FISICOQUIMICA

Grupo # 06.

Prof.: Miguel Ríos Br. Aponte Majier

Br. Soria Vanessa

19 de junio de 2012

Aluminio

El aluminio, de símbolo Al, es uno de los elementos más abundantes de la corteza terrestre (8%) y uno de los metales más caros en obtener. Su número atómico es 13 y se ubica en el grupo 13 de la tabla periódica. Su punto de fusión es muy cercano a los 2000ºC

Es un metal muy electropositivo y muy reactivo. En un medio oxidante, en particular en el aire, se cubre de una densa película de óxido que lo protege contra la corrosión. Por ésta razón los materiales hechos de aluminio no se oxidan

La producción anual se cifra en unos 33,1 millones de toneladas, siendo China y Rusia los productores más destacados, con 8,7 y 3,7 millones respectivamente. Una parte muy importante de la producción mundial es producto del reciclaje.

A diferencia del material primario, obtenido por vía electrolítica, el metal secundario o segunda fusión, se obtiene de diversos tipos de trozos procedentes de la elaboración primaria del aluminio (chatarras) y de la recuperación del aluminio de materiales que lo contienen y que han sido desechados.

Actualmente el término secundario no se considera a efectos de calidad, pero fundamentalmente tiene un significado de origen, porque en muchos casos la tecnología de refinado, o sea la producción del metal de segunda fusión, permite obtener metal de elevada pureza; igualmente el material bruto también se utiliza en la producción de aleaciones con tolerancias químicas muy amplia utilizadas exclusivamente en la industria de fundición a presión.

Independientemente de las consideraciones cualitativas, el aluminio secundario es mucho más económico de producción que el material electrolítico y, todavía más importante, bajo el aspecto energético se pone con relación al primario en la porción 1/25.

Historia de la Síntesis del Aluminio

En 1809, el inglés Humphrey Davy intentó sin éxito sintetizar el aluminio, y a pesar de su fracaso intuyó su nombre, quería llamarle aluminium

Los primeros pasos para conseguir aislarlo fueron dados por el danés Hans Christian Oersted, quien obtuvo a principios del siglo XIX el aluminio de manera impura (contenía niveles de plomo).

En 1827 el químico alemán Friedrich Wohler obtuvo un polvo gris de aluminio impuro que contenía además de potasio, cloruro de aluminio no reducido.

En 1845 logró mejorar su método produciendo pequeñas bolitas de un metal lo suficientemente puro para describir con exactitud las propiedades del aluminio.

En 1845 Bunsen preparó electrolíticamente el aluminio partiendo del compuesto cloruro alumínico sódico y Deville perfeccionó el procedimiento fabricando por primera vez el aluminio en lingotes. Así comenzó la producción industrial de éste metal.

Hasta 1884, el aluminio era considerado un metal semiprecioso. El costo de producción era de unos veinte dólares por kilogramo, utilizándose exclusivamente en joyería y trabajos ornamentales.

En 1886 Hall y Héroult descubrieron que el óxido de aluminio era soluble en criolita fundida y que la mezcla podía electrolizarse con un rendimiento comercial superior al existente, obteniéndose un aluminio purísimo (proceso moderno de la electrólisis de la alúmina). El gran problema del aluminio es el precio de la energía que consume su producción, la cual representa entre un 25 y un 30% del costo de producción del metal. Por esta razón se están desarrollando procesos alternativos que permitan la reducción de la energía necesaria.

Materias primas

Para la obtención del aluminio se usan menas que contienen Al2O3. Entre estas están las:

Bauxitas: Las bauxitas contienen el equivalente a 30-57% de Al2O3 en forma de hidróxido de aluminio Al(OH)3 ; 17-35% de Fe2O3 ; 3-13% de SiO2 ; 2-4% de TiO2 ; hasta 3% de CaO y 10-18% de H2O.

Nefelinas: Las nefelinas se producen en forma de colas, después del beneficio de rocas de apatitas y contienen cerca de 30% de Al2O3; 20% de Na2O+K2O; 40-45% de SiO2; 2-4% de CaO y 2-4% de Fe2O3.

Alunitas: Las alunitas contienen 20-21% Al2O3; 4.5-5% de Na2O+K2O; 22-23% de SO3; 41-42% de SiO2; 4-5% de Fe2O3 y 6-7% de H2O.

Caolines.

Las menas principales para la producción de aluminio son las bauxitas y las nefelinas. Al usarse las nefelinas para la producción de aluminio se obtienen valiosos productos derivados; la potasa y la sosa caústica.

