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Manual del Participante PROCESO DE ELECTROOBTENCIÓN (Código: EE14309)

PROGRAMA DE FORMACION:

OPERADOR BASE PLANTA HIDROMETALÚRGICA Y CONCENTRADORA

Sede Iquique

PROCESO DE ELECTROOBTENCIÓN (Código: EE14309)

El módulo de Proceso de Electroobtención, es inherente a los programas formativos relacionados con los requerimientos del sector productivo de la industria extractiva minera, a nivel nacional e internacional. La(s) competencia(s) que aborda este módulo serán asociadas al perfil de egreso del plan de formación. Este documento es propiedad del Centro de Tecnológico Minero y recoge información relevante de los productos desarrollados por el Consejo de Competencias Mineras (CCM) y en consecuencia, requeridas para el desempeño exitoso en el sector productivo de la minería.

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Manual del Participante

1

II. Referencias 81

III. Créditos 82

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Contenidos

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3

Manual participante: Proceso de Electroobtención

I.

Competencias

Aquí se abordan conceptos básicos y comunes a los oficios relacionados con las actividades desarrollas en las operaciones unitarias de la industria extractiva minera nacional. Tiene como propósito acercarte al mundo minero, de tal manera que al término del estudio de éste, sabrás exactamente cuál será tu rol y responsabilidades dentro del proceso de extracción minera, en la pequeña, mediana y gran minería, junto con reconocer a Chile como el principal país minero en el mundo. Además, desarrollarás actividades individuales y grupales que favorecerán el desarrollo de tus competencias genéricas de Trabajo en equipo, como por ejemplo comunicación asertiva en el trabajo u orientación a la calidad, que se relacionan con el desarrollo de actitudes y valores que el Centro Tecnológico Minero desea incorporar en todos sus egresados, siendo un valor distintivo y diferenciador, exigido en el desempeño competente de este oficio.

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Este es tu manual del módulo Proceso de Electroobtención.

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Unidades de aprendizaje

En cada unidad se desarrollan diversos temas de interés, junto con actividades de aprendizaje que te permitirán alcanzar los siguientes aprendizajes esperados. Cada uno posee una serie de criterios de evaluación donde se señala exactamente que se espera sea capaz de hacer y demostrar, hasta asegurarnos que lograste el aprendizaje esperado.

UNIDAD DE APRENDIZAJE 1: Introducción a la electroquímica

Horas: horas cronologicas

Horas teoricas

Horas prácticas

APRENDIZAJE ESPERADO

CRITERIOS DE EVALUACION

1.1 Reconocer los fundamentos de la Ley de Ohm, voltaje, corriente y resistencias.

1.1.1 Explica los fundamentos de la Ley de Ohm, voltaje, corriente y resistencias.

1.2 Identificar la utilidad en el proceso de Electro obtención de la Ley de Ohm, voltaje, corriente y resistencias.

1.2.1 Describe la utilidad en el proceso de Electro obtención de la Ley de Ohm, voltaje, corriente y resistencias, según el proceso requerido.

1.3 Comprende electroquímica.

1.3.1 Señala aspectos básicos de los conceptos de electroquímica.

aspectos

básicos

de

UNIDAD DE APRENDIZAJE 2: Principales equipos de Electro obtención

Horas: horas cronologicas

Horas teoricas

Horas prácticas

APRENDIZAJE ESPERADO

CRITERIOS DE EVALUACION

2.1 Comprender el proceso de electro obtención y sus etapas principales.

2.1.1 Explica el proceso de electro obtención y sus etapas principales.

2.2 Identificar y comprender los procedimientos de operación del proceso de celdas de electro obtención.

2.2.1 Expone los aspectos fundamentales de los procedimientos de operación del proceso de celdas de electro obtención.

2.3 Señalar las funciones básicas del operador en planta de proceso de las celdas de Electro obtención.

2.3.1Identifica y relaciona las funciones del operador de la planta de proceso de las celdas de Electro obtención con las tareas asociadas a la operación.

