1. 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
63
Isotopos estables: Cu29 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.
Extracción mineral oxidado Extracción mineral sulfurado
Cuprita (CuO) Calcopirita (CuFeS2)
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.
Lixiviación Flotación
Proceso hidrometalúrgico en el que Proceso físico químico que sirve para
se provoca la disolución del mineral, separar los minerales sulfurados del cobre.
utilizando una solución de H2SO4. Consiste en mezclar la pulpa del mineral
Obteniéndose CuSO4, con una con agua y otros agentes químicos. En
concentración de 9g/L 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
Extracción por solvente fundición es necesario dejarlo con
La disolución de CuSO4 es sometida a la menos de un 5% de humedad. Esto se
acción de solventes orgánicos que consigue secándolo y filtrándolo a fuego
capturan los iones Cu2+ en forma directo
selectiva eliminando las impurezas
como: Fe, Al y Mn. El cobre se recupera Fundición.
usando una disolución altamente acida, El concentrado de cobre es sometido a
con lo que alcanza una concentración altas temperaturas en hornos de
de 45g/L. reverbero con la finalidad de refinarlo,
obteniendo un cobre blíster con un 96%
de pureza.
Electroobtención.
Electrorrefinación