Cobre

Química. Metal. Propiedades. Constantes. Aplicaciones. Hierro. Acero

  • Enviado por: Tomas Mc Manus
  • Idioma: castellano
  • País: España España
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Cobre

Conocido desde la prehistoria, el cobre es uno de los pocos metales que puede hallarse en la

naturaleza en estado puro sin formar compues-

tos. Se consideraba precioso en la antigüedad, aun-

que de menor valor que el oro y la plata. Sin

embargo, como consecuencia de su sencillo trata-

miento metalúrgico, se consiguió una producción

elevada antes del cuarto milenlo anterior a la era

cristiana, y desde entonces se devaluó progresiva-

mente hasta que la telefonía y la electrificación re-

lanzaron su consumo a principios del siglo xx.

Pro pie dades y estado natural

Sin alear, el cobre presenta un caracteristico co-

lor rojizo, y un brillo metálico cuya intensidad de-

pende del grado de pulido. Es el metal que mejor

conduce la electricidad si se exceptúa a la plata,

Destaca también por su elevada conductividad tér-

mica y tenacidad, por lo que, dada su resistencia

a la deformación y a la rotura, es materia prirna

en la fabricación de cables, alambres y láminas. Es

también dúctil, por lo que puede deformarse por

estiramiento, y maleable, por lo que puede batirse

y extenderse en láminas. Su dureza no es muy ele-

vada, pero por medio de tratamientos metálicos,

CONSTANTES FÍSICAS Y QUÍMICAS DEL

COBRE

Número atómico 29

Peso atómico 63,546

Punto de fusión 1.083 'C

Punto de ebullición 2.595 'C

Gravedad específica 8,92 (20 'C)

Valencia 1, 2

Configuración electrónica 2-8-18-1 o

(Ar) 3d"4s'

como el laminado y el batido, puede aumentarse hasta ciertos límites. No es muy activo química­mente, y resiste bien la oxidación, siempre que no haya humedad ni anhídrido carbónico, en cuya presencia forma una película verdosa de carbona­to básico, que recibe el nombre de verdín.

Las. menas de cobre se distribuyen por todo el planeta, y entre ellas destacan las de sulfuros (pi­rita y calcopirita), óxidos (cuprita y melaconita) y carbonatos (malaquita).

Obtención. En la naturaleza, los minerales de cobre aparecen mezclados con diversos tipos de materiales rocosos desprovistos de valor, que constituyen la denominada ganga, de la que deben ser separados para su explotación. Por ello es ne­cesario realizar un primer proceso de triturado y pulverizado, a partir del cual se concentra por di­versos procedimientos, según sea el mineral de co­bre que se esté tratando.

En el caso más común, que es el de los sulfu­ros, suele aplicarse el tramiento llamado de flota­ción. Consiste el proceso en verter la molienda sobre agua con resina de creosota y un agente quí­mico orgánico. Ya concentrado el azufre se elimi­, por tos 'ón, en un horno, en el que desapa­na taci

rece parcialmente en forma de gas. Posteriormen­te se añade mineral de hierro para formar escorias con las impurezas, y también se favorece la fusión aportación de una cantidad suficiente de cal. Con ello se forma la llamada nata de cobre, que en estado líquido se pasa a un convertidor en el que el hierro y el azufre que lo acompañan se oxidan, dando lugar al cobre blister, de co­lor negruzco, y con una cantidad aproximada de impurezas del 2 %. A continuación se afina para eliminar estas impurezas. Esta operación ha de efectuarse con gran intensidad con el fin de elimi­nar el arsénico y el antimonio que, en muchas de sus aplicaciones, son perjudiciales aun en bajas proporciones. Finalmente, se realiza la descompo­sición por paso de corriente eléctrica o electrólisis de grandes bloques de cobre blister, y se recoge el elemento químicamente puro en el cátodo (polo negativo). Al estar asociado con oro y plata, estos metales aparecen como subproducto en el lecho electrolítico, razón por la cual la metalurgia del co­bre adquiere un notable interés.

