Post on 23-Dec-2015
description
INTRODUCCIÓN
La electrólisis consiste en la descomposición química de una sustancia por medio de la
electricidad (electro = electricidad y lisis = destrucción). El paso de la corriente eléctrica
a través de un electrólito (en disolución o fundido), por ejemplo, NaCl fundido, nos
demuestra que en el cátodo o polo negativo el catión sodio (Na+) se reduce a Na0 por
ganancia, en cambio en el ánodo o polo positivo los aniones cloruro (Cl-) entregan sus
electrones oxidándose a Cl2 (gaseoso).
En resumen, el proceso de electrólisis se caracteriza porque:
a) Es un fenómeno redox no espontáneo producido por una corriente eléctrica
b) La reducción se lleva a efecto en el polo negativo o cátodo y la oxidación en el ánodo
o polo positivo.
El proceso electrolítico se realiza debido a que, la corriente eléctrica circula desde el
cátodo hacia el ánodo, siempre que entre ellos esté presente una sustancia conductora
(electrólito).
En algunas electrólisis, si el valor de la diferencia de potencial aplicada están sólo
ligeramente mayor que el calculado teóricamente, la reacción es lenta o no se produce,
por lo que resulta necesario aumentar el potencial aplicado. Este fenómeno se da, sobre
todo, cuando en algunos de los electrodos se produce algún desprendimiento gaseoso. El
potencial añadido en exceso en estos casos recibe el nombre de sobretensión.
La cantidad de producto que se forma durante una electrólisis depende de los 2 factores
siguientes:
a) De la cantidad de electricidad que circula a través de la pila electrolítica.
b) De la masa equivalente de la sustancia que forma el electrólito.
La cantidad de electricidad que circula por una cuba electrolítica puede determinarse
hallando el producto de la intensidad de la corriente, expresada en amperios por el
tiempo transcurrido, expresado en segundos. Es decir, Q (culombios) = I · t.
MARCO TEORICO
PROCESO DE FABRICACIÓN DEL COBRE ELECTROLITICO
Proceso de obtención del producto
Mediante la electro refinación se transforman los ánodos (producidos en un
proceso de fundición previo) a cátodos de cobre electrolítico de alta pureza. Este
proceso de electro refinación se basa en las características y beneficios que ofrece
el fenómeno químico de la electrólisis, que permite refinar el cobre obtenido por
fundición (trabajando como ánodo) mediante la aplicación de la corriente
eléctrica, obteniéndose cobre electrolítico (cátodos de cobre de alta pureza
99,99%), los que son altamente valorados en el mercado.
La electro refinación se realiza en celdas electrolíticas, donde se colocan en forma
alternada ánodos (planchas de cobre fundido) y cátodos (son plancha muy delgada
de cobre puro). La electrólisis consiste en hacer pasar una corriente eléctrica por
una solución de ácido sulfúrico diluido en agua (electrolito).
El ión sulfato de la solución comienza a atacar el ánodo de cobre formando una
solución de sulfato de cobre (CuSO4). Al aplicar una corriente eléctrica, los
componentes de la solución se cargan eléctricamente produciéndose una
disociación iónica en la que el anión sulfato (SO4-2) es atraído por el ánodo (+) y
el catión (Cu+2) es atraído por el cátodo (−).
El anión SO4-2 ataca al ánodo formando sulfato de cobre, el que se ioniza en la
solución por efecto de la corriente eléctrica, liberando cobre como catión que
migra al cátodo, y se deposita en él. El ión sulfato liberado migra al ánodo y
vuelve a formar sulfato de cobre que va a la solución, recomenzando la reacción.
Este proceso se mantiene durante 20 días.
Los otros componentes del ánodo que no se disuelven, se depositan en el fondo de
las celdas electrolíticas, formando lo que se conoce como barro anódico el cual es
bombeado y almacenado para extraerle su contenido metálico (oro, plata, selenio,
platino y paladio). El cobre refinado electrolíticamente te obtiene en cátodos. Los
ánodos de cobre, ya semi-refinados, con cerca de 99,6% de pureza, son la materia
prima del proceso de refinación electrolítica que permite su transformación en
cátodos de cobre con 99,99% de pureza. Un ánodo de cobre tiene unas
dimensiones aproximadas de 100x125 cm, un grosor de 5 cm y un peso
aproximado de 350 Kg. El cátodo de cobre constituye la materia prima idónea
para la producción de alambrón de cobre de altas especificaciones.
Es un producto, con un contenido superior al 99,99% de cobre. Su calidad está
dentro de la denominación Cu-CATH-01 bajo la norma EN1978/1998. Se
presenta en paquetes corrugados y flejes, cuya plancha tiene unas dimensiones de
980 x 930 mm y un grosor de 7 mm con un peso aproximado de 47 Kg. Su uso
fundamental es la producción de alambrón de cobre de alta calidad, aun que
también se utiliza para la elaboración de otros semi transformados de alta
exigencia. Entre otros usos, se encuentra su aplicación en galvanoplastia. En el
caso de barras elípticas de cobre fosforoso, utilizadas en los recubrimientos
electrolíticos de cobre ácido, el cátodo de cobre es adicionado con fósforo y
refilado para evitar su desgranado prematuro.
El mineral más frecuente empleado es el sulfuro, dado el bajo contenido de cobre
en los minerales (0.7-2.0%) es necesario proceder a concentrarlos. Un método de
concentración muy empleado es la flotación y también los medios densos. Según
este último, se tritura el mineral y se pone en una corriente turbulenta de agua en
la que el mineral, más denso, se deposita pronto, mientras las partes, más ligeras,
de la ganga son arrastradas. Pero cuando la densidad de los distintos componentes
no infiere mucho, la separación es mala y entonces se añade al agua un sólido
muy finamente pulverizado para elevar la densidad del medio hasta llevarla a un
valor intermedio entre los de las sustancias a separar.
