Colegio Terraustral IVº Medio Dpto. Química.

PROCESOS QUÍMICOS INDUSTRIALES FUENTES DE MATERIAS PRIMAS

Introducción A través del tiempo, el hombre, intentando satisfacer sus necesidades, ha desarrollado técnicas de fabricación de diversos productos. En la antigüedad, sin un profundo conocimiento de la materia, se desarrollaron técnicas para fabricar vidrio, pigmentos, aleaciones, etc. Actualmente la ciencia y tecnología avanzan a un ritmo acelerado, proporcionándonos formas más eficaces de llevar a cabo nuestras actividades. Procesos Industriales 1. Fuente: Las fuentes de materias primas son múltiples: el aire, la tierra, el mar son los proveedores de éstas. Por ejemplo, el aire es fuente de nitrógeno, requerido para la obtención de amoniaco. De la corteza terrestre se pueden obtener metales como hierro, cobre, oro, níquel, platino, etc. 2. Materia prima: Las materias primas son necesarias para el inicio de cualquier proceso industrial, ellas se preparan, purifican y dosifican para su uso posterior. 3. Proceso industrial: Es el conjunto de procedimientos necesarios para modificar las características de las materias primas. Estos procedimientos pueden clasificarse en físicos, constituidos por moldeo, fusión, laminado, torneado, etc. o químicos,

I LITIO

Propiedades del litio

Símbolo: Li

Número atómico: 3

Metal blando, de color blanco plata, que se oxida rápidamente en aire o agua.

Densidad: 0,53 g/mL.

Es el metal más ligero.

Punto de fusión: 180,5° C

Muy reactivo, aunque menos que el sodio, por lo que no se encuentra libre en la naturaleza.

Altamente inflamable, ligeramente toxico y explosivo. Se emplea especialmente en aleaciones

conductoras del calor, en baterías eléctricas y sus sales en aplicaciones médicas.

Obtención de litio

La extracción del litio se realiza fundamentalmente a partir de la extracción de salmueras con alto

contenido de litio desde salares, las que se depositan en grandes pozas de evaporación solar.

Extracción

Las salmueras son extraídas gracias a pozos de bombeo situados en los salares. Las salmueras

están presentes en diversos bolsones de líquido bajo la superficie. Luego de ser extraída la

salmuera es bombeada a pozas de evaporación, a través de las cuales se obtienen las sales

contenidas.

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El proceso se realiza gracias a las diferentes solubilidades que presentan las sales.

A la salmuera líquida se le adiciona Ca+2 para precipitar los sulfatos como CaSO4, luego de una serie

de evaporaciones son recuperados los cloruros (NaCl, KCl y MgCl2) y ácido bórico. Finalmente, por

la adición de Na2CO3, precipitan MgCO3 y CaCO3. La solución residual es filtrada en caliente para la

obtención de carbonato de litio. Otra parte de las salmueras ya concentradas son reinyectadas a

los depósitos subterráneos del salar.

Mediante procesos de molienda, flotación, secado y compactado se obtienen los siguientes

productos: cloruro de potasio y sulfato de calcio.

Los productos de litio se obtienen y comercializan en una amplia gama de formas físicas y envases.

El carbonato de litio, un polvo blanco fino, es menos soluble en agua caliente que en agua fría, no

es higroscópico y es generalmente estable cuando es expuesto a la atmósfera. El carbonato de litio

reacciona fácilmente con ácidos fuertes y es usado frecuentemente para la manufactura de otras

sales de litio.

Usos y aplicaciones El principal uso industrial del litio es en forma de estearato de litio como espesante para grasas lubricantes. Otras aplicaciones importantes de compuestos de litio son en cerámica, de modo específico en la formulación de esmaltes para porcelana; como aditivo para alargar la vida y el rendimiento en acumuladores alcalinos y en soldadura autógena y soldadura para latón. Además, se usa en la producción de tritio, carburantes, en aleaciones muy duras, electrodos de baterías (ánodos, debido a su elevado potencial electroquímico), vidrios especiales, síntesis orgánica (organocompuestos de litio que son similares a los reactivos de Grignard), refrigerante. En otras de sus aplicaciones prácticas, el litio es empleado en los reactores nucleares, para obtener el tritio que es un componente de las aleaciones empleadas en su construcción; y también como catalizador. Otros derivados del litio tienen importantes usos medicinales. El carbonato de litio para el tratamiento de artrosis, el bromuro de litio como sedante; y el citrato de litio y el carbonato de litio, como antídotos de las psicosis maníaco-depresivas en fase aguda. Se ha usado en aleaciones (en una proporción menor de 0,1%) muy duras (cojinetes), electrodos de baterías debido a su alto potencial electroquímico.

