Metales y AleacionesDesde la antigüedad el hombre conoce y emplea metales y aleaciones. Tanto es así que grandes períodos de la Prehistoria son conocidos como Edad del Bronce o Edad del Hierro. En esas épocas la función principal de estos materiales era su empleo como armas de guerra. Un pueblo que lograba forjar una espada más dura conquistaba sin mucha dificultad a sus vecinos (es un hecho notable que la Historia glorifique continuamente a sus héroes guerreros y se olvide por completo de los artesanos de las fraguas, verdaderos artífices del poderío de los ejércitos).
Ahora bien, paralelamente a sus virtudes como material de guerra, el hombre fue descubriendo otras posibilidades de empleo para metales y aleaciones, a tal punto que en nuestros días no se concibe un mundo Sin metales.
Intuitivamente asociamos metal con dureza (quizás su propiedad más característica). Los metales son elementos que ocupan gran parte de la Tabla Periódica se encuentran separados por una línea diagonal de elementos. Los elementos a la izquierda de esta diagonal son los metales, y los elementos a la derecha son los no metales. Los elementos que integran ésta diagonal boro, silicio, germanio, arsénico, antimonio, telurio, polonio y astuto, tienen propiedades tanto metálicas como no metálicas. Los elementos metálicos más comunes son los siguientes: aluminio, bario, berilio, bismuto, cadmio, calcio, cerio, cromo, cobalto, cobre, oro, iridio, hierro, plomo, litio, magnesio, manganeso, mercurio, molibdeno, níquel, osmio, paladio, platino, potasio, radio, rodio, plata, sodio, tantalio, talio, torio, estaño, titanio, volframio, uranio, vanadio y cinc. Los elementos metálicos se pueden combinar unos con otros y también con otros elementos formando compuestos, disoluciones y mezclas. Una mezcla de dos o más metales o de un metal y ciertos no metales como el carbono se denomina aleación. Las aleaciones de mercurio con otros elementos metálicos son conocidas como amalgamas.
Un criterio estrictamente químico le dará mayor carácter metálico a los elementos de los grupos I y II (los más electropositivos) pero estos elementos resultan ser blandos (el sodio se corta fácilmente con un cuchillo plástico) Por otro lado los elementos de transición (No tan metálicos para los químicos) están mucho más de acuerdo con nuestra idea corriente de lo que es un metal.
En nuestro estudio hacemos hincapié en la función estructural que cumplen los materiales por lo que apuntaremos a aquellos elementos que comúnmente denominamos metales tales como hierro y cobre (ejemplos de metales tradicionales). Además echaremos un vistazo al aluminio y al silicio (típicos de la edad moderna).
Pocos metales se encuentran en la Naturaleza al estado libre; ellos son los conocidos como metales nobles: oro, plata, platino, etc. Es lógico que sea así pues, como sabemos, estos metales son muy estables químicamente, no así la mayor parte de sus compuestos. En general para la obtención de los metales se parte de diferentes minerales, que contienen compuestos del metal, aunque sólo se consideran explotables las formaciones en las que el metal a extraer se presenta en una composición mínima determinada. Ella difiere según el metal que se desea obtener: por ejemplo para el hierro no debe ser inferior a un 30 %, pero para el cobre se considera rentable un 0.5 WO.
El conjunto de operaciones y transformaciones químicas que van desde la extracción del mineral (minería) hasta la elaboración del producto final se conoce como metalurgia y, en el caso especial de los aceros, siderurgia.
La mayor parte de los metales se encuentran en la naturaleza combinados con otros elementos, formando minerales metálicos.
Ahora bien, paralelamente a sus virtudes como material de guerra, el hombre fue descubriendo otras posibilidades de empleo para metales y aleaciones, a tal punto que en nuestros días no se concibe un mundo Sin metales.
