12.3: Metales y Minerales
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- Identificar metales importantes y describir su extracción de sus principales minerales.
- Enumere diferentes metales, sus usos y sus aleaciones.
- Describir el impacto ambiental de la producción de metal.
La mayoría de los metales se encuentran como tipos de roca en la corteza terrestre. Estos minerales contienen suficientes minerales con elementos importantes incluyendo metales que pueden extraerse económicamente de la roca. Los minerales metálicos son generalmente óxidos, sulfuros, silicatos (Tabla \(\PageIndex{1}\)) o metales “nativos” (como el cobre nativo) que comúnmente no se concentran en la corteza terrestre, o metales “nobles” (no suelen formar compuestos) como el oro (Figura\(\PageIndex{1}\)). Los minerales deben procesarse para extraer los metales de interés de la roca de desecho y de los minerales del mineral.
Aleaciones
Una aleación es una mezcla compuesta por dos o más elementos, al menos uno de los cuales es un metal. Probablemente estés familiarizado con algunas aleaciones de cobre (como latón y bronce) y hierro (acero). Las aleaciones pueden ser uno de dos tipos generales. En un tipo, llamado aleación sustitutiva, los diversos átomos simplemente se reemplazan entre sí en la estructura cristalina. En otro tipo, llamado aleación intersticial, los átomos más pequeños, como el carbono, encajan entre los átomos más grandes en la disposición de empaquetamiento cristalino.
Los aceros son una clase muy importante de aleaciones. Los muchos tipos de aceros están compuestos principalmente de hierro, con diversas cantidades de los elementos carbono, cromo, manganeso, níquel, molibdeno y boro. Los aceros son ampliamente utilizados en la construcción de edificios debido a su resistencia, dureza y resistencia a la corrosión. La mayoría de las grandes estructuras modernas como rascacielos y estadios están sustentadas por un esqueleto de acero (ver figura abajo).
Cobre, Latón y Bronce
El cobre es un elemento químico con el símbolo Cu (del latín: cuprum) y el número atómico 29. Es un metal blando, maleable y dúctil con muy alta conductividad térmica y eléctrica. Una superficie recién expuesta de cobre puro tiene un color rosado-naranja. El cobre se utiliza como conductor de calor y electricidad y como material de construcción.
El cobre es uno de los pocos metales que pueden ocurrir en la naturaleza en una forma metálica directamente utilizable (metales nativos). Esto condujo a un uso humano muy temprano en varias regiones, a partir de c. 8000 a.C. Miles de años después, fue el primer metal que se fundió a partir de minerales de sulfuro, c. 5000 a.C., el primer metal que se moldeó en una forma en un molde, c. 4000 aC y el primer metal que se aleó a propósito con otro metal, el estaño, para crear bronce, c. 3500 a.C.
La mayoría de los minerales comerciales son sulfuros, especialmente calcopirita (CuFe 2), bornita (Cu 5 FeS 4) y, en menor medida, covellita (CuS) y calcocita (Cu 2 S).
Cu 2 S, se convierte en óxidos:
- 2 Cu 2 S + 3 O 2 → 2 Cu 2 O + 2 SO 2
El óxido cuproso se convierte luego en cobre al calentarlo:
- 2 Cu 2 O → 4 Cu + O 2
El cobre es un componente de varias aleaciones metálicas, como la plata esterlina utilizada en joyería, el cuproníquel utilizado para fabricar herrajes marinos y monedas, y el constantano utilizado en galgas extensométricas y termopares para la medición de temperatura. El bronce, una aleación de cobre y estaño ha estado en uso desde la antigüedad. La Edad del Bronce vio el mayor uso de metales en lugar de piedra para armas, herramientas y objetos decorativos. El latón, una aleación de cobre y zinc, es ampliamente utilizado en instrumentos musicales como la trompeta y el trombón. Las aleaciones se utilizan comúnmente en artículos manufacturados porque las propiedades de estas mezclas metálicas suelen ser superiores a las de un metal puro. El bronce es más duro que el cobre y se funde más fácilmente. El latón es muy maleable y sus propiedades acústicas lo hacen útil para instrumentos musicales (Figura\(\PageIndex{1}\)).
