Cobre: Propiedades, Extracción y Usos

El cobre es un metal de transición, descubierto en estado natural (cobre nativo) en Asia Menor (6500 a.C.). Es un excelente conductor eléctrico, utilizado en cables de alumbrado público, computadores y electrodomésticos. Es dúctil, capaz de estirarse y alargarse, y maleable, permitiendo obtener láminas muy delgadas.

Aleaciones del Cobre

• Latón: Aleación con zinc.
• Bronce: Aleación con estaño.

La minería del cobre es una de las más importantes en Chile. Los minerales de cobre se clasifican en oxidados y sulfurados. Los yacimientos de cobre están relacionados con rocas intrusivas (rocas ígneas formadas por material magmático que se introdujo a gran temperatura y presión en la corteza terrestre).

Metalurgia del Cobre Oxidado

1. Extracción: Los minerales oxidados se extraen a tajo abierto mediante perforación, tronadura, carguío y transporte.
2. Chancado y molienda: Reducción del tamaño del mineral (aproximadamente 1,27 cm de diámetro).
3. Lixiviación y extracción: Proceso hidrometalúrgico donde el mineral molido se acumula en pilas y se riega con ácido sulfúrico (H₂SO₄).
4. Electroobtención: La solución de sulfato de cobre se somete a electrólisis, obteniendo un cátodo de cobre de 99,99% de pureza (cobre electrolítico).

Metalurgia del Cobre Sulfurado

1. Extracción: Los minerales sulfurados se extraen de minas subterráneas y de tajo abierto.
2. Chancado y molienda: Reducción del tamaño del mineral (aproximadamente 1,27 cm de diámetro).
3. Flotación: Proceso fisicoquímico donde se mezcla el mineral molido con una sustancia espumante que produce burbujas de aire. Estas burbujas atrapan el cobre y lo llevan a la superficie.
4. Fundición: El mineral se calienta y se funde a 1200°C en hornos llamados reverberos. Luego, en convertidores (hornos), se aplica aire para oxidar impurezas, obteniéndose cobre blíster (96% puro). Se elimina el oxígeno presente (pirorrefinación) llegando a concentraciones de 99,7% de cobre.
5. Electrorrefinación: En celdas electrolíticas, se coloca alternadamente un ánodo y un cátodo de cobre en una solución de ácido sulfúrico. El cobre del ánodo se oxida a Cu²⁺, el catión Cu²⁺ es atraído por el cátodo (-), depositándose en él como Cu.

Biolixiviación

En Chile se han utilizado ciertas bacterias en el proceso de lixiviación del cobre (lixiviación bacteriana). Estas bacterias oxidan el azufre que contienen los minerales de sulfuro de cobre (CuS), que se encuentran en estado sólido, obteniéndose una solución de sulfato de cobre (CuSO₄). A partir de esta solución se puede recuperar el cobre como metal.

Subproductos del Cobre

1. Molibdeno: Metal de color gris oscuro, no se encuentra en estado puro en la naturaleza. Tiene múltiples usos, destacando su gran resistencia a las temperaturas y a la corrosión, y su alta durabilidad. El 80% se usa como aditivo en la fabricación del acero industrial. También se utiliza en la industria del petróleo, en herramientas de resistencia al desgaste y en edificios para mantener el brillo y la resistencia de los metales.
2. Ácido sulfúrico: Líquido denso, altamente corrosivo. Disuelve muchos metales y sustancias. La mayor parte se destina al consumo propio en los procesos de lixiviación y electroobtención.

Hierro: Características y Metalurgia

El hierro es un metal de transición de color gris, con brillo metálico. Es maleable y posee propiedades magnéticas. Los principales yacimientos se encuentran en Antofagasta y Coquimbo. El 5% de la corteza terrestre está compuesta por hierro, casi siempre combinado con oxígeno, azufre y silicio, formando minerales de hierro como la hematita (óxido de hierro).