Aplicaciones. El cobre se emplea principal­mente en la conducción eléctrica y en telefonía. Para aprovechar sus propiedades eléctricas debe emplearse en estado puro, mientras que si interesa por su inalterabilidad y sus propiedades mecáni­cas, es conveniente utilizarlo en alguna de sus múl­tiples aleaciones posibles con la mayoría de los metales como el zinc, estaño, plomo, níquel, etc. Entre estas aleaciones destacan el latón, cuyos ele­mentos aleantes son el zinc y pequenas cantidades de otro metal. El bronce, una de las primeras alca­ciones conocidas, se compone de cobre y estaño. En general, el cobre es difícil de mecanizar, es de­cir, conformar piezas mediante eliminación de ma­terial. No obstante, pequenas cantidades de plo­mo facilitan su manipulación.

La minería del cobre se caracteriza principal­mente por el bajo contenido o ley de todas sus me­nas. Este hecho se ha ido agravando a lo largo de la prolongada historia de su explotación. Entre los países que tradicionalmente se sitúan a la cabeza de la producción mundial de cobre cabe mencionar

Chile, la Unión Soviética y los Estados Unidos que, en conjunto, suman prácticamente la mitad del volumen productivo mundial.

Hierro y acero

La revolución industrial, surgida en la Gran Bre­taña a fines del siglo xviii, significó el cambio de una sociedad agraria y textil a otra industrial ba­sada en dos poderosos componentes: el carbón como combustible y el hierro como elemento fun­damental para el engranaje de las máquinas.

El hierro es un elemento químico puro perte­neciente a los metales de transición. De gran utilidad industrial, su aleación con pequeñas cantidades de carbono, llamada acero, constituye un componente esencial en las cadenas de producción de maquinaria hasta el punto de que ha creado en torno suyo una completa industria bautizada como siderurgia.

372 Hierro y acero

CONSTANTES FÍSICAS Y QUÍMICAS

DEL HIERRO

Número atómico 26

Peso atómico 55,847

Punto de fusión 1.535 'C

Punto de ebullición 3.000'C

Valencia 2@ 3, 4, 6

Configuración electrónica (Ar)3d4s'

El hombre comenzó a utilizar el hierro hace más de tres milenios, inicialmente a partir de rocas me­teoríticas. Si bien los arqueólogos sitúan el co­mienzo de la edad de hierro en torno al año 1200 a.C., este metal no adquirió un papel preponde­rante en las sociedades hasta la invención de los ca­ñones, realizada en el Medievo europeo. La ob­tención de hierro de gran pureza se alcanzó hacia el año 1910, tras más de un siglo de incesantes avances técnicos en la industria.

Sin embargo, desde un punto de vista utilitario, las aleaciones de hierro, o mezclas sólidas con otros metales, resultan para muchos procesos más adecuadas y fáciles de obtener que el metal puro.

Propiedades físicas y químicas del hierro. El hierro es un metal de color blanco grisáceo carac­terizado por su gran ductilidad, o capacidad de estirarse para formar hilos y alambres, y maleabi­lidad, propiedad por la que es susceptible de ex­tenderse y formar hojas laminares. Su símbolo químico es Fe y frente a elementos no metálicos cede dos o tres de los electrones, unidades elemen­tales de carga eléctrica, de su envoltura atómica para constituir compuestos denominados ferrosos y férricos, respectivamente. Entre los primeros, con hierro divalente, presentan interés el óxido ferroso FeO, el cloruro C12Fe y el sulfuro SFe. De los férricos destacan el óxido F203 y el hidróxido

de Fe(OH3)-

Su cristalización metálica se produce en dos sis­temas bien definidos, que dan lugar a tres varie­dades alotrópicas principales llamadas alfa, beta y gamma. La forma alfa se caracteriza por poseer, una red cristalina cúbica centrada en la red, mien­tras que la gamma se constituye de cubos cen­trados en las caras. La variedad beta comparte el sistema de cristalización de la forma alfa, de la que se diferencia en su comportamiento electromagné­tico. La transformación de hierro alfa en beta se produce a 750 'C, y éste alcanza a su vez el estado gamma a 800 'C.

El comportamiento magnético del hierro es ex­cepcional, en el ámbito mineral, por lo que cons­tituye un material idóneo para la fabricación de imanes. Su estado puro, denominado hierro dul­ce, se ¡mana temporalmente en presencia de cam­pos magnéticos o eléctricos móviles, aunque carece de magnetismo remanente. Ello lo convierte en un material especialmente utilizado en la construc­ción de electroimanes, constituidos por una barra o polo de hierro dulce sobre el que se arrolla una bobina por la que se hace pasar una corriente eléc­trica. El acero, por el contrario, adquiere una ima­nación permanente aun después de retirar las in­fluencias electromagnéticas que actúan sobre él, al ser capaz de crear a su alrededor un campo mag­nético propio.

