1.-Explique el proceso cementación de cobre con chatarra de fierro. Indique las reacciones, describa las tecnologías y señale los factores que incrementan el consumo de chatarra. La cementación del cobre con cementación de cobre es uno de los métodos más antiguos de precipitación

utilizados. En la actualidad este procedimiento ha sido remplazado en faenas medianas las que prefieren

lixiviación, Extracción por solventes, electrodepositacion. Es utilizado en faenas pequeñas.

La reacción principal es Cu+2

+Fe=Fe+2

+Fe, además se encuentra las reacciones parasitas que se trata de la

disolución del hierro por el exceso de acidez de la solución de lixiviación Fe+2H=Fe+2

+H2, lo principal de esto

es la obtención de hidrogeno gaseoso por lo que hay que tomar medidas especiales para evitar explosiones.

Existe otra solución de lixiviación producto de la disolución de minerales o con la formación del ion ferroso

con el oxígeno 2Fe+2

+1/2O2+2H+=2Fe

+3+H2O, esto reacciona con fierro 2Fe

+3+Fe=3Fe

+2 y con el cemento de

cobre formado según 2Fe+3

+Cu=2Fe+2

+Cu+2

, que es u forma directa de consumir hierro.

La tecnología utilizada son bastantes simples como lo son los tambores rotatorios que están construidos de

acero y revestidos interiormente con materiales resistentes a la corrosión, también se pueden utilizar los

tambores de madera, La operación del tambor es discontinua se rellenan con el tiempo y luego se

descargan. El cemento de cobre es arrastrado por la solución para luego ser separado por centrifugación,

sedimentación o una simple decantación otra tecnología es la de los estanques que es una tecnología más

antigua están hecho de concreto o madera, se rellenan de chatarra y se hace circular las soluciones. La

mayor ventaja es su menor costo de inversión, sin embargo presentan consumos mayores de chatarra y la

calidad del cemento es menor.

2.- Enuncie las leyes de Faraday para la electrodepositacion y a parir de estas deduzca una expresión matemática para el cálculo de la denominada eficiencia Farádica o eficiencia de corriente

Primera Ley de Faraday de la Electrólisis: La

masa de una sustancia alterada en un electrodo

durante la electrólisis es directamente

proporcional a la cantidad de electricidad (carga

eléctrica) transferida a este electrodo.

Segunda Ley de Faraday de la Electrólisis: Para

una determinada cantidad de electricidad, la

masa de un material elemental alterado en un

electrodo, es directamente proporcional al peso

equivalente del elemento.

Pm : masa molar de la sustancia.

I : carga eléctrica total que pasó por la solución.

q : carga electrón.

n : n° de valencia de la sustancia.

Na : n° de avogadro.

F = q x Na = Cte. De Faraday.

3.-Describa la electrodepositacion de cobre en su respuesta deberá

a) Reacciones anódica y catódica: Se denomina electrodeposición al precipitar un metal mediante la aplicación de energía eléctrica en una

celda electrolítica. Su objetivo es recuperar el metal que se encuentra en forma iónica e incorporándolo en

forma metálica al cátodo.

Reacción Global

Cu+ + H2O = Cu + 1/2O2 + 2H+

Reacción Anódica H2O = 1/2O2 + 2H+ + 2e-

Reacción Catódica Cu+2 + 2e- = Cu

b) Tipo celdas Las celdas no deben tener contacto ya que genera cortocircuitos así que deben tener una disposición

ordenada. Trabajan a 50ºC. Las celdas son hechas de cemento polimérico donde caen 60 cátodos y 61

ánodos (siempre hay un cátodo entre 2 ánodos)

Ánodos : Como ánodos deben de utilizarse materiales que puedan resistir los elevados sobrepotenciales,

necesarios para la evolución de oxígeno, que se utilizan en el sistema. Entre estos materiales los que

mejores resultados han dado para su uso industrial se encuentran las aleaciones en base Plomo. El Plomo se

recubre de una capa protectora de PbO2, que es buen conductor y protege al material de la corrosión y de la

pasivación por formación de PbSO4.

Gran parte del éxito de la operación consiste en mantener la capa de PbO2 en condiciones adecuadas, ella

puede desprenderse por efectos de elongación de los ánodos.

Causas de desprendimiento de la capa de PbO2 son problemas de cortocircuito, producto de contactos

indebidos entre cátodo y ánodo, formación de MnO2 sobre la superficie del ánodo, cambios fuertes en la

temperatura del electrolito y cuando se interrumpe el suministro de corriente y el ánodo queda sin

polarización.

Cátodos: Las primeras instalaciones de electrobtención utilizaron como cátodos láminas partidoras

obtenidas en un circuito especial de electrodepositación sobre cátodos de titanio o de aceros especiales.