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II SALITRE

Propiedades del salitre

Es una mezcla de nitratos NaNO3 y KNO3, obtenido a partir de un mineral llamado caliche.

Se encuentra en forma natural en Sudamérica, fundamentalmente al norte de Chile.

Utilizado para la fabricación de ácidos (nítrico y sulfúrico). Además, es un agente oxidante que se

usa en agricultura como fertilizante. También se usa en la fabricación de explosivos (pirotecnia),

medicina, fabricación de vidrios, preservante de alimentos, etc.

Obtención del salitre

Se obtiene a partir de los procesos de: Lixiviación, concentración, cristalización fraccionada.

A partir del caliche, y mediante cristalización fraccionada, se obtiene el nitrato.

El caliche se muele y lixivia con agua a 40°C, obteniendo una solución que se concentra en una

piscina por evaporación solar. Al disminuir la temperatura, el nitrato cristaliza y se recupera. Las

soluciones débiles se mantienen en las pozas para aumentar la concentración.

Durante la evaporación también aumenta la concentración de los yodatos (IO3-) y de las soluciones

concentradas se obtiene sal (NaCl) y sulfato de sodio (Na2SO4).

Para recuperar el yodo, se reducen los yodatos, según las siguientes reacciones:

NaIO3 + 3NaHSO3 → NaI + 3NaHSO4

NaIO3 + 3SO2 + 3H2O → NaI + 3H2SO4

Luego, el yoduro de sodio (NaI), es oxidado mediante la siguiente reacción:

5 NaI + NaIO3 + 3H2SO4 → 3I2 + 3Na2SO4 + 3H2O

El yodo obtenido es recuperado por flotación en celdas estándar. Se obtiene, en ellas, una pulpa

concentrada con 20 a 30% de yodo. El concentrado se seca, funde y purifica con ácido sulfúrico

(H2SO4). Finalmente se pasa por rodillos, obteniéndose yodo en escamas.

III CEMENTO Y CERÁMICAS

Muchas veces se confunde el cemento con el hormigón. Mientras el cemento es una especie de

polvo fino de color grisáceo que se utiliza para fabricar hormigón, como componente del material

utilizado para pegar ladrillos, pavimentar carreteras, represas y muchas otras cosas, el cemento es

el aglomerante usado en la preparación de los morteros (mezclas).

Fabricación de cemento

El proceso de fabricación del cemento consta de cuatro etapas principales.

1º Extracción y molienda de la materia prima

Comienza en las minas de piedra caliza donde extraen diferenciadamente la superficial, que

contiene caliza y óxidos de aluminios y de hierro, y la más profunda, rica en caliza más pura

(CaCO3). Ambos tipos de rocas se trituran por separado hasta un diámetro de entre 5 a 7 cm, luego

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se mezclan en proporciones definidas de acuerdo al cemento que se quiera fabricar, la que es la

mezcla pura. Dependiendo del tipo de roca natural utilizada, a veces se agrega a esta mezcla sílice,

hierro y a veces óxido de aluminio para mejorar su calidad.

2º Homogeneización de la materia prima

Una vez que la mezcla está lista se introduce en un molino de rodillos, para transformar la mezcla

en un polvo fino llamado mezcla cruda. Para unir los minerales se introduce la mezcla cruda en un

horno precalentador, donde se calienta hasta 800°C que sirve para eliminar CO2, dejando libre la

cal (CaO).

3º Producción del clinker

El polvo pasa a un horno giratorio donde alcanza los 1500° C y se funde formando pequeñas

bolitas denominadas clinker. Al salir del horno, el clinker es enfriado rápidamente para asegurar su

alta calidad.

4º Molienda de cemento.