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El modulo está organizado en unidades de aprendizaje de diferente duración, distribuidas en horas teóricas y prácticas que implica el desarrollo de actividades de aprendizaje en interacción con el relator, compañeros y recursos didácticos.

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Horas: horas cronologicas

Horas teoricas

Horas prácticas

APRENDIZAJE ESPERADO

CRITERIOS DE EVALUACION

3.1 Identificar los parámetros y variables a monitorear y controlar en el proceso de celdas de electro obtención.

3.1.1 Enumera los parámetros y variables a monitorear y controlar en el proceso de celdas de electro obtención.

3.2 Identificar los principales riesgos existentes en las actividades del proceso de celdas de electro obtención y sus respectivas medidas de control.

3.2.1 Menciona los principales riesgos existentes en las actividades del proceso de celdas de electro obtención y sus respectivas medidas de control.

3.3 Comprender las etapas del proceso de cosecha de cátodos.

3.3.1 Enumera y explica las etapas del proceso de cosecha de cátodos.

3.4 Identificar los componentes principales de los equipos de cosecha de cátodos.

3.4.1 Señala los componentes principales de los equipos de cosecha de cátodos.

3.5 Identificar las técnicas básicas de operación de los equipos de cosecha de cátodos.

3.5.1 Expone las técnicas básicas de operación de los equipos de cosecha de cátodos.

3.6 Comprender la importancia de los procedimientos de entrega de los equipos de cosecha de cátodos y reconocer sus aspectos principales.

3.6.1 Menciona los aspectos principales de los procedimientos de entrega de los equipos de cosecha de cátodos.

3.7 Comprender la importancia de los procedimientos de puesta en marcha de los equipos de cosecha de cátodos y reconocer sus aspectos principales.

3.7.1 Menciona los aspectos principales de los procedimientos de puesta en marcha de los equipos de celdas de Electro obtención.

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UNIDAD DE APRENDIZAJE 3: Parámetros y variables generales de la operación de celdas de Electro obtención

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UNIDAD DE APRENDIZAJE 1: Introducción a la electroquímica Definición

La ELECTROMETALURGIA consiste en la producción de depósitos metálicos mediante la aplicación de la ENERGÍA ELÉCTRICA. Se distingue: •

La electrometalurgia en solución acuosa:

Aplicada fundamentalmente a la producción de Cu, Zn, Ni, Co, Pb, Ag, Au y otros metales menores (Cd, Cr, Mn, Ga, Ti, Te). •

La electrometalurgia en sales fundidas:

Aplicada principalmente a la producción de Al, Li, Mg, Na, K y otros metales menores (Tierras raras, Ti, V, W, Zr, Th).

1.1

Procesos electrometalúrgicos

Según el tipo de depósito obtenido, se distinguen los siguientes PROCESOS ELECTROMETALÚRGICOS: • ELECTROOBTENCIÓN (Electrowinning) de metales: Consiste en la extracción de metales a partir de soluciones, en forma de depósitos metálicos puros, densos y compactos o depósitos metálicos en polvo (pulvielectrometalurgia) o bien, depósitos de compuestos metálicos (óxidos, hidróxidos o sales). • ELECTROREFINACIÓN (Electrorefining) de metales: Consiste en la obtención de depósitos metálicos de alta pureza a partir de un metal impuro.

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1.

• GALVANOPLASTÍA (Electroplating): Consiste en recubrimientos metálicos delgados con fines anticorrosivos o estéticos (cromados). • ELECTROCONFORMADO (Electroforming): Consiste en la elaboración de piezas metálicas especiales por vía electrolítica.