Intuitivamente asociamos metal con dureza (quizás su propiedad más característica). Los metales son elementos que ocupan gran parte de la Tabla Periódica se encuentran separados por una línea diagonal de elementos. Los elementos a la izquierda de esta diagonal son los metales, y los elementos a la derecha son los no metales. Los elementos que integran ésta diagonal boro, silicio, germanio, arsénico, antimonio, telurio, polonio y astuto, tienen propiedades tanto metálicas como no metálicas. Los elementos metálicos más comunes son los siguientes: aluminio, bario, berilio, bismuto, cadmio, calcio, cerio, cromo, cobalto, cobre, oro, iridio, hierro, plomo, litio, magnesio, manganeso, mercurio, molibdeno, níquel, osmio, paladio, platino, potasio, radio, rodio, plata, sodio, tantalio, talio, torio, estaño, titanio, volframio, uranio, vanadio y cinc. Los elementos metálicos se pueden combinar unos con otros y también con otros elementos formando compuestos, disoluciones y mezclas. Una mezcla de dos o más metales o de un metal y ciertos no metales como el carbono se denomina aleación. Las aleaciones de mercurio con otros elementos metálicos son conocidas como amalgamas.
Un criterio estrictamente químico le dará mayor carácter metálico a los elementos de los grupos I y II (los más electropositivos) pero estos elementos resultan ser blandos (el sodio se corta fácilmente con un cuchillo plástico) Por otro lado los elementos de transición (No tan metálicos para los químicos) están mucho más de acuerdo con nuestra idea corriente de lo que es un metal.
En nuestro estudio hacemos hincapié en la función estructural que cumplen los materiales por lo que apuntaremos a aquellos elementos que comúnmente denominamos metales tales como hierro y cobre (ejemplos de metales tradicionales). Además echaremos un vistazo al aluminio y al silicio (típicos de la edad moderna).
Pocos metales se encuentran en la Naturaleza al estado libre; ellos son los conocidos como metales nobles: oro, plata, platino, etc. Es lógico que sea así pues, como sabemos, estos metales son muy estables químicamente, no así la mayor parte de sus compuestos. En general para la obtención de los metales se parte de diferentes minerales, que contienen compuestos del metal, aunque sólo se consideran explotables las formaciones en las que el metal a extraer se presenta en una composición mínima determinada. Ella difiere según el metal que se desea obtener: por ejemplo para el hierro no debe ser inferior a un 30 %, pero para el cobre se considera rentable un 0.5 WO.
El conjunto de operaciones y transformaciones químicas que van desde la extracción del mineral (minería) hasta la elaboración del producto final se conoce como metalurgia y, en el caso especial de los aceros, siderurgia.
La mayor parte de los metales se encuentran en la naturaleza combinados con otros elementos, formando minerales metálicos.
Por ello, el primer paso en la obtención del metal consiste en localizar y extraer el mineral, que normalmente se encuentra en el subsuelo. A esta etapa corresponden los trabajos de minería.
La extracción de los minerales se realiza practicando minas subterráneas o a cielo abierto con la ayuda de grandes máquinas.
Como los minerales metálicos están mezclados con otros materiales, hay que triturar la roca extraída para separar el mineral metálico del resto de materiales.
La obtención de metales comienza con el proceso de localización y extracción de minerales metálicos. Ese proceso se conoce como minería.
Metalurgia
El mineral comprende dos partes principales: la que contiene al compuesto del metal, conocida como MENA, y a la que acompaña invariablemente a la mena, integrada por tierra. Arcilla, rocas y otros materiales no aprovechables, ésta se denomina GANGA. Es importante destacar que la forma natural en que se presentan los metales está directamente relacionada con su posición en la escala de potenciales electroquímicos. Los metales de potencial muy bajo como el aluminio (E°= -1,66V) se encuentran como óxidos, mientras que otros, de potencial más elevado como el plomo (E°= -0,13 V) o el cobre (E°= +0.34 V) se hallan como sulfuros. Los metales nobles, mencionados anteriormente, tienen, como es lógico suponer, potenciales más elevados (por encima de 1.0 V). También se pueden encontrar bajo otras formas menos comunes: carbonatos, silicatos, halogenuros.
Las fuentes más importantes de metales desde el punto de vista comercial son:
· Nativos: metales nobles en general.
· Óxidos: bauxita (Al203), casiterita (Sn02). cromita (2Cr03.Fe0). hematita (Fe203)
· Sulfuros: blenda (ZnS). calcopirita (CuFeS2), cinabrio (HgS), galena (PbS)
· Carbonatos: malaquita (CuCO3 Cu(OH)2)
En general los procesos metalúrgicos se ajustan al siguiente diagrama:
Concentración: la primera de las operaciones metalúrgicas consiste en la separación de la mena y de la ganga, lo cual se hace en función de diferencias de propiedades tales como la densidad o la facilidad de humectación. Se aplican los métodos de separación de fases ya conocidos, tales como: flotación, sedimentación, arrastre, tamizado, lixiviación, etc. Lo que se obtiene de esta Operación se conoce como concentrado.