Estas láminas eran despegadas, dimensionadas y montadas en una barra conductora removible.

El sistema de láminas partidoras fue cambiado a fines de la década del setenta por los cátodos permanentes

de acero inoxidable. Estos presentan varias ventajas, en primer término permiten eliminar el circuito de

fabricación de las láminas iniciales, lo cual implica un ahorro importante en la operación, además permiten

un menor espaciamiento entre ánodo y cátodo con un mejor aprovechamiento del espacio de celda. En el

sistema de láminas de partida es frecuente que se produzcan problemas de cortocircuito por mala

alineación de los cátodos, o por pliegues o defectos en su fabricación. En el caso de cátodos permanentes

disminuyen estos tipos de cortocircuitos.

4.- Para que ocurra la electrodepositacion de cobre la tención termodinámica necesaria es del orden de 0.9 Vol. Sin embargo en la práctica se utiliza una tensión del orden de 2 a 201Volt. Explique a razón desglosando cada uno de los componentes que influye en el incremento de la tensión.

El potencial total de la celda se puede desagregar considerando cinco componentes, ellos son: la tensión

termodinámica de las reacciones involucradas, la sobretensión asociada a la reacción anódica, la

sobretensión asociada a la reacción catódica, las pérdidas de corriente debidas a deficiencias en la

conductividad de la solución y las pérdidas que tienen lugar en los contactos eléctricos y los conductores

metálicos del sistema.

Tensión termodinámica de la reacción, Eth: 0,90 Volt

Sobrepotencial anódico, Na: 0.60 Volt

Sobrepotencial catódico, Nc: 0,05 Volt

Perdidas por resistencia del electrolito: 0.50 Volt

Pérdidas en contactos: 0.05 Volt.

La suma de los valores anteriores indica que la diferencia de potencial de celda en el proceso industrial es

del orden de 2.0 a 2.1 Volt. Al reemplazar este valor en la siguiente ecuación:

Y asumiendo un rendimiento de corriente de 92%, tenemos que el rendimiento energético del proceso es

del orden de 40%.

5.- En la operación de extracción por solvente uno de los problemas a evitar es el arrastre de solución de lixiviación que puede contaminar el electrolito que va a la nave de electrodepositacion con iones cloruro y férrico. Explique escribiendo las ecuaciones correspondientes, como actúan estos iones en el proceso y porque se les considera perjudiciales Algunos iones contenidos en las soluciones de lixiviación tienen un efecto negativo muy fuerte. Es el caso de

los iones férrico y cloruro.

Ión Férrico: se reduce a ferroso originando pérdidas en la eficiencia de corriente.

En el caso de Chuquicamata, la concentración de iones férricos se controlaba contactando el electrolito con

SO2 gaseoso en torres de absorción donde ocurría la siguiente reacción:

2 Fe3+ + SO2 + 2 H2O = 2 Fe2+ + 4 H+ + SO42-

Las concentraciones permisibles están entre 0,5 y 2,5 gpl., concentraciones mayores afectan la eficiencia de

corriente del proceso por la reacción de reducción del ion férrico formado.

Puede formarse por la reacción del ion ferroso con el oxígeno:

2 Fe2+ + ½ O2 + 2 H+ = 2 Fe3+ + H2O

Ion Cloruro: se oxida a cloro gaseoso que ocasiona corrosión.

Se controlaba haciéndolo reaccionar con cemento de cobre, en una planta decloruradora y de acuerdo a la

siguiente reacción:

Cu + Cu2+ + 2 Cl- = Cu2Cl2

el cloruro cuproso se convertía posteriormente en cemento de cobre que retornaba al sistema.

6) Factores que inciden en la calidad del Depósito Catódico. Variables de operación a.- Densidad de corriente. Esta es una de las variables de mayor significación económica. Es conveniente

trabajar con la mayor densidad de corriente posible porque con ello aumenta la producción horaria, cobre

electrodepositado por unidad de tiempo, con el consiguiente mayor rendimiento de las instalaciones

utilizadas y el menor inventario de material en proceso.

No obstante, la densidad de corriente utilizada tiene un considerable efecto sobre la calidad física y química

del depósito que se obtiene. Al aumentar esta variable pasa la estructura de un tamaño de grano grueso a

uno de tamaño fino y, eventualmente, pueden producirse polvos de cobre. El Rango va entre 180-250 A/m2,

dependiendo esto de las otras variables de procesos, como temperatura, flujo y concentración de

electrolito, etc.

b.- Flujo de electrolito. Al circular las soluciones se logra disminuir los efectos difusionales y por lo tanto se

obtienen menores valores de sobretensión. La densidad de corriente límite, en el caso del cobre, fluctúa

entre 450 y 600 A/m2 y este valor depende fuertemente del tipo de agitación que haya en el medio. En esta

agitación influyen los siguientes factores:

- Migración de iones producto del campo eléctrico.