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PROCESO ELECTROMETALURGICO

Depósito Metálico

La precipitación por reducción electrolítica, comúnmente conocida como electroobtención o electrodepositación (EW), es actualmente uno de los procedimientos más sencillos para recuperar metales, en forma pura y selectiva, respecto a las impurezas existentes en la solución. Su característica principal radica en que el metal ya está en solución y solamente se trata de recuperarlo depositándolo en el cátodo, mientras el ánodo es esencialmente insoluble. La aplicación industrial masiva de la electricidad para la recuperación de metales no ferrosos por electroobtención se inició a comienzos del siglo XX. En 1912 se utilizó en la obtención de cobre, en Chuquicamata y desde esa fecha se aplica en procesos de minería extractiva. En 1968, por primera vez se aplica en la mina Bluebird, de Ranchers Corp. Arizona, la combinación de lixiviación de minerales, extracción por solventes y recuperación electrolítica de cátodos de cobre, (LIX-SX-EW) técnica que en la actualidad se aplica con gran éxito. El cobre se extrae ya sea desde las soluciones de lixiviación-extracción por solventes por electrólisis (electroobtención) o por refinación electrolítica (electrorefinación) del cobre producido por los procesos pirometalúrgicos de fusión. En ambos casos el cátodo de cobre resultante es metal comercialmente puro que cumple con los requisitos necesarios. Probablemente el 80 a 90% de cobre en producido en el mundo es cobre electrolítico. El proceso de electroobtención de cobre constituye la etapa terminal del proceso de beneficio de “minerales oxidados y mixtos de cobre”. El cobre es depositado desde soluciones purificadas por medio de una electrólisis directa. El objetivo del proceso es producir cátodos de cobre de alta pureza. Para lograr este objetivo, la solución proveniente de la etapa de lixiviación es purificada y concentrada en cobre en la planta de extracción por solventes, para posteriormente ser conducida a una serie de celdas de electrodepositación donde se producen los cátodos de cobre con una pureza de 99,99%.

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Energía Eléctrica

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1.2

Conceptos Fundamentales

1.2.1

Celdas de electrólisis

•

La celda misma: Es un recipiente que contiene el electrolito y los electrodos. En algunos casos, la celda puede ser constituida por dos mitades, conectadas entre sí por un puente salino.

•

El electrolito: Un medio acuoso, que contiene los iones del metal a depositar y otros iones que migran permitiendo el paso de la corriente entre los electrodos.

•

El ánodo: Material sólido conductor en cuya superficie se realiza un proceso de oxidación con liberación de electrones. Ejemplo: Zn => Zn+2 + 2 e-

•

El cátodo: Electrodo sólido conductor en cuya superficie se realiza un proceso de reducción con los electrones provenientes del ánodo. Ejemplo: Cu+2 + 2 e- => Cu

Figura N° 1: Celda electrolítica, la energía eléctrica se transforma en energía química. Ejemplo: electrodepositación de cobre

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Los procesos electrometalúrgicos tienen lugar en unidades llamadas CELDAS DE ELECTRÓLISIS, las cuales se agrupan para constituir la nave o planta electrolítica. Una celda de electrólisis está constituida por:

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En resumen:

Veamos el siguiente video y comenta: 1. Material Audiovisual: “Pila daniell o celda galvánica”, http://www.youtube.com/watch?v=mIVFJEL9qbQ (01´:33”)

disponible

en:

Comenta: ¿Qué se entiende por proceso de oxidación y proceso de reducción? ¿Qué reacción se produce en el ánodo y en el cátodo de dicha celda?_______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________

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Figura N° 2: Celda galvánica, la energía química se transforma en energía eléctrica. Ejemplo: Pila de Daniel (1830)

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Esta tarea debes entregarla, al instructor, al finalizar este módulo. Puedes realizar la investigación junto a un compañero del curso y debe ser escrita a mano. No olvidar poner una portada en donde indiques tu nombre, sección, fecha, especialidad y nombre del instructor, así como el nombre del módulo. Además, nunca olvides poner las referencias de donde obtuviste la información con la cual trabajaste.

