Metalurgia, petróleo, carbón y gas natural
Tu celular tiene cobre en sus circuitos, el carro de tu tío funciona con gasolina y el balón de gas de la cocina viene de los yacimientos de Camisea. Todo eso sale de la corteza terrestre, pero nada se usa tal como se extrae. ¿Qué transformaciones químicas convierten una roca en un metal y un líquido negro en gasolina? Lo vamos a ver paso a paso.
De la mina al metal: la secuencia general
Un mineral es una roca que contiene un compuesto del metal (la mena) mezclado con roca sin valor (la ganga). En el Perú se extraen cobre (Toquepala, Cuajone, Antamina), zinc, plomo, oro y plata. La metalurgia sigue casi siempre tres bloques:
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Concentración: se tritura y muele el mineral y se separa la mena de la ganga.
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Reducción: se transforma el compuesto del metal en metal libre, porque en el mineral el metal está oxidado (con número de oxidación positivo).
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Refinación: se elimina las impurezas hasta tener un metal de alta pureza.
La flotación es la técnica de concentración más usada con sulfuros. El mineral molido se mezcla con agua, aire y reactivos; las partículas del sulfuro no se mojan, se adhieren a las burbujas y suben como espuma, mientras la ganga se hunde. Así se obtiene un concentrado rico en el metal, listo para los procesos que producen el metal.
En una mina de la sierra central se extrae un mineral que contiene sulfuro de zinc, $ZnS$. Explica en qué consiste la etapa de flotación y para qué se aplica al mineral…
En una mina de la sierra central se extrae un mineral que contiene sulfuro de zinc, $ZnS$. Explica en qué consiste la etapa de flotación y para qué se aplica al mineral después de molerlo, antes de los procesos que producen el metal.
Pirometalurgia: tostación y reducción
La pirometalurgia obtiene el metal con altas temperaturas. Con sulfuros se hace primero la tostación: calentar el sulfuro con oxígeno del aire para convertirlo en óxido y liberar $SO_2$.
Después viene la reducción: el óxido se calienta con carbono (coque), que quita el oxígeno. El carbono se oxida (agente reductor) y el metal se reduce:
$$PbO + C \to Pb + CO$$Esta ecuación ya está balanceada. Se usa en la fundición de plomo (como en La Oroya) y, con óxidos de hierro, en el alto horno para obtener hierro.
Define qué es la tostación de un mineral sulfurado. Escribe la ecuación química balanceada de la tostación del sulfuro de zinc, $ZnS$, con oxígeno del aire para formar…
Define qué es la tostación de un mineral sulfurado. Escribe la ecuación química balanceada de la tostación del sulfuro de zinc, $ZnS$, con oxígeno del aire para formar óxido de zinc, $ZnO$, y dióxido de azufre, $SO_2$.
Una planta procesa un concentrado de galena, $PbS$, para obtener plomo metálico. Describe la secuencia de etapas desde el concentrado hasta el plomo refinado: tostación,…
Una planta procesa un concentrado de galena, $PbS$, para obtener plomo metálico. Describe la secuencia de etapas desde el concentrado hasta el plomo refinado: tostación, reducción con carbón (coque) y refinación electrolítica. Escribe las ecuaciones balanceadas de la tostación del $PbS$ (que forma $PbO$ y $SO_2$) y de la reducción del $PbO$ con carbono (que forma $Pb$ y $CO$). Luego explica qué problema ambiental trae el $SO_2$ producido y cómo podría aprovecharse.
Hidrometalurgia, refinación y metales preciosos
La hidrometalurgia disuelve el metal en una solución (lixiviación) y lo recupera después, sin fundir el mineral. Es útil con minerales oxidados o de baja ley.
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Lixiviación ácida (cobre): el óxido de cobre se disuelve con $H_2SO_4$ diluido: $CuO + H_2SO_4 \to CuSO_4 + H_2O$. De la solución de $CuSO_4$ se obtiene el cobre por electrólisis.
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Lixiviación alcalina o con cianuro (oro y plata): el mineral triturado se apila en una pila y se riega con solución diluida de NaCN en medio alcalino.
El oro no se oxida fácilmente, pero el cianuro forma con él un complejo muy estable y el oxígeno actúa como oxidante:
$$4\,Au + 8\,NaCN + O_2 + 2\,H_2O \to 4\,Na[Au(CN)_2] + 4\,NaOH$$Sin $O_2$ no hay reacción: el oxígeno toma los electrones del oro; el cianuro mantiene el Au⁺ disuelto. Luego el metal se recupera de la solución (con zinc o carbón activado).
La refinación electrolítica purifica el metal: el metal impuro es el ánodo, una lámina de metal puro es el cátodo y la solución contiene sus iones. El ánodo se disuelve y el metal puro se deposita en el cátodo; las impurezas caen al fondo como "barros anódicos".
Un laboratorio de una planta de cobre compara dos métodos para obtener el metal. En el primero, el mineral sulfurado se concentra por flotación, se tuesta y se funde. En…
Un laboratorio de una planta de cobre compara dos métodos para obtener el metal. En el primero, el mineral sulfurado se concentra por flotación, se tuesta y se funde. En el segundo, un mineral oxidado se trata con ácido sulfúrico diluido y la solución obtenida pasa a una celda de electrólisis. Identifica cuál es pirometalúrgico y cuál hidrometalúrgico, y explica en qué se diferencian.
