a) Ubicar metales y no metales en una tabla periódica. ¿Cuál de los dos grupos es el más abundante y en qué relación?;
b) indicar las propiedades comunes características de los metales y que los diferencien de los no metales;
c) buscar en un diccionario el significado de dúctil y maleable: ¿qué significa cuando estos calificativos se atribuyen a los metales?
a)
En la tabla de arriba, podemos observar distinguidos por colores los distintos tipos de metales y no metales.
Podemos observar facilmente que la cantidad de elementos metálicos es muy superior a la de no metálicos, en una relacion de 3 a 1 o más.
De los 118 elementos que se conocen, sólo 25 son no metales
b)
Los metales tienen ciertas propiedades físicas características: a excepción del mercurio son sólidos en condiciones ambientales normales, suelen ser opacos y brillantes, tener alta densidad, ser dúctiles y maleables, tener un punto de fusión alto, ser duros, y ser buenos conductores del calor y la electricidad.
Los no metales son elementos químicos que no son buenos conductores de la corriente eléctrica y el calor, son muy débiles por lo que no se pueden estirar ni convertir en una lámina.
c)
Ductil:
1. Dicho de un metal: Que admite grandes deformaciones mecánicas en frío sin llegar a romperse.
2. Dicho de un metal: Que mecánicamente se puede extender en alambres o hilos.
Maleable:
Dicho de un metal: Que puede batirse y extenderse en planchas o láminas.
2.
a)
Deducir la Regla de las Fases; ¿cuál es su utilidad?;
Permite saber cual es el minimo numero de propiedades que deben conocerse de un sistema para describirlo completamente.
Dado un sistema en equilibrio (P, T, ctes en el sist) con:
F fases
C componentes
I incognitas
E ecuaciones
Gl grados de libertad
Gl=I-E
Cada componente tiene una fracción Xi en cada fase del sistema, luego
I=CxF+2
Por cada fase tengo una ecuación:
Xa(F1) + Xb(F1) + Xc(F1) + ... + Xn(F1)=1
además, dado equilibrio material, las fracciones de cada componente en cada fase son constantes, por lo tanto:
Xa(F1)=K2 Xa(F2)=K3 Xa(F3)= ... =Kn Xa(Fn)
y conozco los valores de las Ki, de tabla o experimentalmente, por lo que
E=F+C(F-1)
finalmente:
Gl=C-F+2
b)
aplicar la Regla de las Fases a un
sistema formado por una sustancia pura en equilibrio de fases sólido, líquido y vapor;
F=3 (solido, liquido, vapor)
C= 1 (sustancia pura)
Gl=0
No hay grados de libertad, me encuentro en lo que se conoce como el "punto triple" de la sustancia. Por algo se lo llama PUNTO triple.
c)
Aplicar la
regla de las fases a un sistema binario en equilibrio líquido-vapor (ambas sustancias son totalmente
solubles en la fase líquida);
F=2 (una fase liquida, dos fases vapor)
C=2 (sistema binario)
¿los vapores se consideran fases separadas?
Gl=2
d)
¿puede existir un sistema formado por dos metales que forman dos
fases sólidas “puras” en equilibrio con una solución líquida de ambos metales? Justificar
Por ejemplo la aleación Plomo-Estanio presenta este tipo de fenomeno.
Explicación:
https://www.youtube.com/watch?v=tzFwfMA8EqU
3.
a)
Dibujar un diagrama de fases S-L para un sistema formado por dos metales que forman
soluciones en ambos estados de agregación y en todo el ámbito de concentraciones, por ejemplo
oro (punto de fusión, pf: 1063 ºC) y plata (pf: 960,5ºC);
b)
con la ayuda del diagrama deducir la
“regla de la palanca”
La regla de la palanca es el método empleado para conocer el porcentaje en peso de las fases "sólida y líquida" también "sólida y sólida" , presentes en una aleación de una cierta concentración cuando se encuentra a una determinada temperatura.
