Ensayo

 En la naturaleza encontramos diversos minerales que son compuestos de varios elementos metálicos y no metálicos que forman estructuras cristalinas y sólidas. Las hayamos bajo tierra agrupados en yacimientos subterráneos en algún nivel del subsuelo, pero ¿por qué estos elementos metálicos en su mayoría no se encuentran puros? ¿Por qué otros si se encuentran puros?

 Según la segunda ley de la termodinámica, los sistemas siempre tienen a encontrarse en su mínimo nivel energético y su mayor nivel de entropía, es decir, su energía interna tiende a agotarse lo más que se pueda. Pero esta condición está regulada por ciertos parámetros. Un mineral es tal y como es por las condiciones del lugar donde se encuentra. Por ejemplo en el subsuelo donde hay una mayor concentración de azufre y menor concentración de oxigeno los minerales se encuentran Sulfurados (asociados al Azufre)  y por el contrario en la superficie los minerales se encuentran Oxidados.

También el factor de temperatura afecta las condiciones en que se encuentran los minerales, por lo que en zonas volcánicas las rocas son muy distintas a las que se encuentran en zonas alejadas de estos focos de altas temperaturas.

 En el caso particular del Cobre, el que vamos a profundizar más en este ensayo, lo encontramos Oxidado o Sulfurado dependiendo de las condiciones del yacimiento

 Pero, industrialmente se necesita obtener el cobre en estado puro (metálico) como Cu⁺² para así poder moldearlo, o alearlo con otro metal. Se utiliza en la fabricación de cables y circuitos electrónicos, por su alta conductividad y ser más barato que otros metales nobles como el platino, la plata o el oro, estructuras, aleaciones como el bronce, el Latón, alpaca, cuproníqueles, etc.

Entonces para llevarlo de su estado de menor energía (natural) al estado puro (metalico) se requiere invertir energía. Con este principio vamos a modelar en parte lo que es la extracción del Cobre que es en esencia el mineral con mayor potencial económico en Chile por su abundancia.

 En primera instancia se extrae el Cobre del yacimiento por métodos mecánicos como lo son la detonación de explosivos que liberan una gran cantidad de energía al ser excitados con poca energía  (tienen un gran potencial químico que se encuentra en equilibrio), la onda de presión de gran magnitud rompe las estructuras de la roca separándola en rocas en rocas de considerable menor tamaño, luego son transportadas y arrojadas por piques de gran altura donde se aprovecha la energía potencial gravitatoria para así cuando impactan decenas de metros más abajo la reacción del suelo las separa en partes más pequeñas aun. Luego van a parar al Chancado y posteriormente a la molienda, todos estos procesos que gastan energía tienen como objetivo separar parcialmente la mena de la roca y a su vez disminuir el tamaño de esta lo más que se pueda, la mena es la parte mineral utilizable de la roca que en si está compuesta de muchos elementos.

 En el caso del grupo de Sulfurados  los minerales que más se aprovechan por su alto contenido en cobre son la Bornita, la Calcosina, la Enargita y la Calcopirita, que esta última es la más abundante en la naturaleza. El objetivo es exponer lo más que se pueda el mineral llevándolo a una granulometría lo más fina posible para acelerar los procesos de transferencia de calor y reacciones químicas. Pero después de la molienda los minerales de interés están mezclados con muchos otros minerales y elementos que no nos interesan, se separan mediante un proceso de flotación que discrimina los metales por la adherencia que tienen a las burbujas de aire con lo que logra obtener la Mena, luego se debe secar para poder abaratar costos de transporte y mejorar las operaciones de horno posteriores. 

Secado o Tostación

 El objetivo en este proceso es eliminar el agua líquida asociada a los minerales que fueron separados por la flotación, por lo que hay que elevar la temperatura para que el agua se evapore (reacción endotérmica)

Por entalpia cuantificamos la energía necesaria por mol para que esto ocurra

Suponemos:

 Temperatura Ambiente 25[°C]

 Presión Atmosférica Cte. 1[atm]

Pirometalurgia

 Este es el proceso de excelencia para tratar minerales sulfurados, ¿Cómo trabaja? Aprovechando el cambio de estado de los minerales sulfurados en presencia de oxigeno que abunda a nivel de mar. 

  En este punto la Mena se compone principalmente de Calcopirita (CuFeS₂), Bornita (Cu₅FeS₄ ) y Calcosina (Cu₂S)  que vamos a simplificar el proceso idealizando en que estos son los principales reactantes con el Oxígeno.

Proceso Horno Flash:

 La mena es introducida a un horno en donde se le inyecta Aire precalentado y enriquecido en Oxigeno y se mezcla con una cantidad de escorificante (Si₂O) que favorece la separación del hierro sobrante y otros minerales no deseados del Cobre, ocurre la reacción 

 Hacemos un balance para determinar lo que ocurre dentro del horno

antes de ser introducidos al horno a 25,15[°C]

Seguimos con las otras reacciones

 Para calcular la temperatura de la flama adiabática creada por la masiva liberación de energía del sistema, suponemos que toda la energía liberada se convierte en calor

por Kirchhoff  tenemos que

La temperatura en la práctica dentro del Horno es de 1473 a 1573 [°K]

Conclusiones: Se observa que esta reacción es Exotermica y espontanea (Autógena), esto ocurre, porque el potencial químico almacenado en los productos es mayor que el potencial de cualquier otro compuesto presente. el Oxigeno presente en el Aire inyectado Oxida rápidamente el mineral, liberando grandes cantidades de energía, que crean una llama adiabatica y eleva la temperatura interna del sistema Horno Flash. Cuando alcanza una temperatura estable 1473[°K]<  T <1573 [°K] es suficiente para fundir el Cobre, pero no el Hierro oxidado como Magnetita, por lo que se separan en fases de distintas densidades, en la fase liquida tenemos la Mata compuesta de Calcosina (Cu2S) y Sulfuro de Hierro (FeS) que es lo mas denso, luego flota la magnetita solida, y por encima tenemos la Escoria, que tiene en su mayor parte Oxidos de Hierro.