El mineral así enriquecido se mezcla con carbón y se pone en un horno de cuba
baja, en el que, de manera análoga al horno alto, se inyecta por debajo aire
caliente. En un horno se produce una tostación reductora. En la parte superior
del horno se seca primero por la acción de os gases calientes. Hacia la mitad del
horno se produce la reducción y se desprenden productos volátiles. En la parte
inferior se forma la llamada “mata bruta de cobre” y una escoria. En esta parte,
la temperatura es de 1400ºC y la mala bruta funde, lo mismo que los aditivos
funden con los formadores de escoria. El gas que sale del horno tiene una
potencia calorífica baja.
La mala contiene principalmente sulfuro de cobre (I), Cu2S. La escoria y la mata
se sangran por separado, y las escorias se utiliza para fabricar losas adoquines
para pavimentación. La mala fundida se lleva a un convertidor, en donde el
sulfuro de hierro presente se oxida en primer lugar formado (en presencia de
cuarzo) silicato de hierro:
4 FeS+7 O2→ 2 Fe2O3+4 S O2
2 Fe2O3 FeS+4Si O2→ 2Fe2 (O3 )3
El dióxido de azufre se evacua por succión y se conduce a una instalación de
ácido sulfúrico. El hierro del mineral, en forma de silicio se separa de la mata de
cobre. El sulfuro de cobre (I) se oxida ahora, en el segundo periodo de soplado,
de forma que se convierta en cobre metálico, pues el Cu2S se oxida a Cu2S por el
oxigeno del aire introducido y el oxido es reducido simultáneamente por el
sulfuro presente:
2 Cu2 S+3 O2→ 2 Cu2O+2S O 2
2 Cu2O+Cu2 S→ 6 Cu+SO 2
El convertidor contiene ahora tres diferentes fases: debajo, el cobre metálico, en
el centro una mata concentrada de cobre y, arriba, la escoria. Las dos partes que
contienen cobre se llaman, mientras la escoria se moldea para dar ladrillos.
El horno de llama es un horno de hogar bajo, como el SM. Se hace llegar al
hogar donde está el cobre negro el fuego procedente de un carbón de llama y se
sopla simultáneamente sobre el fundido aire y vapor de agua, para oxidar y
volatizar las impurezas (zinc, plomo, arsénico y antimonio).Removiendo el
fundido con ramas verdes con lo que pasa el vapor de agua de la madera al baño,
agitándolo y arrastrando el SO2 y reduciendo posteriormente con madera seca y
carbón de madera, se obtiene cobre más de 99% de Cu (“cobre blíster”).
Este cobre no se puede emplear para todos los usos. Sobre todo no es utilizable
en electrotecnia y para la fabricación de aparatos, por su baja resistencia a la
corrosión y es preciso purificarlo, lo que tiene lugar por electrólisis.
En un baño que contiene sulfato de cobre y ácido sulfúrico libre, se cuelga
cobre purísimo como cátodo (polo-) y placas de cobre blíster como ánodo y se
establece una diferencia de potencial de 0,3 voltios para una densidad de
corrientes de 200 amperios/m2. El cobre del ánodo se disuelve y llega al cátodo,
donde se deposita como cobre purísimo. El cobre electrolítico llega a un grado
de 99.99%.
Las pequeñas cantidades de impureza contenidas en el cobre blíster, sobre todo
metales nobles, no se disuelven a baja tensión y caen al fondo formando “barros
anódicos”. Estos barros, que contienen hasta 40% de plata se elaboran para
extraer los metales nobles. El cobre electrolítico no se emplea todavía, sino que
se funde de nuevo en placas u otras formas.
El método descrito es uno entre los diferentes métodos secos. También existen
varios métodos húmedos. El procedimiento elegido depende de la composición
del mineral y del tipo de ganga.
El cobre se separa de la disolución por electrolisis, empleando cátodos de cobre
purísimo. S e utilizan ánodos de plomo, que o se disuelven.
Existen minerales cuya ganga es soluble en ácido sulfúrico. En tales casos es
frecuente que se pueda disolver el cobre empleando amoniaco. Se forma una
disolución violeta de hidróxido de cobre tetraammina:
Cu (OH )2+4 N H 3 → Cu ( N H 3 )4 (OH )2
Si se hierve esta disolución se expulsa el amoniaco y precipita óxido de cobre
que puede reducirse fácilmente con carbono.
Finalmente, haremos una brece alusión al métodos, muy empleado, de tostación
en presencia de cloruro sódico. Este método se utiliza especialmente en el
tratamiento de las cenizas de tostación de piritas, que contienen muy poco cobre
(1%) y mucho hierro (55%).
En la tostación (6) las piritas de cobre con un contenido en Cu del 3 al 8% se
trituran a unos 2 mm, se mezclan con sal común y se tuestan a unos 350-400ºC.
El Na2SO4 que se forma de la sal común y los sulfuros tostados se extraen
lavando con agua y el residuo de tostación que queda se extrae con ácido diluido
(7) con lo que el Cu pasa a la disolución en forma de CuCl2, CuCl y
3CuO*CuCl2, mientras el Fe precipita como Fe2O3. Después de clarificar la
disolución el cobre se precipita por cementación mediante la introducción de
hierro metálico (residuos de chapa, esponja de hierro) (8). El contenido en el
cobre del “cobre de cementación” (9) puede oscilar entre 20 y 96%.
Se denomina cementación, la precipitación de cobre de una disolución de sus
sales por acción de hierro metálico. El cobre es más noble que el hierro y por lo
tanto se descarga, mientras pasa a la disolución una cantidad equivalente de
hierro:
CuS O4+Fe → Cu+FeS O 4
En general, se llama cementación la precipitación de un metal más noble de
disoluciones de sus sales por otro menos noble. E l cobre de cementación se
purifica también por electrolisis.