Cálculos
Diagrama de fases binario
Antes de comenzar, haremos una isoterma para poder calcular el porcentaje en peso de cada elemento, representada en la imagen por el segmento LS. Esta línea se traza horizontalmente desde la temperatura de composición de una fase hasta la otra (en este caso desde el líquido al sólido). El porcentaje en peso del elemento B en el líquido viene dado por wl y en el sólido por ws. El porcentaje de sólido y líquido puede ser calculado usando las siguientes ecuaciones, que constituyen la regla de la palanca:
% peso de la fase sólida
% peso de la fase líquida
donde wo es el porcentaje en peso del elemento B en el sistema.
4.
FIGURA 1
FIGURA 1
El diagrama de fases de la Figura 1 corresponde al sistema plomo-arsénico a 1 atmósfera:
a) con
los datos de la escala horizontal inferior (átomos por ciento de plomo = fracción molar de plomo x
100) obtener la escala horizontal superior expresada en “peso” de plomo por ciento (% m/m);
discutir la ventaja de cada una de estas escalas;
No entiendo ni veo las ventajas o desventajas de usar uno u otro a simple vista. La escala superior parece ser logaritmica. La inferior lineal.
b)
con la información disponible en el diagrama
decir qué indican los puntos A, C y B y la línea que une los puntos D-B-E;
El punto A es la temperatura de fusión del arsénico
El punto B es la temperatura y composición eutéctica
El punto C es la temperatura de fusión del plomo.
La linea DBE marca la temperatura de solidificación total de la aleación, o la temperatura a partir de la cual encuentro una fase líquida en el sistema.
c) completar el diagrama
llenando las “etiquetas” recuadradas, como se muestra en el ejemplo del mismo diagrama;
De izquierda a derecha:
1)
Arsénico líquido en equilibrio con aleación sólida de arsénico y plomo.
2)
Arsénico y plomo en una sola fase sólida.
3)
Plomo líquido en equilibrio con aleación solida de arsénico y plomo.
d) aplicar
la Regla de las Fases a cada región “etiquetada”;
1)
F=2
C=2
GL=2
2)
F=1
C=2
GL=3
3)
F=2
C=2
Gl=2
e) dibujar la curva de enfriamiento para los
sistemas indicados en los puntos i a vii hasta temperatura final de 100 °C; discutir claramente cada
cambio de pendiente que aparezca en el diagrama temperatura “vs” tiempo haciendo referencia a
las regiones de la Figura 1;
f) en el punto P del diagrama de fases la composición es 25 átomos de
plomo por ciento y la temperatura 400 °C: indicar cuál es la composición cuali y cuantitativa de cada
fase (calcular cantidad de moles y gramos de cada metal); verificar el cumplimiento de la regla de la
palanca en el punto P.
Obtendremos dos fases:
Arsénico puro líquido
Arsénico y plomo sólidos en una fase con 70% de atomos de plomo o aprox 85% M/M
5. FIGURA 2
El diagrama de fases de la Figura 2 corresponde al sistema plomo-estaño a 1 atmósfera
(soldaduras empleadas en plomería y electrónica); estos metales forman dos fases sólidas binarias
α y β:
a) con la información disponible completar las “etiquetas” que caracterizan a cada región y
señalar los puntos significativos del diagrama;
De izquierda a derecha:
Zona de fase ALPHA:
Se trata de una zona donde encontramos un solo sólido cuya composición podemos conocer trazando una vertical entre el punto del gráfico y el eje horizontal del sistema.
Zona líquido + sólido ALPHA:
Se trata de una zona donde conviven el sólido ALPHA con una fase liquida que contiene ambos compuestos disueltos.
La composición de cada fase se averigua trazando una horizontal hasta los extremos del recinto, y dos rectas verticales que parten de los puntos de interseccion entre la linea horizontal trazada y los extremos del recinto.
Zona de liquido
En esta zona se encuentran los dos compuestos disueltos entre si.
Su composición se conoce trazando una linea vertical directo desde el punto.
Zona de sólidos ALPHA y BETA
En esta zona conviven dos fases solidas distintas. La composición de cada una se conoce con una recta horizontal hasta los extremos del recinto, y dos verticales en la intersección.
Para conocer las proporciones de cada solido se usa la regla de la palanca.
b) aplicar la Regla de las Fases a las cuatro regiones
“etiquetadas”;
a)
F=1
C=2
GL=3
b)
F=2
C=2
GL=2
c)
F=1
C=2
GL=3
d)
F=2
C=2
GL=2
c) explicar qué ocurre si un sistema que contiene 30% de estaño se enfría desde 300
°C hasta 100 °C.
