Ejercicios: Menas, minerales y obtención de metales por procesos redox

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).

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.

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.

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.

1. a) Calculá el porcentaje en masa de cobre en cada mineral.
2. b) Decidí cuál de los dos tiene mayor contenido de cobre y explicá por qué ese dato es importante para evaluar si conviene explotarlo.

En la obtención de hierro en el alto horno ocurre, de manera simplificada, la reacción:

1. 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 $+4$.
2. b) Identificá el agente oxidante y el agente reductor.
3. c) Explicá por qué el monóxido de carbono puede usarse como reductor en este proceso.

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.

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.

1. a) Calculá el porcentaje en masa de hierro en cada mineral puro.
2. b) Calculá cuántos kilogramos de hierro contiene una tonelada de roca de cada yacimiento.
3. 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.

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».

1. a) Escribí la semirreacción de reducción del $\ce{Al^{3+}}$ y la del $\ce{Cu^{2+}}$, indicando cuántos electrones intervienen en cada una.
2. b) Analizá la afirmación del grupo usando la reactividad relativa de los metales y el concepto de agente reductor.
3. c) Explicá por qué la electrólisis es una alternativa adecuada para el aluminio y qué papel cumple la corriente eléctrica en el proceso.