Cinetica Metalurgica

FACULTAD DE INGENIERIA DE MINAS Y METALURGICA

CINETICA MET., REACCION QUIMICA, CLASIFICACION,ORDEN DE REACCION

CLASE 1

CINETICA METALURGICA

ING. ROGER ALFONSO MOZO HORNA

1. CINETICA METALURGICA

Cintica Metalurgica. Es el estudio de las velocidades y mecanismos de las reacciones qumicas.

Velocidad de reaccin: Es una medida de la rapidez con la que se forman los productos o se consumen los reactivos.

Mecanismo de reaccin: Es la secuencia detallada de los pasos simples, elementales, que van desde los reactivos a los productos.


En los procesos de obtencin de un metal desde el mineral oconcentrado hasta su refinacin, existen una o ms etapas enlas que ocurren transformaciones fsico-qumicas.

Solo contados metales, tales como oro o platino seencuentran nativos.

En todos los otros casos el metal debe ser qumicamenteextrado y purificado, por ejemplo, en la obtencin de cobredesde sulfuros u xidos; en la obtencin de arrabio (hierro) yacero desde minerales oxidados de hierro; en la obtencin dezinc desde sulfuros o silicatos, etc.

En el caso mencionado del cobre, su extraccin a partir de sussulfuros ocurre por una transformacin inicial a altatemperatura para formar el eje fundido de cobre (Cu2S-FeS) yluego al oxidar y reducir el eje formado a metal crudo o cobreblster (Fig. 1).


En metalurgia, la mayor parte de las reacciones ocurren tanto enmedio acuoso (lixiviacin, cementacin, precipitacin, electroobtencin y electro refinacin), como a alta temperatura (tostacin,reduccin, oxidacin, etc.) o en medio fundido a alta temperatura(obtencin de aluminio, formacin de ejes o matas fundidas desulfuros reduccin de wustita (FeO) lquida con carbono, etc.).

El anlisis inicial de la extraccin, purificacin o refinacin de un metaldebe ser termodinmico, para establecer si la o las reacciones puedenocurrir termodinmicamente.

El segundo paso es establecer que ocurre durante la transformacinqumica del o delas substancias involucradas. Es necesario aquconocer el o los mecanismo (s) que participa (n), as como la velocidadde aproximacin al equilibrio que se establece. Esto corresponde a lacintica de reaccin.


Por otra parte es necesario conocer y caracterizar el flujo y la mezcla entrereactivos y productos en el espacio fsico en que ocurre la transformacin.Este espacio o volumen se denomina en general reactor, an cuando enmetalurgia, y dependiendo del proceso, se conoce por horno, (cuba,cubilote, rotativo, flash, CT, etc.) estanque (lixiviacin en estanques ocolumnas, estticas o agitadas) convertidor (para ejes de cobre nquel),tostador (lecho fluido, horno de piso mltiples), etc.

En el diseo de un reactor, o un proceso se comienza por analizar losaspectos termodinmico y las condiciones bajo las cuales sera posibleproducir las transformaciones deseadas, o bien, dadasciertas condiciones de operacin, verificar si la transformacin esposible de efectuar.

Conocida las condiciones termodinmicas, se debe entonces conocer elaspecto cintico del proceso: es decir, que equilibrio se establece en lascondiciones fijadas y con que velocidad se aproxima al equilibrio.Finalmente, se debe conocer el patrn de flujo y de mezcla que ocurrenen el interior del reactor, e integrar la expresin analtica en la cinticapara as caracterizar la transformacin global y disear el reactoro proceso.



2. REACCION QUIMICA La reaccin qumica es aquel proceso qumico en el cual dos

sustancias o ms, denominados reactivos, por la accin de un factorenergtico, se convierten en otras sustancias designadas comoproductos. Mientras tanto, las sustancias pueden ser elementosqumicos (materia constituida por tomos de la misma clase) ocompuestos qumicos (sustancia que resulta de la unin de dos o mselementos de la tabla peridica).

El ejemplo ms corriente de una reaccin qumica es la formacin dexido de hierro, que resulta de la reaccin del oxgeno del aire con elhierro.