1.2.2

Proceso electroquímico

Un proceso de naturaleza electro-química se caracteriza por presentar la realización simultánea de dos reacciones denominadas anódicas y catódicas. En la primera sucede una transformación química de oxidación y se liberan electrones. La reacción catódica involucra un proceso químico de reducción con participación de los electrones liberados en el ánodo y que viajan por CONDUCTORES ELECTRÓNICOS (cables) que unen el cátodo con el ánodo. En la solución, no hay desplazamiento de electrones, sino que los iones se desplazan en la solución. Los aniones (-) van hacia el electrodo de carga positiva y los cationes (+) hacia el electrodo de carga negativa. El electrolito es un CONDUCTOR IÓNICO. Los procesos electroquímicos pueden ser clasificados en dos tipos según sean o no espontáneos. Los primeros suceden en forma natural y la celda se denomina GALVÁNICA o PILA. Los no espontáneos se realizan por medio de la aplicación de corriente externa y se realizan en una celda llamada ELECTROLÍTICA. En las figuras N° 1 y N° 2, se ilustran ejemplos de procesos galvánicos y electrolíticos. Los procesos de electrodepositación de metales no son espontáneos y necesitan un aporte de energía eléctrica para ser forzados a ocurrir, por lo cual se estudian las celdas electrolíticas en estos apuntes. La FUENTE DE ENERGÍA ELÉCTRICA debe proporcionar corriente continua o directa (DC) a la celda, permitiendo el flujo forzado de electrones entre el ánodo y el cátodo dónde son consumidos. En forma simple, la fuente de energía actúa como bomba impulsora de electrones que fluyen por los conductores y los electrodos.

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2. Tarea: Investiga que diferencia existe entre la electroobtención y la electrorrefinación del cobre. ¿En qué procesos se utiliza uno u otro? ¿En Chile existen plantas de Electrorrefinación de cobre? ¿Cuáles?

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1.2.3

Nociones básicas de electricidad

Para conocer la electricidad, debe entender la materia y de qué está compuesta. En particular, se debe conocer algo sobre una carga eléctrica porque, en términos simples, la electricidad es un flujo de carga eléctrica. El electrón, que es una carga negativa, es el principal conductor de electricidad. La materia es toda sustancia que posee una masa y ocupa espacio, por ejemplo, el agua, cobre y vidrio. La cantidad de materia más pequeña es llamada átomo.

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Antes de revisar el concepto de electroquímica es necesario estudiar algunas nociones básicas asociadas al concepto de electricidad, estas son; electrones, protones, corrientes eléctricas, entre otros.

Figura N° 3: El átomo y sus partes

Aunque el átomo es la pieza más pequeña que permanece como un elemento, contiene varias partes más pequeñas.

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Estamos interesados sólo en tres partes – los electrones, protones y neutrones. La muestra cómo los protones y neutrones forman un núcleo alrededor del cual los electrones orbitan a alta velocidad.

Vea la figura nuevamente y note que el signo negativo identifica al electrón y el signo positivo identifica al protón. El neutrón no tiene carga y se representa sólo con un círculo. Hay números iguales de electrones y protones por lo que su carga eléctrica, negativa y positiva, se equilibran, esto es, el átomo en esta etapa es eléctricamente neutro porque las cargas negativa y positiva se cancelan.

1.2.4

Ley de cargas

¿Qué queremos decir con carga eléctrica? Una carga eléctrica es similar a un polo magnético – véase la figura N° 4 a continuación:

Figura N° 4: Ley de cargas

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Los electrones, que tienen una carga negativa, son atraídos a los protones con carga positiva. Pero debido a que orbitan a alta velocidad la fuerza de atracción es equilibrada por la fuerza centrífuga de los electrones en movimiento.

La figura N° 4 muestra que las cargas diferentes se atraen, tal como los polos magnéticos norte y sur se atraen uno al otro. De igual modo, en la figura se muestra que las cargas iguales se repelen. Entonces, algunos conceptos básicos: 1. Protones: Son partículas que forman parte del núcleo del átomo. 2. Electrones: Son partículas que rodean el núcleo del átomo y crean fuerzas de atracción y de repulsión debido a que estas partículas atómicas tienen una carga eléctrica.

