Menas, ganga y pureza de los reactivos
En Salta, una empresa minera recibe dos camiones de roca. Los dos pesan lo mismo y cuestan lo mismo, pero uno rinde mucho más hierro que el otro. ¿Cómo se puede saber, antes de procesarlas, cuál conviene comprar? En esta página vas a aprender a calcularlo.
Mena y ganga
Los metales casi nunca aparecen «puros» en la naturaleza. Lo más común es encontrarlos combinados con otros elementos, formando minerales. El hierro, por ejemplo, está en la hematita ($Fe_2O_3$) y en la magnetita ($Fe_3O_4$).
Pero un yacimiento no es un mineral puro: la roca que se extrae mezcla el mineral útil con otros materiales sin valor, como arena o arcilla.
Por ejemplo, de una roca con hematita se aprovecha el $Fe_2O_3$ (la mena) para obtener hierro; la arena y la arcilla que lo acompañan (la ganga) se separan y se descartan.
Explicá con tus palabras qué es una mena y qué es la ganga en un yacimiento minero. Luego indicá cuál de las dos es la que se busca aprovechar en la obtención de un…
Explicá con tus palabras qué es una mena y qué es la ganga en un yacimiento minero. Luego indicá cuál de las dos es la que se busca aprovechar en la obtención de un metal y cuál se descarta en el proceso.
Los minerales de hierro y su masa molar
Para saber cuánto metal contiene un mineral hay que partir de su fórmula y de la masa molar. Recordá que la masa molar $M$ es la masa de un mol de sustancia, y se obtiene sumando las masas atómicas de todos los átomos de la fórmula, multiplicadas por sus subíndices.
Composición porcentual
La composición porcentual dice qué porcentaje de la masa de un compuesto corresponde a cada elemento. Para el metal:
La razón: en un mol del compuesto, la masa total es $M$ y la parte que es metal es (cantidad de átomos del metal) $\cdot$ (masa atómica). El cociente, multiplicado por 100, es el porcentaje.
La hematita es un mineral cuya fórmula es $Fe_2O_3$. Usando las masas atómicas $Fe = 56$ y $O = 16$, calculá la masa molar de la hematita y escribila con su unidad.
La hematita es un mineral cuya fórmula es $Fe_2O_3$. Usando las masas atómicas $Fe = 56$ y $O = 16$, calculá la masa molar de la hematita y escribila con su unidad.
La magnetita tiene fórmula $Fe_3O_4$. Con las masas atómicas $Fe = 56$ y $O = 16$, calculá la composición porcentual en masa de hierro en este mineral. Luego compará el…
La magnetita tiene fórmula $Fe_3O_4$. Con las masas atómicas $Fe = 56$ y $O = 16$, calculá la composición porcentual en masa de hierro en este mineral. Luego compará el resultado con el de la hematita, $Fe_2O_3$, e indicá cuál de los dos minerales es más rico en hierro.
Pureza de una mena o de un reactivo
Las rocas y los reactivos comerciales no son sustancias puras. La pureza indica qué porcentaje de la masa de la muestra corresponde a la sustancia que interesa; el resto son impurezas (en una mena, la ganga).
Si una mena tiene 80 % de pureza en $Fe_2O_3$, cada 100 kg de mena contienen 80 kg de $Fe_2O_3$ y 20 kg de ganga.
El mismo cálculo sirve para los reactivos de laboratorio: un frasco de «carbonato de calcio al 90 %» no tiene toda la masa de $CaCO_3$. Solo hay que aplicar el porcentaje.
Un laboratorio escolar recibe un frasco de carbonato de calcio, $CaCO_3$, con una pureza del 90 % en masa. Si el frasco contiene 200 g de muestra, calculá cuántos gramos…
Un laboratorio escolar recibe un frasco de carbonato de calcio, $CaCO_3$, con una pureza del 90 % en masa. Si el frasco contiene 200 g de muestra, calculá cuántos gramos de $CaCO_3$ puro hay y cuántos gramos corresponden a impurezas.
Una mena de hematita contiene 80 % en masa de $Fe_2O_3$ y el resto es ganga. Se procesan 500 kg de esa mena. Considerá $Fe = 56$ y $O = 16$. a) Calculá la masa de…
Una mena de hematita contiene 80 % en masa de $Fe_2O_3$ y el resto es ganga. Se procesan 500 kg de esa mena. Considerá $Fe = 56$ y $O = 16$.
- a) Calculá la masa de $Fe_2O_3$ presente.
- b) Calculá la masa de hierro que contiene esa cantidad de $Fe_2O_3$.
Cómo se obtiene el metal: etapas y procesos redox
Una vez extraída la roca, la obtención del metal sigue, a grandes rasgos, tres etapas:
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Concentración: se separa la mena de la ganga (trituración, molienda, flotación), para trabajar con una mezcla más rica en el mineral útil.
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Reducción: el metal, que en el mineral está combinado con oxígeno u otros elementos, se transforma en metal libre.
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Refinación: se eliminan las impurezas que quedan en el metal para llegar a la pureza que se necesita.
La etapa clave es la reducción, un proceso redox: el metal gana electrones y pasa a metal libre (reducción), mientras que otra sustancia los cede (oxidación). La sustancia que se reduce es el agente oxidante y la que se oxida es el agente reductor.