Primero tenemos un descenso lineal de la temperatura, hasta que comienza a formarse solido ALPHA, primero con alta composición de plomo, y gradualmente incorporando un porcentaje de estaño.
Alcanzados los 183,33 grados, deberiamos observar la formación de solido BETA además del solido ALPHA ya existente, hasta la eventual solidificación total de la porción de materia, en proporciones dadas de solido ALPHA y solido BETA.
6.
¿A qué se denomina recurso mineral? ¿A qué se llama reserva de un determinado recurso mineral?
Un recurso mineral o mena es una concentración natural de algún elemento o compuesto de la corteza terrestre, que puede ser extraído o procesado con los medios tecnológicos disponibles
Las reservas minerales son recursos de los cuales se sabe que son económicamente factibles de ser extraídos. Las reservas o son Reservas Probables o Reservas Comprobadas. Generalmente la conversión de los recursos en reservas requiere de la aplicación de varios factores modificantes, incluyendo:
- factores mineros y geológicos, tales como el suficiente conocimiento de la geología del depósito como para sea predecible y verificable; planes de extracción y minería basados en modelos de menas; cuantificación del riesgo geotécnico -básicamente, manejar las fallas geológicas, diaclasas, y fracturas del suelo para que la mina no colapse; y la consideración de riesgos técnicos- esencialmente, aspectos estadísticos y variografía para asegurar que la mena ha sido muestreada en forma apropiada.
- Factores metalúrgicos, incluyendo el escrutinio de los datos de ensayo químico para asegurar la exactitud de la información proporcionada por el laboratorio—requerido ya que las reservas de mena son financiables. Esencialmente, una vez que un depósito es elevado al estado de reserva, es una entidad económica y un activo sobre el cual pueden ejercerse préstamos y emisión de acciones—generalmente para pagar por su extracción con beneficios económicos;
- factores económicos;
- factores ambientales;
- factores de mercadeo;
- factores legales;
- factores gubernamentales; y
- factores sociales
7 .
Describir en forma sintética las principales etapas de la minería, clasificar los distintos tipos de
explotaciones mineras, mostrar sus diferencias y discutir los efectos ambientales y sociales que
producen.
MINERIA: ETAPAS DEL PROCESO MINERO
Etapas en el proceso Minero
Etapa 1: Prospección
Todo yacimiento mineral es una anomalía, aunque existen yacimientos parecidos entre sí (y son clasificados en grupos), cada uno tiene características especiales y distintivas. Entonces, ¿Como encontrar algo que no se conoce?
La prospección comienza con la definición de los tipos de blancos a buscar. Con esa información, se buscan las similitudes y características especiales que ese tipo de yacimiento presenta. Esta información permite desechar muchas áreas y concentrar esfuerzos en aquellas que presentan características favorables para ese tipo de yacimiento.
Los principales métodos de prospección son geológicos, geoquímicos o geofísicos.
Geológicos Implican el levantamiento o mapeo de la superficie, la identificación de las rocas aflorantes, así como los fenómenos de alteración en las rocas.
Geoquímica Consiste en el análisis químico de las rocas para buscar evidencias de los elementos buscados o de otros que sean indicadores (vectores) de la mineralización.
Geofísica Busca caracterizar las condiciones físicas de las rocas, pues estas pueden ser afectadas o cambiar por efectos de la alteración hidrotermal o la mineralización.
Normalmente la mayoría de las áreas investigadas es desechada después de esta primera etapa. Aquellas que han mostrado características o condiciones de interés pasan a la etapa de exploración
Etapa 2: Exploración
Esta etapa se realiza luego de la prospección, y supone un costo económico bastante mayor. La metodología a utilizar resulta bastante más compleja. Esta es también una etapa sistemática, y se vale de la información recolectada por la prospección. La exploración se encargará de refutar o afirmar las hipótesis planteadas en la etapa de prospección.
