METALES Y MINERALES

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Autores:
● Yupanqui Cardenas, Yamir Luis
● Díaz Arrascue, Bruno Alejandro
● Aguirre Macedo, Arnold Smith
● Perez Cuevas, Ramiro Gabriel

Fig. 1. ILUSTRACIÓN DE METALES. Recuperado de:
https://es.dreamstime.com/diversos-minerales-con-nombres-aislados-en-blanco-image116596882

1. Introducción

En la naturaleza, las diversas distribuciones que pueden hacer los átomos, logran una infinidad de tipos de materia, lo cual diversifica sus condiciones químicas, sus funciones y sus propiedades. La corteza y el manto terrestre están formadas por material mineral, es decir, por rocas de distinta naturaleza y de distinto estado físico en función de las condiciones fisicoquímicas que se encuentran en la Tierra. Los minerales son compuestos químicos naturales, en su mayoría cristalinos, cuyos agregados forman los tres grandes tipos de rocas: ígneas (solidificadas a partir de materia viva fundida), sedimentarias (formadas por la erosión de rocas preexistentes, seguida de una nueva deposición) y metamórficas (formadas por la acción de la presión y la temperatura en rocas preexistentes). La corteza terrestre y los océanos son la fuente de una amplia variedad de minerales útiles y esenciales, gracias a eso los seres humanos han logrado obtener diversos recursos a lo largo de la historia. Gracias a la química y sus ramificaciones, el ser humano fue capaz de comprender la naturaleza de los minerales y metales y poder usarlos en diferentes contextos, como por ejemplo la conducción de la electricidad, producción de diversos fármacos, aplicaciones en tecnología y en medicina, etc. En general, cada uno de los casi 4000 minerales de la tierra está exclusivamente definido por su composición química y su estructura interna. En otras palabras, cada muestra del mismo mineral contiene los mismos elementos reunidos en un modelo regular y repetitivo.

2. Definición

Un mineral es una sustancia natural, de composición química definida, normalmente sólida e
inorgánica, y que tiene una cierta estructura cristalina. Sus composiciones químicas y sus estructuras suelen presentarse en formas o contornos geométricos. En la naturaleza, se suele encontrar en varias maneras; como por ejemplo de manera pura (un sólo elemento, como el azufre nativo, oro, plata, cobre) o una combinación de varios, tal es el caso de algunos compuestos químicos como el cuarzo (silicio y oxígeno) o también la carnotita (potasio, uranio, oxígeno, vanadio e hidrógeno). La definición exacta de un mineral es objeto de debate, especialmente con respecto a la exigencia de ser abiogénico, y en menor medida, a si debe tener una estructura atómica ordenada. Por ello, la ciencia encargada del estudio de los minerales se llama mineralogía.
Entonces podemos definirlos como sólidos homogéneos, los cuales se forman por procesos naturales, y generalmente inorgánicos con una composición química definida que, a veces, no es fija; pero presentan una disposición atómica ordenada, es decir, posee una estructura cristalina. Según la Asociación internacional de Mineralogía, hay más de 5300 especies minerales conocidas, además que se descubren y describen nuevos minerales, entre 50 y 80 al año. La diversidad y abundancia de especies minerales es controlada por la química de la Tierra.

VIDEO 1: EXPLICACIÓN DE LA FORMACIÓN DE CRISTALES EN MINERALES

3. Propiedades:

Color: Es causada por la radiación electromagnética que interactúa con los electrones (excepto en el caso de incandescencia, que no se aplica a los minerales). Para muchos minerales el color es distintivo, aunque para otros se trata de una propiedad altamente variable, y por lo tanto insegura para identificarlo.
La raya: El color del polvo fino de un mineral se conoce como raya o huella. Se emplea
frecuentemente en la identificación de minerales, porque, aunque el color de un mineral puede variar entre límites amplios, el de la raya es normalmente constante. Un ejemplo común de esta propiedad se ilustra con la hematita, que es de color negro pero que tiene una raya de color rojo cereza.31 a marrón rojizo. Sin embargo, la prueba de la raya se ve limitada por la dureza del mineral, ya que los minerales de dureza superior a siete rayan ellos la placa.

