procesos redox utilizados en metalurgia y obtención de elementos

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PROCESOS REDOX UTILIZADOS EN METALURGIA Y
OBTENCIÓN DE ELEMENTOS
Existe una minoría de elementos que se encuentran libres en la naturaleza. Así Ar, Kr y Xe se obtienen
de la destilación del aire líquido, proceso necesario para obtener aire sintético (aire sin CO2 y otras
impurezas corrientes), oxígeno líquido y comprimido y nitrógeno líquido y comprimido. Estos tres
gases son muy utilizados tanto en la industria, como en medicina y en laboratorios. El He se obtiene
como impureza del gas natural que queda en estado gas al licuar éste.
Los elementos del grupo del platino (Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt) y también el Au, y en menor proporción
Ag, Cu…., se encuentran nativos y algunas veces se obtienen sin la intervención de ningún proceso
redox.
La mayoría de los elementos, tanto metálicos como no metálicos, se encuentran como combinaciones
en la naturaleza, y pueden obtenerse por diferentes métodos que implican procesos redox. Entre ellos
el más drástico es la electrolisis – en general de sales, pero otras veces de óxidos, etc.- pero sólo se
suele hacer una electrólisis cuando es imprescindible, bien porque no sea posible obtener el elemento
de otra forma más económica, o bien porque es imposible obtenerlo a partir de otro proceso químico
redox.
A continuación se dan las reacciones redox de algunos procesos de obtención de los elementos más
comunes. En la mayoría de los casos, además de estas reacciones hay otras adicionales, previas y/o
posteriores a las aquí dadas, que sirven para concentrar y/o purificar el elemento de sus menas
originales o para purificar el elemento bruto obtenido.
La finalidad de este listado es tratar de acercar al alumno a la fuente de TODO lo que somos y
tenemos: LA NATURALEZA. Toda nuestra civilización se sustenta en las sustancias que salen de la
Tierra: sustancias minerales y orgánicas. Tratar de recordar que TODO procede de la TIERRA, y
aunque en último término es gratuito, hay que aplicar cierto esfuerzo en buscarlo, concentrarlo,
obtenerlo y purificarlo. En ningún caso pretende ser un estudio o listado exhaustivo, ni completo, ni
libre de errores, ni totalmente actualizado. Tampoco pretende ser algo que se tenga que aprender de
memoria, sino un recordatorio, sólo eso. También pretende ser un apoyo a las enseñanzas básicas de la
Escuela de Minas, en las que, por falta de tiempo, se suele abundar en principios generales y escasear
en concretizaciones y aplicaciones.
1. H2: electrólisis de agua, a la que se ha aumentado la conductividad añadiéndole
sales, ácidos o bases inertes.
2H2O → 2H2 + O2
2. H2: desplazamiento del agua, con metales muy activos
2Na + 2H2O → H2 + 2NaOH(aq)
Zn + H2O → H2 + ZnO (hay que calentar a unos 3000 ºC)
Alberto Navarro Izquierdo. Catedrático de E.U. DIQYC. ETSI de Minas. UPM
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3Fe + 4H2O → 4H2 + Fe3O4 (hay que calentar)
3. H2: desplazamiento de los ácidos con metales menos nobles que el H+/H2
Fe + 2H+ → H2 + Fe2+
Cd + 2H+ → H2 + Cd2+
4. H2: desplazamiento de las bases por metales anfóteros menos nobles que el H+/H2
Zn + 2OH-(aq) → H2 + ZnO22-(aq)
2Al + 2OH-(aq) + 2H2O → 3H2 + 2AlO2-(aq)