La fsica reconoce dos grandes modelos de reacciones qumicas, lasreacciones cido-base, que no presentan modificaciones en losestados de oxidacin y las reacciones redox, que por el contrario spresentan modificaciones en los estados de oxidacin.


En tanto, dependiendo del tipo de productos que resulta de lareaccin a las reacciones qumicas se las clasifica de la siguientemanera: reaccin de sntesis (elementos o compuestos simples seunen para conformar un compuesto ms complejo), reaccin dedescomposicin (el compuesto se fragmenta en elementos ocompuestos ms simples; un solo reactivo se convierte en productos),reaccin de desplazamiento o simple sustitucin (un elementoreemplaza a otro en un compuesto) y reaccin de dobledesplazamiento o doble sustitucin (los iones de un compuestomodifican lugares con los propios de otro compuesto para conformardos sustancias diferentes


3. CLASIFICACION DE REACCIONES QUIMICAS

Existen muchas maneras de clasificar las reacciones qumicas. En laIngeniera de las Reacciones Qumicas probablemente el esquemams til es el que resulta de dividirlas, de acuerdo con el nmero ytipo de fases implicadas, en dos grandes grupos: sistemashomogneos y heterogneos.

Una reaccin es homognea si se efecta slo en una fase, y esheterognea si, al menos, se requiere la presencia de dos fases paraque transcurra a la velocidad que lo hace.

Superpuestas a estos dos tipos de reacciones tenemos las catalticascuya velocidad est alterada por la presencia, en la mezclareaccionante, de materiales que no son reactantes ni productos.Estos materiales, denominados catalizadores, no necesitan estarpresentes en grandes cantidades. Los catalizadores actan, encierto modo, como mediadores retardando o acelerando lareaccin.


No catalizadas Catalizadas

HomogneasLa mayor parte de las

reacciones en fase gaseosa

La mayor parte de las

reacciones en fase lquida

Hetereogneas

Combustin de carbn Sntesis de amonaco

Tostacin de mineralesOxidacin de amoniaco

para dar cido ntrico

Ataque de slidos por

cidosCracking del petrleo

Absorcin gas-lquido con

reaccinOxidacin de SO2 a SO3


4. ORDEN DE REACCION

En cintica qumica, el orden de reaccin con respecto a cierto reactivo,

es definido como la potencia (exponencial) a la cual su trmino de

concentracin en la ecuacin de tasa es elevado.

Por ejemplo, dada una reaccin qumica:

2A + B > C con una ecuacin de tasa

r = k [A]2 [B]1

r" denota la rapidez de reaccin y "k" es la constante cintica.


El orden de reaccin con respecto a A sera 2 y con respecto a B sera 1, el

orden de reaccin total sera 2 + 1 = 3.

No es necesario que el orden de una reaccin sea un nmero entero; cero y

valores fraccionarios de orden son posibles, pero ellos tienden a ser enteros.

Ordenes de reaccin pueden ser determinados solamente por experimentos.

Su conocimiento conduce a conclusiones sobre el mecanismo de reaccin.

El orden de reaccin no est necesariamente relacionado a la estequiometra de lareaccin, a menos que la reaccin sea elemental. Reacciones complejas pueden tenero no rdenes de reaccin iguales a sus coeficientes estequiomtricos.

Una determinacin importante en el estudio de la cintica de una reaccin qumica esla del orden de reaccin. Conviene recordar, en los casos ms simples, lo que seentiende por orden de reaccin. Siendo Co la concentracin inicial del reactivo y C laconcentracin del reactivo pasado el tiempo t de reaccin, si dC/dt obedeciese a laecuacin (1), n ser el orden de reaccin.


Si n = 0 (reaccin de orden cero), la ecuacin (2) ser obtenida a partir de la ecuacin (1)

En los casos de n = 1 (reaccin de orden uno, o de primer orden) y n = 2 (reaccin deorden dos, o de segundo orden), la ecuacin (1) conducir, respectivamente, a lasecuaciones (3) y (4).

GRACIAS


ING. ROGER ALFONSO MOZO HORNA

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