Hierro y Acero
La aplicación temprana del hierro a la fabricación de herramientas y armas fue posible debido a la amplia distribución de los minerales de hierro y a la facilidad con que los compuestos de hierro en los minerales podían ser reducidos por el carbono. El mineral de hierro se reduce con coque en un alto horno (Figura\(\PageIndex{1}\)). El alto horno se carga con minerales de hierro, generalmente hematita Fe 2 O 3 o magnetita Fe 3 O 4, junto con coque (carbón que ha sido horneado por separado para eliminar componentes volátiles). Se sopla aire precalentado a 900 °C a través de la mezcla, en cantidad suficiente para convertir el carbono en monóxido de carbono:
- 2 C + O 2 → 2 CO
Esta reacción eleva la temperatura a aproximadamente 2000 °C El monóxido de carbono reduce el mineral de hierro a hierro metálico [112]
- Fe 2 O 3 + 3 CO → 2 Fe + 3 CO 2
Algo de hierro en la región baja de alta temperatura del horno reacciona directamente con el coque: [112]
- 2 Fe 2 O 3 + 3 C → 4 Fe + 3 CO 2
Gran parte del hierro producido se refina y se convierte en acero. El acero está hecho de hierro eliminando impurezas y agregando sustancias como manganeso, cromo, níquel, tungsteno, molibdeno y vanadio para producir aleaciones con propiedades que hacen que el material sea adecuado para usos específicos. La mayoría de los aceros también contienen porcentajes pequeños pero definidos de carbono (0.04% — 2.5%). Sin embargo, una gran parte del carbono contenido en el hierro debe ser removido en la fabricación del acero; de lo contrario, el exceso de carbono haría que el hierro fuera quebradizo. Sin embargo, no hay una sola sustancia llamada acero - son una familia de aleaciones de hierro con carbono o diversos metales.
Las impurezas en el hierro del Alto Horno incluyen carbono, azufre, fósforo y silicio, los cuales tienen que ser eliminados.
- Eliminación de azufre: El azufre tiene que ser eliminado primero en un proceso separado. El polvo de magnesio se sopla a través del hierro fundido y el azufre reacciona con él para formar sulfuro de magnesio. Esto forma una escoria en la parte superior del hierro y se puede eliminar. \[ Mg + S \rightarrow MgS \label{127} \]
- Eliminación de carbono: El hierro fundido aún impuro se mezcla con chatarra de hierro (procedente del reciclaje) y se sopla oxígeno a la mezcla. El oxígeno reacciona con las impurezas restantes para formar diversos óxidos. El carbono forma monóxido de carbono. ¡Ya que este es un gas se quita de la plancha! Este monóxido de carbono se puede limpiar y utilizar como gas combustible.
- Eliminación de otros elementos: Elementos como el fósforo y el silicio reaccionan con el oxígeno para formar óxidos ácidos. Estos se eliminan usando cal viva (óxido de calcio) que se agrega al horno durante el golpe de oxígeno. Reaccionan para formar compuestos como silicato de calcio o fosfato de calcio que forman una escoria en la parte superior del hierro.
Ya se mencionó anteriormente el hierro C ast. Esta sección trata de los tipos de hierro y acero que se producen como resultado del proceso de fabricación del acero.
- Hierro forjado: Si todo el carbono se elimina del hierro para dar hierro de alta pureza, se le conoce como hierro forjado. El hierro forjado es bastante blando y fácil de trabajar y tiene poca resistencia estructural. Alguna vez se utilizó para hacer portones decorativos y barandas, pero en estos días normalmente se usa acero dulce en su lugar.
- Acero dulce: El acero dulce es hierro que contiene hasta aproximadamente 0.25% de carbono. La presencia del carbono hace que el acero sea más fuerte y más duro que el hierro puro. Cuanto mayor sea el porcentaje de carbono, más duro se vuelve el acero. El acero dulce se utiliza para muchas cosas: clavos, alambre, carrocerías de automóviles, construcción de barcos, viguetas y puentes, entre otros.
