Exámenes finales de termodinámica, cinética y purificación de metales

Exámenes finales

Termodinámica y cinética

• Haciendo uso del diagrama de Ellingham de óxidos, establezca las condiciones para realizar una fusión reductora del óxido de plomo utilizando C como reductor.
  • a) Formule la reacción global indicando el estado de agregación de cada uno de los constituyentes. Justifique la elección que ha hecho de la temperatura y la presión del proceso.
  • b) Calcule, para la reacción de reducción, la variación de energía libre y establezca si el proceso libera o absorbe calor. Finalmente, determine la variación de entropía de la reacción de reducción.
• Justifique el trazado de la línea de formación del óxido de magnesio. ¿ En qué condiciones la reacción es más exotérmica? ¿ Por qué?
• Establezca la reacción de reducción carbotérmica del óxido de cobre en la que el metal de interés se obtiene en estado fundido. Determine para dicha reacción las funciones termodinámicas (DGº, DHº, DSº).
• Establezca la reacción de reducción silicotérmica del óxido de zinc en la que el metal de interés se obtiene en estado vapor. Determine para dicha reacción las funciones termodinámicas (DGº, DHº, DSº).
• Explique por qué se forma la capa límite en un sistema sólido-líquido y cómo condiciona su presencia la cinética de una reacción de este tipo.

Electroquímica metalúrgica

• Con relación al sobrepotencial de desprendimiento de hidrógeno:
  • a) ¿Es un fenómeno anódico o catódico? ¿ Por qué? (incluya reacción).

El sobrepotencial es la diferencia entre el potencial termodinamico teórico y el real necesario para que ocurra esta reacción. Es causado por resistencias cinéticas en la superficie del electrodo. Es un fenómeno catódico, porque el desprendimiento de hidrógeno (H2) ocurre en el cátodo cuando se reduce el ion hidrógeno (H+ o H2O). Reacción típica (en medio ácido): 2H++2e->H2(g)

• b) ¿Qué implicaciones prácticas tiene en la electro-obtención de metales a partir de disoluciones acuosas?

El sobrepotencial de hidrógeno permite trabajar a potenciales donde se deposita el metal sin que se libere hidrógeno, incluso si el potencial de reducción del H+ es más positivo que el del metal. Ventaja práctica: Permite electrodepositar metales como Zn, Cd, Ni, etc., en medio acuoso, sin que el hidrógeno compita de forma significativa.

• c) ¿Y en la cementación de metales a partir de disoluciones acuosas?

En la cementación, un metal más reactivo reduce a otro metal desde la disolución acuosa. Si el sobrepotencial de hidrógeno es alto, se favorece que el metal reductor ceda electrones al metal a cementar en lugar de al H+, aumentando la eficiencia del proceso. Ejemplo práctico: El Fe cementa Cu2+ fácilmente porque el desprendimiento de H2 está cinéticamente limitado por el sobrepotencial, lo que favorece la reacción.

• ¿ Qué comportamiento tienen las impurezas en el electroafino del níquel? ¿ Qué características más sobresalientes presenta este proceso (incluya reacciones)?

Durante el electroafino del níquel, el níquel impuro (ánodo) se disuelve en una celda electrolítica y se deposita níquel puro en el cátodo, mientras que las impurezas se comportan de distintas formas: Comportamiento de las impurezas:

• Impurezas menos nobles que el níquel (como Fe, Co, Cu): -> Se disuelven en el electrolito, pero no se depositan en el cátodo si se controlan las condiciones de operación. -> Algunas pueden recuperarse en procesos posteriores.
• Impurezas más nobles que el níquel (como Au, Ag, Pt, Pd): -> No se disuelven y se acumulan como lodos anódicos en el fondo de la celda. -> Estos lodos son ricos en metales valiosos y se tratan por separado para ser recuperados.

Características sobresalientes del proceso:

• Produce níquel de alta pureza (>99.9%).
• Se realiza en medio ácido sulfúrico con electrólito de NiSO4 + H2SO4.
• Permite la recuperación de metales preciosos desde los lodos anódicos.
• Es un proceso selectivo y eficiente si se controlan voltaje, concentración y temperatura.

Reacciones principales:

• En el ánodo (oxidación): Ni (s) -> Ni2+ +2e-
• En el cátodo (reducción): Ni2+ +2e- - > Ni (s)

Escorias y matas: estructura y propiedades

• a) Defina el concepto de escoria y justifique el carácter ácido o básico de una escoria según la teoría ionica si se hiciera reaccionar 5 moles de SiO2 con 9 moles de CaO.

Una escoria es una fase fundida no metálica generada en procesos metalúrgicos. Sus funciones principales son:

• Disolver impurezas (como SiO2, FeO, Al2O3)
• Proteger al metal fundido de la oxidación
• Facilitar reacciones químicas y transporte iónico

Se forma por la combinación de óxidos ácidos y básicos, y se separa del metal por diferencia de densidad. V Carácter ácido o básico según la teoría iónica

• Óxidos básicos (como CaO, FeO): liberan 02-Itext{0}^{2-}02-
• Óxidos ácidos (como SiO2, P2O5): aceptan oxígeno (forman aniones complejos)

Relación básica: Relación básica = moles de óxidos básicos moles de óxidos ácidos

• Si la relación > 1 - escoria básica
• Si la relación < 1 - escoria ácida

SiO2 -> óxido ácido CaO -> óxido básico

• Relación básica: moles de óxidos básicos moles de óxidos ácidos 5 9 = 1,8
• Conclusión: Como la relación es > 1, la escoria es de carácter básico. Tendrá buena capacidad de captar óxidos ácidos y ayudar a purificar el metal.