Fig. 2. ILUSTRACIÓN DE RAYAS DE MINERALES. recuperado de:
https://www.cuevadelcivil.com/2010/12/mineralogia-fisica.html

Brillo: El lustre o brillo indica cómo se refleja la luz que incide sobre la superficie del mineral, una propiedad que no depende del color y sí de su naturaleza química: es más intenso en sustancias que tienen enlaces metálicos y menor en las de enlaces iónicos o covalentes. Los minerales que tienen el aspecto brillante de un metal, tienen un brillo metálico, y son completamente opacos a la luz. Los minerales con brillo no metálico son, en general, de colores claros y transmiten la luz, sino a través de secciones gruesas sí, al menos, a través de láminas delgadas.
Fluorescencia y fosforescencia: Los minerales que se hacen luminiscentes al ser expuestos a la acción de los rayos ultravioletas, rayos X o rayos catódicos son fluorescentes. Si la luminiscencia continúa después de haber sido cortada la fuente energética que incide sobre ellos, se dice entonces que el mineral es fosforescente.
Dureza: Es la resistencia que ofrece la superficie lisa de un mineral a ser rayada. Un ejemplo de esta propiedad se muestra en la cianita, que tiene una dureza de Mohs de 5½ en la dirección paralela a [001], pero de 7 paralela a [100]. El mineralogista austriaco F. Mohs, estableció en 1824 una escala de 10 minerales frecuentes en la naturaleza de manera que, con estos valores, por comparación se puede definir la dureza relativa de cualquier mineral.

  • Talco: se raya fácilmente con la uña.
  • Yeso: se raya con la uña con dificultad.
  • Calcita: se raya con una moneda de cobre.
  • Fluorita: se raya con una navaja de acero.
  • Apatito: se raya difícilmente con una navaja de acero.
  • Ortosa u ortoclasa: se raya con una lima de acero.
  • Cuarzo: raya el vidrio.
  • Topacio: raya a todos los anteriores. Se raya con herramientas de tungsteno.
  • Corindón: se raya con el carburo de silicio.
  • Diamante: es el mineral natural más duro. Se raya, únicamente, con otro diamante.

Fig. 3. MINERALES DE LA ESCALA DE MOHS. RECUPERADO DE:
https://www.areametalurgia.com/post/escala-de-mohs-la-dureza-de-los-minerales

4. Ley de un mineral y pureza (Tomado del trabajo elaborado por Chamorro Callupe, Ana Lucía; Pacheco Feijoo, Fermin Rivaldo; Romero Güere, Carlos Fabian; Mestanza Lima, Thiago Dali)

La ley de un mineral es la estimación que se encarga de manifestar la concentración de dicho mineral en la mena por cada tonelada de mena. “Un depósito mineral cuya concentración es económicamente factible para extraer el metal deseado, se conoce como mena”. (Chang 13va Edición, 2020:933). De este modo, la ley mineral concierne a la concentración metálica en la mena, a su vez guardando así relación con el grado de pureza del mineral determinado de un yacimiento específico. Cabe resaltar que la pureza de un mineral guarda relación directa entre la masa obtenida del elemento compuesto con la masa total del compuesto. Esto debido a que el metal no se podría obtener sin antes ser separado del mineral determinado.

5. ¿Qué es la composición porcentual?