- Acero con alto contenido de carbono: El acero con alto contenido de carbono contiene hasta aproximadamente 1.5% de carbono. La presencia del carbono extra lo hace muy duro, pero también lo hace más quebradizo. El acero de alto carbono se utiliza para herramientas de corte y clavos de mampostería (clavos diseñados para ser clavados en bloques de concreto o ladrillos sin doblarse). El acero de alto carbono tiende a fracturarse en lugar de doblarse si se maltrata.
- Aceros especiales: Estos son hierro aleado con otros metales (Tabla\(\PageIndex{1}\)).
| Hierro mezclado con | Propiedades especiales | Los usos incluyen | |
|---|---|---|---|
| acero inoxidable | cromo y níquel | resiste la corrosión | cubiertos, utensilios de cocina, fregaderos de cocina, equipo industrial para el procesamiento de alimentos y bebidas |
| acero de titanio | titanio | soporta altas temperaturas | turbinas de gas, naves espaciales |
| acero al manganeso | manganeso | muy duro | maquinaria para romper rocas, algunas vías férreas (por ejemplo, puntos), cascos militares |
Video\(\PageIndex{1}\) El proceso de la acería.
Aluminio
El aluminio es demasiado alto en la serie electroquímica (serie de reactividad) para extraerlo de su mineral usando reducción de carbono. Las temperaturas necesarias son demasiado altas para ser económicas. En cambio, se extrae por electrólisis. El mineral se convierte primero en óxido de aluminio puro mediante el Proceso Bayer, y luego se electroliza en solución en criolita fundida, otro compuesto de aluminio. El óxido de aluminio tiene un punto de fusión demasiado alto para electrolizarse por sí solo. El mineral de aluminio habitual es la bauxita. La bauxita es esencialmente un óxido de aluminio impuro. Las principales impurezas incluyen óxidos de hierro, dióxido de silicio y dióxido de titanio.
La bauxita triturada se trata con solución de hidróxido de sodio moderadamente concentrada. La concentración, temperatura y presión utilizadas dependen de la fuente de la bauxita y exactamente de qué forma de óxido de aluminio contiene. Las temperaturas son típicamente de 140 °C a 240 °C; las presiones pueden ser de hasta aproximadamente 35 atmósferas. Con solución concentrada caliente de hidróxido de sodio, el óxido de aluminio reacciona para dar una solución de tetrahidroxoaluminato de sodio.
\[ Al_2O_3 + 2NaOH + 3H_2O \longrightarrow 2NaAl(OH)_4 \nonumber \]
La solución de tetrahidroxoaluminato de sodio se enfría y se “siembra” con algo de hidróxido de aluminio previamente producido. Esto proporciona algo para que el nuevo hidróxido de aluminio precipite alrededor.
\[ NaAl(OH)_4 \longrightarrow Al(OH)_3 + NaOH \nonumber \]
El óxido de aluminio (a veces conocido como alúmina) se fabrica calentando el hidróxido de aluminio a una temperatura de aproximadamente 1100 - 1200°C.
\[ 2Al(OH)_3 \longrightarrow Al_2O_3 + 3H_2O \nonumber \]
El óxido de aluminio se electroliza en solución en criolita fundida, Na 3 AlF 6. La criolita es otro mineral de aluminio, pero es raro y caro, y la mayoría ahora se fabrica químicamente.
Usos del Aluminio
El aluminio suele alearse con otros elementos como silicio, cobre o magnesio. El aluminio puro no es muy fuerte, y alearlo le agrega resistencia. El aluminio es especialmente útil porque
- tiene una baja densidad;
- es fuerte cuando se alea;
- es un buen conductor de electricidad;
- tiene una buena apariencia;
- resiste la corrosión debido a la fuerte capa delgada de óxido de aluminio en su superficie. Esta capa puede fortalecerse aún más anodizando el aluminio.