Los métodos a utilizar son similares a aquellos utilizados durante la prospección, sin embargo se realizan con mayor detalle. El levantamiento geológico en esta etapa es más preciso, se toman y analizan mas muestras geoquímicas, se realizan mas estudios geofísicos. En una etapa más avanzada, se realizan perforaciones (sondajes) que permiten hacer observaciones del subsuelo sin realizar costosos túneles o pozos. En un proyecto de exploración avanzado aproximadamente la mitad del presupuesto (sino más) es gastado en perforaciones y análisis químicos.
Al mismo tiempo que se determina la existencia de suficiente cantidad de mineral en las rocas, se debe estudiar la factibilidad de extraerlo con ganancia. Estos estudios metalúrgicos determinan los métodos y costos asociados con la transformación de la mena en el producto final.
En etapas más avanzadas se realizan los estudios económicos y financieros del proyecto. Esta etapa es especialmente importante pues el desarrollo de un proyecto minero es de alto costo (400 a 1,500 millones de US$ para proyectos medianos a grandes) y por lo tanto son fuertemente dependientes de la capitalización del proyecto.
El resultado de esta etapa es un proyecto que es económicamente viable, considerando el tamaño del depósito, sus costos de extracción, los costos asociados a la operación (construcción de accesos, infraestructura, compra de equipos), el costo del Plan de Cierre y sus pasivos ambientales y los costos finacieros asociados al desarrollo y operación del proyecto.
Etapa 3: Desarrollo del proyecto
Desarrollo de la Ingeniería de detalle del proyecto, de la planta de tratamiento, desarrollo de la explotación de la mina.
Etapa 4: Operación de la mina
Dependiendo de la forma y de la localización de la mina, esta etapa se desarrolla en forma subterránea o a tajo abierto (otros países, rajo abierto, cielo abierto). En ambos casos las actividades involucradas son, más detalles en Mina_(minería):
A) Extracción del mineral por medios mecánicos (como explosivos o palas cargadoras en el caso de material suelto)
B) Separación de las rocas consideradas mineral (Mena_(minería) y los desechos no mineralizados.
C) Chancado o trituración del mineral
D) Clasificación por tamaños del mineral por medio de rejillas
E) Re - trituración del mineral en caso de que el tamaño no sea el adecuado para las tareas de tratamiento
F) Extracción y transporte al lugar de acopio
G) Transporte hacia la planta de tratamiento.
El producto de esta etapa es una roca mineralizada molida, de tamaño adecuado para su tratamiento, y la extracción de los elementos de valor en la siguiente etapa.
Etapa 5: Transporte
Los centros de acopio, normalmente se ubican delante del concentrador. Estos pueden ser:
Silos, tolva o depósitos
Pilas cónicas, rectangulares, tipo rampa,m km nk
Etapa 6: Beneficio del mineral
Esta etapa busca, por distintos medios, lograr que el mineral pueda ser comercializable. Para esto se recurren a distintos métodos de beneficio de minerales, los cuales no solo dependen del tipo de mineral, sino también del yacimiento, ya que cada yacimiento tiene características propias. Para el caso de los minerales metalíferos, normalmente es necesario concentrarlo. Esto consiste en una primera etapa, en liberar el mineral de la roca en donde está inserto, valiéndose de medios mecánicos como la trituración, la molienda y la clasificación. Por motivos económicos, es rara la vez que es posible liberar el mineral en un 100%. El grado de liberación del mineral depende de varios factores, y principalmente de la relación costo/beneficio, es decir, del costo económico y mecánico, contra las ventajas que se obtienen a partir de la liberación. Luego de la liberación, posiblemente el mineral deba ser concentrado. Esto consiste en elevar el grado de concentración del mineral (que puede estar dado en gramos/tonelada, o en porcentaje). Para ello se aprovechan distintas técnicas como la lixiviación (para el caso del oro, por ejemplo), la flotación (para el caso de ciertos yacimientos de cobre, zinc u otros) o la electro obtención (para el caso de algunos yacimientos de cobre).
En el caso de los minerales no metalíferos, el proceso de beneficio resulta ser mucho más sencillo. En el caso de la bentonita, por ejemplo, sólo se requiere triturar el mineral a los tamaños adecuados, clasificarlos y secar el mineral para disminuir el contenido de humedad, lo cual se realiza en hornos giratorios que funcionan a unos 70 ºC.
