Menas, minerales y obtención de metales por procesos redox
Una lata de gaseosa se fabrica con aluminio, pero nadie encontró nunca una lata en el suelo de la Patagonia. El aluminio de Puerto Madryn sale de una roca que no se parece en nada a un metal. ¿Cómo se pasa de una piedra a un metal? ¿Por qué el hierro se obtiene en un alto horno, el cobre calentando con carbón y el aluminio hace falta «electrificarlo»? Al final de la página lo vas a poder explicar.
Mineral, mena y ganga
Los metales casi nunca aparecen «puros» en la corteza terrestre. Lo habitual es encontrarlos combinados con otros elementos, sobre todo con oxígeno y azufre, formando minerales.
Una roca extraída de una mina es una mezcla: mena (lo que se aprovecha) y ganga (lo que se descarta). Por eso primero se separa la mena de la ganga (triturado, molienda, flotación) y recién después se obtiene el metal.
Un mineral es una sustancia sólida natural que se encuentra en la corteza terrestre, y una mena es un mineral del que se puede extraer un metal de forma conveniente.…
Un mineral es una sustancia sólida natural que se encuentra en la corteza terrestre, y una mena es un mineral del que se puede extraer un metal de forma conveniente. Explicá con tus palabras la diferencia entre mena y ganga, y dá un ejemplo de cada una a partir de un yacimiento de hierro en el que el mineral extraído es hematita, $\ce{Fe2O3}$, mezclada con arena (sílice).
Reactividad: qué tan fácil se oxida un metal
Los metales tienen tendencia a oxidarse, es decir, a perder electrones y convertirse en iones positivos. Esa tendencia es la reactividad (u «oxidabilidad»). Se ordena en una serie:
Sirve de brújula: cuanto más a la izquierda está un metal, más reactivo es.
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Muy reactivos (Na, Ca, Mg, Al): se oxidan con muchísima facilidad. Solo existen combinados.
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Intermedios (Zn, Fe): se oxidan con facilidad moderada.
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Poco reactivos (Cu, Ag, Au): se oxidan con dificultad. El oro es tan poco reactivo que aparece como metal libre, nativo.
La consecuencia es directa: un metal muy reactivo está «muy a gusto» como ion en su mineral, y por eso cuesta mucho arrancarle esos electrones de vuelta. Un metal poco reactivo se separa fácil de su óxido.
Una estudiante de 4° año tiene la siguiente lista de metales: oro, hierro, aluminio, cobre y sodio. Ordenalos de mayor a menor reactividad química, sabiendo que la…
Una estudiante de 4° año tiene la siguiente lista de metales: oro, hierro, aluminio, cobre y sodio. Ordenalos de mayor a menor reactividad química, sabiendo que la reactividad es la tendencia de un metal a oxidarse (perder electrones). Luego indicá cuál de ellos es más probable encontrar en la naturaleza como metal libre (nativo) y justificá brevemente tu elección.
Hemirreacciones: oxidación y reducción
Sacar un metal de su mena es un proceso redox: en el mineral el metal está como ion positivo y hay que devolverle electrones para que quede como átomo neutro.
Un agente se nombra por lo que provoca en la otra especie:
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Agente oxidante: la especie que se reduce (le saca electrones a la otra).
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Agente reductor: la especie que se oxida (le da electrones a la otra).
En un alto horno se produce la reacción $\ce{Fe^{3+} + 3 e^- -> Fe}$ durante la obtención de hierro. Indicá si esta semirreacción es de oxidación o de reducción, decí…
En un alto horno se produce la reacción $\ce{Fe^{3+} + 3 e^- -> Fe}$ durante la obtención de hierro. Indicá si esta semirreacción es de oxidación o de reducción, decí cuántos electrones se ganan o se pierden por cada ion y señalá si el ion $\ce{Fe^{3+}}$ actúa como agente oxidante o como agente reductor.
En la obtención de hierro en el alto horno ocurre, de manera simplificada, la reacción: $$\ce{Fe2O3 + 3 CO -> 2 Fe + 3 CO2}$$ a) Escribí las semirreacciones de oxidación…
En la obtención de hierro en el alto horno ocurre, de manera simplificada, la reacción:
$$\ce{Fe2O3 + 3 CO -> 2 Fe + 3 CO2}$$- a) Escribí las semirreacciones de oxidación y de reducción, considerando que el hierro pasa de $\ce{Fe^{3+}}$ a $\ce{Fe}$ y el carbono pasa de estado de oxidación $+2$ a $+4$.
- b) Identificá el agente oxidante y el agente reductor.
- c) Explicá por qué el monóxido de carbono puede usarse como reductor en este proceso.
Cobre, hierro y aluminio: tres metales, tres caminos
Para reducir el ion metálico hace falta un agente reductor que tenga más ganas de oxidarse que el metal. Si el metal es poco reactivo, alcanza con un reductor común y barato; si es muy reactivo, hace falta algo mucho más fuerte.
| Metal | Reactividad | Cómo se obtiene | Agente reductor |
|---|---|---|---|
| Cobre | baja | Calentar el óxido con carbón (o hidrógeno) | C, $\ce{H2}$ |
| Hierro | intermedia | Alto horno, temperatura muy alta | CO (formado a partir del coque) |
| Aluminio | alta | Electrólisis de la alúmina fundida | Corriente eléctrica |
Hierro. En el alto horno (como los de la zona de San Nicolás) se carga hematita, coque y piedra caliza. El coque produce monóxido de carbono, que actúa como reductor: $$\ce{Fe2O3 + 3 CO -> 2 Fe + 3 CO2}$$ El $\ce{Fe^{3+}}$ se reduce y el carbono pasa de +2 a +4. El CO puede hacerlo porque el hierro es de reactividad intermedia: tiene menos tendencia a oxidarse que el carbono a esas altas temperaturas.