Anodizar esencialmente implica atacar el aluminio con solución de hidróxido de sodio para eliminar la capa de óxido existente, y luego hacer que el artículo de aluminio sea el ánodo en una electrólisis de ácido sulfúrico diluido. El oxígeno dado en el ánodo reacciona con la superficie de aluminio, para construir una película de óxido de hasta aproximadamente 0.02 mm de espesor. Además de aumentar la resistencia a la corrosión del aluminio, esta película es porosa en esta etapa y también absorberá tintes. (Se trata adicionalmente para hacerlo completamente no poroso después.) Eso significa que puedes hacer artículos de aluminio con el color incorporado en la superficie.
Algunos usos incluyen:
| El aluminio se utiliza para | porque |
|---|---|
| aviones | ligero, fuerte, resiste la corrosión |
| otros medios de transporte tales como superestructuras de barcos, carrocerías de vehículos de contenedores, trenes de tubo (trenes de metro) | ligero, fuerte, resiste la corrosión |
| cables de alimentación aéreos (con un núcleo de acero para fortalecerlos) | luz, resiste la corrosión, buen conductor de electricidad |
| cacerolas | luz, resiste la corrosión, buen aspecto, buen conductor de calor |
Reciclaje
El aluminio es un material infinitamente reciclable, y se necesita hasta un 95 por ciento menos de energía para reciclarlo que para producir aluminio primario, lo que también limita las emisiones, incluidos los gases de efecto invernadero. Hoy en día, alrededor del 75 por ciento de todo el aluminio producido en la historia, casi mil millones de toneladas, sigue en uso. [6]
El reciclaje del aluminio generalmente produce importantes ahorros de costos con respecto a la producción de aluminio nuevo, incluso cuando se toman en cuenta los costos de recolección, separación y reciclaje. [7] A largo plazo, se obtienen ahorros nacionales aún mayores cuando se considera la reducción en los costos de capital asociados con los rellenos sanitarios, las minas y el envío internacional de aluminio crudo.
Impacto Ambiental de la Producción de Acero y Aluminio
El impacto de la producción de acero y aluminio en el medio ambiente se remonta desde la extracción de los minerales hasta la producción de los productos comerciales finales (es decir, acero y aluminio). Las principales fuentes de emisiones durante las diferentes fases de fabricación incluyen los productos de combustión como el óxido nitroso, dióxido de carbono, monóxido de carbono y dióxido de azufre y polvo fugitivo de la operación de los equipos. El efecto de las diferentes emisiones sobre la calidad del aire (es decir, formación de smog, efecto invernadero, lluvia ácida, etc.) se discutirá con más detalle en el Capítulo 13.
El ácido sulfúrico se crea cuando el agua y el oxígeno interactúan con minerales y químicos que contienen azufre en las rocas. Muchos metales se vuelven móviles a medida que el agua se vuelve más ácida y a altas concentraciones estos metales se vuelven tóxicos para la mayoría de formas de vida. También hay producción de enormes cantidades de contaminantes de aguas residuales, desechos peligrosos y desechos sólidos.
Resumen
- Los minerales metálicos contienen suficientes minerales con elementos importantes incluyendo metales que pueden extraerse económicamente de la roca. Los minerales deben procesarse para extraer los metales de interés de la roca de desecho y de los minerales del mineral.
- Las aleaciones son mezclas de materiales, al menos uno de los cuales es un metal.
- Las aleaciones de bronce fueron ampliamente utilizadas en armas.
- Las aleaciones de latón se han empleado durante mucho tiempo en instrumentos musicales.
- Las aleaciones de acero son fuertes y duraderas.
- Las aleaciones de aluminio son ampliamente utilizadas debido a su durabilidad, resistencia a la corrosión y buena conductividad.
Colaboradores y Atribuciones
CK-12 Foundation by Sharon Bewick, Richard Parsons, Therese Forsythe, Shonna Robinson, and Jean Dupon.
- TextMap: General Chemistry: General Chemistry (Petrucci et al.)
- Wikipedia