Química Mineralógica: interacción en procesos mineros, Universidad de Chile

Ingeniería de Minas

Química Mineralógica

fcfm Ingeniería de Minas FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS Y MATEMÁTICAS UNIVERSIDAD DE CHILE

Interacción Fisicoquímica Minerales - Procesos Mineros

3.3 Interacción fisicoquímica minerales - procesos mineros MI3100 - Química Mineralógica· Además de la ley, tipo de mineral presente y textura de la roca, las propiedades físicas de los minerales también juegan un rol importante en el tratamiento mineral.Propiedades Fisicoquímicas de los minerales Ingeniería de Minas FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS Y MATEMATICAS UNIVERSIDAD DE CHILE

• La minería explota las propiedades fisicoquímicas de los minerales y rocas para: Reducir su tamaño (dureza, resistencia, tenacidad, conductividad)
• Separarlos y extraer la mena (densidad, magnetismo, potencial superficial)
• Para extraer el elemento de interés de la mena (solubilidad, punto de fusión)Propiedades Fisicoquímicas de los minerales

Propiedades Fisicoquímicas de los Minerales

Las propiedades fisicoquímicas de los minerales son una expresión de la interrelación de la estructura cristalina y la composición química. Ejemplos: Composición química: afecta el color del mineral, densidad, magnetismo Tipo de enlace (potencial iónico):

• Enlace iónico: dureza y densidad moderada, puntos de fusión altos y malos conductores
• Enlace covalente: Son más insolubles, estables y con alto punto de fundición y dureza, y son malos conductores
• Enlace metálico: Debido a la naturaleza del enlace metálico, los metales tienen alta plasticidad, tenacidad, ductilidad y conductividad y menor dureza *Minerales generalmente pueden presentar más de un tipo de enlace Estructura cristalina y empaquetamiento: Afecta la dureza, resistencia a la compresión y densidad

Metallic bonding Metals Sulfides lonic bonding Halides Oxides Silicates Diamond Covalent bonding MI3100 - Química MineralógicaAlgunas propiedades relevantes

Propiedades Relevantes de Minerales

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1. Dureza
2. Resistencia y compresibilidad
3. Tenacidad
4. Conductividad
5. Color
6. Densidad
7. Magnetismo
8. Potencial Superficial
9. Solubilidad 7
10. Punto de fusión
11. Otros: Radioactividad, área superficial, forma de partícula 1 Reducción de tamaño Separación y clasificación Extracción del metal MI3100 - Química Mineralógicafcfm Ingeniería de Minas FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS Y MATEMATICAS UNIVERSIDAD DE CHILE

Propiedades Relevantes para la Reducción de Tamaño

Propiedades relevantes para la reducción de tamaño MI3100 - Química Mineralógica 6fcfm Ingeniería de Minas FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS Y MATEMÁTICAS UNIVERSIDAD DE CHILE

Reducción de Tamaño

Reducción de tamaño · Reducción de tamaño métrico a micrométrico · 2 modos principales: Abrasión: particle size + 0000000000000 Progeny fragments Parent particle Fractura de cuerpo: particle size 000000 Progeny fragments Parent particle MI3100 - Química Mineralógicafcfm Ingeniería de Minas FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS Y MATEMÁTICAS UNIVERSIDAD DE CHILE

Dureza de Minerales

1. Dureza (Hardness) Mohs Hardness Scale NATIONAL PARK SERVICE Increasing Hardness Mineral Name Scale Number Common Object Diamond 10 Corundum 9 Masonry Drill Bit (8.5) Topaz 8 Quartz 7 Steel Nail (6.5) Orthoclase 6 Knife/Glass Plate (5.5) Apatite 5 Fluorite 4 2012 Copper Penny (3.5) Calcite 3 Gypsum 2 Fingernail (2.5) Talc 1 · Oposición que ofrecen los materiales a la indentación o rayado (superficie) · Blando o Duro · Escala de Mohs: relativa y cualitativa MI3100 - Química Mineralógica1. Dureza fcfm Ingeniería de Minas FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS Y MATEMÁTICAS UNIVERSIDAD DE CHILE