La composición porcentual es una proporción cuantitativa que posee un elemento en un compuesto medido en porcentaje de masa por 100 g del mineral. Ayuda a determinar qué cantidad del metal con el que se trabajará se requerirá. Haciendo uso de la fórmula de la composición porcentual, determinaremos una relación entre los moles de la masa molar del metal con la masa molar del mineral. (Fuente: Blog metales y minerales 2020.1)

6. Metales que pueden extraerse del Perú y su proceso de extracción

La producción de minerales metálicos en el Perú, se concentra en el cobre, oro, zinc, plata, plomo, hierro, estaño y molibdeno. La principal fuente de depósitos minerales es La Cordillera de los Andes. De acuerdo a lo reportado por el Ministerio de Minas y Energía, se tiene que,

  • Cobre (Cu)
    La región de Arequipa es la principal productora de cobre (22%) seguida por Ancash (19%),
    Cusco(15%) y Apurímac (14%). El proceso de extracción se puede realizar a tajo abierto o de manera subterránea. El tajo abierto es una minería de superficie técnica de extracción de roca o minerales de la tierra a partir de un pozo al aire libre, mientras que la explotación subterránea consiste en la perforación y voladura de zonas para el minado (Del Águila y otros, 2017).

Fig. 4. Minería a cielo abierto o tajo abierto. recuperado de:
https://geoinnova.org/blog-territorio/mineria-cielo-abierto-impactos/

● Oro (Au)
La región La Libertad representa cerca del 29% de la producción total de oro del país, seguida por la de Cajamarca (24%), Arequipa y Madre de Dios (12%), y Ayacucho (7%). La extracción del oro se hace por un proceso de lixiviación (Ministerio de Energía y Minas. s.f.). El principio básico de la cianuración es que las soluciones alcalinas débiles tienen una movimiento directa disolvente preferencial sobre el oro contenido en el mineral (Azañero, 2001).

Fig. 5. Lixiviación en tajo abierto . recuperado de:
https://www.rumbominero.com/peru/noticias/mineria/la-zanja-detalla-proceso-de-optimizaciony-
reduccion-de-costos-en-el-pad-de-lixiviacion/

● Plomo (Pb)
La región de Pasco representó 28% de la producción total de plomo del país, seguida por las regiones de Lima (19%), Junín (16%) y Ancash (10%). Usualmente se puede encontrar con otros metales como el zinc, la plata o el cobre (Sociedad Nacional de Minería, Petróleo y Energía. s.f.). Como tal no se encuentra en su estado natural sino en minerales oxidados como la cerusita o la anglesita (Azareño y otros, 2002), lo que hace necesario un proceso de flotación y posteriormente se funde para unificarlo.
Zinc (Zn)
Las principales regiones productoras de zinc son Ancash y Junín (cerca del 23% cada una), Pasco
(20%), Ica (13%) y Lima (10%). El proceso de extracción es subterráneo, de canteras abiertas o
residuos. El concentrado resultante se calcina a 1223°K oxidando el zinc, el sulfuro y el hierro,
posteriormente se pulverizan y lixivian con ácido sulfúrico diluido, se neutralizan y filtran. (General Kinematics s.f.)
● Plata (Ag)
La región de Junín ocupó el primer lugar entre las regiones productoras de plata del país y representó cerca del 20%, seguida de las regiones de Lima y Ancash (18% cada una) y Pasco (15%). La plata puede obtenerse como un residuo del refinado de otros metales. Los procesos usados son lixiviación química o fundición. (Ministerio de Energía y Minas. s.f.).

Fig. 6. Fundición . Recuperado de:https://camiper.com/tiempominero-noticias-en-mineria-para-el-peru-y-el-mundo/tecnologiaminera- y-su-uso-en-las-fundiciones-de-cobre/

● Hierro (Fe)
Su extracción se concentra en la mina Marcona en Ica. El proceso consiste en la perforación del suelo para posteriormente cargarlo de una mezcla explosiva, las rocas resultantes son chancadas hasta tener el tamaño de crudo, y finalmente se utiliza un proceso de separación magnética. (SHOUGANG HIERRO PERU S.A.A. s.f.).