Depósito electrolítico:
En el depósito o baño electrolítico se deposita un baño de un metal sobre otro
metal por electrólisis. Este procedimiento se lleva a cabo por motivos
decorativos o para proteger de la corrosión al segundo metal. Los cubiertos de
baño de plata por ejemplo, consisten en una base de hierro con un recubrimiento
fino de plata metálica. En un proceso de depósito electrolítico el objeto a bañar
constituye el cátodo de la célula electroquímica. El electrólito contiene iones del
metal que constituyen el baño. Estos iones son atraídos hacia el cátodo, donde se
reducen a átomos metálicos.
El electrólito suele ser sulfato de cobre en el caso de un baño de cobre y
K(Ag(CN)2)(aq) en el caso de un baño de plata. La concentración de ión plata
libre en una disolución del ión complejo [Ag(CN)2] (aq) es muy pequeña y el
baño electrolítico en estas condiciones proporciona un depósito del metal
microcristalino y muy adherente. El cromado o baño de cromo es muy útil por su
resistencia a la corrosión, así como por su belleza con fines decorativos. El acero
puede cromarse mediante una disolución acuosa de CrO3 y H2SO4. Sin
embargo, el baño obtenido es fino, poroso y tiende a resquebrajarse. En la
práctica primero se baña el hacer con una capa fina de cobre o níquel y después
se aplica el baño de cromo. Las piezas de maquinarias pueden hacerse resistentes
al agua mediante un baño de cromo o cadmio. Algunos plásticos también pueden
bañarse, primero debe hacerse conductor al plástico recubriéndolo con polvo de
grafito. El proceso de reposo electrolíticos de cobre sobre plásticos ha sido
importante para mejorar la calidad de algunos circuitos microelectrónicas. Los
baños electrolíticos se utilizan, en el sentido literal del término, para hacer
dinero. La moneda americana de un centavo actual, sino que se hace bañando
con cobre un núcleo central de zinc y a continuación se graba esta pieza con
baño de cobre.
Electrosíntesis:
La electrosíntesis es un procedimiento para producir sustancias por medio de
reacciones de electrólisis. Resulta útil para algunas síntesis que requieren un
control cuidadoso de las condiciones de reacción. El dióxido de manganeso se
presenta en la naturaleza en forma pirolusita, pero el pequeño tamaño de los
cristales y las imperfecciones de la red hacen que este material no sea adecuado
para algunas aplicaciones modernas, como las baterías alcalinas. La
electrosíntesis de MnO2 se lleva a cabo en una disolución de MnSO4 en H2SO4
(aq). El MnO2(s) puro se forma por oxidación del Mn2+ sobre un electrodo
inerte (como el grafito). La reacción catódica es la reducción de H+ a H2(g) y la
reacción global es:
Mn2+ (aq) + 2H2O(l) --------> MnO2(s) + 2H+(aq) + H2(g)
Electrólisis de una disolución acuosa de cloruro de sodio: proceso cloro-sosa
Reacción global:
2Cl (aq) + 2H2O(l) ---------> 2OH-(aq) + H2(g) + Cl2(g) Eº= -2,19 V
Cuando esta electrólisis se lleva a cabo a escala industrial se la denomina
proceso cloro-sosa atendiendo a los nombre de los productos principales cloro y
la sosa NaOH (aq). El proceso cloro-sosa es uno de los procesos electrolíticos
más importantes.
Galvanotecnia
Proceso electroquímico por el cual se deposita una capa fina de metal sobre una
base generalmente metálica. Los objetos se galvanizan para evitar la corrosión,
para obtener una superficie dura o un acabado atractivo, para purificar metales
(como en la refinación electrolítica del cobre), para separar metales para el
análisis cuantitativo o como es el caso de la electrotipia, para reproducir un
molde. Los metales que se utilizan normalmente en galvanotecnia son: cadmio,
cromo, cobre, oro, níquel, plata y estaño. Las cuberterías plateadas, los
accesorios cromados de automóvil y los recipientes de comida estañados son
productos típicos de galvanotecnia.
En este proceso, el objeto que va a ser cubierto se coloca en una disolución
(baño) de una sal del metal recubridor, y se conecta a un terminal negativo de
una fuente de electricidad externa. Otro conductor, compuesto a menudo por el
metal recubridor, se conecta al terminal positivo de la fuente de electricidad.
Para el proceso es necesaria una corriente continua de bajo voltaje, normalmente
de 1 a 6 V. Cuando se pasa la corriente a través de la disolución, los átomos del
metal recubridor se depositan en el cátodo o electrodo negativo. Esos átomos son
sustituidos en el baño por los del ánodo (electrodo positivo), si está compuesto
por el mismo metal, como es el caso del cobre y la plata. Si no es así, se
sustituyen añadiendo al baño periódicamente la sal correspondiente, como
ocurre con el oro y el cromo. En cualquier caso, se mantiene un equilibrio entre
el metal que sale y el metal que entra en la disolución hasta que el objeto está
galvanizado. Los materiales no conductores pueden ser galvanizados si se
cubren antes con un material conductor como el grafito. La cera o los diseños de
plástico para la electrotipia, y las matrices de los discos fonográficos se recubren
de esta manera.
CONCLUSIONES:
En el depósito o baño electrolítico se deposita un baño de un metal sobre otro metal por
electrólisis. Este procedimiento se lleva a cabo por motivos decorativos o para proteger
de la corrosión al segundo metal. Los cubiertos de baño de plata por ejemplo, consisten
en una base de hierro con un recubrimiento fino de plata metálica. En un proceso de
depósito electrolítico el objeto a bañar constituye el cátodo de la célula electroquímica.