Cobre. Es poco reactivo, así que sus óxidos se reducen con facilidad, por ejemplo con carbón o hidrógeno. El cobre catamarqueño y el de otros yacimientos se procesa con variantes de este camino.
Aluminio. Es muy reactivo: tiene una enorme tendencia a quedarse como $\ce{Al^{3+}}$ en la alúmina ($\ce{Al2O3}$). Ningún reductor químico barato como el carbón le «gana» al aluminio. Se recurre a la electrólisis: una corriente eléctrica obliga a los iones a recibir electrones. Por eso las fundiciones de aluminio, como la de Puerto Madryn, consumen tanta energía eléctrica. $$\ce{Al^{3+} + 3 e^- -> Al}$$
Una tabla muestra la facilidad con la que algunos metales se obtienen a partir de sus óxidos, de menor a mayor dificultad: cobre, hierro, aluminio. El cobre puede…
Una tabla muestra la facilidad con la que algunos metales se obtienen a partir de sus óxidos, de menor a mayor dificultad: cobre, hierro, aluminio. El cobre puede obtenerse calentando su óxido con carbón, el hierro necesita las altas temperaturas de un alto horno, y el aluminio se obtiene por electrólisis.
Relacioná esta información con la reactividad de los tres metales: explicá por qué cuanto más reactivo es un metal, más difícil resulta separarlo de su óxido, y por qué para el aluminio no alcanza con usar carbón como reductor.
La alúmina, $\ce{Al2O3}$, se somete a electrólisis para obtener aluminio, mientras que el óxido de cobre(II), $\ce{CuO}$, puede reducirse con hidrógeno o con carbón. Un…
La alúmina, $\ce{Al2O3}$, se somete a electrólisis para obtener aluminio, mientras que el óxido de cobre(II), $\ce{CuO}$, puede reducirse con hidrógeno o con carbón. Un grupo de estudiantes plantea: «Si el carbón reduce al óxido de cobre, también debería poder reducir a la alúmina, solo que necesitaría más calor».
- a) Escribí la semirreacción de reducción del $\ce{Al^{3+}}$ y la del $\ce{Cu^{2+}}$, indicando cuántos electrones intervienen en cada una.
- b) Analizá la afirmación del grupo usando la reactividad relativa de los metales y el concepto de agente reductor.
- c) Explicá por qué la electrólisis es una alternativa adecuada para el aluminio y qué papel cumple la corriente eléctrica en el proceso.
¿Cuánto metal hay en un mineral? Viabilidad de una mena
Dos menas pueden servir para el mismo metal, pero no rinden igual. El porcentaje en masa del metal en un mineral dice cuánto metal hay en cada 100 g del mineral puro:
$$\%\ \text{metal} = \frac{\text{masa del metal en 1 mol de mineral}}{\text{masa molar del mineral}}\cdot 100$$Se calcula con las masas atómicas: en la fórmula, cada átomo de metal aporta su masa atómica (multiplicada por el subíndice).
El porcentaje de metal es clave, pero no es el único criterio para decidir si una mena es viable:
-
Contenido de metal de la mena y qué fracción de la roca es mena (cuánta ganga hay que descartar).
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Costo energético de la reducción: depende de la reactividad del metal.
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Disponibilidad del yacimiento y distancia a los centros de consumo.
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Impacto ambiental: residuos, emisiones de $\ce{CO2}$, consumo de agua.
Un laboratorio analiza dos minerales de cobre: la calcosina, $\ce{Cu2S}$, y la cuprita, $\ce{Cu2O}$. Usá las masas atómicas aproximadas Cu = 63,5; S = 32 y O = 16. a)…
Un laboratorio analiza dos minerales de cobre: la calcosina, $\ce{Cu2S}$, y la cuprita, $\ce{Cu2O}$. Usá las masas atómicas aproximadas Cu = 63,5; S = 32 y O = 16.
- a) Calculá el porcentaje en masa de cobre en cada mineral.
- b) Decidí cuál de los dos tiene mayor contenido de cobre y explicá por qué ese dato es importante para evaluar si conviene explotarlo.
Una empresa minera de Salta evalúa dos yacimientos de hierro. El yacimiento A contiene magnetita, $\ce{Fe3O4}$, y el yacimiento B contiene hematita, $\ce{Fe2O3}$. En…
Una empresa minera de Salta evalúa dos yacimientos de hierro. El yacimiento A contiene magnetita, $\ce{Fe3O4}$, y el yacimiento B contiene hematita, $\ce{Fe2O3}$. En ambos, la mena representa el 60 % de la masa de la roca extraída y el resto es ganga sin hierro. Usá las masas atómicas aproximadas Fe = 56 y O = 16.
- a) Calculá el porcentaje en masa de hierro en cada mineral puro.
- b) Calculá cuántos kilogramos de hierro contiene una tonelada de roca de cada yacimiento.
- c) Argumentá cuál de los dos yacimientos resulta más conveniente según el contenido de metal, y mencioná al menos otro factor, además de la composición, que la empresa debería considerar antes de decidir.
Volvé al principio: el aluminio de la lata sale de la bauxita (mena rica en $\ce{Al2O3}$), separada de la ganga. Como el aluminio es muy reactivo, el carbón no alcanza como reductor y se necesita electrólisis, mucho más costosa que el alto horno del hierro o el calentamiento del cobre.