Etapa 7: Cierre de Mina
Es la ejecución de un programa que garantice que el cierre de la mina se llevará a cabo en armonía con el medio ambiente, asegurando la sustentabilidad de las comunidades cercanas.
Desarrollo de estudios y análisis geológicos, hidrológicos, geotécnicos y ambientales a cargo de especialistas. Su objetivo es establecer los procesos y acciones a desarrollar, que se enmarcan dentro del Plan de Cierre. Trabajo estrecho con la autoridad ambiental y con representantes de las comunidades de la zona. El concepto es dejar el área impactada por las operaciones mineras en condiciones similares a las naturales, para lo cual el cierre se centra básicamente en tres iniciativas:
Restituir las geoformas de la zona.
Asegurar su estabilidad física y química de las instalaciones, posterior al cierre.
Asegurar la calidad y cantidad de agua de río, que cruza por la zona.
8.
En la Figura 3 se da el diagrama de Ellingham para varios óxidos:
a) decir qué metales pueden obtenerse por reducción con carbono a temperaturas inferiores a 1000 ºC e inferiores a 1500 ºC en horno con libre escape de gases (principamente CO);
Por debajo de los 1000 grados puedo obtener Zn, Fe, Cu y Ag
Por debajo de los 1500, ademas de los mencionados, puedo obtener quizas Si
b) la misma pregunta que a) pero en horno con escape limitado de los gases (CO puede actuar como reductor);
Ahora me resulta imposible obtener Zn por debajo de 1000ºC, que si puedo obtener por debajo de 1500 grados.
c) sugerir reductores alternativos para la obtención de los metales que deben emplear temperaturas más altas.
d) con la información del diagrama discutir si es `posible reducir el óxido de magnesio (MgO) con alumnio metálico
Es posible, en temperaturas levemente menores a 1500º
En forma de tabla reunir la siguiente información sobre el magnesio y el aluminio: a) número atómico; b) masa atómica; c) abundancia en la corteza terrestre; d) conductividad eléctrica; e) conductividad térmica; f) potenciales normales para Mg2+/Mg y Al3+/Al; g) reactividad con ácidos (H+ ) y bases (HO- ). Nota: emplear los manuales de la Biblioteca del Laboratorio y textos de Química General y Química Inorgánica.
| Número atómico | Masa atómica | Abundancia en la corteza terrestre | Conductividad eléctrica | Conductividad térmica | Potenciales normales para Mg2+/Mg y Al3+/Al | Reactividad con ácidos | Reactividad con bases | |
| Aluminio | 13 | 26,98 | 8,07 | 37,7 × 10^6 S/m | 237 W/(K·m) | -1,68 | baja | baja |
| Magnesio | 12 | 24,305 | 2,08 | 22,6 × 10^6 S/m | 156 W/(K·m) | -2,38 | alta | alta |
Discutir los métodos de obtención de aluminio y magnesio, indicando:
a) materias primas y su tratamiento previo,
b) reacciones electroquímicas y condiciones de operación,
c) aplicaciones más importantes.
a) materias primas y su tratamiento previo,
b) reacciones electroquímicas y condiciones de operación,
c) aplicaciones más importantes.
Aluminio:
El aluminio se produce en la Argentina a partir de Bauxita ( Al2O3·Fe2O3) proveniente de Brasil, que se procesa en la planta de Aluar, en Puerto Madryn.
Proceso de purificación de la Bauxita:
Se tritura la Bauxita y se trata con NaOH en AUTOCLAVE, ya que es insoluble.
Se obtiene una solución denominada "Aluminato" [Al(OH)4]- y presipita óxido de hierro formando un barro gelatinoso conocido como "Oxido de hierro hidratado"
Ya sea por filtrado o decantación, se separa el aluminato del oxido de hierro hidratado, Luego se diluye la solución con agua para volver a obtener óxido de aluminio:
[Al(OH)4]- ->( +H2O -T )-> "Al(OH)3" + OH-
Ponemos "Al(OH)3" entre comillas indicando que si bien la ecuación estequiométrica espera obtener este compuesto, se observa en la realidad algo del tipo Al2O3·XH20 que se conoce como "Óxido de aluminio hidratado".