Escalas de Dureza Knoop y Vickers

Diamond 8000 - Front View 1500 Diamond Pyramid Sample 6000 Knoop Hardness Vickers Berkovich Knoop Grodzinski - 1000 4000 136° 142º 172°30' 130° Corundum 500 2000 Knoop Hardness Topaz Ortho- Quartz clase Apatite Calcite Fluorite Talc Gypsum Vickers Hardness 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Finger nail Steel of a pocket knife Window glass Mohs Hardness Escala de Knoop y de Vickers son semi cuantitativas. · Se determina la dureza midiendo el área de la indentación hecha por un determinado material con forma específica (ej., diamante facetado) aplicado sobre la superficie mineral durante un tiempo y con una presión conocidos. . Comparando escalas se aprecia como la escala de Mohs no es linear. MI3100 - Química Mineralógica Force Plan View Pyramid Impression VcikersHardnessfcfm Ingeniería de Minas FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS Y MATEMÁTICAS UNIVERSIDAD DE CHILE

Relación de Dureza con Enlaces y Potencial Iónico

Relación con enlaces y PI: Hardness of oxide minerals of hard cations on part of the Earth Scientist's Periodic Table O 2+ R 3+ C 4+ N 5+ Diamond C It's not just about bond length. 1 Longer Shorter Corundum Al2O3 Topaz K+ Ca Lime 3.5 5.5 ·3-3.5 Shcherbinaite Al2SIO4(F,OH)2 Bromellite BeO Srilankite 6.5 Mineral of one cation: Sr2+ y 3+ N65) Mo6+ 7 Baddeleyite Molybdite Quartz SiO2 2+ _1 2 4 Mineral of two cations 5.5 La 3+ Hf 4+ Ta 5 W6+ Perovskite Tantite Th4+ A non-rutile synthetic TiO2 is the hardest known oxide. 6 Thorianite Ortho- clase KAISİ308 MgAl2O4 It's not just about bond strength. Zircon ZrSiO4 Inde Rutile TiO2 Alumotantite AITaO4 Fluorite CaF2 1 . Periclase MgO 2+ _1 8 4 2+ 1 N 6 3 Cations It's not just about bond strength. 2+ _1 Talc Gypsum CaSO4.H2O Lime 3 High z/r Rb Strong bonds, but Intermediate cation-cation Mg3Si4O10(OH)2 5+ 5 -= 1 Low z/r Weak cation- z/r repulsion Shorter It's not just about bond strength or bond length. Strong cation- oxygen bonds oxygen bonds Shcherbinaite V2O5 - 1 2 3 4 6 7 8 9 10 MI3100 - Quimica Mineralógica • Diamante: enlaces covalentes · Corindon: (Al2O3) forma el óxido más duro mientras que el topacio (Al2SiO4(F,OH)2) al incorporar Si (PI intermedio bajo) reduciría su dureza. • Talco: enlaces de Van der Walls entre capas · Calcita: (CaCO3) tiene Ca con bajo potencial iónico baja dureza. Óxidos tienen la dureza más alta después del diamante pues cationes con un potencial iónico intermedio tienen una densidad de carga suficientemente alta como para unirse fuertemente a los átomos de O2- pero a la vez suficientemente baja como para no sufrir una gran repulsión mutua entre cationes. This diagram has no vertical scale - vertical position of minerals is only a matter of graphical convenience. Be2 Li + Bromellite Chrysoberyi ·8.5 H=6 . 4 p5+ S 6+ Na + Periclase 5.5 Si ·7 Quartz Corundum H == Perovskite 2+ Cr 6+ H=4 Zr 4+ -65 ·3-4 3+ 1 -= 2 6 Minerals Spinel 4+ 4 = 1 Apatite Ca5(PO4)3F Calcite CaCO3 Conceptual model of the behavior of oxides of hard (and intermediate) cations Mohs Baddeleyite ZrO2 - 6 CaO 4+ 4 7 = 7 Longer 1 -10 - Mohs Hardness 1. Dureza Mg 2+ Spinel Al3+ Quartz Hardness (Mohs scale) THE61. Dureza fcfm Ingeniería de Minas FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS Y MATEMÁTICAS UNIVERSIDAD DE CHILE