Una empresa minera evalúa dos procesos para recuperar metales preciosos. Con el mineral de oro y plata triturado se forma una pila y se riega con una solución diluida de…
Una empresa minera evalúa dos procesos para recuperar metales preciosos. Con el mineral de oro y plata triturado se forma una pila y se riega con una solución diluida de cianuro de sodio en presencia de oxígeno (lixiviación); luego el metal se recupera de la solución. Explica por qué el oro, que no se oxida con facilidad, se disuelve en esas condiciones, y qué papel cumple el oxígeno. Después compara la lixiviación con la amalgamación con mercurio usada en la minería artesanal: indica una ventaja técnica y los riesgos ambientales y de salud de cada método.
Petróleo: destilación fraccionada
El petróleo crudo es una mezcla de hidrocarburos de distinto tamaño. En una refinería (como la de Talara) se calienta y entra a una torre de destilación fraccionada. Los componentes se separan por su punto de ebullición: los de cadena corta suben hasta arriba como gases y los de cadena larga salen abajo.
¿Por qué ese orden? Cuanto más larga es la cadena de carbono, más electrones tiene la molécula y más intensas son las fuerzas de dispersión de London entre moléculas. Se necesita más energía (más temperatura) para separarlas y hervir. Los hidrocarburos son apolares, así que solo tienen estas fuerzas.
Orden de menor a mayor temperatura de ebullición: GLP < gasolina < kerosene < residuo asfáltico.
Los derivados sirven para mucho: el GLP (propano y butano) llena los balones de gas; la gasolina y el diésel mueven carros y buses; el kerosene alimenta los aviones y las cocinas; el asfalto pavimenta las pistas.
Una refinería separa el petróleo crudo por destilación fraccionada. Ordena de menor a mayor temperatura de ebullición las siguientes fracciones: gasolina, GLP, kerosene…
Una refinería separa el petróleo crudo por destilación fraccionada. Ordena de menor a mayor temperatura de ebullición las siguientes fracciones: gasolina, GLP, kerosene y residuo asfáltico. Explica con la longitud de la cadena de carbono y las fuerzas intermoleculares por qué ocurre ese orden.
Gasolinas e índice de octano
En el motor de un carro, la mezcla aire-gasolina se comprime y la bujía la enciende. A veces la mezcla se enciende antes de tiempo por la presión: es la detonación o "cascabeleo", que baja la potencia y daña el motor.
El índice de octano mide la resistencia de la gasolina a detonar. La escala se define con dos hidrocarburos de referencia:
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Isooctano (2,2,4-trimetilpentano): resiste muy bien la compresión → índice 100.
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n-Heptano (cadena lineal): detona con facilidad → índice 0.
Una gasolina de 90 octanos se comporta como una mezcla de 90 % de isooctano y 10 % de n-heptano. Las moléculas ramificadas y los aromáticos resisten mejor que las cadenas lineales, por eso un octanaje alto indica menos tendencia a la detonación.
Una gasolina comercial tiene índice de octano 90 y otra tiene 95. Explica qué mide el índice de octano, con qué hidrocarburos de referencia se define la escala y por qué…
Una gasolina comercial tiene índice de octano 90 y otra tiene 95. Explica qué mide el índice de octano, con qué hidrocarburos de referencia se define la escala y por qué una gasolina de mayor octanaje es menos propensa a la detonación (el «cascabeleo») en el motor. Indica además qué gasolina conviene a un motor de alta compresión.
Carbón, gas natural y derivados
Los combustibles fósiles son tres:
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Petróleo: gasolina, diésel, kerosene, GLP, asfalto, lubricantes.
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Carbón (hulla): al calentarlo sin aire (destilación seca) se obtienen coque (carbono casi puro, usado como reductor en la metalurgia), alquitrán de hulla (mezcla de aromáticos) y gas de hulla.
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Gas natural: casi todo metano ($CH_4$). Se usa como GNV en autos, en plantas eléctricas y en industrias. El gas de Camisea, en el Cusco, es el principal del país. Contiene algo de etano, propano y butano, que se separan como líquidos del gas y dan GLP.
| Producto | Origen |
|---|---|
| Gasolina, kerosene, asfalto | Petróleo |
| GLP | Petróleo (y del gas natural húmedo) |
| Coque, alquitrán de hulla | Carbón |
| Metano | Gas natural |
Clasifica cada producto como derivado del petróleo, del carbón o del gas natural: gasolina, coque, kerosene, metano, alquitrán de hulla, GLP (gas licuado de petróleo) y…
Clasifica cada producto como derivado del petróleo, del carbón o del gas natural: gasolina, coque, kerosene, metano, alquitrán de hulla, GLP (gas licuado de petróleo) y asfalto. Escribe una frase breve que justifique cada clasificación.
Resumen
Vuelve al principio: la roca se vuelve metal por concentración, reducción y refinación, y el crudo se vuelve gasolina o GLP por destilación según el tamaño de sus cadenas.