5. H2: desplazamiento del agua por el carbón incandescente
C + 2H2O → H2 + CO (“gas de agua” hay que calentar a unos 1000 ºC)
6. Li: electrólisis del LiCl fundido (preparado a partir de la ambligonita (Li(AlF)PO4))
2LiCl → Cl2 + 2Li
7. Na: electrólisis de la halita (NaCl) fundida (802 ºC) o del NaOH fundido (323 ºC)
2NaCl → Cl2 + 2Na
4NaOH → O2 + 4Na + 2H2O
8. K: electrólisis de la silvina (KCl) fundida (771 ºC)
2KCl(l) → Cl2(g) + 2K(l)
9. Mg: electrólisis del cloruro fundido (se añade NaCl o KCl para rebajar la Tfus)
MgCl2(l) → Cl2(g) + Mg(l)
10. Mg: reducción del óxido
2MgO2(s) + Si(s) → 3Mg(g) + SiO2(g)
MgO2(s) + C(s) → Mg(g) + CO(g)
11. Ca: electrólisis del cloruro fundido (775 ºC)
CaCl2(l) → Cl2(g) + Ca(l)
12. Sr: electrólisis del cloruro fundido (874 ºC)
SrCl2(l) → Cl2(g) + Sr(l)
13. Ba: electrólisis del cloruro fundido (960 ºC)
BaCl2(l) → Cl2(g) + Ba(l)
14. La: reducción del cloruro con Na
LaCl3(s) + 3Na(s) → La(s) + 3NaCl(s)
15. La: electrólisis del cloruro disuelto en KCl(l) + CaF2(l)
2LaCl3(l) → 2La(s) + 3Cl2(g)
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16. U: reducción de los haluros – procedentes del tratamiento de la pechblenda (UO2),
carnotita
(KUO2VO4·3H2O),
autunita
(Ca(UO2)2(PO4)2·10-12H2O),
torbernita
(Cu(UO2)2(PO4)2 ·8-12H2O).............Minerales → UO3(s)
UO3(s) + H2(g) → UO2(s) + H2O(g)
UO2(s) + 4HF(g) → UF4(s) + 4H2O(g)
UF4(s) + 2Ca(s) → U(s) + 4CaF2(s)
17. Ti: reducción del rutilo (TiO2) -que en su caso se ha obtenido a partir de la ilmenita
(FeTiO3)- o del tetracloruro
2FeTiO3(s) + 4HCl + Cl2 → 2FeCl3(g) + 2TiO2(s) + 2H2O
3TiO2(s) + 4Al(s) → Al2O3(s) + 3Ti(s)
TiCl4(l) + 4Na(s) → 4NaCl(s) + Ti(s)
18. Zr: reducción del K2ZrF6 –procedente del circón (ZrSiO4) o de la badeleyita (ZrO2)con Na, K o Al
K2ZrF6(s) + 4Na(s) → 2KF(s) + 4NaF(s) + Zr(s)
19. Va: reducción del pentóxido procedente de la vanadinita (Pb3(VO4)2·PbCl2),
carnotita K2(UO2)2(VO4)2·3H2O, o de cenizas de carbón, con carbón o por
aluminotermia
2V2O5(s) + 5C(s) → 4V(s) + 5CO2(g)
3V2O5(s) + 10Al(s) → 5Al2O3(s) + 6V(l)
20. Cr: aluminotermia del trióxido procedente de la cromita (FeCr2O4)
CrO3(s) + 2Al(s) → Al2O3(s) + Cr(l)
21. Mo: aluminotermia del trióxido procedente de la molibdenita (MoS2) o de la
wulfenita (PbMoO4)
MoO3(s) + 2Al(s) → Al2O3(s) + Mo(l)
22. W: reducción del ácido wolfrámico -procedente de la wolframita ((Fe,Mn)WO4), o de
la scheelita (CaWO4)- en horno eléctrico
H2WO4(s) + 3H2(g) → W(s) + 4H2O(g)
23. Mn: aluminotermia de los óxidos: pirolusita (MnO2), braunita (Mn2O3), manganita
(Mn2O3·H2O), o hausmanita (Mn3O4)
Mn2O3(s) + 2Al(s) → Al2O3(s) + 2Mn(l)
24. Fe: reducción de los óxidos –oligisto o hematites roja (Fe2O3), limonita o hematites
parda (Fe2O3·nH2O), magnetita (Fe3O4)- que en su caso proceden de la calcinación
de la siderita (FeCO3), con carbón
Fe2O3(s) + CO(g) → CO2 + 2FeO(s)
FeO(s) + CO(g) → CO2 + Fe(s)
2C(s) + O2 → 2CO(g)
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25. Co: reducción del óxido –procedente de la tostación de la esmaltina (CoAs2) y de
la cobaltina (CoSAs)- por aluminotermia o con hidrógeno
Co2O3(s) + 2Al(s) → Al2O3(s) + 2Co(s)
Co2O3(s) + 3H2 (s) → 3H2O(s) + 2Co(s)
26. Ni: reducción del óxido –procedente de la tostación de la niquelina (NiAs),
milllerita (NiS) y de la pentlandita (NiS·2FeS)- con carbón