Dureza y Presencia de Agua en la Estructura

Variscite Berlinite AIPO4 Diamond C AIPO4.2H2O Churchite-(Y) Xenotime Akdalaite Corundum Al 2O3 YPO4.2H2O YPO4 (Al2O3)4-H2O Posnjakite O Brochantite Cu4SO4(OH)6.2H2O Opal Lansfordite MgCO3.5H2O Magnesite SiOH20 Quartz SiO2 Nesquehonite MgCO3.3H2O Lautarite Bruggenite C Ca(IO3)2-H2O Index Ortho- clase KAISİ3O8 Thermonatrite Na 2CO3·H2O Natrite Apatite Ca5(PO4)3F Matron Na2CO3.10H2O Mohs Fluorite CaF 2 Calcite CaCO3 Gypsum O CaSO4-H2O · Anhydrite CaSO4 O Hydrous mineral Anhydrous mineral Krauskopfite C Talc Mg3Si4O10(OH)2 O Sanbornite BaSi 2O5 BaSi 2O5.3H2O 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Ice Mohs Hardness Relación con la presencia de agua en la estructura · Fases hidratadas son más blandos que sus contrapartes anhidras debido a que el H2O en estos minerales se une mediante puentes de hidrógeno MI3100 - Química Mineralógica This diagram has no vertical scale - vertical portion of minerals is only a matter of raphical convenience. Cu4SO4(OH)6 Minerals Topaz Al2SIO4(F,OH)2 :8 MgCO3 Ca(1032 8 Na2CO3 11. Dureza fcfm Ingeniería de Minas FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS Y MATEMÁTICAS UNIVERSIDAD DE CHILE

Dureza y Estructura Cristalina

Relación con la estructura cristalina 7 Kyanite OC on {001} Al2SiO5 Jon {010} on {100} parallel to {001} on {100} parallel to {010} + Minerals Corundum Al2O3 Muscovite KAI2AISI3010(OH)2 Quartz SiO2 perpendicular to cleavage + perpendicular to axis parallel to cleavage parallel to axis + ++ 710 790 0 Ortho- clase Apatite perpendicular to axis KAISi308 parallel to axis + + 430 Index COCOCO .Jf.5-5 b cococo Gypsum CaSO4.H2O Talc Mg3Si4O10(OH)2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Mohs Hardness · Dureza puede ser anisotrópica ya que varía dependiendo de la orientación de la cara cristalina. • Cambia en función de los enlaces presentes según la cara cristalina que se estudie. Calcite CaCO3 on {1011} Fluorite CaF2 on {1010} + + + + Syow + Topaz Al2SiO4(F,OH)2 dococo 360 Ca5(PO4)3(F,CI,OH) Diamond MI3100 - Química Mineralógica2. Resistencia (Strength) y compresibilidad fcfm Ingeniería de Minas FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS Y MATEMÁTICAS UNIVERSIDAD DE CHILE

Resistencia de Minerales

dreamstime dreamstime scamstime dreamstime dreamstime camstime dreamstime dreamstime • Resistencia: oposición de un mineral a fracturarse. Medida por la fuerza requerida para romper la estructura. Competente o no Competente o=F/A · Relacionado con la "Fractura" que nos indica la forma que esta genera al fracturarse · Se quiebra por planos de debilidad: Clivaje . No tiene planos de debilidad: concoidal (enlaces) * El diamante (mineral mas duro) se quiebra fácilmente con un golpe (baja resistencia o poco competente). MI3100 - Química Mineralógica2. Resistencia y compresibilidad fcfm Ingeniería de Minas FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS Y MATEMÁTICAS UNIVERSIDAD DE CHILE

Compresibilidad de Minerales

Compresibilidad: Deformabilidad de la estructura · Aumenta con un mayor radio del catión y anión · Aumenta con un mayor numero de coordinación Ej. Diamante: Su estructura cristalina no es "deformable" ya que tiene átomos pequeños y 4 cationes en coord. Tetraédrica Compressibility of polyhedra (By x 103 kbar1) Na-I 6.0 2 -- Lines joining data for ions of different charge and different coordination 5.0 Na-Br XII K-O VI Na-CI K-F O K-F 3.0 Ca-S Na-F 2.0 Ba-O Li-F Ca-F Mg-F VI Mg-O Ca-O IV AI-O Ca-O Si-O 0 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 Anion radius (Å) 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 Cation radius (Å) The data plotted here are from MI3100 - Química Mineralógica 0.0- 2+ cations in six-fold coordination with O2. Oxide and sulfide of Ca2+ in six-fold coordination 1.0 2+ cations in eight-fold coordination with F- 1+ cations in six-fold coordination with F- Na-F Halides of Na+ in six-fold coordination 4.0- Lines joining data for ions of the same charge and in the same coordination