Cobre: Extracción, Propiedades y Metalurgia

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, computadoras y electrodomésticos. Es dúctil, capaz de estirarse y alargarse, y maleable, permitiendo obtener láminas muy delgadas. Algunas de sus aleaciones importantes son el latón (aleación con cinc) y el bronce (aleación con estaño). La minería del cobre es de gran importancia en Chile, extrayéndose minerales de cobre 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 a 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 para obtener un cátodo de cobre de 99,99% de pureza (cobre electrolito).

Metalurgia del Cobre Sulfurado

1. Extracción: Los minerales sulfurados se extraen de minas subterráneas y a tajo abierto.
2. Chancado y molienda: Reducción del tamaño del mineral a 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 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 mediante pirorrefinación, alcanzando concentraciones de 99,7% de cobre.
5. Electrorrefinación: En celdas electrolíticas, se colocan alternadamente un ánodo y un cátodo de cobre en una solución de ácido sulfúrico. El cobre del ánodo se oxida a Cu²⁺, y 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 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, que no se encuentra en estado puro en la naturaleza. Tiene múltiples usos y gran resistencia a las temperaturas y a la corrosión, además de una 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 y altamente corrosivo que disuelve muchos metales y sustancias. Se destina principalmente al consumo propio en procesos de lixiviación y electroobtención.

Hierro: Propiedades, Metalurgia y Usos

El hierro es un metal de transición de color gris, con brillo metálico. Es maleable y posee propiedades magnéticas. Antofagasta y Coquimbo son los principales yacimientos en Chile. El hierro representa el 5% de la corteza terrestre, encontrándose combinado casi siempre con oxígeno, azufre y silicio, formando minerales como la hematita (óxido de hierro). Su principal uso es en la fabricación y producción de acero (aleación del hierro compuesta por 0,3 y 1,4% de carbono), que destaca por su alta dureza y resistencia.

Metalurgia del Hierro: Siderurgia

El hierro se prepara en un horno mediante una reacción de reducción química. Las materias primas utilizadas son mena, carbón coque y 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 el óxido de hierro hasta formar hierro fundido (a 1000°C). La piedra caliza se utiliza para la formación de escorias.

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

Otros Metales de Interés

1. Cinc (Zn): Metal de color gris brillante que a temperatura ambiente es quebradizo, pero entre 100 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, cuya función es protegerlo de la corrosión. En nuestro organismo, es un oligoelemento que participa en el metabolismo de proteínas, ácidos nucleicos y carbohidratos, y es importante para el sistema inmune (genera retardo en la división celular).
2. Manganeso (Mn): Metal blanco grisáceo parecido al hierro, duro y muy frágil, fácilmente oxidable. Está presente en la pirolusita (MnO₂), la manganita (MnO(OH)), la braunita (3Mn₂O₃ * MnSiO₃), etc. 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 y tiene un alto valor económico.
4. Oro (Au): Metal amarillo brillante y denso, con gran ductilidad y maleabilidad, buen conductor eléctrico y resistente a la oxidación. Es un metal electrónicamente muy estable, que se encuentra en la naturaleza como un metal libre y sin combinar, en forma de pepitas.

Fuerzas Intermoleculares

(Fuerza entre moléculas)

1. Ion-dipolo: Cargas de distinto signo.
2. Dipolo-dipolo: Dos moléculas y cada una tiene cargas parciales.
3. Puentes de hidrógeno: La molécula debe tener N, F, O.
4. Dispersión de London: Una molécula apolar cambia mientras está cerca de un dipolo (dipolo = dipolo inducido). Una molécula apolar es perturbada por un ion con carga positiva o negativa (ion dipolo inducido).

Empírica: abreviada; Molecular: normal

RENDIMIENTO PORCENTUAL: (rendimiento real / rendimiento teórico) x 100

Exotérmica: libera calor; Endotérmica: absorbe calor; ΔG = ΔH – TΔS