El electrólito contiene iones del metal que constituyen el baño. Estos iones son atraídos
hacia el cátodo, donde se reducen a átomos metálicos.
El electrólito suele ser sulfato de cobre en el caso de un baño de cobre y K(Ag(CN)2)
(aq) en el caso de un baño de plata. La concentración de ión plata libre en una
disolución del ión complejo [Ag(CN)2] (aq) es muy pequeña y el baño electrolítico en
estas condiciones proporciona un depósito del metal microcristalino y muy adherente.
El cromado o baño de cromo es muy útil por su resistencia a la corrosión, así como por
su belleza con fines decorativos. El acero puede cromarse mediante una disolución
acuosa de CrO3 y H2SO4. Sin embargo, el baño obtenido es fino, poroso y tiende a
resquebrajarse. En la práctica primero se baña el hacer con una capa fina de cobre o
níquel y después se aplica el baño de cromo. Las piezas de maquinarias pueden hacerse
resistentes al agua mediante un baño de cromo o cadmio. Algunos plásticos también
pueden bañarse, primero debe hacerse conductor al plástico recubriéndolo con polvo de
grafito. El proceso de reposo electrolíticos de cobre sobre plásticos ha sido importante
para mejorar la calidad de algunos circuitos microelectrónicas. Los baños electrolíticos
se utilizan, en el sentido literal del término, para hacer dinero. La moneda americana de
un centavo actual, sino que se hace bañando con cobre un núcleo central.
El cobre comercial se obtiene de diversos tipos cuyo grado se relaciona con su
composición química y su conductividad eléctrica, con sus métodos de refinación y con
los procedimientos de elaboración.
El cobre electrolítico ETP contiene entre un 0,02 y un 0,05% de Oxigeno, que se
combina con el cobre para dar Cu2O. Después de ser trabajado en caliente y recocido,
se mejora la resistencia mecánica. Se utiliza como conductor eléctrico y térmico.
El cobre desoxidado con Fósforo evita la producción del óxido de cuproso, mejorando
la ductibilidad y en la maleabilidad, a costa de perder conductividad eléctrica. El cobre
de alta conductividad OFHC se fabrica eliminando el oxígeno del cobre ETP bajo
atmosfera reductora controlada. Es mucho más caro muy empleado en electrónica.
El cobre arsenical contiene un 0,3% de Arsénico, el cual provoca una mejora en la
resistencia a la corrosión. Se utiliza en la fabricación de intercambiadores de calor. El
cobre de alta maquinabilidad posee pequeñas cantidades de Teluro, Azufre o plomo que
aumentan la maquinabilidad.
El cobre con plata aumenta notablemente la temperatura de recristalización del cobre,
evitando el ablandamiento durante la soldadura. El cobre con cadmio (hasta un 1%)
aumenta notablemente la resistencia a la tracción.
El cobre tiene muchos usos en forma de compuestos. El cobre se alea con el estaño, el
zinc y el níquel para formar bronces, latones, cuproníqueles y platas de níquel. También
se alea con el acero para mejorar la resistencia a la corrosión.
RECOMENDACIONES:
Para la optimización de los parámetros en la electrodeposición se recomienda el
análisis de los ánodos porque estos influyen en el depósito electrolito debido a su
corrosión, generando una contaminación en los cátodos, por ello se sugiere utilizar
ánodos de aleación Pb-Ca-Sn cuya principal característica es no contaminar el
electrolito.
Se recomienda realizar otra investigación considerando como variable independiente
en la electrodeposición, la temperatura debido a que mejora sustancialmente la
conductividad del electrolito, siendo preferible acercarse lo más posible a los 50 ºC,
debido a que en el trabajo no se controló la temperatura a la que se encontraba la
celda.
En la purificación se realiza la precipitación, para ello se recomienda el uso de un
filtro prensa que separar el precipitado de la solución reduciendo el tiempo de trabajo
empleado.
El precipitado que se ha generado en la purificación se recomienda realizar una
investigación para su tratamiento, recuperación y utilización.
En la acidificación del electrolito se recomienda trabajar a un pH superior a 0,8 para
evitar el desprendimiento de gas hidrogenó debido a una reacción simultánea.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS:
“El cobre. Metalurgia extractiva”. A.K.BISWAS Y W.G .DAVENPORT.
Editorial Limusa, 1993.
“Metalurgia extractiva: procesos de obtención”. JOSÉ SANCHO, LUIS FELIPE
VERDEJA Y ANTONIO BALLESTER. Editorial Síntesis, 2000.
INTRODUCCIÓN
El cobre es un pilar de la civilización estaba presente cuando la Edad de Piedra quedó
atrás, fue una herramienta importante para inventores, artesanos y artistas durante
milenios, sirvió para hacer realidad el vértigo del progreso durante los últimos dos
siglos, y es un elemento clave para el futuro de la humanidad. Los seres humanos de
comienzos del siglo XXI están en contacto permanente con el cobre, en sus casas, en
sus oficinas, en las calles, en los automóviles, cuando realizan acciones inherentes a la
vida moderna: prender la luz, hablar por teléfono o tomar agua en sus casas.
Y ese contacto aumenta con el alumbramiento de nuevas tecnologías. La forma de
presentación más común del cobre en estado puro es como un metal rojizo. Pero
también tiene otras facetas: participa en unas 450 aleaciones. Y, por cierto, aparece
como componente de la naturaleza: el cobre es indispensable para la vida animal y
vegetal en la Tierra. En la tabla periódica de los elementos el cobre tiene su propio
símbolo: Cu. Su número atómico es 29, su masa atómica es 63,546, su punto de fusión
es de 1.083 grados centígrados, su punto de ebullición es de 2.567 grados centígrados, y
es definido como un metal de transición, no ferroso.