Por otro lado, la bauxita que recibe su nombre de la localidad francesa de Les Baux, donde fue extraída por primera vez y actualmente sus principales yacimientos se encuentran en el Caribe, Australia, Brasil y África porque la bauxita extraída allí se disgrega con más facilidad. Es un aglomerado de diversos compuestos que contiene caolinita, cuarzo óxidos de hierro y titania, y donde el aluminio se presenta en varias formas hidróxidas como la gibbsita Al (OH)3, la boehmita AlO(OH) y la diásporo AlO(OH).

Proceso de producción

El proceso tecnológico para la elaboración del aluminio se divide, en lo fundamental, en dos etapas:

1. La obtención de la alúmina (Al2O3) a partir de la mena. (Proceso Bayer) 2. La obtención del aluminio a partir de la alúmina. (Proceso Hall-Héroult)

Es importante mencionar que al proceso al que haremos mención es el de electrólisis (proceso Hall-Héroult) éste el más eficiente y, por ende el método predominante y casi único a escala mundial por la industria para producir aluminio.

1. Obtención de la Alúmina (Proceso Bayer: tratamiento con sosa caustica)

Antes de adentrarnos a los diferentes procesos de obtención de aluminio sería importante mencionar la forma mediante la cual se obtiene la alúmina, ya que ésta será la materia prima esencial en la elaboración de aluminio

El proceso Bayer, inventado por Karl Bayer en 1889, es el método utilizado mayoritariamente para la producción de alúmina a partir de bauxita.

Según este procedimiento, la bauxita transportada desde la mina se muele y tritura hasta quedar pulverizada y se carga a unos autoclaves para su lixiviación. A los autoclaves se agrega una disolución de sosa caústica, cal y se suministra vapor de agua, todo esto hace que la bauxita se disuelva en la sosa. Esta dilución se lleva a cabo a bajas presiones y altas temperaturas.

La alúmina, que se encuentra en la bauxita en forma de hidróxido de aluminio, reacciona con la sosa y pasa a la disolución aluminato sódico (Na2O.Al2O3):

2 Al (OH )3+2NA(OH )→Na2O . Al2O3+4H 2O

Los óxidos de hierro presentes, no reaccionan y pasan a los lodos decantados.La sílice reacciona con la sosa y pasa a la disolución en forma de silicato sódico (Na2O.SiO2):

SiO2+2NA (OH )→Na2O .SiO2+H 2O

El silicato sódico, actúa con el aluminato sódico en la disolución y forma el alumino -silicato sódico insoluble (Na2O.SiO2.2SiO2.2H2O):

Na2O . Al2O3+2Na2O .SiO2+4H2O→Na2O. SiO2 .2 SiO2 .2H 2O+4Na(OH )

Como resultado de esta reacción, la disolución se limpia de sílice pero cierta cantidad de aluminio pasa a los precipitados.

Es por esto que para incrementar la producción de aluminio se necesita una bauxita con la más baja cantidad de sílice posible, debido a que la producción de aluminio silicato de sodio insoluble produce una pérdida de alúmina

Finalmente se ha obtenido el aluminato sódico (Na2O.Al2O3) como una masa pastosa en el autoclave. Del autoclave se envía a un aparato de evaporación especial (un intercambiador de calor), donde la masa se enfría y se hidroliza o se le agrega agua al aluminato sódico para obtener el hidróxido de aluminio (Al(OH)3) cristalino precipitado. Este proceso se inocula con cristales de hidróxido de aluminio para servir de centros de cristalización.

Na2O . Al2O3+4H2O→Na(OH )+2 Al(OH )3

Un filtro permite separar la alúmina de la sosa. Finalmente se hace la calcinación a 1200ºC del hidróxido obtenido en hornos rotatorios para convertirlo en alúmina (Al2O3) eliminando la humedad:

2 Al (OH )3→Al2O3+H 2O

En un refrigerador se enfría la alúmina hasta la temperatura ambiente.

El rendimiento de alúmina a partir de la mena, por este procedimiento es cerca del 87%.

2. Obtención del aluminio. (Proceso Hall-Héroult: Electrólisis de la alúmina)

La electrólisis es un proceso electroquímico en el que se utiliza el paso de la corriente eléctrica a través de una solución que contiene compuestos disociados en iones para provocar una serie de transformaciones químicas. La corriente eléctrica se proporciona a la solución sumergiendo en ella dos electrodos, uno llamado cátodo y otro llamado ánodo, conectados respectivamente al polo negativo y al polo positivo de una fuente de corriente continua. Para este caso la electrolisis descompone la alúmina en aluminio y oxígeno y se aplica el uso de corriente eléctrica para lograr la reducción debido a que la elevada reactividad del aluminio impide extraerlo de la alúmina mediante reducción directa.

