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Hierro y Cobre: ​​Propiedades, Usos y Compuestos

Publicado el 1 noviembre, 2020

La saga de hierro

El hierro (número atómico 26) es el número uno por ser probablemente el metal más influyente de la historia. Ha sido procesado por humanos desde el siglo XIII a. C. Incluso el rey Tutankamón tenía una daga hecha de hierro meteórico. La Edad del Hierro es el último del sistema de tres edades (Edad de Piedra, Bronce y Hierro) utilizado para fechar las eras históricas de la historia humana. Hoy en día, estamos más en la Edad del Acero / Aluminio / Cobre, pero el hierro es el componente principal del acero, por lo que todavía estamos en una cuasi Edad del Hierro, por así decirlo.

El hierro existe en la naturaleza en múltiples formas minerales: pirita de hierro (FeS 2 ), siderita (FeCO 3 ), hematita (Fe 2 O 3 ) y magnetita (Fe 3 O 4 ), siendo la magnetita y la hematita las más extraídas.

El hierro fue EL metal que hizo realidad la Revolución Industrial en Europa y América en las décadas de 1800 y 1900 y la razón de las enormes fundiciones de hierro y acero que se utilizan incluso hoy en día en el siglo XXI. Una fundición es típicamente una planta de fundición que utiliza altos hornos que ayudaron a que el uso del hierro fuera tan frecuente y económico de purificar. Un alto horno refina el hierro tomando mineral de hierro, coque, piedra caliza (CaCO 3 ) y aire calentado a altas temperaturas (hasta 2000 ° C) para producir hierro fundido, llamado arrabio que está libre de muchas impurezas (ver Figura 1). .


Figura 1: Esquema de un alto horno para procesar hierro: 1. Chorro de calor de estufas Cowper;
2. Zona de fusión; 3. Zona de reducción de óxido ferroso; 4. Zona de reducción de óxido férrico; 5. Zona de precalentamiento; 6. Alimentación de minerales, piedra caliza y coque; 7. Gases de escape; 8. Columna de mineral, coque y piedra caliza; 9. Eliminación de escoria; 10. Extracción de arrabio fundido; 11. Recogida de gases residuales
Alto horno de refinación de hierro

Las temperaturas aumentan de arriba hacia abajo pasando de ~ 200 ° C a ~ 2000 ° C cuando los materiales llegan al fondo. A medida que el hierro, el coque y la piedra caliza se mueven por el horno hacia regiones de temperatura cada vez más alta, tienen lugar diferentes reacciones químicas para reducir el hierro de su (s) forma (s) mineral (es) a hierro metálico. La mayoría de las impurezas reaccionan con el óxido de calcio de la piedra caliza en descomposición y se extraen como escoria (principalmente aluminosilicatos metálicos). Nos quedamos con arrabio que se puede usar tal cual para producir productos de hierro fundido o pasar directamente a la fabricación del metal de nuestra época, el acero.

El hombre / mujer de acero

No llamaron a Clark Kent el ‘Hombre de acero’ por nada. El acero es una aleación (mezcla) de hierro y de 0,3 a 1,4 por ciento de carbono junto con otros aditivos para ajustar las propiedades físicas. La adición de carbono hace que el acero sea significativamente más fuerte y menos propenso a la corrosión (aunque se necesitan otros metales agregados para fabricar acero inoxidable que puede ser muy resistente a la corrosión).

El acero es la columna vertebral de muchas industrias en el mundo, incluida la fabricación de automóviles, la arquitectura, la construcción de puentes, la construcción de barcos, la preparación de alimentos y la lista continúa. Con mucho, la forma de acero más producida es el acero inoxidable, que se agrupa en subclases según la estructura de cristal metálico del acero: acero austenítico, ferrítico, martensítico y dúplex fabricado a partir de dos de las otras clases. Cada clase tiene sus ventajas para usos específicos.

El proceso para fabricar acero toma arrabio fundido y lo oxida con oxígeno presurizado para eliminar aún más impurezas mientras se introduce el componente de carbono (el proceso básico de oxígeno). El proceso de reacción de hierro con carbono produce cementita o carburo de hierro, Fe 3 C, el componente clave que le da al acero las propiedades de resistencia deseadas.

La oxidación de manganeso, fósforo, silicio y exceso de carbono los deja como parte de la escoria eliminada. Cuando se logra la mezcla deseada de hierro y carbono, se extrae el acero. Sin embargo, el acero no es el único metal industrial importante. Uno de los otros metales importantes es el cobre.