MARCO TEÓRICO
PROCESO DE OBTENCIÓN DEL COBRE
Definición:
El cobre está presente en la corteza terrestre principalmente en forma de minerales
sulfurados como la calcopirita (CuFeS2), bornita (Cu5FeS4) y calcosina (Cu2S). El
contenido en cobre de estos minerales es bajo, alrededor de un 0.5% en minas a cielo
abierto y hasta un 2% en minas subterráneas.
El cobre también se presenta en forma de minerales con oxígeno como carbonatos,
óxidos, silicatos y sulfatos, pero en menor concentración. Según sea la mena, el
proceso de extracción del cobre será diferente, así tenemos:
i. Extracción de cobre a partir de menas sulfuradas (pirometalurgia)
ii. Extracción de cobre a partir de menas de óxido (hidrometalurgia)
Extracción de cobre a partir de menas sulfuradas
Alrededor del 90% del cobre que se produce en el mundo proviene de los minerales de
sulfuro. La extracción tiene cuatro etapas:
i. Concentración por flotación
ii. Tostación
iii. Fusión de mata
iv. Afino
Concentración por flotación
Las concentraciones de cobre en las menas actuales son demasiado bajas por lo que la
fundición directa sería muy costosa. Ésta implicaría que se fundiesen enormes
cantidades de material sin valor que conllevarían un gran gasto energético y una gran
capacidad de horno. Por estas razones, hoy en día se recurre al aislamiento de los
minerales de cobre en forma de un concentrado. El método más efectivo de
concentración es la concentración por flotación, que requiere un proceso previo de
trituración y molienda.
Los principios en los que se basa el proceso de flotación son los siguientes:
Los minerales sulfurados normalmente se humedecen por el agua, pero
pueden ser acondicionados con reactivos que los volverán repelentes al
agua.
Esta hidrofobicidad puede ser creada en minerales específicos dentro de
una pulpa agua – mena.
Los choques entre las burbujas de aire y los minerales que se han hecho
hidrofóbicos conducirán a la unión entre las burbujas y dichos minerales
Las partículas de mineral no acondicionadas no se unirán a las burbujas de
aire.
Con todo esto conseguimos que los minerales de cobre se adhieran a las burbujas de
aire con las cuales se van a elevar hasta la superficie de la celda de flotación. El resto
de minerales (ganga) se quedan atrás y abandonan la celda a través de un sistema de
descarga.
Los reactivos que se utilizan para crear las superficies hidrofóbicas consisten en
moléculas heteropolares, es decir, moléculas que tienen un extremo polar cargado y un
extremo no polar (hidrocarburo). Estos reactivos tienen normalmente un grupo
portador de azufre en su extremo polar, el cual enlaza a los minerales de sulfuro pero
ignora las superficies de los óxidos. Lo reactivos de sulfuro más conocidos son los
xantatos de sodio y potasio, pero también se usan otras moléculas portadoras de azufre
como tionocarbonatos, ditiofosfatos y tiocarbanilida.
Tostación
La tostación es una oxidación parcial de los concentrados de sulfuro de cobre con aire
y la eliminación parcial del sulfuro en forma de SO2. Los objetivos de la tostación son
dos:
Utilizar el calor de la tostación para secar y calentar la carga antes de ser
introducida al horno de fundición.
Aumentar la concentración de cobre en el producto de fundición, es decir,
en la mata líquida.
La tostación se lleva a cabo entre 500 y 700ºC, dentro de los tostadores tipo hogar o de
lecho fluidificados, bajo condiciones bien controladas. El producto de la tostación es
una mezcla de sulfuros, sulfatos y óxidos, cuya composición puede variarse mediante
el control de la temperatura del proceso de tostación y la relación aire – concentrado.
Fusión de mata
El objetivo de la fundición de mata es formar dos fases líquidas inmiscibles: una fase
líquida de sulfuro (mata) que contiene todo el cobre de la carga y una fase líquida de
escoria sin cobre. La mata tiene un contenido en cobre de entre un 35 a un 65%. La
escoria fundida se desecha directamente o después de una etapa de recuperación de
cobre. La gran desventaja de este método es la contaminación de la atmósfera con el
gas SO2.
La fusión de mata se lleva a cabo al fundir la carga total del horno a una temperatura
aproximada de 1200ºC, normalmente con fundentes de sílice y carbonato de calcio.
Hoy en día la fundición se realiza de forma mayoritaria en hornos de reverbero aunque
todavía se utilizan altos hornos y hornos eléctricos.
La mata fundida resultante del proceso de fundición contiene cobre, hierro y azufre
como componentes principales y hasta un 3% de oxígeno disuelto. Además, contiene
cantidades menores de metales como As, Sb, Bi, Pb, Ni y metales preciosos.
Para eliminar el hierro, el azufre y otras impurezas, se pasa la mata por un convertidor
cilíndrico Pierce –Smith, revestido con refractario básico. En este convertidor se
produce la oxidación de la mata con oxígeno a una temperatura de 1200ºC. Al final del
proceso se obtiene un cobre metálico líquido no refinado con una pureza de entre un
98.5 a un 99.5%, denominado cobre blíster. Además de éste, también se produce la
escoria y grandes volúmenes de gases calientes que contienen entre un 5 a un 15% de
SO2. Las reacciones que se llevan a cabo son:
2FeS + 3O2 + SiO2 2FeO.SiO2 + 2SO2
Aire Fundente Escoria
2Cu2S + 3O2 → 2Cu2O + 2SO2 Cu2S + O2 2Cu + SO2
Cu2S + 2Cu2O → 6Cu + SO2 Aire Cobre Blister
Afino
Finalmente, el cobre blíster se refina electroquímicamente para obtener cobre
catódico de una gran pureza, superior al 99.99%.
