Procesos Clave en Química Industrial: Metalurgia del Cobre, Hierro y Fabricación de Vidrio

Industria Química

La industria química se dedica a la transformación de materias primas en productos de valor añadido, desde básicos hasta semi-elaborados y finales, buscando obtener productos de buena calidad.

Materias Primas

Las materias primas utilizadas pueden ser de origen:

• Animal
• Vegetal
• Mineral

Metalurgia: Extracción y Refinación de Metales

La metalurgia comprende los procesos químicos y físicos para extraer elementos metálicos de sus minerales, que comúnmente se encuentran como compuestos sulfurados u oxidados.

Conceptos Fundamentales en Metalurgia

• Mena: Compuesto mineral del cual se extrae económicamente el metal u otro elemento de interés.
• Ley: Porcentaje del metal de interés presente en la mena que se desea explotar.
• Ganga (o Montera): Material rocoso sin valor económico que acompaña a la mena.

Tipos de Procesos Metalúrgicos

Pirometalurgia (Refinación a alta temperatura)

Implica el calentamiento del mineral para obtener el metal. Incluye procesos como:

• Tostación: Calentamiento del mineral (típicamente sulfurado) en presencia de aire u oxígeno (O₂) para transformarlo en óxido.
• Calcinación: Calentamiento del mineral (como carbonatos o hidróxidos) en ausencia o escasez de aire para liberar compuestos volátiles (ej., CO₂, H₂O).

Hidrometalurgia (Procesos en solución acuosa)

Utiliza soluciones acuosas para extraer el metal.

• Lixiviación: Disolución selectiva del metal de interés usando un agente químico (ej., ácido sulfúrico).
• Biolixiviación: Proceso de lixiviación asistido por microorganismos (ej., bacterias del género Thiobacillus) que descomponen la matriz mineral.

Electrometalurgia (Procesos electroquímicos)

Uso de la electrólisis para extraer (electroobtención) o refinar (electrorrefinación) metales. Se utiliza para obtener cátodos de alta pureza.

Metalurgia del Cobre (Cu)

El cobre (Cu) es un metal valorado por su alta conductividad eléctrica y resistencia a la corrosión (aunque desarrolla una pátina superficial). No se oxida fácilmente en profundidad.

Minerales Comunes de Cobre

• Cobre Sulfurado: Ejemplo principal es la Calcopirita (CuFeS₂).
• Cobre Oxidado: Ejemplo principal es la Cuprita (Cu₂O).

Codelco

Codelco (Corporación Nacional del Cobre de Chile) es una de las mayores empresas productoras de cobre del mundo. Sus principales divisiones incluyen Salvador, Andina, El Teniente y Codelco Norte (que agrupa Chuquicamata, Radomiro Tomic, Ministro Hales).

Diagrama Simplificado de Procesamiento del Cobre

Ruta para Minerales Oxidados (Proceso Hidrometalúrgico)

1. Chancado: Reducción del tamaño del mineral.
2. Lixiviación / Biolixiviación: Disolución del cobre en solución ácida.
3. Extracción por Solventes (SX) o Cementación: Purificación y concentración de la solución de cobre (SX) o precipitación directa del cobre (Cementación).
4. Electroobtención (EW) (Tras SX): Deposición electrolítica de cobre de alta pureza.
5. Producto Final: Cátodos de Cobre (Pureza ~99.9%).

Ruta para Minerales Sulfurados (Proceso Pirometalúrgico y Electrometalúrgico)

1. Chancado: Reducción inicial del tamaño.
2. Molienda: Reducción fina del tamaño para liberar las partículas de mineral.
3. Flotación: Separación del mineral de cobre (concentrado) de la ganga (relaves).
4. Fundición: Fusión del concentrado para obtener metal impuro.
5. Conversión: Oxidación de impurezas (Fe, S) para producir Cobre Blíster (Pureza ~99.9%).
6. Refinación a Fuego (Opcional) y Moldeo de Ánodos: Eliminación adicional de impurezas y moldeo en ánodos (Pureza ~99.7%).
7. Electrorrefinación: Disolución de los ánodos y deposición selectiva de cobre puro en cátodos.
8. Productos Finales:
   • Cátodos de Cobre (Pureza ~99.9%).
   • Barro Anódico: Contiene metales nobles como Oro (Au), Plata (Ag), Molibdeno (Mo).
9. Post-Proceso: Los cátodos pueden ser fundidos y moldeados en barras u otras formas comerciales (Pureza ~99.9%).

Metalurgia del Hierro (Fe) y Producción de Acero

El hierro (Fe) es la base para la producción de acero.

Proceso Siderúrgico Básico

1. Tronadura: Fragmentación de la roca en la mina.
2. Extracción y Traslado: Recolección y transporte del mineral.
3. Trituración y Molienda: Reducción del tamaño del mineral.
4. Separación Magnética: Concentración del mineral de hierro (si es magnético, como la magnetita).
5. Alto Horno: Reducción del mineral de hierro a hierro metálico (arrabio). Se carga con:
   • Mineral de Hierro
   • Coque: Actúa como combustible (aumenta la temperatura) y agente reductor.
   • Caliza (CaCO₃): Actúa como fundente, reacciona con las impurezas (sílice, alúmina) para formar la escoria líquida, facilitando su separación del metal fundido.

Acero Inoxidable

Es una aleación de hierro (Fe) con un mínimo de ~10.5% de cromo (Cr), y a menudo níquel (Ni) y molibdeno (Mo), que le confieren alta resistencia a la corrosión.

Fabricación de Vidrio

El vidrio común es un material cerámico amorfo, transparente o translúcido.

• Es 100% reciclable.
• Se utiliza ampliamente para contener líquidos y otros productos.
• Es químicamente resistente, pero es atacado por el ácido fluorhídrico (HF).
• Sus componentes principales son: Arena de sílice (SiO₂) y Caliza (Carbonato de calcio, CaCO₃), que actúa como fundente disminuyendo el punto de fusión de la sílice. A menudo se añade también carbonato de sodio (Na₂CO₃).

Proceso de Fabricación del Vidrio

1. Se mezclan las materias primas: arena de sílice, caliza y carbonato de sodio.
2. Se funden en un horno a altas temperaturas (superiores a 1500 °C).
3. La mezcla se vuelve viscosa (pegajosa) pero consistente.
4. Se le da forma mediante técnicas de moldeado o soplado.
5. Se enfría lentamente (recocido) para eliminar tensiones internas y evitar fracturas.

Otros Elementos de Interés Industrial

Yodo (I)

• Elemento químico electronegativo.
• A menudo obtenido como subproducto de la industria del salitre (caliche) en Chile.
• Extracción: Se extrae de los caliches mediante lixiviación (disolución de yodatos).
• Producción: El yoduro/yodato en solución se reduce y/o se oxida (comúnmente usando cloro, Cl₂, u otros agentes) para obtener yodo elemental (I₂), que precipita.
• Aplicaciones:
  • Antisépticos (tintura de yodo, povidona yodada)
  • Producción de pinturas y tintes
  • Medios de contraste para rayos X
  • Catalizadores
  • Adhesivos
  • Suplementos nutricionales