• b) ¿Qué significaría y cómo se justificaría que la escoria que produce un horno de cuba tuviera un contenido apreciable del óxido del metal de interés?

indica que:

• Parte del metal deseado está presente en forma oxidada dentro de la escoria y no como metal puro.
• Hay una pérdida de metal valioso atrapado en la escoria, lo que reduce el rendimiento del proceso.
• La escoria no es solo un residuo, sino también un depósito de metal en estado oxidado.

¿Cómo se justifica?

• Ocurre por oxidación del metal durante el proceso debido a condiciones no óptimas, formando óxidos metálicos que quedan atrapados en la escoria.
• Refleja el equilibrio químico y redox dentro del horno.
• A veces se controla para ajustar la viscosidad, mejorar propiedades de la escoria o eliminar impurezas.

Metalurgia extractiva por fusión

• Asigne las siguientes ventajas y/o desventajas al horno de fusión más representativo. En cada caso, justifique:

Tipo de horno Ventajas Desventajas Horno de Cuba · Gran capacidad de tratamiento en poco volumen · Imposibilidad de tratar cargas pulverulentas · Funcionamiento sencillo · Combustible caro · Economía de combustible (excepto en operaciones · Pérdidas de CO en los gases y dificultad para reductoras) recuperarlos · Posibilidad de realizar operaciones desde oxidantes a reductoras · Necesidad de preparar la carga (tamaño y resistencia mecánica) Horno de Reverbero · Empleo de combustible barato · Control preciso de la T y de las reacciones químicas · Gastos de instalación elevados · Consumo elevado de refractarios · Puesta en marcha y parada muy lentas Horno Eléctrico · Posibilidad de trabajar en atmósferas ultrarreductoras · El coste de la energía eléctrica · Posibilidad de fundir productos muy refractarios · Consumo elevado de electrodos · No es necesario añadir fundentes · Consumo elevado de refractarios · Pérdidas de metales por volatilización pequeñas · Instalaciones compactas y de funcionamiento sencillo

1. No admite carga pulverulenta Horno de Cuba Necesita carga gruesa para permitir el paso de gases.
2. No es necesario añadir fundentes Horno Eléctrico Puede trabajar con carga limpia sin escoria adicional.
3. Las principales pérdidas térmicas son en forma de calor sensible Horno de Cuba Los gases calientes que salen por arriba pierden mucho calor.
4. Las principales reacciones tienen lugar en la interfase L-L Horno de Reverbero Interacción entre líquidos: mata y escoria.
5. El reductor efectivo es el CO, equilibrio de Boudouard importante Horno de Cuba CO es el reductor principal; el equilibrio C + CO2 = 2CO es clave.

• Consumo elevado de combustible
• Tratamiento de carga pulverulenta, no es necesaria la aglomeración
• Se requiere trabajar a gran escala para que el proceso sea rentable
• Posibilidad de utilizar escorias con márgenes de composición muy grandes

Electrólisis ignea y metalotermia

• En la operación de fusión reductora carbotérmica de menas metálicas oxidadas: a) ¿Cuál es el principal reactor donde se realiza el proceso? ¿ Por qué?

El principal reactor es el alto horno (o también un horno eléctrico de arco, dependiendo del metal). Porque permite alcanzar las altas temperaturas necesarias (superiores a 1500 ℃) para reducir óxidos metálicos con carbono. Además, proporciona un ambiente adecuado para la reacción entre el carbono (o el CO) y los óxidos metálicos, facilitando la separación del metal fundido y la escoria por diferencia de densidades. b) ¿Cuál es el principal reductor en este proceso? ¿ Por qué? El principal reductor es el carbono (C), en forma de carbon o coque, y también monóxido de carbono (CO), que se forma in situ. C y CO reducen los óxidos metálicos a metal puro, gracias a su alta afinidad por el oxígeno. La reacción típica es: Fe2O3+3C->2Fe+3CO Además, el CO formado también actúa como reductor secundario: Fe203+3CO ->2Fe+3CO2 c) ¿Qué papel juega el equilibrio de Boudouard (incluya reacción) en este proceso? El equilibrio de Boudouard es: Este equilibrio es fundamental para controlar la proporción entre CO y CO2 en el horno. A altas temperaturas, el equilibrio favorece la formación de CO, que es un agente reductor clave en la metalurgia. Permite mantener un ambiente reductor dentro del horno y favorece la reducción eficaz de los óxidos metálicos. d) ¿Cómo se forma la escoria en este proceso? La escoria se forma por la combinación de impurezas de la mena (como SiO2, Al2O3) con fundentes agregados (como CaO o cal). Reacción típica: SiO2+CaO->CaSiO3 (escoria)\text{SiO}_2 + Itext{CaO} \rightarrow \text{CaSiO}_3 |, (\text{escoria})SiO2+CaO->CaSiO3(escoria) Función de la escoria:

• Atraer y retener impurezas.
• Proteger el metal fundido de la oxidación.
• Facilitar la separación física del metal por diferencia de densidad.