- Convección natural originada por cambios en la densidad y temperatura de la solución.

- Convección forzada originada por el desprendimiento de burbujas de oxígeno en el ánodo.

- Convección forzada originada por la impulsión del flujo de electrolito de alimentación a la celda.

De estos factores los de mayor importancia corresponden a los dos últimos y de los cuales, el que resulta

confortable es el flujo de alimentación de electrolito a la celda. Este es una variable que es del orden de 0.14

a 0.20 m3/h/cátodo en la celda.

c.- Temperatura de la solución.

En general una mayor temperatura de trabajo permite mejorar la conductividad del electrolito,

disminuyendo por lo tanto las pérdidas de corriente por efecto Joule y aumentando el rendimiento

energético. Sin embargo, esta variable está limitada por el costo involucrado en el calentamiento y porque

aumenta los vapores en la celda, generando con ello una mayor contaminación y corrosión. El rango normal

de operación fluctúa entre 45 y 50 °C.

Para lograr el calentamiento el electrolito se pone en contacto en intercambiadores de calor, normalmente

de placas, con agua caliente proveniente de calderas.

d.- Calidad del electrolito.

Como se ha indicado la concentración en cobre del electrolito es de gran importancia para la operación.

Concentraciones bajas, menores a 25 gpl, producen cátodos de mala calidad, por otra parte,

concentraciones demasiado elevadas, sobre 50 gpl, pueden producir precipitación de CuSO4 en los ductos y

originar pasivación en los electrodos.

La concentración de ácido es igualmente importante. Los iones del ácido son en gran medida responsables

de la conducción eléctrica en la solución, además se debe de establecer una relación con el cobre a fin de

evitar la precipitación de CuSO4. Sin embargo, concentraciones demasiado elevadas en ácido aumentan la

corrosión anódica con efectos perjudiciales para la operación.

Finalmente, el electrolito debe tener un bajo contenido de impurezas que puedan reaccionar sobre los

electrodos, en particular iones cloruro y férrico, y tener una dosificación adecuada de los aditivos anódicos y

catódicos.

5. Para la electrodepositación de cobre: a) Describa la operación indicando las reacciones anódica y catódica. La electrodepositación es recuperar el metal que se encuentra en forma iónica incorporándolo en forma

metálica al cátodo. Este proceso debe hacerse con el menor consumo de energía posible y cumpliendo con

las especificaciones de calidad de los cátodos, en composición química, propiedades mecánicas y apariencia.

Cu 2+ + 2 e = Cu (reacción catódica)

H2O + Cu 2+ = Cu + 1/2 O2 + 2 H + (reacción anódica)

Este es un proceso no espontaneo que requiere de energía externa para llevarse a cabo. De la

estequiometria de la reacción se advierte que por cada unidad de cobre que se produce se descomponen

0.28 de agua, se producen 1.5 de acido y se liberan 0.25 unidades de oxigeno a la atmosfera.

b) Explique el efecto que tienen en el proceso los iones cloruro, Cl – y férrico, Fe 3+. El ion férrico se reduce a ferroso originando perdidas en la eficiencia de corriente. La cual se controlaba

(Caso Chuquicamata) contactando el electrolito con SO2 gaseoso en torres de absorción la que sucedía:

2 Fe 3+ + So2 + 2 H2O = 2 Fe 2+ + 4 H + + SO42-

El ion cloruro se oxida a cloro gaseoso que ocasiona corrosión, en la que se controlaba haciéndolo

reaccionar con cemento de cobre, en una planta decloruradora, de la siguiente forma:

Cu + Cu 2+ + 2 Cl - = Cu2Cl2

Posteriormente, el cloruro cuproso se convertía en cemento de cobre que retornaba al sistema.

6. En la práctica operacional de electrodepositación: a) Señale lo que es la neblina ácida, por que se produce y cuáles son las técnicas utilizadas en su control. La neblina acida es una nube de burbujas de oxigeno que arrastran solución de electrolito rico en acido, se

produce por el desprendimiento de oxigeno hacia la atmosfera desde el proceso, esto combinado a la mayor

presión de vapor producto de la T° de trabajo, producen la neblina acida situada sobre las celdas.

Los problemas generados en primer término es la contaminación ambiental generando problemas para la

salud humana, pero también genera problemas de corrosión en los contactos que dificultan la operación.

Para mantener los niveles de neblina, se dispone sobre el electrolito unas pequeñas bolas de material

plástico que impiden la formación de grandes burbujas que arrastran consigo solución de electrolito. A sí

mismo en la nave electrolítica se fuerzan flujos de aire a través de ventiladores apostados en los costados de

la nave, evacuando rápidamente la neblina formada.