s) + 7O2(g) → 2MoO3(s) + 4SO2(g) La mena de sulfuro de un metal menos activo, como el mercurio, se puede tostar para obtener el metal libre: HgS(s) + O2(g) → Hg(g) + SO2(g)

7 4. Metales y Metalurgia II. Pirometalurgia.
En muchos casos se puede obtener el metal libre empleando una atmósfera reductora durante la tostación. El CO crea una atmósfera de este tipo, por lo que es frecuente su uso para reducir óxidos metálicos: PbO(s) + CO(g) → Pb(l) + CO2(g) ∆ La fundición es un proceso de fusión en el que los materiales formados en el curso de las reacciones químicas se separan en dos o más capas. La fundición suele implicar una etapa de tostación. Dos capas importantes que se forman durante la fundición son el metal fundido y la escoria. El metal fundido puede ser un solo metal o una disolución de dos o más metales. La escoria se compone principalmente de minerales de silicato fundidos, fosfatos y otros compuestos iónicos, ejemplo de escoria es: CaO(l) + SiO2(l) → CaSiO3(l)

8 4. Metales y Metalurgia II. Pirometalurgia.
La refinación, otro proceso metalúrgico, es el tratamiento de un producto metálico crudo, relativamente impuro, de un proceso metalúrgico para aumentar su pureza y definir mejor su composición. El proceso pirometalúrgico más importante es la reducción del hierro. Este metal está presente en muchos minerales, pero las fuentes más importantes son la hematita (Fe2O3) y la magnetita (Fe3O4). La reducción de óxidos de hierro se lleva a cabo en un alto horno como el que se ilustra en la figura de la siguiente diapositiva. Un alto horno es un enorme reactor químico capaz de trabajar de manera continua. Puede tener hasta 60 m de altura y 14 m de ancho. Cuando trabajan a toda su capacidad producen hasta 10,000 toneladas de hiero al día. El alto horno se carga por la parte superior con una mezcla de mena de hierro, coque y piedra caliza, donde el coque actúa como combustible.

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Para producir 1 Kg de hierro crudo se necesitan aproximadamente 2 Kg de mena, 1 Kg de coque, 0.3 Kg de piedra caliza y 1.5 Kg de aire precalentado.

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En el horno el oxígeno reacciona con el carbono del coque y forma monóxido de carbono: 2C(s) + O2(g) → 2CO(g) ∆H = Kj. ∆ El vapor de agua presente en el aire también reacciona con el carbono y produce monóxido de carbono e hidrógeno: C(s) + H2O(g) → CO(g) + H2(g) ∆H = Kj. La reacción del coque con el oxígeno es exotérmica y aporta calor para el funcionamiento del horno, en tanto que la reacción con vapor de agua es endotérmica. Así, la adición de vapor de agua constituye un medio para regular la temperatura del horno. En la parte superior del horno, la piedra caliza se descompone en CaO y CO2. Aquí mismo, el CO y el H2 reducen los óxidos de hierro.

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En el caso del hierro las reacciones importantes son: Fe3O4(s) + 4CO(g) → 3Fe(s) + 4CO2(g) ∆H = - 15 Kj. ∆ Fe3O4(s) + 4H2(g) → 3Fe(s) + 4H2O(g) ∆H = Kj. El hierro fundido se acumula en la base del horno y encima de él queda una capa de escoria fundida producto de la reacción del CaO con la sílice presente en la mena. La capa de escoria evita que el hierro fundido reaccione con el aire que entra. El hierro producido en el horno se puede moldear en lingotes sólidos, pero la mayor parte se utiliza en la manufactura del acero. Para ello, se transporta, aún en estado líquido, al taller siderúrgico.

12 4. Metales y Metalurgia II. Pirometalurgia.
La formación del acero se hace a partir del hierro de alto horno, el cual contiene típicamente de 0.6 a 1.2% de silicio, de 0.4 a 2% de manganeso, y cantidades menores de fósforo y azufre. Además, hay una cantidad considerable de carbono disuelto. En la producción de acero, las impurezas se eliminan por oxidación en un recipiente llamado convertidor. Se insufla una mezcla de oxígeno y Argón a través de hierro fundido y la escoria. El calor generado por la oxidación de las impurezas mantiene la mezcla en estado de fusión. Cuando se alcanza la composición deseada, se inclina el convertidor para verter su contenido.

13 4. Metales y Metalurgia III. Hidrometalurgia.
Dado que la pirometalurgia consume grandes cantidades de energía y produce una gran cantidad de contaminantes, se ha ideado una técnica que extrae el metal de la mena por medio de reacciones acuosas. Este proceso se conoce como hidrometalurgia . El proceso hidrometalúrgico más importante es la lixiviación, en la cual el compuesto que contiene al metal deseado se disuelve de modo selectivo. Si el compuesto es soluble en agua, el agua misma es un agente de lixiviación idóneo. Es más común que el agente sea una disolución acuosa, de un ácido, base o sal. Lixiviación del oro. El oro metálico suele hallarse relativamente puro en la naturaleza. Sin embargo, el oro de menas de baja calidad se concentra colocando la mena triturada sobre grandes planchas de concreto, donde se rocía con una disolución de NaCN. En presencia de CN- y aire, el oro se oxida y forma el ión estable Au(CN)2- que es soluble en agua:

14 4. Metales y Metalurgia III. Hidrometalurgia. Lixiviación del oro.
4Au(s) + 8CN-(ac) + O2(g) + 2H2O(l) → 4Au(CN)2-(ac) + 4OH-(ac) Una vez que se ha lixiviado selectivamente de una mena, el ión metálico se precipita de la disolución en forma de metal libre o de un compuesto iónico insoluble. Una reducción con zinc, nos daría: 2Au(CN)2-(ac) + Zn(s) → Zn(CN)42-(ac) + 2Au(s) Hidrometalurgia del aluminio. Entre todos los metales, el aluminio ocupa el segundo lugar, después del hierro, en términos de uso comercial. En la bauxita, la mena más útil, el aluminio se encuentra en forma de óxidos hidratados: Al2O3•xH20. Las principales impurezas en la bauxita son SiO2 y Fe2O3.