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Los electrones y protones, son las dos partículas subatómicas principales que pueden originar la aparición de energía eléctrica y se origina provocando el movimiento de cargas eléctricas de un punto a otro. 6. Conductividad: Facilidad con que las cargas eléctricas se mueven a través de un material específico. Se dividen en dos grupos: 

Materiales conductores: En algunas sustancias, las cargas eléctricas pueden desplazarse a través de ellas. En tal caso se señala que la sustancia o elemento, es un conductor eléctrico. Son elementos que tienen una estructura atómica que favorece que, las cargas eléctricas, se puedan mover con facilidad por su interior. Los elementos que se consideran conductores de electricidad pueden ser sólidos (metales) o fluidos (líquidos o gases). En el caso de los conductores sólidos, sólo se desplaza la carga negativa o los electrones, ya que su pequeña masa respecto de los núcleos hace que puedan “saltar” desde un átomo a otro sin que se observe movimiento de masas en el interior de la sustancia. Algunos ejemplos de conductores sólidos: metales, carbón, y grafito. En los fluidos conductores, la carga que puede desplazarse además de los electrones, puede ser iones o átomos cargados y protones. Algunos ejemplos de conductores de fluido: gases ionizados, soluciones ácidas y alcalinas, entre otras.



Materiales aislantes: Sustancia o un cuerpo en el que no existe la posibilidad de movimiento de las cargas eléctricas. Son los que tienen los electrones muy ligados al átomo al que pertenecen, de manera que no se pueden mover con facilidad. Algunos ejemplos: madera, resina, cristal, cerámico, plástico, aire seco, papel, entre otros. Es necesario considerar que algunos materiales que se consideran aislantes, pueden no serlo tanto, dependiendo de las condiciones en las que se encuentre. El agua, por ejemplo, si es la que sale de ríos o mares, es un buen conductor eléctrico, debido a las sales que se encuentran en ella. El agua pura o destilada, en cambio, es un buen aislador. El aire, es otro ejemplo: en instalaciones eléctricas domésticas, es un buen aislador,

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3. Carga eléctrica: Propiedad general de la materia que se puede medir, cuya unidad es el Coulomb (C). 4. Campo eléctrico: Se denomina al espacio alrededor de una carga eléctrica, en él se expresan las fuerzas de atracción o de repulsión, sobre otras cargas eléctricas en el espacio. 5. Electricidad: Fenómeno físico o propiedad general de la materia, que se origina a raíz de la interacción de las cargas eléctricas. Las cargas eléctricas se ubican en las partículas elementales que constituyen el átomo.

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pero en ciertas circunstancias: una tormenta, por ejemplo, una chispa eléctrica o un rayo se convierten en una gran chispa.

Actividad:

Material

Ejemplos 1. 2. 3.

Conductores

4. 5. 6. 1. 2. 3.

Semiconductores

4. 5. 6. 1. 2.

Características en común

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“En grupos de 4 personas, has un listado de materiales, clasificándolo es materiales conductores, semiconductores y aislantes”

3. Aislantes

4. 5. 6.

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Ejemplo: Alambre de cobre en el que se ha establecido un voltaje (V) entre ambos extremos.

8. Tipos de corriente eléctrica: El movimiento de electrones o de cargas negativas del generador, se produce desde el polo positivo o lugar de salida de los electrones, hasta el polo negativo o el lugar donde vuelven los electrones. Cuando éste flujo es al revés (de polo negativo a positivo), se considera que la corriente es negativa. 9. Por lo tanto, dependiendo del sentido del movimiento de los electrones, se puede clasificar en: •