Tratamiento intermedio: la etapa siguiente es un tratamiento químico que Conduce a productos intermedios fáciles de reducir.
Uno de ellos es la calcinación, consistente en el calentamiento de la mena para producir su descomposición, eliminando algunos de sus constituyentes en forma de gases (por ejemplo: dióxido de carbono, vapor de agua); se aplica principalmente a los carbonatos. Otro es la tostación, en la que se produce reacción química entre los constituyentes de la mena y la atmósfera del horno en que se lleva a cabo; si ella es reductora (presencia de monóxido de carbono) se puede llegar al metal libre.
También existen procedimientos en solución acuosa y en ellos el constituyente a extraer se disuelve en forma selectiva, mientras que la mayor parte de las impurezas queda sin disolver.
Reducción a Metal: la reducción del metal está relacionada con la fuerza de los enlaces entre los elementos involucrados. Cuantos más fuertes sean estos enlaces tanto más elevado resulta el costo del proceso. En general, cuando se llega a esta etapa la mena está transformada en un óxido.
Si el potencial electroquímico del metal a obtener no es muy bajo (óxidos de hierro, níquel y zinc, entre otros) el proceso se lleva a cabo con coque (carbón impuro), monóxido de carbono o gas de agua (mezcla de monóxido de carbono e hidrógeno). Si, por el contrario, se trata de obtener un metal de potencial muy bajo. Como el aluminio, se debe recurrir a reacciones electroquímicas en estado de fusión.
Refinamiento: los metales así obtenidos son, en general, impuros, requiriéndose un proceso posterior de purificación, denominado también de refinación, que permite llevar el metal al nivel de pureza necesario para su utilización. Este varía en función del metal; así se tienen, por ejemplo, la destilación para metales de fácil volatilización como el mercurio, y los electrolíticos, para el aluminio y el cobre, entre otros.
Muchos metales se alean o mezclan, al estado de fusión, con otros elementos a fin de mejorar sus propiedades físico químicas. Tal es el caso de los aceros, probablemente la aleación más importante en cuanto al volumen de producción.
Tratamiento intermedio: la etapa siguiente es un tratamiento químico que Conduce a productos intermedios fáciles de reducir.
Uno de ellos es la calcinación, consistente en el calentamiento de la mena para producir su descomposición, eliminando algunos de sus constituyentes en forma de gases (por ejemplo: dióxido de carbono, vapor de agua); se aplica principalmente a los carbonatos. Otro es la tostación, en la que se produce reacción química entre los constituyentes de la mena y la atmósfera del horno en que se lleva a cabo; si ella es reductora (presencia de monóxido de carbono) se puede llegar al metal libre.
También existen procedimientos en solución acuosa y en ellos el constituyente a extraer se disuelve en forma selectiva, mientras que la mayor parte de las impurezas queda sin disolver.
Reducción a Metal: la reducción del metal está relacionada con la fuerza de los enlaces entre los elementos involucrados. Cuantos más fuertes sean estos enlaces tanto más elevado resulta el costo del proceso. En general, cuando se llega a esta etapa la mena está transformada en un óxido.
Si el potencial electroquímico del metal a obtener no es muy bajo (óxidos de hierro, níquel y zinc, entre otros) el proceso se lleva a cabo con coque (carbón impuro), monóxido de carbono o gas de agua (mezcla de monóxido de carbono e hidrógeno). Si, por el contrario, se trata de obtener un metal de potencial muy bajo. Como el aluminio, se debe recurrir a reacciones electroquímicas en estado de fusión.
Refinamiento: los metales así obtenidos son, en general, impuros, requiriéndose un proceso posterior de purificación, denominado también de refinación, que permite llevar el metal al nivel de pureza necesario para su utilización. Este varía en función del metal; así se tienen, por ejemplo, la destilación para metales de fácil volatilización como el mercurio, y los electrolíticos, para el aluminio y el cobre, entre otros.
Muchos metales se alean o mezclan, al estado de fusión, con otros elementos a fin de mejorar sus propiedades físico químicas. Tal es el caso de los aceros, probablemente la aleación más importante en cuanto al volumen de producción.