Penique de cobre por tus pensamientos

El cobre (número atómico 29) es un vecino cercano del hierro en la tabla periódica y tiene minerales (a menudo solo 0,5% de Cu) que contienen muchas impurezas. La refinación de cobre es un proceso de cuatro a cinco pasos:

  1. La flotación (ver otra lección sobre metalurgia) da como resultado un mineral de cobre concentrado todavía con muchas impurezas.
  2. El tostado (parcial) a temperaturas moderadamente altas convierte gran parte de las impurezas de hierro en óxido de hierro para facilitar su eliminación posterior como escoria.
  3. Separación en estado fundido. Calentar a ~ 1100 ° C derrite el mineral que forma dos capas. La capa inferior, mate de cobre, es principalmente sulfuros de cobre con algunos sulfuros de hierro restantes. La capa superior es principalmente escoria de silicato hecha con SiO 2 que reacciona con Fe, Ca y Al.
  4. La conversión es la siguiente etapa que sopla aire a través de la mata de cobre fundido que convierte el sulfuro de cobre en cobre elemental fundido mediante las reacciones:
Reacciones de refinamiento del cobre

Este cobre llamado cobre blister (97-99% Cu) es bueno para muchas industrias como la plomería, pero para aquellas industrias como la electrónica que necesitan mayor pureza (> 99% Cu), el refinado electrolítico junto con el refinado de zona puede producir purezas muy altas.

Incluso mayor pureza

Muchos metales, aunque refinados, no son tan puros como deberían ser para aplicaciones comerciales. La purificación de metales (la eliminación adicional de trazas de impurezas en los metales) generalmente utiliza una de tres técnicas básicas: destilación, electrólisis o refinación por zonas. La destilación , como su nombre lo indica, es un proceso de calentamiento de un metal en un estado gaseoso y condensar el metal en forma de líquido. Los metales de bajo punto de ebullición como el mercurio, el magnesio y el zinc se pueden separar de sus impurezas mediante destilación fraccionada.

La electrólisis es una técnica de purificación muy importante para purificar metales selectos, aunque es más costosa. Otro metal de importancia comercial, el cobre, también se purifica por electrólisis.

El proceso elimina las impurezas más electropositivas en el cobre utilizando el cobre impuro como ánodo y cobre puro (99,99 +% Cu) como cátodo con ácido sulfúrico como líquido conductor. Las impurezas de hierro y zinc se oxidan en el ánodo y entran y permanecen en el electrolito como iones. Las impurezas menos electropositivas como el oro y la plata no se oxidan y permanecen como parte del ánodo. Luego, el cobre se reduce y se galvaniza en el cátodo. Se pueden lograr purezas muy altas (99,99%) repitiendo este proceso varias veces.

El refinado de zona es un proceso que se aplica a los metales con solo unas pocas impurezas. Una varilla del metal impuro se pasa a través de una bobina de calentamiento, donde las impurezas se disuelven en el metal fundido. A medida que el metal se enfría, las impurezas permanecen disueltas en la parte fundida, por lo que migran hacia abajo de la varilla en la parte de la fase fundida y se acumulan cerca del extremo de la varilla a medida que se enfría. Esto deja las impurezas en el extremo de la varilla, que se pueden cortar. La repetición de este procedimiento varias veces puede producir metales con una pureza de hasta el 99,9999%.

Resumen de la lección

El hierro es el metal más importante de la historia y se procesa en una planta de fundición que purifica el hierro mediante altos hornos a altas temperaturas y una mezcla de aditivos que producen arrabio fundido. Gran parte del arrabio se convierte en acero , que es una aleación (mezcla) de hierro y de 0,3 a 1,4 por ciento de carbono. La adición del carbón cambia las propiedades físicas del hierro, haciéndolo más fuerte y, junto con otros aditivos, menos propenso a la corrosión. Tales propiedades lo hacen útil en la construcción y como material de fabricación. El cobre ocupa un lugar destacado en la lista de metales industriales muy importantes para la fabricación de productos electrónicos. Puede refinarse hasta un 99,9999% Cu.

La purificación adicional de metales generalmente utiliza una de tres técnicas: destilación (o un proceso de calentamiento de un metal en un estado gaseoso y condensar el metal como un líquido), electrólisis (que es un proceso utilizado para purificar metales seleccionados) o refinación de zona. (que es un proceso que se aplica a los metales con solo unas pocas impurezas).

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