Metalurgia y química de los metales

1. Metalurgia y química
de los metales
Capítulo 20
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2. Un mineral es una sustancia de origen natural con
composiciones químicas características.
Una mena es un depósito mineral cuya concentración es
adecuada, en el aspecto económico, para extraer el metal
deseado.
Metalurgia es la ciencia y tecnología de la separación de los
metales a partir de sus menas y de aleaciones compuestas.
Una aleación es una disolución sólida de dos o más metales, o
de un metal o metales con uno o más no metales.
Recuperación de un metal de su mena:
1. Preparación de la mena
2. Producción del metal
3. Purificación del metal
20.1

3. 20.1

4. Metales y sus minerales más conocidos
Sulfuros Sin combinar
Cloruros Otros compuestos
Ver pie de fiig.
Óxidos
20.2

5. Producción de metales
Tostada
CaCO3 (s) CaO (s) + CO2 (g)
2PbS (s) + 3O2 (g) 2PbO (s) + 2SO2 (g)
Reducción química
TiCl4 (g) + 2Mg (l) Ti (s) + 2MgCl2 (l)
Cr2O3 (s) + 2Al (s) 2Cr (l) + Al2O3 (s)
WO3 (s) + 3H2 (g) W (s) + 3H2O (g)
Reducción electrolítica
2MO (l) 2M (en el cátodo) + O2 (en el ánodo)
2MCl (l) 2M (en el cátodo) + Cl2 (en el ánodo)
20.2

6. 20.2

7. Alto horno para la
Carga (mena, piedra caliza, coque)
producción de hierro
Los gases calientes ascienden
(proceso de reducción)
La carga sólida desciende
El hierro se funde
Se forma la escoria fundida
Aire caliente
Escoria
Hierro fundido
20.2

8. Manufactura del acero vía el proceso del oxígeno
(proceso de oxidación)
Acero
fundido +
Escoria
escoria Posición vertical Posición horizontal
Acero
fundido
20.2

9. 20.2

10. Purificación de metales
Destilación
70 0C
Ni (s) + 4CO (g) NiCO4 (g)
200 0C
NiCO4 (g) Ni (s) + 4CO (g) Batería
Electrólisis Ánodo Cátodo
de cobre de cobre
impuro puro
Cu (s) (impuro) Cu2+ (ac) + 2e-
Cu2+ (ac) + 2e- Cu (s) (puro)
Refinación pos zonas
20.2

11. Refinación por zonas de metales
Espiral de calentamiento Varilla metálica
20.2

12. En la teoría de banda de conductividad, los electrones
deslocalizados se mueven libremente a través de las “bandas”
formadas por el solapamiento de orbitales moleculares.
Mg 1s22s22p63s2 o [Ne]3s2
e- Banda de conducción e-
Banda de valencia
Energía
20.3

13. Espacios energéticos entre banda de valencia y banda
de conducción en
metales, semiconductores y aislantes
Banda de conducción
Banda de conducción Banda de conducción
Energía
Energía
Energía
Espacio energético Espacio energético
e-
Banda de valencia Banda de valencia
e- de valencia
Banda
Aislante
20.3

14. Semiconductores
Si
[Ne]3s23p2
semiconductor tipo - n semiconductor tipo - p
Impurezas donadoras Impurezas aceptoras
P B
[Ne]3s23p3 [Ne]3s23p1
20.3

15. Aumento del carácter metálico
Aumento del carácter metálico
20.4

16. 20.5

17. Metales alcalinos (ns1, n ≥ 2)
M M+1 + 1e-
2M(s) + 2H2O(l) 2MOH(aq) + H2(g)
2M(s) + O2(g) M2O(s)
Aumento de reactividad
20.5

18. 20.6

19. Metales alcalinotérreos (ns2, n ≥ 2)
M M+2 + 2e-
Be(s) + 2H2O(l) No hay reacción
Mg(s) + H2O(g) MgO (s) + H2(g)
M(s) + 2H2O(l) M(OH)2(aq) + H2(g) M = Ca, Sr, o Ba
Aumento de reactividad
20.6

20. Aluminio
Impuro Al2O3 (s) + 2OH- (ac) 2AlO2- (ac) + H2O (l)
AlO2- (s) + H3O+ (ac) Al(OH)3 (s)
∆
2Al(OH)3 (s) Al2O3 (s) + 3H2O (g)
Ánodo: 3[2O2- O2 (g) + 4e-]
Cátodo: 4[Al3+ + 3e- Al (l)]
Ánodos de carbono
2Al2O3 4Al (l) + 3O2 (g)
Cátodo de
carbono
Aluminio
fundido
Al2O3 en
criolita fundida 20.7