Uso principal: Fabricación y producción de acero (aleación de hierro compuesta por 0,3% y 1,4% de carbono), que posee alta dureza y resistencia.

Metalurgia del Hierro: Siderurgia

El hierro se prepara en un horno mediante una reacción de reducción química.

Materias Primas:

• Mena de hierro
• Carbón Coque
• Piedra Caliza (carbonato de calcio)

Estas sustancias se cargan por la parte superior del horno, y por la inferior se inyecta aire caliente para facilitar los procesos químicos. El monóxido de carbono reduce al óxido de hierro hasta formar hierro fundido (1000°C). La piedra caliza contribuye a la formación de escorias.

Obtención del Acero

El acero inoxidable es una aleación que contiene hierro, carbono, níquel, cromo y molibdeno. Se obtiene mediante un proceso básico de oxidación donde se eliminan las impurezas, ya que reaccionan con el oxígeno.

El hierro fundido se vacía en un convertidor. Por el fondo se introduce aire para oxidar las impurezas (fósforo, manganeso, silicio y carbono, que forman óxidos al reaccionar con el oxígeno). No es necesario aplicar calor, ya que el proceso es exotérmico. Después de aproximadamente 20 minutos, el proceso termina (se reconoce por el color de la llama).

Otros Metales de Interés

1. Zinc (Zn)

Metal de color gris brillante que a temperatura ambiente es quebradizo, pero entre 100°C y 150°C es blando y maleable. En forma nativa, se encuentra como sulfuros, óxidos y carbonatos. Su principal aplicación industrial es el galvanizado de acero, que lo protege de la corrosión. En nuestro organismo, es un oligoelemento que participa en el metabolismo de proteínas, ácidos nucleicos y carbohidratos, y es esencial para el sistema inmune (su deficiencia genera retardo en la división celular).

2. Manganeso (Mn)

Metal blanco grisáceo parecido al hierro, duro y muy frágil. Es fácilmente oxidable. Se encuentra en minerales como la pirolusita (MnO₂), la manganita (MnO(OH)) y la braunita (3Mn₂O₃ * MnSiO₃). Tiene importantes funciones en nuestro organismo, forma parte del sitio catalítico de distintas enzimas e interviene en el metabolismo celular.

3. Plata (Ag)

Metal blanco grisáceo, brillante, blando, dúctil y maleable. De forma nativa, se encuentra como sulfuro de plata (Ag₂S, argentita). Es poco abundante en la naturaleza y se obtiene a partir de barros anódicos y concentrados de la metalurgia del cobre. Es el mejor conductor eléctrico, pero tiene un alto valor económico.

4. Oro (Au)

Metal amarillo brillante y denso. Posee gran ductilidad y maleabilidad, es buen conductor eléctrico y resistente a la oxidación. Es un metal electrónicamente muy estable. Se encuentra en la naturaleza como metal libre y sin combinar, en forma de pepitas.

Fuerzas Intermoleculares

Las fuerzas intermoleculares son las fuerzas que existen entre las moléculas.

1. Ion-dipolo: Se producen entre cargas de distinto signo.
2. Dipolo-dipolo: Se dan entre dos moléculas, cada una con cargas parciales.
3. Puentes de hidrógeno: La molécula debe contener N, F u O.
4. Dispersión de London:
   • Una molécula apolar cambia mientras esté cerca de un dipolo (dipolo-dipolo inducido).
   • Una molécula apolar es perturbada por un ion con carga positiva o negativa (ion-dipolo inducido).

Conceptos Químicos Adicionales

• Fórmula Empírica: Forma abreviada de representar una molécula.
• Fórmula Molecular: Representación completa de una molécula.
• Rendimiento Porcentual: (Rendimiento real / Rendimiento teórico) x 100
• Reacciones Exotérmicas: Liberan calor.
• Reacciones Endotérmicas: Absorben calor.
• Ecuación de Gibbs: ΔG = ΔH – TΔS