Previamente a la refinación electroquímica es necesario llevar a cabo una
refinación térmica, para evitar así la formación de ampollas de SO2. Estas
ampollas se forman cuando solidifican pequeñas cantidades de azufre y fosforo
que todavía contiene el cobre blíster en forma residual. La aparición de
ampollas conllevaría a la debilitación de los ánodos y a la aparición de una
superficie áspera de espesor irregular.
La refinación térmica se lleva a cabo en hornos de refinación tipo giratorio que
se asemejan a los convertidores Pierce – Smith. La temperatura de operación
está entre los 1130º y los 1150ºC.
Una vez refinado térmicamente se realiza el afino electrolítico del cobre. Este
afino se puede realizar mediante electrorrefinación de los ánodos de cobre
impuro o mediante separación por electrolisis a partir de soluciones de
lixiviación. El primer método es el más utilizado, ocupando alrededor del 95%.
La electrorrefinación consiste en la disolución electroquímica del cobre de los
ánodos impuros y el depósito selectivo de este cobre disuelto en forma pura
sobre cátodos de cobre. Esta técnica tiene dos objetivos:
Eliminar las impurezas que dañan las propiedades eléctricas y mecánicas
del cobre, consiguiendo cobre con una pureza superior al 99.99% con
menos de un 0.004% de impurezas metálicas.
Separar las impurezas valiosas del cobre, que pueden ser recuperadas
después como subproductos metálicos.
Extracción de cobre a partir de las menas de óxido: hidrometalurgia:
Aunque el cobre se presenta más frecuentemente en la forma de sulfuros, también se
presenta en forma oxidada como carbonatos, óxidos, silicatos y sulfatos,
particularmente en África. Estos minerales oxidados, cuando están presentes en
cantidad suficiente en la mena, puede ser reducidos directamente a cobre impuro en el
alto horno, como se hacía en el pasado. Pero en la actualidad las menas que se
explotan tienen una concentración muy baja de cobre, por lo que es necesario recurrir
a otras técnicas como la lixiviación mediante ácido sulfúrico seguida por la
precipitación o por la electrólisis del cobre de la solución.
PROCESOS ELECTROLITICOS
La electrólisis consiste en la descomposición química de una sustancia por medio de la
electricidad (electro = electricidad y lisis = destrucción). El paso de la corriente
eléctrica as través de un electrólito (en disolución o fundido), por ejemplo, NaCl
fundido, nos demuestra que en el cátodo o polo negativo el catión sodio (Na+) se
reduce a Na0 por ganancia, en cambio en el ánodo o polo positivo los aniones cloruro
(Cl-) entregan sus electrones oxidándose a Cl2 (gaseoso)
.
En resumen, el proceso de electrólisis se caracteriza porque:
a) Es un fenómeno redox no espontáneo producido por una corriente eléctrica
b) La reducción se lleva a efecto en el polo negativo o cátodo y la oxidación en el
ánodo o polo positivo.
El proceso electrolítico se realiza debido a que, la corriente eléctrica circula desde el
cátodo hacia el ánodo, siempre que entre ellos esté presente una sustancia conductora
(electrólito)
En algunas electrólisis, si el valor de la diferencia de potencial aplicada están sólo
ligeramente mayor que el calculado teóricamente, la reacción es lenta o no se produce,
por lo que resulta necesario aumentar el potencial aplicado. Este fenómeno se da,
sobre todo, cuando en algunos e los electrodos se produce algún desprendimiento
gaseoso. El potencial añadido en exceso en estos casos recibe el nombre de
sobretensión.
La cantidad de producto que se forma durante una electrólisis depende de los 2
factores siguientes:
a) De la cantidad de electricidad que circula a través de la pila electrolítica.
b) De la masa equivalente de la sustancia que forma el electrólito.
La cantidad de electricidad que circula por una cuba electrolítica puede determinarse
hallando el producto de la intensidad de la corriente, expresada en amperios por el
tiempo transcurrido, expresado en segundos. Es decir, Q (culombios) = I · t.
Tras efectuar múltiples determinaciones, Faraday enunció las 2 leyes que rigen la
electrólisis y que son las siguientes:
a) Primera Ley de Faraday: La cantidad de sustancias que se depositan (o altera su
número de oxidación) en un electrodo, es proporcional a la cantidad de electricidad
que pasa por el sistema.
Lo anterior significa que a mayor Faraday mayor cantidad de sustancia depositada.
Así, por ejemplo, para libera 96 gramos de oxígeno se necesitan 12 Faraday de
electricidad.
Se denomina equivalente electroquímico de una sustancia a la masa en gramos de
dicha sustancia depositada por el paso de un culombio.
De acuerdo con esta definición podemos escribir la expresión:
m =___PIt___
n · 96500
Donde:
m : masa en gramos que se ha depositado
P : peso atómico del elemento
n : número de electrones intercambiados
I : intensidad de la corriente expresada en amperios
t : tiempo en segundos
96500 : factor de equivalencia entre el Faraday y el culombio, ya que 1F = 96500C.
b) Segunda Ley de Faraday: La cantidad de diferentes sustancias depositadas o
disueltas por una misma cantidad de electricidad, son directamente proporcionales a
sus respectivos pesos equivalentes.
Por ejemplo, si la corriente eléctrica se hace pasar por una serie de celdas
electrolíticas que contienen distintas sustancias, la cantidad de electricidad que circula
a través de cada electrodo es la misma y las cantidades de elementos liberados son
proporcionales a sus respectivos pesos equivalentes.
Como la cantidad de electricidad en Coulomb es igual al producto de la intensidad de
la corriente I en ampere por el tiempo t en segundos que ha pasado la corriente,
combinando las dos leyes resulta que la masa m de material depositado o disuelto en
cada electrodo será igual a lo siguiente:
m =___ItA___
Fn
Donde:
I: ampere.
t: tiempo en segundos.