Co2O3(s) + 2Al(s) → Al2O3(s) + 2Co(s)
Co2O3(s) + 3H2(s) → 3H2O(s) + 2Co(s)
27. Cu: electrólisis o bien reducción con Fe, del CuSO4(aq) procedente de la lixiviación
de la cuprita (Cu2O), azurita (2CO3Cu·Cu(OH)2), o malaquita (CO3Cu·Cu(OH)2)),
2Cu2+(aq) + 2H2O → Cu(s) + O2 + 4H+(aq)
Cu2+(aq) + Fe(s) → Cu(s) + Fe2+(aq)
28. Cu: reducción de la cuprita (Cu2O), o de la calcosina (Cu2S), covelita (CuS), bornita
(Cu5FeS4), enargita (Cu3AsS) y tetraedrita (3Cu2S·Sb2S3)
Cu2O(s) + C(g) → 2Cu(s) + CO(g)
Cu2S(s) + O2 → SO2 + 2Cu
29. Ag: amalgamación de menas de cerargirita (AgCl) y de Ag, y posterior destilación
de la amalgama
2AgCl + 2Hg → Hg2Cl2 + 2Ag(Hg)
Ag(Hg) (l) → Hg(g) + Ag(s)
30. Ag: cianuración de menas seguido de reducción química o electrolítica del ión
argentocianuro
4Ag + 8CN-(aq) + O2 + 2H2O → 4[Ag(CN)2] -(aq) + 4OH-(aq)
AgCl + 2CN-(aq) → [Ag(CN)2]- (aq) + Cl-(aq)
Ag2S + 4CN-(aq) → 2[Ag(CN)2] -(aq) + S=(aq)
2[Ag(CN)2] -(aq) + Zn → 2Ag + [Zn(CN)4] =(aq)
4[Ag(CN)2] -(aq) + 4OH-(aq) → 4Ag + O2 + 8CN-(aq) + 2H2O
31. Au: cianuración de menas conteniendo oro disperso, y posterior reducción
química o electrolítica del ión aurocianuro
4Au + 8CN-(aq) + O2 + 2H2O → 4[Au(CN)2] -(aq) + 4OH-(aq)
2[Au(CN)2] -(aq) + Zn → 2Au + [Zn(CN)4] =(aq)
4[Au(CN)2] -(aq) + 4OH-(aq) → 4Au + O2 + 8CN-(aq) + 2H2O
32. Zn: reducción del óxido que procede de la tostación de la esfalerita o blenda de
cinc (ZnS) o de la calcinación de la smithsonita (ZnCO3)
2ZnS(s) + 2O2 → 2ZnO(s) + 2SO2(g)
ZnCO3(s) → ZnO(s) + CO2(g)
2ZnO(s) + C(s) → 2Zn(g) + CO2(g)
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33. Zn: electrólisis del ZnSO4(aq) procedente de la lixiviación de la cincita (ZnO)
ZnO(s) + H2SO4(aq) → ZnSO4(aq) + H2O(l)
2Zn2+ + 2H2O → Zn + O2 + 4H+
34. Cd: reducción del óxido procedente de la tostación de la greenockita (CdS)
2CdS(s) + 2O2 → 2CdO(s) + 2SO2(g)
2CdO(s) + C(s) → 2Cd(g) + CO2(g)
35. Hg: tostación del cinabrio (HgS)
HgS(s) + O2 → Hg(g) + 2SO2(g)
36. B: reducción del cloruro con hidrógeno
2BCl3(g) + 3H2 → 2B(s) + 6HCl(g)
37. B: reducción del óxido con magnesio
B2O3(s) + 3Mg(s) → 2B(s) + 3MgO(s)
38. Al: electrolisis de la alúmina (Al2O3) -obtenida a partir de la bauxita (Al2O3·2H2O)disuelta en criolita fundida (Na3AlF6(l)) a T = (900-1000) ºC
2Al2O3(l) → 3O2 + 4Al(l)
39. Si: reducción de la sílice
SiO2 + 2C → Si + 2CO
SiO2 + 2Mg → Si + 2MgO
40. Ge: reducción del dióxido procedente de la argirodita (GeS2·4Ag2S), o como
subproducto de la obtención del Zn
3GeO2(s) + 4Al(s) → 3Ge(s) + 2Al2O3(s)
GeO2(s) + 2H2 → Ge(s) + 2H2O ; T = 760 ºC
41. Sn: reducción de la casiterita
SnO2(s) + 2C → Sn(l) + 2CO
42. Pb: tostación de la galena (PbS), en su caso mezclada con anglesita (PbSO4)
2PbS(s) + 3O2 → 2PbO(s) +2SO2(g)
PbS(s) + 2O2 → PbSO4(s)
Posteriormente: 2PbO(s) + PbS(s) → 3Pb(l) +SO2(g)
PbSO4(s) + PbS(s) → 2Pb(l) + 2SO2(g)
43. Pb: reducción del óxido procedente de la calcinación de la cerusita (PbCO3)
PbCO3(s) → PbO (s) + CO2
2PbO(s) + C → Pb(l) + CO2
44. P: reducción de la fosforita en horno eléctrico:
Ca3(PO4)2 + 3SiO2 + 5 C → 2P + 3CaSiO3 + 5CO
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45. As: reducción del trióxido producido por tostación de arseniuros: S3As2 (rejalgar y
oropimente), SAsFe (mispiquel), SAsCo (cobaltina)....