De esta manera el siguiente paso resulta lógico:
Se aplica calor al óxido de aluminio hidratado, para vaporizar el agua y deshidratar de esa manera el óxido:
Al2O3·XH2O -> Al2O3 (Presipita) + H2O (Vapor)
Al2O3 deshidratado es denominado "Alúmina" y es el electrolito que en la electrólisis me dará aluminio.
Debido a los potenciales estandar de reducción:
Al3+ -> Al0 ..... E0=-1,66V
H+ -> H2 ..... E0=0V
No podemos usar agua para dilución del electrolito, ya que prevalecería la producción de hidrógeno por sobre la de aluminio.
Otra posibilidad sería realizar la electrólisis con alúmina fundida, pero para ello se necesitan más de 2000ºC por lo que resulta energéticamente demandante y además hay riesgo de vaporización de la alumina a esas temperaturas.
Se busca entonces un "Fundente", un material que forme un eutéctico con la alúmina, en este caso en Aluar usan un mineral conocido como "Criolita" Na3[AlF6], que baja la temperatura de fundición a 900ºC, menos de la mitad!
El problema de la criolita es que las únicas reservas naturales conocidas son en Groenlandia. Por lo tanto, debe ser producida In Situ, a partir de 3NaF·AlF3.
Como actua como fundente pero no interviene en las reacciones Redox de la obtención del aluminio, no se consume criolita en el proceso, por lo que:
Materias primas del proceso de producción de aluminio:
Bauxita
Carbón ( el ánodo se consume )
Electricidad (La represa de Futaleufú abastece a la planta de Aluar, pero esta necesita incluso más energía)
El aluminio es un metal ductil y maleable.
Es importante mencionar que si no se controla la diferencia de potencial de las celdas puede producirse la reacción:
C+ + F- -> (CF)n (Compuestos clorofluocarbonados CFC, causan lluvia acida y destrucción de la capa de Ozono)
Se controla entonces el potencial de celda con mucho cuidado, y suenan alarmas cortandose la corriente en caso de desviaciones.
Obtención industrial de Magnesio:
Existen dos maneras de obtener Magnesio industrialmente:
1. Electrólisis
2. Reducción por carbono
Materia prima para obtener magnesio:
Magnesita [MgCO3]
Dolomita [MgCO3·CaCO3]
1. Método Electrolítico:
Paso 1: Obtención de Cloruro de Magnesio.
MgCO3 - [CALOR] -> MgO + CO2
MgO + C --> Mg + CO
Mg + Cl2 --> MgCl2
Trato Magnesita con calor para obtener oxido de magnesio, que reduzco con carbón para obtener magnesio metálico, que luego oxido con cloro para obtener cloruro de magnesio.
Paso 2: Electrólisis
Ánodo de Carbón C
Cátodo de Hierro Fe
Se disponen como cilindros concentricos, con el ánodo solido adentro, una barrera de material poroso que evita que se produzcan reacciones entre los productos de la electólisis, y un cilindro de rejilla de hierro por fuera como cátodo.
CÁTODO (-): Mg2+ +2e- -->Mg
ÁNODO (+): 2Cl- --> Cl2 + 2e-
Diferencia de potencial por celda: 7V
2. Método de reducción por carbono:
MgCO3 -[CALOR]-> MgO + CO2
MgO(s) + C((op) <=> Mg + CO
Para que esta reacción sea factible para la obtención de Mg metálico se necesitan temperaturas superiores a los 2000º, por lo que resulta necesario hacer un balance económico frente al primer método.
La explicación de porqué pasados los 2000ºC se ve favorecida una reacción sobre la otra es por la energía libre de Gauss:
DELTA G0 =f(T)
C(gr) + 1/2 O2 (g) --> CO (g) ..... DELTA G0f, CO
M + 1/2 O2 (g) --> MO (s) ..... DELTA G0f, MO
_________________________
MO(s) + C <=> M + CO
DELTA G0 de la reacción= (DELTA G0f, CO - DELTA G0f, MO)
Solo será espontanea si:
DELTA G0 de la reacción < 0
Es decir, para T tal que
DELTA G0f, CO < DELTA G0f, MO
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