Minerales Metálicos y No Metálicos: Extracción y Metalurgia

Definición de Mineral

Un mineral es una sustancia natural con una composición química característica, conformada por elementos o compuestos químicos. Se encuentran en depósitos o yacimientos como minerales primarios (por ejemplo, oro) o minerales secundarios (por ejemplo, anglesita, PbSO₄).

Minerales No Metálicos

Son aquellos de los que se extraen materiales utilizados con frecuencia en la construcción o la agricultura. Entre los que se explotan en Chile están: yeso, sal común, salitre, azufre y cuarzo.

Productos Químicos: Clasificación y Obtención

Los productos químicos se pueden clasificar en tres categorías:

• Productos químicos básicos: Se obtienen en gran cantidad. Ejemplos: celulosa, seda, carbonato de litio. Son la base para la obtención de otros productos.
• Productos químicos intermedios: Se consiguen mediante la transformación de productos básicos. Ejemplos: cloruro de vinilo, butadieno, ácido fosfórico y fenol. Se emplean para la elaboración de productos finales.
• Productos químicos finales: Aptos para el consumo. Ejemplos: fármacos, detergentes, cosméticos, papel, litio, PVC y fertilizantes.

Factores que Influyen en la Obtención de un Producto

El método para obtener un producto debe considerar el rendimiento de la reacción, su viabilidad y el aspecto económico. Se deben considerar tres factores:

• Factor estequiométrico: Principio de Le Chatelier.
• Factor termodinámico: ΔHº, ΔSº, ΔGº. Indica si la reacción es posible.
• Factor cinético: Da cuenta de la velocidad con que transcurre la reacción. El 70% de las reacciones empleadas en la industria química usan catalizadores.

Procesos Productivos

Los procesos productivos se pueden dividir en tres etapas:

1. Tratamientos físicos iniciales: Las materias primas (minerales) se acondicionan para el proceso químico mediante trituración, molienda, calentamiento y mezcla.
2. Tratamientos químicos: Las materias primas procesadas se someten a una serie de reacciones químicas, transformándose en un producto. Estas reacciones pueden ir desde la calcinación hasta la polimerización.
3. Tratamientos físicos finales: Se realiza la purificación y separación del producto. Las técnicas más empleadas son: destilación, extracción, cristalización, sedimentación y filtración.

Procesos Metalúrgicos

• Yacimiento minero: Es un depósito mineral cuya concentración es adecuada para extraer un elemento determinado.
• Mena: Parte del mineral del que se puede extraer un elemento, generalmente un metal, por contenerlo en cantidad suficiente para ser aprovechado.
• Ganga: Consiste en las impurezas, como arena y barro, con las que está mezclada la mena.
• Metalurgia: Es la ciencia de la separación de los metales a partir de su mena y la producción de aleaciones.
• Aleación: Disolución sólida compuesta de dos o más metales.
• Metal: Elemento buen conductor del calor y la electricidad, pierde electrones (se oxida), son reductores, electropositivos y presentan brillo peculiar.

Metalurgia del Cobre

Extracción y Procesamiento

El material extraído de la mina, que contiene minerales oxidados de cobre, es fragmentado mediante chancado primario y secundario (eventualmente terciario), con el objeto de obtener un material mineralizado de un tamaño aproximado de 1,27 cm de diámetro. Este tamaño es suficiente para dejar expuestos los minerales oxidados de cobre a la infiltración de la solución ácida.

• Fase seca: Chancado primario, secundario y terciario.
• Fase húmeda: Molienda convencional (molinos de barras y/o de bolas).

Métodos de Separación y Producción del Metal

• Flotación: Para el cobre sulfurado (calcosita: Cu₂S; calcopirita: CuFeS₂).
• Pirometalurgia: Calcinación, tostación.
• Hidrometalurgia (lixiviación): Para CuO (malaquita).
• Electrometalurgia.

Flotación para Concentrar la Mena

Es un proceso en el cual el mineral se muele finamente y se vierte en agua que contiene aceite y detergente. La mezcla líquida se calienta o se sopla para formar espuma. El aceite moja selectivamente las partículas del mineral y las arrastra hacia la espuma. Es aplicable a sulfuros, carbonatos y silicatos que no se “humedecen” con el agua o la repelen.