En la naturaleza, el hierro no suele aparecer en estado metálico, por su marcada tendencia a oxi­darse en los ambientes húmedos. Los minerales que presentan mayor abundancia en hierro son corrientemente óxidos del mismo, como la mag­netita u óxido magnético de hierro, que contiene un 72,5 % de metal; la hematites roja u óxido férrico, cuyo color se torna en pardo al hidratarse y que contiene entre un 55 y un 66 % de hierro; y, en menor medida, el carbonato de hierro, con tan solo un 48,2 % en contenido férrico. Otros minerales ferríferos, como la pirita y la cromita, constituyen más bien menas (depósitos mineros en explotación) de otros elementos, azufre y cromo principalmente.

Obtención del hierro. La industria dedicada a la obtención de hierro y acero se denomina siderurgia, y su desarrollo fue fundamental en el curso de la revolución industrial.

El proceso siderúrgico se inicia con una operación de lavado del mineral de hierro extraído de la mina por la que se elimina gran parte de la arena y arcilla que contiene. Si la mena es muy fina, puede sintetizarse por calentamiento hasta formar nódulos de mayor consistencia y eliminar en lo posible su cantidad de azufre. A continuación se introduce en el horno alto, alimentado por lo general mediante coque o carbón desgasificado, junto a caliza que actúa como fundente de la escoria perteneciente en algunos casos al propio mineral.

Los altos hornos alcanzan considerables dimen­siones: treinta metros de altura y una sección con un diámetro comprendido entre cinco y siete me­tros. La carga de mineral y combustible se intro­duce por la parte superior o cuba, de donde, mez­clada con la ganga (mineral carente de valor) y el fundente, pasa a una segunda sección llamada eta­laje, en la que se comienza a reducir el hierro. La tercera y última fase del horno alto se conoce con el nombre de cámara de fusión, solera o crisol, y en ella el hierro fundido, más pesado que la esco­ria, se concentra en el fondo, del que se retira en intervalos aproximados de seis horas por medio de unos orificios situados en los costados de la cámara.

Este proceso requiere grandes cantidades de energía, suministradas por el coque, que se incre­mentan mediante corrientes de aire insufladas a través de unas aberturas o toberas situadas en el fondo del etalaje con el fin de facilitar la combus­tión. Aun así, el aprovechamiento energético del proceso no es muy elevado y los productos de des­hecho, en especial monóxido de carbono, que se liberan en grandes cantidades por la parte supe­rior del horno, ocasionan un alto efecto contami­nante. Para aumentar la eficiencia del horno resul­ta conveniente calentar previamente el aire empleado en la combustión del coque hasta tem­peraturas superiores a los 550 C.

El hierro obtenido se vierte sobre lingoteras de formas adecuadas, que configuran bloques de me­tal de unos 45 kg.

Modernamente, una notable proporción de la producción mundial de hierro procede del recicla-

do de la chatarra y no de los minerales de hierro. Para su aprovechamiento se emplean hornos eléc­tricos de tamaño mucho más reducido.

Por cuanto respecta a la producción del hierro, los máximos porcentajes de extracción del mine­ral se registran tradicionalmente en la Unión Soviética, Brasil, Australia y China, mientras que los más altos niveles productivos de hierro fundi­do y aleaciones férricas se dan también en la Unión Soviética, en Japón y en los Estados Unidos.

Fabricación del acero. El acero se obtiene usualmente a partir del arrabio, hierro producido en el proceso del alto horno cuya concentración excesiva de carbono hace precisa la realización de una operación de afino, mediante la que se elimi­na el sobrante de carbono.

En la práctica industrial se emplean varios pro­cedimientos de fabricación de acero, entre los que destacan los de Bessemer y Martin-Siemens. Am­bos funcionan, por lo general, de modo inter­mitente, al contrario que los hornos altos, de pro­ceso continuo. Una etapa previa a la puesta en marcha de estos métodos de fabricación consiste en el vertido de la fundición líquida en grandes de­pósitos basculantes o mezcladores, que pueden lle­gar a contener más de dos mil toneladas, con las que se igualan las cualidades y composición de los distintos aceros.