El último paso en la fabricación del cemento consiste en moler el clinker en un molino de bolas y

en este momento se le añade yeso para retardar su fraguado (endurecimiento) al momento de ser

usado.

IV ÁCIDO SULFÚRICO

El ácido sulfúrico concentrado, llamado antiguamente aceite de vitriolo, es un importante agente

desecante. Actúa tan vigorosamente en este aspecto que extrae el agua y por lo tanto carboniza la

madera, el algodón, el azúcar y el papel. Debido a estas propiedades desecantes, se usa para

fabricar éter, nitroglicerina y tintes. Cuando se calienta, el ácido sulfúrico concentrado se

comporta como un agente oxidante capaz, por ejemplo, de disolver metales tan poco reactivos

como el cobre, el mercurio y el plomo, produciendo el sulfato del metal, dióxido de azufre y agua.

El ácido sulfúrico es un ácido fuerte, es decir, en disolución acuosa se disocia fácilmente en iones

hidrógeno (H+) e iones sulfato (SO4-2). Cada molécula produce dos iones H+, o sea, que el ácido

sulfúrico es biácido. Sus disoluciones diluidas muestran todas las características de los ácidos:

tienen sabor amargo, conducen la electricidad, neutralizan los álcalis y corroen los metales activos

desprendiéndose gas hidrógeno. A partir del ácido sulfúrico se pueden preparar sales que

contienen el grupo sulfato SO4-2 y sales ácidas que contienen el grupo bisulfato, HSO4

Usos

El ácido sulfúrico es el producto químico de mayor consumo en el mundo debido a sus

propiedades. Los usos del ácido sulfúrico son tan variados que el volumen de su producción

proporciona un índice aproximado de la actividad general industrial. El ácido sulfúrico se utiliza

principalmente para hacer fertilizantes, tanto superfosfato como sulfato de amonio. También se

usa para fabricar productos orgánicos, pinturas y pigmentos y rayón, así como para refinar

petróleo y procesar metales. Uno de los pocos productos de consumo que contienen ácido

sulfúrico como tal es la batería de plomo, que se utiliza en los automóviles. Últimamente, la

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compra de ácido sulfúrico está siendo muy controlada, pues se le utiliza en la purificación del

clorhidrato de cocaína.

V VIDRIO Vidrio, sustancia amorfa fabricada, sobre todo, a partir de sílice (SiO2) y calizas, fundida a altas temperaturas con boratos o fosfatos. También se encuentra en la naturaleza, como en la obsidiana -material volcánico- o en los objetos conocidos como tectitas. El vidrio es una sustancia amorfa porque no es ni un sólido ni un líquido, sino que se encuentra en un estado vítreo, en el que las unidades moleculares, aunque están dispuestas de forma desordenada, tienen suficiente cohesión para presentar rigidez mecánica. El vidrio se enfría hasta solidificarse sin que se produzca cristalización; el calentamiento puede devolverle su forma líquida. Suele ser transparente, pero también puede ser traslúcido u opaco. Su color varía según los materiales empleados en su fabricación. Fabricación El vidrio se fabrica a partir de una mezcla compleja de compuestos vitrificantes, (sílice), fundentes (álcalis) y estabilizantes (cal). Estas materias primas se cargan en el horno de cubeta (de producción continua) por medio de una tolva. El horno se calienta con quemadores de gas o petróleo. La llama debe alcanzar una temperatura suficiente, y para ello el aire se calienta en unos recuperadores construidos con ladrillos refractarios, antes de que llegue a los quemadores. La mezcla se funde a unos 1.500° C y avanza hacia la zona de enfriamiento, donde tiene lugar el recocido. En el otro extremo del horno se alcanza una temperatura de 1.200 a 800º C. Al vidrio así obtenido se le da forma por laminación o por otro método.