Hierro (alto horno)
En el alto horno, el óxido de hierro reacciona con monóxido de carbono, que se obtiene del carbón:
$$Fe_2O_3 + 3\,CO \rightarrow 2\,Fe + 3\,CO_2$$El $Fe_2O_3$ pierde oxígeno y se reduce: es el agente oxidante. El $CO$ gana oxígeno y se oxida: es el agente reductor. Hemirreacción del hierro: $Fe^{3+} + 3\,e^- \rightarrow Fe$.
Cobre
Muchas menas de cobre son sulfuros. Se las calienta con aire para eliminar el azufre y obtener óxido de cobre, que luego se reduce a cobre metálico. El cobre se refina con electrólisis para obtener cobre de alta pureza, el que se usa en cables.
Aluminio
El aluminio es tan reactivo que no alcanza con carbón para reducirlo. Se obtiene por electrólisis del óxido de aluminio fundido, que se obtiene de la bauxita: $Al^{3+} + 3\,e^- \rightarrow Al$. Esto consume mucha electricidad, y por eso las plantas de aluminio, como la de Puerto Madryn, dependen de energía abundante.
Usos y propiedades
Cada metal se usa según sus propiedades: el hierro (casi siempre como acero) es resistente y barato, por eso se usa en estructuras, rieles y chapas de autos; el cobre conduce muy bien la electricidad y el calor, por eso se usa en cables y cañerías; el aluminio es liviano y resiste la corrosión, por eso se usa en latas, aberturas y aviones.
Reactividad relativa
Cuanto más reactivo es un metal (más tendencia a oxidarse), más difícil es reducir su mineral. Orden de reactividad de estos tres: $Al > Fe > Cu$. Por eso el cobre se obtiene con procesos más sencillos, el hierro con carbón a alta temperatura y el aluminio solo con electrólisis.
Rendimiento y cálculos con menas
Los procesos industriales casi nunca aprovechan toda la masa teórica. El rendimiento compara lo que se obtiene realmente con lo que se obtendría en teoría si la reacción fuera completa:
La masa teórica se calcula con la ecuación balanceada, con el método masa → mol → mol → masa. Para un cálculo completo con una mena, el orden es:
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Masa de mena → masa de sustancia pura (con la pureza).
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Masa pura → moles → moles de metal (con los coeficientes de la ecuación).
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Moles de metal → masa teórica de metal.
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Masa real = masa teórica $\cdot\ \eta/100$.
En un alto horno el óxido de hierro(III) reacciona con monóxido de carbono según la ecuación: $Fe_2O_3 + 3\,CO \rightarrow 2\,Fe + 3\,CO_2$ Se parte de 160 kg de…
En un alto horno el óxido de hierro(III) reacciona con monóxido de carbono según la ecuación:
$Fe_2O_3 + 3\,CO \rightarrow 2\,Fe + 3\,CO_2$
Se parte de 160 kg de $Fe_2O_3$ puro y se obtienen 98 kg de hierro. Con $Fe = 56$ y $O = 16$, calculá la masa teórica de hierro que podría obtenerse y el rendimiento porcentual de la reacción.
Una empresa metalúrgica de Salta analiza una mena que contiene 60 % en masa de $Fe_2O_3$ (el resto es ganga). Procesa 2.000 kg de mena en un alto horno cuyo rendimiento…
Una empresa metalúrgica de Salta analiza una mena que contiene 60 % en masa de $Fe_2O_3$ (el resto es ganga). Procesa 2.000 kg de mena en un alto horno cuyo rendimiento es del 85 % para la reacción $Fe_2O_3 + 3\,CO \rightarrow 2\,Fe + 3\,CO_2$. Considerá $Fe = 56$ y $O = 16$.
- a) Calculá la masa de $Fe_2O_3$ en la mena.
- b) Calculá la masa teórica de hierro.
- c) Calculá la masa de hierro realmente obtenida.
- d) Expresá el resultado final en toneladas.
¿Conviene explotar esta mena?
En la orientación Economía y Administración, la pregunta clave es esta: ¿cuánto cuesta cada kilo de metal obtenido? Para decidir entre menas hay que combinar la composición con el precio.
Además de la composición hay otros factores que influyen en la viabilidad:
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el costo de transportar la mena (distancia al horno o al puerto);
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el costo de energía y reactivos para procesarla;
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la cantidad de ganga que hay que descartar y su impacto ambiental;
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el rendimiento del proceso y la reserva disponible en el yacimiento;
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el precio del metal en el mercado.
Una cooperativa evalúa dos menas para producir hierro. La mena A es magnetita, $Fe_3O_4$, con 70 % de pureza en masa. La mena B es hematita, $Fe_2O_3$, con 85 % de…
Una cooperativa evalúa dos menas para producir hierro. La mena A es magnetita, $Fe_3O_4$, con 70 % de pureza en masa. La mena B es hematita, $Fe_2O_3$, con 85 % de pureza en masa. Ambas se ofrecen al mismo precio por tonelada y el resto de cada mena es ganga. Considerá $Fe = 56$ y $O = 16$.
- a) Calculá cuántos kilogramos de hierro contiene una tonelada de cada mena.
- b) Argumentá cuál conviene comprar si solo se tiene en cuenta el contenido de hierro.
- c) Mencioná un factor adicional, además de la composición, que habría que considerar antes de decidir la compra.
Volvé al principio: de dos camiones de roca del mismo peso y precio conviene el que aporta más kilos de metal por peso, es decir, el que tiene mayor porcentaje de metal en la mena (pureza por composición porcentual del mineral).