Producción del Metal

Debido a que los metales, en su forma combinada, tienen siempre número de oxidación positivo, la producción de un metal libre es siempre una reducción.

Pirometalurgia: Fundición y Tostación

Tratamiento que conduce a la reducción del metal. Se aplica principalmente calor y aire a sulfuros. Se obtiene cobre blíster al 96% de pureza. Luego, por pirorrefinación, se elimina el exceso de oxígeno y se obtiene cobre RAF al 99,7%.

Hidrometalurgia (Lixiviación) para CuO (Malaquita)

En medio líquido, se aprovecha el hecho de que algunos metales son más electropositivos que otros (más reductores) para separar sus componentes.

Reducción Electrolítica

Es aplicable a metales muy electropositivos como el sodio, el magnesio y el aluminio. El proceso, por lo general, se lleva a cabo con el óxido o haluro de un metal fundido.

Electrólisis

Se pueden diferenciar de acuerdo a si comprenden electrólisis de sal fundida o de una solución acuosa. Por ejemplo, el cobre metálico obtenido por tostación del sulfuro tiene impurezas como Fe, Zn, Au y Ag.

El ánodo (+) es una plancha de metal impuro y el cátodo (-) es una plancha de metal refinado. Al circular la corriente, los átomos del ánodo pasan al cátodo.

Lixiviación en Pilas

Las pilas deben ser regadas con una solución de ácido sulfúrico, la que circula por cañerías distribuidas homogéneamente. La lixiviación es un proceso hidrometalúrgico que permite obtener el cobre de los minerales oxidados que lo contienen, aplicando una disolución de ácido sulfúrico y agua. Este proceso se basa en que los minerales oxidados son sensibles al ataque de soluciones ácidas. De la lixiviación se obtienen en 45 a 60 días soluciones de sulfato de cobre (CuSO₄) con concentraciones de hasta 9 gramos por litro (gpl) que son llevadas a diversos estanques donde se limpian, eliminándose las partículas sólidas que pudieran haber sido arrastradas, pasando a 45 gpl mediante una extracción iónica.

Reacción química: CuO + H₂SO₄ → CuSO₄ + H₂O

La Industria Química en Chile

La industria química chilena está formada por alrededor de 130 empresas que producen cerca de 300 sustancias químicas industriales. El comercio internacional de productos químicos en Chile presenta una gran actividad, alcanzando un promedio del 6% de las exportaciones nacionales totales.

La industria química chilena se puede clasificar en tres grupos:

1. Empresas de escala mundial.
2. Empresas orientadas al mercado externo.
3. Empresas orientadas al mercado interno.

El producto químico con mayor volumen de producción en Chile es el ácido sulfúrico (que principalmente se produce y consume por la enorme industria refinadora de cobre), seguido de metanol, nitrato de sodio, cloruro de potasio y nitrato de potasio.

Materia Prima

Materia prima: Sustancia o mezcla que se usa en la elaboración de un determinado producto. Las materias primas pueden ser minerales o no minerales. Las minerales pueden ser metalíferos o no metalíferos, pero en todos los casos son agotables. Los no minerales pueden ser animales o vegetales; su producción está regulada por las personas. Cuando se extrae directamente un material de la naturaleza, como el carbón, se habla de obtención. En el caso en que es necesario provocar reacciones químicas en las que intervienen varios reactantes para obtener el material como producto de reacción, se llama preparación.

Metalurgia del Cobre: Detalles Adicionales

El cobre puede ser explotado a partir de sus minerales sulfurados, como también de los oxidados. La mayor parte del cobre del mundo se obtiene de los sulfuros minerales, como la calcocita, covelita, calcopirita, bornita y enargita. Los minerales oxidados son la cuprita, tenorita, malaquita, azurita, crisocola y brocantita.