Entre los países que tradicionalmente han enca~ bezado la producción mundial de acero cabe citar como más significativos a la Unión Soviética, Ja­pón, Estados Unidos, China y la República Fede­ral de Alemania.

Formas usuales de los productos del hierro. El hierro fabricado en un alto horno no puede emplearse directamente en la constituciónde lingotes, sino que ha de sufrir una segunda fundición en hornos más pequeños y un posterior vertido en moldes con la forma aproximada de la pieza, por lo que recibe el nombre de hierro de fundición o de segunda fusión. Sin embargo, la mayor parte de los aceros se comercializan en laminados, es decir, chapas, perfiles o barras obtenidos tras hacer pasar los bloques de lingotes a través de unos rodillos, ya sea en frío o en caliente. Entre los perfiles laminados pueden diferenciar se, según la forma de su sección, distintas estructuras tales como las vigas, normalmente en disposición de I y a las que se denomina de doble T; perfiles en U, angulares o en T; carriles o rieles, que son secciones especiales sobre las que se deslizan las ruedas del tren, tranvías, puertas correderas, etc.; chapas de distintos grosores, granulometrías y composición; y otras formas especiales, como tubos, hilos o alambres.

Clasificación de los aceros. Dada su impor tancia técnica, las propiedades físicas de los aceros deben estar fijadas con precisión. En términos generales suele emplearse una ordenación que reconoce los siguientes grupos, determinados por un código:

1. F-100: aceros para la construcción en general

2. F-200: aceros especiales, mecanizables, de soldadura, magnéticos, etc.

- 3. F-300: aceros resistentes a la oxidación y corrosión, inoxidables, etc.

4. F-400: aceros de gran resistencia, para cimentación.

5. F-500: aceros para herramientas.

6. F-600: aceros comunes, de convertidores Bessemer y Siemens.

7. F-700: aceros al carbono, especiales para moldear.

Para conocer más en profundidad las caracterís ticas físicas de los aceros, tratamientos térmicos adecuados, tipo de corrosión más probable, etc.,

se usan tablas normalizadas y hojas de caracterís ticas de cada acero, con las que se puede elegir el idóneo en cada especificación técnica.

Tratamientos térmicos. El hierro y el acero, pese a ser sustancias de similar composición, química, muestran un comportamiento y unas pro piedades notoriamente diferentes, al depender en gran medida sus características de su distribución granulométrica resultante de los diversos tratamientos térmicos a que se los somete.

Estos tratamientos térmicos persiguen la mejo ra en las propiedades y la calidad de los metales por medio del calor. La estructura del metal varía al calentar o enfriar los aceros, especialmente enoximidades de las llamadas temperaturas críticas. Así, tras un proceso de calentamiento extre­mó, se somete el metal a la acción de sustancias re­f.rigerantes, como el agua o el aceite, transforma­ción física que recibe el nombre de temple, y que aumenta su dureza y resistencia.

Otros tratamientos térmicos de especial rele­vancia son el recocido, cuyo objeto es ablandar el acero; el normalizado, que proporciona al mate­rial unas especificaciones definidas; el revenido, que evita que el acero se fracture al ser gol­peado; etc.

Aplicaciones. El hierro es el metal de uso más extendido en la práctica totalidad de las industrias y técnicas. El desarrollo de la metalotecnia ha per­mitido obtener aleaciones que responden a un alto número de exigencias técnicas. Incluso el princi­pal inconveniente de este metal, su tendencia a oxi­darse en ambientes húmedos, ha sido superado mediante la adición de una cantidad de cromo su­perior al 12 %, con lo que se obtienen los llama­dos aceros inoxidables. Los aceros no inoxidables. Los aceros no inoxidables

Y expuestos a la intemperie se recubren corrientemente de Pinturas anticorrosívas, como el rninio de Color naranja, que se reponen de forma perió­dica para mejorar su conservación.

Como una herencia de las revoluciones industriales de los últimos siglos, resulta difícil concebir máquinas robustas o estructuras metálicas sin una gran proporción de hierro en sus elementos. Tan solo en la aviación, en la que los materiales empleados deben ser muy ligeros, el acero ha sido completamente desplazado por el aluminio, de naturaleza más frágil y menos resistente, que incrementa la maniobrabilidad de los aparatos.