Química
Cobre
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.
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Enviado por: | Tomas Mc Manus |
Idioma: | castellano |
País: | España |