A: peso atómico.
F: Faraday.
n: valencia.
Significado del número de Avogadro en la electrólisis:
La carga del electrón es 1.602x10-19 coulomb absolutos de electricidad. De aquí
96500/1.602x10-19= 6.02x1023 que es el número de electrones en 1 Faraday. En otras
palabras, 1 Faraday de electricidad está asociado con un número de Avogadro de
partículas de carga unitaria, correspondiente a la carga de un equivalente-gramo de
sustancia, que serán electrones que les falta si se trata de cationes o de electrones que
les sobre en cada caso de aniones.
Un Faraday es un número de Avogadro de electrones, de la misma manera que 1 mol
es número de Avogadro de moléculas. La determinación experimental del valor del
Faraday y la carga del electrón, proporcionó uno de los mejores métodos para
determinar el Número de Avogadro.
Aplicaciones de la electrólisis:
La separación de los elementos de los electrólitos (disueltos o fundidos) se utiliza
industrialmente para obtener gases puros como el hidrógeno y el oxígeno y obtener
metales refinados como el hierro, cobre, aluminio, magnesio, potasio, etc.
Otra aplicación importante se encuentra en la galvanoplastia y galvanostegia:
a) La galvanoplastia: Consiste en obtener copias metálicas de algunos objetos, con
huecos y relieves. Entre los productos que se pueden citar para esta técnica podríamos
señalar lozas y porcelanas.
b) La galvanostegia: Consiste en recubrir los metales de una capa metálica resistente
para darles un mejor aspecto o para aumentar su duración y resistencia a la corrosión.
Entre las aplicaciones podemos citar el galvanizado (cincado), cobreado, latonado,
plateado, dorado, etc.
El cobre electrolítico consiste en una placa de cobre catódico, en donde los iones Cu+
+ de una solución se han reducido y adherido al cátodo de una celda electrolítica. La
semirreacción del cobre catódico es:
Cu++ + 2e- (cátodo)---> Cu0
Galvanizado: Técnica electrolítica que se realiza con el fin de cubrir metales con una
capa de cinc. Por ejemplo, las planchas para techados de construcciones.
Cobreado: Técnica que se emplea para recubrir de cobre algunos objetos (se utiliza
CuSo4 como electrólito). El siguiente esquema ilustra un sistema de cobreado de una
cuchara:
Cobre electrolítico: el proceso de obtención del cobre electrolítico es una derivación de
la técnica de cobreado.
Afinación del cobre:
Los ánodos de cobre en bruto se suspenden en un baño de sulfato cúprico acidulado
con ácido sulfúrico. Los cátodos son láminas delgadas de cobre puro recubierto de
grafito, para que el metal depositado por la corriente eléctrica pueda separarse
después fácilmente; las láminas se suspenden alternativamente con los ánodos en el
mismo baño.
Cuando pasa la corriente, los iones cobre se descargan en el cátodo, que va
engrosando gradualmente por el metal puro adherido, a la vez que en el ánodo se
disuelve una cantidad equivalente de cobre, formando iones cúpricos. Si las impurezas
del cobre son de elementos más activos, situados encima de él en la serie electromotriz
de los metales, pasan a la disolución y quedan en ella. Si están por debajo del cobre en
dicha serie, no se disuelven, y caen al fondo del as cubas, debajo de los ánodos, como
barro anódico, del que se recuperan el oro, la plata y el platino, muchas veces en
cantidades suficientes para pagar el proceso de afinación.
Algunos ejemplos de electrólisis:
1. Electrólisis del Cloruro de Sodio fundido.
2. Electrólisis de una solución acuosa de Cloruro de Sodio.
3. Electrólisis de una solución acuosa de ácido sulfúrico.
Electrólisis de soluciones en agua:
a) Si el catión en un metal muy activo, como los del grupo alcalino (Na, K, Li, Cs), no
se deposita el catón durante la electrólisis y se libera hidrógeno en el cátodo (caso del
Cloruro de Sodio)
b) Si el catión es un metal como cobre, plata, oro, platino, aceptará electrones en el
cátodo y se depositará como metal libre.
c) Si el anión tiene sólo una atracción débil por los electrones: F, Cl, Br, I, los iones
pierden sus eletrones en el {ánodo como elementos libres (caso del Cloruro de Sodio).
d) Los aniones que tiene una atracción fuerte por los electrones, como el SO-2 y NO-,
no pierden sus electrones en el ánodo, y se libera oxígeno como consecuencia de la
reacción del agua (caso del ácido sulfúrico)
Procesos industriales de electrólisis:
La industria moderna no podría funcionar como lo hace hoy en día sin las reacciones
de electrólisis. Muchos elementos se producen casi exclusivamente por electrólisis, por
ejemplo, el aluminio, el magnesio, el cloro y el flúor. Entre los compuestos químicos
producidos por electrólisis están el NaOH, K2Cr2O7, KMnO4, Na2S2O8 y gran
número de compuestos orgánicos.
Afino electrolítico:
El afino electrolítico de metales, implica el depósito de metal puro en un cátodo, a
partir de una disolución conteniendo el ión metálico. El cobre que se obtiene por
tostación de sus minerales tiene bastante pureza para algunas aplicaciones como
tuberías, pero no las suficientes para aplicaciones que requieren una gran
conductividad eléctrica. Para estas últimas hace falta cobre con una pureza superior al
99,5%.
Se toma como ánodo un trozo de cobre impuro y como cátodo una lámina delgada de
cobre metálico puro. Durante la electrólisis el Cu2+ producido en el ánodo se desplaza
a través de una disolución de ácido sulfúrico y sulfato de cobre hasta el cátodo, donde
se reduce a Cu(s) el cátodo de cobre puro aumenta su tamaño, mientras que el trozo de
cobre impuro se consume.