S3As2(s) + 4,5O2 → 3SO2(g) + As2O3(s)
As2O3(s) + 3 C(g) → 2As(g) + 3 CO(g)
46. Sb: reducción del óxido producido por tostación de la estibina
S3Sb2(s) + 5O2 → 3SO2(g) + Sb2O4(s)
Sb2O4(s) + 4C(g) → 2Sb(g) + 4CO(g)
47. Sb: reducción de la estibina
S3Sb2 + 3Fe → 3SFe + 2Sb
48. F2: electrólisis del HF anhidro (40%) y KHF2 (60%) fundidos a 72 ºC
2HF → F2 + H2
49. Cl2: electrólisis del NaCl fundido (802 ºC)
2NaCl(l) → Cl2 + 2Na(l)
50. Cl2: oxidación de los cloruros o del HCl
MnO2(s) +4HCl(aq) → MnCl2(aq) + Cl2 + 2H2O
O2 +4HCl(g) → Cl2 + 2H2O (400 ºC, catalizado)
NaCl(aq) + MnO2(s) + 3H2SO4(aq) → Cl2 + 2NaHSO4(aq) + MnSO4(aq) + 2H2O
51. Br2: electrólisis de los bromuros fundidos
2NaBr(l) → Br2(g) + 2Na(l) ; T = 1020 K
52. Br2: oxidación de los bromuros y del HBr
MnO2(s) +4HBr(aq) → MnBr2(aq) + Br2 + 2H2O
Cl2 +2Br-(aq) → Br2 + 2Cl-(aq)
2KBr(aq) + MnO2(s) + 3H2SO4(aq) → Br2 + 2KHSO4(aq) + MnSO4(aq) + 2H2O
53. I2: oxidación de los yoduros y del HI
Cl2 + 2I-(aq) → I2 + 2Cl-(aq)
MnO2(s) + 4HI(aq) → MnI2(aq) + I2 + 2H2O
54. I2: reducción del iodato sódico (contenido como impureza en el NaNO3 de Chile)
2NaIO3(aq) + 5NaHSO3(aq) → I2 + 3NaHSO4(aq) + 2Na2SO4(aq) + H2O
Actualmente una gran cantidad de elementos que se utilizan en pequeñas cantidades, pero que son de
alto interés tecnológico, y que se suelen obtener como subproductos de otros procesos industriales.
Estos elementos se encuentran como impurezas en forma de disolución sólida en los minerales, o
como
microinclusiones de minerales diferenciados en los minerales portadores. Estas
microinclusiones son difíciles de separar de los minerales matriz o portadores.
Por ejemplo los metales Ga, In y Tl se obtienen como subproducto de la metalurgia del cinc a partir de
la esfalerita (ZnS). Estos elementos tienen interés en microelectrónica para fabricar semiconductores
(como (In,Ga)N, InN, GaN, (Ga,In)P, GaP, InP, GaAs, InAs, (Ga,In)As….) de propiedades
optoelectrónicas de las que carecen el semiconductor más ampliamente empleado, el Si.
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