VI HIERRO

El hierro es el cuarto elemento más abundante en la corteza terrestre y el segundo metal después del aluminio. Se conoce desde la Prehistoria, donde da nombre a un período, la Edad del Hierro, en el que se extendió su uso y el trabajo con este metal. Se extrae de minerales como limonita, siderita (FeCO3), magnetita (Fe3O4), hematita (Fe2O3) y pirita (FeS2). Propiedades del hierro • Color blanco plata • Temperatura de fusión: 1535 °C. • Densidad: 7,86 g/mL • Metal blando, maleable y dúctil. • Se magnetiza fácilmente a temperatura ambiente. • Metal no noble, es decir, rara vez se presenta en estado nativo, ya que se oxida con facilidad. Es el metal más importante para la actividad humana, debido a que tiene una gran cantidad de aplicaciones. Entre sus aleaciones, sin lugar a dudas la más importante es el acero. Alrededor de este metal se han creado muchas industrias, desde aquellas que asociadas a su extracción y producción hasta otras que lo utilizan como materia prima para la fabricación de maquinarias,

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materiales de construcción, recipientes, instrumental de laboratorio y médico e incluso en utensilios de hogar. Acero El acero es una aleación de hierro que tiene principalmente Cromo (Cr) y Níquel (Ni), y menos del 1,7% de carbono debido a que el carbono presente en el arrabio se oxida. Presenta pequeñas cantidades de otros elementos como silicio, fósforo, manganeso, etc., dependiendo del tipo de acero que se quiere producir. Estos elementos le confieren propiedades especiales: mayor resistencia al desgaste, a la corrosión, a la oxidación, etc.

VII COBRE El cobre es un mineral escaso en la corteza terrestre, está presente aproximadamente en un 0,007%. Sin embargo, los yacimientos de cobre chilenos, tienen una ley promedio de cobre de 1%, cifra que a nivel mundial es considerada muy buena. Propiedades del cobre. Numero atómico (Z): 29 Masa atómica relativa: 63,55 Estados de oxidación: +1 y +2 Radio atómico: 1,28 A° Radios iónicos: Cu+ 0,06 A° y Cu2+ 0,72 A° Configuración electrónica: [Ar] 3d104s1 Punto de fusión: 1083 °C Electronegatividad: 1,9 Densidad: 8,92 g/cm3 Conductividad eléctrica: 95 Isotopos estables: 63Cu29 69,17% y 65Cu29 30,83% Industria del cobre. En la naturaleza se encuentra combinado con el oxigeno o con el azufre, formando minerales oxidados (CuO, cuprita) o sulfurados (CuFeS2, calcopirita). El procedimiento empleado para producir cobre depende del tipo de mineral de donde provenga el cobre. Metalurgia del cobre. En Chile, el cobre se extrae de minerales oxidados y sulfurados. Tras el descubrimiento de un yacimiento y de los estudios correspondientes para determinar la ley del mineral se aplican diversos métodos para la extracción y purificación del mineral. (Métodos mencionados en la guía anterior). Los procesos físicos comprenden las etapas de extracción y molienda del mineral.

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Procesos específicos de la metalurgia del cobre.

Chancado Se tritura el mineral en chancadoras y molinos, hasta

dejarlo de un menor tamaño

Molienda El mineral se reduce a menos de 0,2mm, tamaño adecuado

para la flotación.

Extracción por solvente La disolución de CuSO4 es sometida a la

acción de solventes orgánicos que capturan los iones Cu2+ en forma

selectiva eliminando las impurezas como: Fe, Al y Mn. El cobre se recupera usando una disolución altamente acida, con lo que alcanza una concentración

de 45g/L.

Extracción mineral oxidado Cuprita (CuO)

Extracción mineral sulfurado Calcopirita (CuFeS2)

Lixiviación Proceso hidrometalúrgico en el que se provoca la disolución del mineral, utilizando una solución de H2SO4. Obteniéndose CuSO4, con una concentración de 9g/L

Electrorrefinación

Flotación Proceso físico químico que sirve para separar los minerales sulfurados del cobre. Consiste en mezclar la pulpa del mineral con agua y otros agentes químicos. En donde se obtiene un concentrado de Cu de un 31% de pureza. En este proceso de obtiene además la molibdenita (MoS2), la que posteriormente se transforma en oxido de molibdeno (MoO3).

Filtración y secado Para llevar el concentrado al proceso de

fundición es necesario dejarlo con menos de un 5% de humedad. Esto se

consigue secándolo y filtrándolo a fuego directo

Electroobtención.

Fundición. El concentrado de cobre es sometido a

altas temperaturas en hornos de reverbero con la finalidad de refinarlo,

obteniendo un cobre blíster con un 96% de pureza.