Fig. 7. Fundición . Recuperado
de:https://buntingmagnetics.com/es/industrias/agregado-de-mineria-y-minerales/

7. Refinación de metales

Los metales obtenidos del proceso de extracción primaria suelen contener impurezas que se generan en la mena, el fundente o el combustible. Para poder utilizar estos metales, es necesario someterlos a uno o más procesos de refinamiento. Refinar es producir metal tan puro como sea posible.
El proceso de refinación se basa en la distribución de diversos elementos, la cual se presenta en fases distintas; estas mismas fases pueden separarse mediante métodos físicos. Vale la pena mencionar que el proceso de refinación de metales no es más que uno de separación de mezcla. En general, estos procesos se pueden dividir en dos categorías:

● Metal-Escoria: El proceso importante aquí es la oxidación y eliminación de la escoria
metálica. El proceso de la fabricación de acero y el refinado a alta temperatura de cobre y
plomo son un ejemplo.
● Metal-Metal: En este proceso, la licuación y refinación se realizan por zonas. En la mayoría
de casos, para los metales más puros.
Los tres métodos básicos de refinación son la pirometalurgia, la electrólisis y la reducción química. Cada uno basado en los atributos únicos de los elementos por separado (fusión, densidad y electronegatividad).

❖ Pirometalurgia

Como su propio nombre indica, el proceso se lleva a cabo a altas temperaturas. La refinación
pirometalúrgica no puede ser definida como tal, debido a que presenta variaciones que se
usarán dependiendo del metal con el que se esté trabajando. Entre las más empleadas
tenemos:
➢ Licuefacción: Tiene como base a las diferencias de densidades y temperaturas de
fusión. Usado generalmente para la eliminación de Cu, Au, Ag. Efectivo para la
refinación de estaño.
➢ Recristalización fraccionada: Usa la variación de las solubilidades de un aditivo
metálico en su fase líquida y sólida. Usado generalmente para materiales
semiconductores.
➢ Purificación por zonas: Se emplea un sistema de calefacción eléctrica, con la ayuda
de una barra de metal. A lo largo de la barra, el metal se desplaza y se funde. La zona
que se funde se arrastra hasta el final y al enfriarse se parte. Este proceso se lleva a
cabo varias veces más.
➢ Afino por oxidación: Después de fundir el metal, las impurezas pueden reaccionar
con el oxígeno del ambiente, formando óxido que se desprende fácilmente.
➢ Afino por destilación: Se requiere una diferencia suficiente entre las temperaturas de
ebullición de los metales (el que se quiere refinar y los que lo acompañan). Así, se
obtienen uno de los metales en estado gaseoso y el resto, líquido.

❖ Refinado electrolítico

El proceso de electrólisis consiste en la separación de elementos de un compuesto mediante el
uso de la electricidad. El uso de la electrólisis para la purificación de metales se debe a que el
metal principal tiene distintos potenciales electroquímicos con los demás. Por ejemplo, el
potencial de electrodo del cobre es +0.346; mientras que para el oro y la plata son mayores y
para otros como el níquel, hierro, zinc son negativos.
Como ejemplo, en el caso de refinación del Cobre:
El proceso se realiza en celdas electrolíticas donde se colocan un ánodo de cobre blister y un
cátodo de cobre puro en una solución de H2SO4 (ácido sulfúrico) con H2O. A este sistema se
le hace pasar corriente eléctrica de baja potencia, lo que genera que el cobre del ánodo se
disuelva y vaya al cátodo, logrando la purificación.

Fig. 8. Refinación de metales . Recuperado de:
https://enlinea.zacatecas.tecnm.mx/pluginfile.php/12830/mod_resource/content/6/GUIA
%20DE%20ESTUDIO%20DE%20LA%20MATERIA%20DE%20PMNF%20UNIDAD
%20IV.pdf#:~:text=La%20refinaci%C3%B3n%20es%20la%20eliminaci%C3%B3n,m
etal%2C%20siendo%20el%20resto%20impurezas.