Depósito electrolítico:
En el depósito o baño electrolítico se deposita un baño de un metal sobre otro metal
por electrólisis. Este procedimiento se lleva a cabo por motivos decorativos o para
proteger de la corrosión al segundo metal. Los cubiertos de baño de plata por ejemplo,
consisten en una base de hierro con un recubrimiento fino de plata metálica. En un
proceso de depósito electrolítico el objeto a bañar constituye el cátodo de la célula
electroquímica. El electrólito contiene iones del metal que constituyen el baño. Estos
iones son atraídos hacia el cátodo, donde se reducen a átomos metálicos.
El electrólito suele ser sulfato de cobre en el caso de un baño de cobre y K(Ag(CN)2)
(aq) en el caso de un baño de plata. La concentración de ión plata libre en una
disolución del ión complejo [Ag(CN)2] (aq) es muy pequeña y el baño electrolítico en
estas condiciones proporciona un depósito del metal microcristalino y muy adherente.
El cromado o baño de cromo es muy útil por su resistencia a la corrosión, así como por
su belleza con fines decorativos.
El acero puede cromarse mediante una disolución acuosa de CrO3 y H2SO4. Sin
embargo, el baño obtenido es fino, poroso y tiende a resquebrajarse. En la práctica
primero se baña el hacer con una capa fina de cobre o níquel y después se aplica el
baño de cromo. Las piezas de maquinarias pueden hacerse resistentes al agua
mediante un baño de cromo o cadmio.
Algunos plásticos también pueden bañarse, primero debe hacerse conductor al plástico
recubriéndolo con polvo de grafito. El proceso de reposo electrolíticos de cobre sobre
plásticos ha sido importante para mejorar la calidad de algunos circuitos
microelectrónicas. Los baños electrolíticos se utilizan, en el sentido literal del término,
para hacer dinero. La moneda americana de un centavo actual, sino que se hace
bañando con cobre un núcleo central de zinc y a continuación se graba esta pieza con
baño de cobre.
CONCLUSIONES:
El cobre es un metal de transición dúctil, maleable, no magnético y de un color café
rojizo brillante característico. Tiene la mayor conductividad eléctrica y térmica de
todas las sustancias excepto la plata, siendo su conductividad eléctrica del 94% de
ésta.
El símbolo del elemento químico Cobre es el Cu, con numero atómico 29. Posee una
masa atómica de 63,536 y cristaliza en el sistema cúbico centrado en las caras. A
temperatura ambiente, se encuentra en estado sólido, con un punto de fusión de 1083º y
de ebullición de 2580º C.
El cobre ocupa el lugar 15 en abundancia en los elementos de la corteza terrestre. No
suele encontrarse en estado puro, sino en sulfuros, carbonatos, óxidos y carbonatos,
siendo la principal fuente de obtención de cobre en el mundo la calcopirita (FeCuS2)
Es un material que no pierde sus propiedades mecánicas al reciclarlo. Unido a la
facilidad de recuperación del mismo, hace que una gran parte del cobre consumido a
nivel mundial proceda del reciclaje.
Posee una buena resistencia a la mayor parte de los fenómenos de corrosión, debido a
su alto potencial electroquímico. El cobre es atacado por los álcalis y por muchos de
los ácidos comunes. Es muy resistente a la corrosión causada por el aire y por el agua
salada. Al estar expuesto a la atmosfera, crea una capa superficial de color verdoso,
generalmente de carbonato de cobre, protegiéndolo.
El cobre es un metal muy blando y por ese motivo para aumentar su maquinabilidad se
suele alear débilmente con elementos como plomo y teluro. Puede vaciarse, estirarse,
obtenerse por extrusión, trabajarse en caliente y en frío, devanarse, conformarse a
martillo, punzonarse y soldarse con soldadura autógena, con soldadura con metal de
aporte y con soldadura fuerte. El cobre blando puede volverse más resistente por
trabajo en frío pero luego puede ablandarse de nuevo por recocido. No se presta a
ningún otro tipo de tratamiento térmico.
Al cobre se le considera un material blando. Posee un grado 3 en la escala de dureza
de Mohs. Tiene una resistencia del alambre de cobre estirado de unos 4200 kg/cm2, un
módulo de Young de 110-128 GPa y un módulo de elasticidad transversal de 63,4 GPa.
RECOMENDACIONES:
En la purificación se realiza la precipitación, para ello se recomienda el uso de un
filtro prensa que separar el precipitado de la solución reduciendo el tiempo de trabajo
empleado.
El precipitado que se ha generado en la purificación se recomienda realizar una
investigación para su tratamiento, recuperación y utilización.
En la acidificación del electrolito se recomienda trabajar a un pH superior a 0,8 para
evitar el desprendimiento de gas hidrogenó debido a una reacción simultánea.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS:
1. Rojas Quinto AC. Química analítica cuantitativa. Huancayo. Perú: 2007.
2. Salcedo Lozano A. Química. ed. Perú: San Marcos 1987.
3. Alonso Arenas. Electroobtención de cobre. ed. Antofagasta: Universidad
Católica del Norte: 1995.
4. Arthur I. Vogel, Química analítica cualitativa .6 ed. Buenos Aires Argentina: l
Kapelusz: 1983.
5. Cáceres Huambo BN .Análisis de datos y diseños experimentales aplicados en
investigación. ed. Cusco: UNSAAC: 2009.
6. Castro Rodríguez JB, Requena Arias JL .Influencia de los parámetros
electrolíticos en el comportamiento de la planta en el proceso de electro
refinación de cobre en La Oroya. trabajo para optar el título de ingeniero
químico. 2007. Universidad Nacional del Centro del Perú. Huancayo.