15 4. Metales y Metalurgia III. Hidrometalurgia.
Hidrometalurgia del aluminio. El método que se emplea para purificar la bauxita, llamado proceso de Bayer, consiste en triturar y moler la mena y después se digiere en una disolución acuosa concentrada de NaOH al 30% a una temperatura comprendida entre 150 y 230°C. Se mantiene una presión suficiente, de hasta 30 atm, para impedir la ebullición. El Al2O3 se disuelve en esta disolución y forma el ion complejo aluminato, Al(OH)4-: Al2O3•H2O(s) + H2O(l) + 2OH-(ac)→ 2Al(OH)4-(ac) Los óxidos de hierro III no se disuelven en esta disolución fuertemente básica. A continuación se reduce el pH de la disolución, con lo cual precipita el hidróxido de aluminio. Una vez filtrado, el precipitado, de hidróxido de aluminio se calcina como preparativo para su electrorreducción a metal.

16 4. Metales y Metalurgia IV. Electrometalurgia.
Muchos procesos de reducción de menas metálicas o de refinación de metales se basan en la electrólisis, conjunto de procesos conocido como electrometalurgia.La electrólisis se puede aplicar a una sal fundida o a una solución acuosa. Los métodos electrolíticos son importantes para obtener los metales más activos: Na, Mg y Al, los cuales se obtienen a partir de sal fundida, en la cual el ión metálico de interés es la especie que se reduce con más facilidad. Electrometalurgia del sodio. En la preparación comercial de sodio, se electroliza NaCl fundido en una celda de diseño especial llamada celda de Downs, donde suele agregarse CaCl2 para disminuir el punto de fusión del NaCl de 804 a 600°C aproximadamente. El proceso se ilustra en la siguiente figura:

17 4. Metales y Metalurgia IV. Electrometalurgia.
Electrometalurgia del sodio. Es necesario evitar que el Na entre en contacto con el oxígeno porque se oxidaría rápidamente en las condiciones de alta temperatura de la reacción.

18 4. Metales y Metalurgia IV. Electrometalurgia.
Electrometalurgia del Aluminio. El proceso electrolítico que se utiliza en escala comercial para producir aluminio se conoce como proceso Hall. Este proceso permitió abaratar costos de producción (en 1852 el costo del aluminio era superior al oro), y consiste en disolver Al2O3 purificado en criolita fundida (Na3AlF6), que tiene un punto de fusión de 1012°C y es un eficaz conductor de la corriente eléctrica. En el proceso se llevan a cabo las siguientes reacciones químicas: Ánodo: C(s) + 2O2-(l) → CO2(g) + 4e- Cátodo: 3e- + Al3+(l) → Al(l) El aluminio se acumula en el fondo de la celda.

19 4. Metales y Metalurgia IV. Electrometalurgia.
Electrometalurgia del Aluminio. El proceso se ilustra en la siguiente figura:

20 4. Metales y Metalurgia IV. Electrometalurgia.
Electrorrefinación del cobre. El cobre crudo que se obtiene por métodos pirometalúrgicos no es apropiado para usarse en aplicaciones eléctricas porque las impurezas reducen considerablemente la conductividad del metal. Por tanto, el cobre se purifica por electrólisis, tal y como se ilustra en la figura: Grandes planchas de cobre crudo sirven como ánodos de la celda, en tanto que los cátodos son láminas delgadas de cobre puro. A medida que los ánodos se disuelven, los cátodos sobre los que se deposita el metal aumentan de tamaño.

21 4. Metales y Metalurgia V. Metales de transición.
Muchos de los metales más importantes para la sociedad moderna son metales de transición. Estos metales, ocupan el bloque d de la tabla periódica e incluyen elementos tan conocidos como el Cr, Fe, Ni y Cu. Casi todos los iones de metales de transició contienen subcapas d parcialmente ocupadas. A la existencia de estos electrones se deben diversas características de los metales de transición: Suelen presentar más de un estado de oxidación. Muchos de sus compuestos son coloridos Los metales de transición y sus compuestos presentan propiedades magnéticas interesantes.

22 4. Metales y Metalurgia V. Metales de transición.
Estados de oxidación de tres series de metales de transición.

23 4. Metales y Metalurgia V. Metales de transición.
Compuestos coloridos. Muchos de los compuestos de metales de transición son coloridos.

24 4. Metales y Metalurgia V. Metales de transición.
Magnetismo. Las propiedades magnéticas de los metales de transición y sus compuestos son a la vez interesantes e importantes debido a sus usos en la tecnología moderna. Sin duda, resulta muy familiar el comportamiento magnético de los imanes de hiero simple, una forma mucho más intensa de magnetismo que se conoce como ferromagnetismo.