❖ Refinado químico

Basado en las diferencias de las solubilidades del metal a refinar y sus impurezas en
soluciones alcalinas o ácidas. Gradualmente, las impurezas se acumularán en una solución y
podrán ser eliminadas por medios químicos.
Un ejemplo de este tipo de refinación es el empleado para los metales nobles (no reaccionan
químicamente con otros compuestos químicos).

Fig. 9. Refinación de metales . Recuperado de:
https://enlinea.zacatecas.tecnm.mx/pluginfile.php/12830/mod_resource/content/6/GUIA
%20DE%20ESTUDIO%20DE%20LA%20MATERIA%20DE%20PMNF%20UNIDAD
%20IV.pdf#:~:text=La%20refinaci%C3%B3n%20es%20la%20eliminaci%C3%B3n,m
etal%2C%20siendo%20el%20resto%20impurezas.

8. Usos de los metales

Los metales han sido útiles a la humanidad desde tiempos antiguos. Sus propiedades físicas los hacen idóneos para la creación de herramientas fuertes y resistentes, de estatuas o estructuras arquitectónicas de todo tipo. Por su resistencia mecánica, han sido utilizados para fabricar máquinas y piezas resistentes a grandes cantidades de fuerza. Desde las lanzas y los escudos hasta las retroexcavadoras y las computadoras personales, los metales han sido elementos fundamentales en el desarrollo de la modernidad. Gracias a sus propiedades tan vastas como maleabilidad, ductilidad, conductividad, alienaciones, conductores de calor, etc., el ser humano ha podido ser capaz de llegar lejos con la tecnología.

9. ARGUMENTACIÓN: ¿Cuál o cuáles de estos metales tu grupo considera importante trabajar como proyecto de desarrollo para su uso en la tecnología celular?

Habiendo examinado a grandes rasgos, las propiedades, los aspectos implicados en la extracción de minerales metálicos y la capacidad de producción nacional, los metales que consideramos importantes como proyecto de desarrollo para su uso en la tecnología celular son el cobre y hierro, pues destacan por su funcionalidad, bajo coste de extracción y alta capacidad de producción.
Por una parte, el cobre sería una parte esencial dentro de la manufactura de los celulares. El cobre al ser el mejor conductor en la tecnología actual, seguirá siendo viable para la tecnología
celular. También son de cobre la mayoría de los cables telefónicos, los cuales además posibilitan el acceso a Internet. Las principales alternativas al cobre para telecomunicaciones son la fibra óptica y los sistemas inalámbricos. Por otro lado, todos los equipos informáticos y de telecomunicaciones contienen cobre en mayor o menor medida, por ejemplo en sus circuitos integrados, transformadores y cableado interno. Incluso, en el ámbito ecológico, la economía global requiere el uso eficiente y la conservación de materias primas, con el fin de preservar nuestro medio ambiente; donde el reciclaje del cobre está en la categoría de estos materiales, siendo 100% reciclable.
Por otra parte, podría aún evaluarse la posibilidad de reemplazar al cobre por otro metal, como el oro. Sin embargo, si bien el oro es un mejor conductor que el cobre, su cotización que ronda los 1400 US$/Oz.tr. en comparación a los 280 Ctvs.US$/lb del cobre hace inviable su utilización masiva y es prescindible si se cuenta con el cobre. La utilización de oro en la fabricación de piezas supone poner a la empresa en una posición desventajosa frente a la competencia, pues el consumidor actúa en armonía con su posibilidad y necesidad. De otra parte, el oro se prefiere para la longevidad de las conexiones eléctricas miniaturizadas mientras que el cobre lidera en la susceptibilidad magnética, tolerancia a las altas temperatura y resistencia máxima a la tensión. Esto hace que el cobre ofrezca mayores ventajas que el oro en cuanto a su uso industrial, en particular, para la tecnología celular.

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