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INDUSTRIAS QUÍMICAS
Unidad Nº 10 de Química Electivo
TEMAS
1. Industrias químicas
2. Industria minera
3. Industria del hierro
4. Industria del azufre
5. Industria del ácido sulfúrico
1. Industrias químicas
Como sabemos, gracias a este importante sector de la actividad económica, tenemos a nuestra disposición una infinidad de productos que ya son parte de nuestra vida cotidiana, como los aditivos para alimentos, los fertilizantes, los materiales para construcción, entre otros. Es la industria química la encargada de transformar las materias primas en productos más elaborados para su posterior utilización.
Ahora bien, para lograr dicha transformación se comienza con la extracción u obtención de la materia prima, para luego llevarla al proceso de preparación.
En general, el método que se utilizará para preparar un producto a nivel industrial considera el rendimiento de las reacciones y el aspecto económico. De este modo, se establece el factor termodinámico, que indica la factibilidad de que se lleve a cabo una reacción, y el factor cinético, que da cuenta de la velocidad con que transcurre la reacción.
Es importante destacar que el 70% de las reacciones empleadas en la industria utilizan catalizadores para aumentar la velocidad de dichas reacciones.
Materias primas
Todos los productos que prepara la industria química proceden de sustancias extraídas de la naturaleza.
Las más comunes son el aire, el agua de mar, las rocas de la corteza terrestre, el carbón mineral, el gas natural, el petróleo.
Aire
Luego de un proceso de licuación y destilación fraccionada de esta materia prima, se obtienen productos tales como el nitrógeno, el oxígeno y ciertos gases nobles.
Agua de mar
De esta solución, que posee el 3,5% p/p de sales disueltas, se extraen cloruro de sodio (NaCl), bromo (Br) y magnesio (Mg), entre otras sales, mediante procesos de evaporación, principalmente.
Rocas de la corteza terrestre
De la corteza terrestre se extraen compuestos tales como el cloruro de sodio de las minas de sal, el carbonato de calcio de las rocas calizas y todos los metales conocidos que se extraen de sus correspondientes minerales, mediante los procesos respectivos.
Carbón mineral
Éste se produce en el subsuelo por descomposición de materias orgánicas de origen vegetal. Esta materia prima no sólo es útil como combustible, sino que también se emplea para la obtención de coque, alquitrán y gas de carbón.
Gas natural
Está constituido básicamente por una mezcla de hidrocarburos de bajo punto de ebullición y que se encuentra en el subsuelo, asociado frecuentemente al petróleo, el cual se ha originado por la descomposición de restos orgánicos.
Petróleo
El petróleo es una importante materia prima de la que se obtiene, principalmente, combustibles fósiles tales como el kerosene, la parafina, la bencina, el asfalto, entre otros.
Métodos simples de separación de sustancias
Estos métodos son procesos rutinarios que se utilizan en las distintas industrias químicas, en especial en las de pequeña escala o artesanales.
Filtración
Es un proceso mecánico que sirve para separar mezclas heterogéneas de un sólido disperso en un líquido o en un gas.
Decantación
Es un proceso mecánico que sirve para separar mezclas heterogéneas de un sólido en un líquido o de dos líquidos inmiscibles entre sí.
Destilación
Es un proceso físico que sirve para separar mezclas homogéneas como las soluciones iónicas, ya sea de un sólido en un líquido o de un líquido en otro líquido. Este proceso se realiza, por lo general, en un alambique e involucra los fenómenos de ebullición, evaporación y condensación. La separación es posible siempre y cuando exista una sustancia más volátil que las otras presentes en la mezcla.
Cristalización
Es un proceso físico que se utiliza para separar y purificar sólidos, en el que está involucrado el fenómeno de evaporación del solvente de la solución que contiene el sólido de interés.
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2. Industria minera
Como sabemos, la producción minera metálica nacional está liderada por el cobre, el molibdeno, la plata, el plomo y el oro, mientras que la producción minera no metálica corresponde a minerales como cloruro de sodio (halita), yodo, carbonato de litio y nitratos (salitre).
En materia Internacional, Chile es el primer productor de cobre, salitre y litio, el segundo productor de yodo y molibdeno, el octavo productor de plata y el noveno productor de oro.
En la industria minera, los términos más utilizados son los siguientes:
Mena
Que se refiere al mineral con contenido metálico apto para la comercialización.
Ley de mineral
Que es el contenido de metal que posee la mena. Por ejemplo, las menas chilenas de cobre tienen una alta ley; éstas contienen 1,5 % de cobre.
Ganga
Que es la fracción sin valor comercial que acompaña al mineral.
Metalurgia o minería
Es el conjunto de operaciones y procesos a los que se someten las menas.