Corriente Continua

•

Corriente Alterna

a. Corriente Continua (CC): Se denomina corriente continua (en inglés DC, Direct Current) al flujo de cargas eléctricas que no cambia de sentido con el tiempo. La corriente eléctrica, a través de un material, se establece entre dos puntos de distinto potencial. Cuando hay corriente continua, los terminales de mayor y menor potencial no se intercambian entre sí, entre los extremos de cualquiera de estos generadores, se genera una tensión constante que no varía con el tiempo, por ejemplo, las pilas o dinamos. Si la pila es de 6 voltios, todos los receptores que se conecten a ella estarán siempre a 6 voltios (a menos que

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7. Corriente eléctrica: Se le denomina al movimiento de los electrones por un conductor. Para que el movimiento de electrones se produzca es necesario que, entre los extremos del conductor, haya una diferencia de potencial que también se llama tensión o voltaje. Es decir, cuando se aplica un voltaje entre dos puntos de un conductor, ese conductor establece una corriente eléctrica. En los sólidos, participan electrones libres y en los fluidos participan además, átomos ionizados.

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Figura N° 5: Corriente continua (CC)

Principales Fuentes de corriente continua Las principales fuentes de corriente continua son: Baterías: Distintos tipos, tamaños y pesos; recargables y no recargables y su uso es extensivo en automóviles y fuentes de respaldo. El principal tipo de batería es la de plomo – ácido.

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la pila esté gastada). Además al conectar el receptor (por ejemplo, una radio) la corriente que circula por el circuito es siempre constante (tiene el mismo número de electrones), y no cambia la dirección de circulación, es por eso que siempre el polo + y el polo - son los mismos. En la corriente continua (o DC) la tensión e intensidad de corriente es siempre la misma. Se considera la corriente continua, como un sistema ineficiente cuando se requiere distribución de energía a gran escala, debido a que se generan problemas en la transmisión de potencia.

Pilas: Distintos tipos y tamaños y pueden producir electricidad a partir de reacciones químicas, entre distintos elementos. Fotoceldas: Elementos que producen electricidad a partir de reacciones químicas causadas por la exposición de su parte activa a la luz solar.

b. Corriente Alterna (CA): Se denomina corriente alterna (en inglés AC, Alternating Current) a la corriente eléctrica cuya magnitud y dirección

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La corriente alterna es de gran importancia, entre otras cosas, porque proporciona la red eléctrica domiciliaria, es la que se utiliza regularmente en los transformadores y en un amplio tipo de dispositivos. La corriente que usamos en las viviendas es corriente alterna (enchufes). En este tipo de corriente la intensidad varía con el tiempo y cambia el sentido de circulación a razón de 50 veces por segundo. La energía eléctrica que se trasmite, viene dada producto de la tensión, intensidad y tiempo. Dado que la sección de los conductores de las líneas de transporte de energía eléctrica depende de la intensidad, se puede modificar el voltaje hasta alta tensión y disminuir la intensidad de corriente, mediante un transformador. Esto facilita que los conductores sean de menor sección y menor costo, facilitando además que el voltaje pueda ser de reducido para permitir su uso industrial o doméstico de forma segura. Este tipo de corriente se produce por alternadores y es la que se genera en las centrales eléctricas. Algunas ventajas de la corriente alterna: 

Permite aumentar o disminuir el voltaje a través de transformadores.



Se puede transportar a grandes distancias, perdiendo poca energía.



Los motores y generadores de corriente alterna son sencillos y fáciles de mantener.



El cambio de voltaje que se requiera introducir, es relativamente económico.

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varían por ciclos. Los polos del generador cambian de negativo a positivo en el mismo período, provocando que el flujo de electrones no mantenga el mismo sentido, es decir, la polaridad no tiene sentido por cuanto está permanentemente alternándose. La corriente alterna, a diferencia de la corriente continua, minimiza los problemas de trasmisión de potencia y el transformador que se utiliza, permite elevar la tensión de una forma eficiente.