Estos dos tipos de mineral requieren de procesos productivos diferentes, pero en ambos casos el punto de partida es la extracción del material desde las minas, ya sean a tajo abierto o subterráneas. El mineral extraído pasa, en primer lugar, por un proceso de molienda. En el caso de los minerales oxidados, el proceso productivo implica someter el material a una solución de lixiviación. El concentrado resultante puede ser desecado y llevado a los hornos o sometido a un proceso de extracción con solventes y, posteriormente, a un sistema de electroobtención, cuyo resultado final son los cátodos de cobre con 99,99% de pureza.

Los minerales sulfurados pasan primero por el chancado y la molienda, siendo luego concentrados por flotación, obteniéndose un concentrado que contiene un 30 a 35% del metal. Su purificación posterior se realiza en hornos que permiten obtener cobre blíster con un 99,5% de pureza, o ánodos, los que finalmente son sometidos a electrorrefinación, la que permite obtener cátodos con 99,99% de pureza.

Electrólisis

El zinc, al igual que los otros metales más reactivos, se oxida en el ánodo de cobre y pasa a la disolución, pero no se reduce en el cátodo. Los menos electropositivos, como el oro y la plata, no se oxidan en el ánodo y caen al fondo (barro anódico). El cobre llega a una pureza de 99,99%.

Ánodo: Cu → Cu²⁺ + 2e^–

Cátodo: Cu²⁺ + 2e^– → Cu

Datos y Curiosidades sobre el Cobre y Otros Minerales

• El cobre es uno de los pocos metales que se encuentran en la naturaleza en estado «nativo». La primera aleación conocida fue el bronce.
• El molibdeno es un subproducto de la metalurgia del cobre y no se obtiene de la molibdenita, cuya fórmula química es MoS₂.
• En la electrólisis del cobre, los componentes que no se disuelven y que se depositan en el fondo de las celdas es el llamado barro anódico.
• Los depósitos de caliche son las fuentes naturales más importantes de yodo y nitrato de sodio.
• Propiedades del cobre: estético, dúctil, maleable, relativamente blando, alta resistencia a la corrosión, alta conductividad térmica, bactericida y puede alearse con otros metales.
• El producto químico de mayor producción en Chile es el ácido sulfúrico.
• El latón es una aleación de cobre con 30-45% de zinc.
• Usos actuales del cobre: para evitar el sobrecalentamiento de las placas madre de los computadores, bobina de cobre para la proyección de imágenes nítidas en un TV, gracias a sus aleaciones, la última generación de chips aumentó su velocidad.
• La reacción Cu₂O + H₂SO₄ → CuSO₄ + H₂O corresponde a la técnica metalúrgica que se conoce como lixiviación.
• En el caso en que es necesario provocar reacciones químicas en las que intervienen varios reactantes para obtener el material como producto de reacción, se llama preparación.
• Las industrias que toman sus materias primas del aire, del agua de mar o de la corteza terrestre, y las que obtienen sus materias primas de productos de origen vegetal o animal, pertenecen al grupo de la petroquímica. Se conocen como industrias químicas de base.
• Asociación de minerales a partir del cual se obtiene uno o más metales de forma económicamente favorable: mena.
• Las características de ductilidad, dureza, maleabilidad, brillo, conducción térmica y eléctrica se explican mediante la teoría de las bandas y el modelo del gas o mar electrónico.
• La industria química chilena produce cerca de 300 sustancias químicas industriales y el número de empresas es de alrededor de 130.
• Mediante el uso de detergente se forma suficiente espuma a la que se adhieren las partículas del mineral, mientras el material estéril queda en el fondo. Esta técnica se conoce como flotación de minerales.
• La cuprita es un mineral de cobre cuya fórmula es CuO.
• En toda metalurgia, para obtener los metales puros de sus minerales, debe ocurrir una reducción.
• El cobre metálico en este proceso es de una pureza de 96% de cobre y se conoce como cobre blíster.
• El cobre electrolítico, de una pureza del 99,99%, se obtiene en la electrólisis en cátodos de 135 kg.
• Chile es el segundo productor de litio en el mundo, pero sus reservas son limitadas. Para su obtención, se explotan salmueras. El litio se comercializa como carbonato.

Cálculo de la Ley del Mineral

• Para el cobre: 100% / 80 ton = X / 1,9 ton; X = 2,38%
• Para el molibdeno: 100% / 80 ton = X / 0,11 ton; X = 0,14%