En general, la metalurgia consta de dos etapas:
1. Flotación o separación de la mena y la ganga
El mineral de interés (mena) se separa de la fracción de materiales desechables (ganga) tales como tierra, roca, cal y sílice. Esta operación consiste en moler el mineral para luego sumergirlo en una solución de agua, detergente y aceite. El aceite moja las partículas del mineral y las arrastra hacia la espuma del detergente. La ganga se deposita en el fondo. La espuma se separa y se seca para recuperar el mineral.
2. Reducción del mineral o preparación del metal
Este proceso puede realizarse de dos formas:
Reducción electrolítica
Se aplica a metales muy electropositivos y produce la reducción por electrólisis del metal fundido o en solución. El cobre se obtiene a través de este proceso.
Reducción química
Se aplica a metales menos electropositivos y se emplea un agente reductor a altas temperaturas. El cromo se obtiene a través de este proceso.
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3. Industria del hierro
El hierro es un metal muy abundante en la corteza terrestre. Alrededor del 5% de ésta se compone de hierro, sin embargo, casi siempre se encuentra asociado a no metales como el oxígeno, azufre y silicio, formando minerales tales como óxidos de hierro (hematita: Fe2O3).
A escala industrial, el hierro se prepara en un alto horno por reducción química. Las materias primas utilizadas en el proceso son la mena, carbón coque y piedra caliza, las que se cargan por la parte superior del horno. Por la parte inferior se inyecta aire caliente para facilitar los procesos químicos.
Las principales reacciones que ocurren en el alto horno son la formación de gases reductores, la reducción de los óxidos de hierro y la formación de las escorias.
El principal uso del hierro es la fabricación del acero. Si el hierro contiene entre 0,2 y 1,5% de carbono, el metal resultante es un acero de mayor dureza y resistencia. Si al acero se le agrega níquel y cromo, se obtiene el acero inoxidable.
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4. Industria del azufre
El azufre se encuentra en la naturaleza distribuido por toda la corteza terrestre en estado nativo, en depósitos de origen volcánico y formando diversos minerales como la pirita de cobre (CuFeS2) y sulfatos como el yeso
(CaSO4 x 2H2O).
En su estado nativo, el azufre posee una propiedad conocida como alotropía, es decir, se presenta en diferentes formas según su estructura interna, de este modo, se conocen el azufre rómbico y el azufre monoclínico. La forma más estable, a temperaturas normales, es la rómbica cuya apariencia es la de un sólido amarillo, frágil e insoluble en agua.
En ambas formas, rómbica y monoclínica, los átomos de azufre están dispuestos en anillos de ocho, por eso se acostumbra a simbolizarlo como S8 para referirse a su estructura molecular.
Mezclado con salitre y carbón, este elemento fue muy empleado por las antiguas culturas chinas para la fabricación de pólvora. Se utilizó para fumigaciones, como blanqueador de tejidos y como pigmento para pinturas.
Preparación del azufre
Para realizar este proceso, se debe tener en cuenta la ubicación de los yacimientos. Si el depósito se encuentra en la superficie, el azufre es separado utilizando el método de Calcaroni. Si es subterráneo, se emplea el método de Frasch.
En general, todos los métodos de fabricación de azufre consisten en calentar el mineral. Con esto, se consigue obtener un azufre de una pureza aceptable. Si se requiere de una pureza mayor, se puede refinar el material obtenido mediante un proceso de destilación.
Utilidades del azufre
En la actualidad, la aplicaciones de mayor importancia son la fabricación de compuestos como ácido sulfúrico, sulfitos, sulfatos, fertilizantes, medicamentos como las sulfamidas, fabricación de fósforos, caucho vulcanizado, tintes, fungicida para plantas, en fotografía para el fijado de los negativos, como pegamento especial para sujetar rieles o vías de tren y cadenas.
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5. Industria del ácido sulfúrico
El ácido sulfúrico (H2SO4) es el producto químico de mayor consumo en el mundo, ya que es el ácido inorgánico de menor costo de producción. Este producto es utilizado en la elaboración de fertilizantes, en la refinación del petróleo, en la metalurgia del cobre, hierro y manganeso, además de la fabricación de pigmentos y otras múltiples aplicaciones.
El proceso de producción más utilizado en la actualidad es el método de contacto, que consiste, en primer lugar, en obtener anhídrido sulfuroso (SO2) a partir de los minerales que contienen azufre, según: S + O2 ?SO2
En la siguiente etapa, el anhídrido sulfuroso se transforma en anhídrido sulfúrico (SO3), utilizando pentóxido de vanadio como catalizador, es decir, 
Por último, este anhídrido se pone en contacto con agua para obtener ácido sulfúrico, según la ecuación:
SO3 + H2O ?H2SO4
La formación de ácido sulfúrico es un proceso exotérmico, capaz de liberar 535 calorías de energía por cada mol de ácido producido. Las plantas de ácido sulfúrico aprovechan este calor en otros procesos industriales, e inclusive para producir electricidad. Actualmente, el consumo de ácido sulfúrico en nuestro país es del orden de tres millones de toneladas al año.
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