El aluminio se obtiene por electrólisis, a partir de la alúmina disuelta en criolita (Na3AlF6) fundida. Esto se debe a que la alúmina, que es una material de tipo refractario, posee un alto punto de fusión, por lo que es conveniente realizar previamente la disolución en criolita, Na3AlF6, que tiene un punto de fusión que ronda los 1000ºC, bastante inferior al punto de fusión de la alúmina, el cual es de 2015ºC, lo que reduce el punto de fusión final del baño fundido, que es un conductor de

la corriente eléctrica (electrolito).La criolita se produce usando fluorita (CaF2), el hidróxido de aluminio, el carbonato sódico y el ácido sulfúrico.

Se acepta que el proceso electrolítico transcurre como sigue:

Bajo la acción de la corriente la criolita fundida se disocia en iones.

Na3 AlF6→

3Na+¿+AlF63−¿¿ ¿

La alúmina disuelta también se disocia en iones.

Al2O3→Al3

+¿+AlO33−¿¿ ¿

De manera que son transportados al cátodo los iones 3Na+ y Al3+, como el ion de aluminio tiene un potencial negativo menor que el sódico, se descarga allí solo el aluminio, convirtiéndose en aluminio metálico que precipita en el fondo del baño caliente en forma líquida.

Al3+¿+3e−¿

→Al 0E=−1,57 ¿

¿

Na+¿+e−¿

→Na0 E=−2,71¿

¿

Los iones de sodio reaccionan con el anión AlO33-para formar aluminato sódico según:

3Na+¿+ AlO3

3−¿→Na3 A lO3 ¿

¿

Los iones negativos o aniones se dirigen al ánodo, se forma allí alúmina y se desprende oxígeno, según:

2 AlO33−¿−6e

−¿→

Al2O

3+ 3

2O

2

¿

¿

El oxigeno desprendido reacciona con el carbón para formar CO y CO2 que se desprenden del baño como gases.

Estas reacciones pueden reducir la eficiencia de la célula e incrementar el consumo de carbón de la misma.

El aluminio formado al ser más denso que el electrolito se funde en el fondo del baño, así el aluminio líquido queda protegido de la oxidación.

El metal que se separa en el horno de electrólisis se saca a intervalos regulares (aunque el fondo ha de quedar siempre cubierto). El aluminio líquido se extrae de la cuba por medio de un sifón utilizando el vacío para evitar tener que utilizar a esas temperaturas bombas y válvulas, y se calienta en un horno para separar del metal las partículas de criolita arrastradas y eliminar los gases disueltos y, finalmente, se cuela en barras o en moldes.

El aluminio así obtenido tiene un grado de pureza que va desde el 99,7% al 99,9%, aceptable para la mayoría de las aplicaciones. Sin embargo, para algún uso especial se necesita aluminio de alta pureza, especialmente si se requiere una ductilidad o conductividad elevada, con lo que es necesario el uso de celdas de refinado.

Otra posibilidad es que el aluminio obtenido se mezcle con determinados elementos (Fe, Si, Mg, Cu y Zn principalmente) formando distintos tipos de aleaciones con las propiedades mecánicas requeridas (elasticidad, resistencia a la corrosión, etc.).

Lo normal es que el aluminio se obtenga en forma de lingotes para luego someterlo a distintos procesos que nos permiten obtener los semielaborados de aluminio: productos laminados, extrusionados, piezas forjadas, etc., que a continuación permitirán obtener los productos acabados para el mercado de consumo.

Rendimientos

Al emplear el procedimiento Bayer descrito, la extracción de la alúmina constituye cerca de 87% para producir 1ton de alúmina se gastan de 2,0 a 2,5 ton de bauxita, 70 a 90 kg de NaOH, cerca de 120kg de cal, de 7 a 9 ton de vapor y cerca de 280kw de energía eléctrica.

Por el método Hall-Héroult, para obtener una tonelada de aluminio se usan 2 toneladas de alúmina, 100 kg de criolita, hasta 600 kg de los electrodos de carbón y de 15.000 a 20.000 Kwh de energía eléctrica.

En conclusión unas 4 a 5 ton de bauxita nos proporcionaran dos ton de alúmina, y de ésta seguidamente y por electrolisis se obtendrá 1ton de aluminio.

La distribución del consumo energético de producción está dispuesta de la siguiente forma:70% lo consume el proceso electrolítico, 10% los consume el proceso Bayer para la obtención de la alúmina y el 10% restante lo consumen los procesamientos del metal (purificaciones, aleaciones, acabados)

Afinación o Purificación del Aluminio (Alternativa final de la Producción.

El aluminio obtenido de las cubas de electrólisis de la alúmina contiene cierta cantidad de impurezas, alúmina, criolita y gases, por lo que para obtener aluminio de alta pureza (99.85-99.9%) se someten a un proceso de afinación.

Hay dos vías principales para afinar o purificar el aluminio:

La clorinación: Por este método se insufla cloro a la masa de aluminio fundido a temperatura de entre 750-770ºC, durante unos 10-15 minutos. Durante la insuflación las

impurezas reaccionan con el cloro y se separan del aluminio, aunque una parte (1%) del aluminio reacciona también y se separa, produciendo pérdidas del material.

La afinación electrolítica: Para afinar el aluminio por el método electrolítico, las barras de aluminio impuro se colocan como ánodos en un baño de sales de cloro y flúor y este se descarga a pureza muy elevada en cátodos hechos de aluminio puro.

Descripción de la celda

El baño electrolítico se compone de una caja o cuba, ésta es una estructura de acero en forma rectangular abierta, cubierta en su interior por ladrillos refractarios (termoaislantes) que circundan bloques de carbón catódico y a su vez contiene al electrolito y al aluminio líquido. Estas son organizadas en serie dentro de la planta de producción de aluminio y se asientan sobre hormigón.

Por encima de las cuba se colocan otros electrodos de carbón (ánodos), inmersos en el baño fundido y suspendidos de una estructura de acero (superestructura) que es soportada por el casco. Estos ánodos se conectan a corriente eléctrica necesariamente directa, con un potencial de 5 a 10 V. Con ello se produce la circulación de una corriente muy elevada de entre 40.000 y 100.000A, que además de producir la electrólisis, calienta la solución de alúmina en la criolita fundida hasta 950-1000ºC, manteniéndola líquida. Por esta razón el consumo energético que se utiliza para obtener aluminio es muy elevado y lo convierte en uno de los metales más caros de obtener, ya que es necesario gastar de 15 a 20 kWh para obtener un kilo de metal de aluminio.

La corriente eléctrica es conducida por medio de las barras colectoras a las celdas electrolíticas, distribuyéndose por los ánodos, baño, cátodos y las barras colectoras de una celda a otra. La corriente entra a una celda a través de los ánodos, fluye por medio del electrolito y del metal líquido, donde ocurre el proceso de electrólisis; luego las barras colectoras de acero, unidas al recubrimiento de carbón del fondo, conducen la corriente desde la celda.

Los eventos principales que ocurren en el período de arranque de una celda son: la adición del baño caliente, la conexión de la corriente a la celda y la puesta en marcha del proceso de electrólisis.

Para instalar una celda de reducción se debe contar, esencialmente, con un casco de acero, una cuba, una superestructura que sujeta a los ánodos durante el proceso de electrólisis y con los electrodos mismos. Y dependiendo del tipo de celda varían las toneladas de electrolito, el número de ánodos, el tiempo de residencia, entre otros.

Descripción de los sistemas principales de la celda:

Electrolito

El electrolito usado es la criolita en baño fundido con la alúmina, que se encuentra entre los 950-1000ºC dentro de la celda.

Ánodo

Es un bloque de carbón obtenido a partir de una mezcla de coque aglutinado con brea (subproductos de la refinación del petróleo), llevados a un horno (precocidos) y envarillado metálico. Estos están conectados al puente o barra colectora por lo cual se desplazan, alejándose o acercándose al cátodo en conjunto y están parcialmente sumergidos en el baño electrolítico. Los ánodos por lo común son de sección cuadrada o rectangular. El carbón del ánodo se oxida durante la electrólisis, es decir, se consume el electrodo .Por lo que al alcanzar una cierta altura deben ser cambiados.( Su tiempo de vida útil es de aproximadamente veinte días). La reacción que se lleva a cabo en el mismo es la siguiente

ÁnodoC (S)+2O2−¿

→CO2( g)+ 4e−¿¿ ¿

Cátodo

El cátodo consiste en un armazón de grafito incrustado en barras de acero para realizar la conexión eléctrica en la cuba de acero. De hecho en forma general el sistema catódico está constituido por la propia vasija electrolítica que contiene el metal fundido, los bloques de antracita, coque y grafito, que son cocidos durante el arranque de la celda. E incluye barras colectoras primarias y secundarias.( Durante el proceso el propio aluminio líquido funciona como cátodo)

Generalmente la vida útil del sistema que envuelve un cátodo es de 1.500 a 3.000 días. Y la reacción de reducción que se lleva a cabo en el mismo es la siguiente:

Cátodo Al3+¿+3e−¿

→Al (l) ¿

¿

La reacción global llevada a cabo en la celda es la que sigue a continuación:

4 Al(l )3+¿+6O(l)

2−¿+3C(S)→

4 Al(l)+3CO2(g) ¿

¿

ANEXOS

Esquema general de la producción de aluminio primario

Proceso Bayer Proceso Hall-Héroult

Celda Electrolítica