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1.3

Ley de Ohm, voltaje, corriente y resistencias

1.3.1

Voltaje, corriente y resistencia

La corriente se refiere al flujo de electrones en un conductor. La corriente sólo fluirá cuando el circuito esté cerrado. El flujo de corriente puede compararse al flujo del agua en un canal o una cañería, mientras que el flujo de corriente eléctrica es el movimiento de electrones en un conductor. El flujo de corriente eléctrica se mide en Amperios (A) el símbolo para la corriente Eléctrica es (I).

Figura N° 6: Flujo de corriente

b. Resistencia Cuando algo se opone al flujo de corriente en un circuito (ejemplo: un aparato eléctrico) se dice que ese circuito tiene resistencia. La resistencia puede definirse como se indica a continuación: La oposición ofrecida al flujo de corriente eléctrica. La resistencia se mide en Ohmios (Ω) y se puede comparar a una llave o válvula en una cañería que se usa para controlar el flujo de agua. El símbolo para la resistencia es (R).

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a. Corriente

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c. Voltaje (diferencia de potencial) Tal como debe existir una diferencia en la presión de agua para que ésta fluya entre dos puntos, una diferencia en la presión eléctrica debe existir para hacer que la corriente eléctrica fluya. Mientras más grande la presión, más grande el flujo en ambos casos. El nombre más común de esta diferencia de potencial es VOLTAJE. También se usa mucho la palabra TENSIÓN. •

Definición de diferencia de potencial Es la presión eléctrica que causa que la corriente fluya entre dos puntos en un circuito.

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Figura N° 7: Control del flujo

La Diferencia de Potencial se mide en Voltios y el Símbolo es (V)

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• Ley de Ohm Existe una proporción fija (relación) entre el voltaje, corriente y resistencia. Esta proporción es la base de la Ley de Ohm y puede definirse del siguiente modo: La corriente que fluye en un circuito es directamente proporcional al voltaje aplicado e inversamente proporcional a la resistencia del circuito, a una temperatura constante. De esto se pueden derivar las siguientes fórmulas:

Dónde:

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Figura N° 8: Efecto de la presión en el flujo de una solución

I = El símbolo de la corriente fluye y se mide en Amperios (A) V = El símbolo para voltaje y se mide en Voltios (V) R = El símbolo para la resistencia del circuito y se mide en Ohmios (Ω)

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1.4

Reacciones REDOX

Si una reacción química es conducida mediante una diferencia de potencial aplicada externamente, se hace referencia a una electrólisis. En cambio, si la caída de potencial eléctrico es creada como consecuencia de la reacción química, se conoce como un "acumulador de energía eléctrica", también llamado batería o celda galvánica. Las reacciones químicas donde se produce una transferencia de electrones entre moléculas se conocen como reacciones REDOX, y su importancia en la electroquímica es vital, pues mediante este tipo de reacciones se llevan a cabo los procesos que generan electricidad o en caso contrario, son producidos como consecuencia de ella. Algunos conceptos asociados: •

Electrolito

El electrolito es la solución que lleva el metal donde se colocan los ánodos y cátodos antes de que se aplique una carga eléctrica. •

Electrólisis

La electrólisis es la separación de una sustancia de otra utilizando corriente eléctrica. Es un proceso que requiere un ánodo, cátodo, solución con dos sustancias y una corriente eléctrica. Cuando uno de estos componentes falta, no se puede iniciar el proceso de electrólisis. La electrólisis puede llevarse a cabo a densidades de corriente bajas o altas. Cuando se opera a densidades de corriente bajas (hasta 430 A/m2), se puede colocar un serpentín de enfriamiento hecho de plomo o de aluminio en la celda con el fin de controlar la temperatura. Sólo se utilizan densidades de corriente más altas (861 a 1076 A/m2) si la concentración de cobre, la concentración de ácido, la pureza del electrolito y la tasa de circulación son altas. El proceso de electroobtención es de naturaleza electroquímica, se caracteriza por presentar la realización simultánea de dos reacciones denominadas anódicas y catódicas. En la primera sucede una transformación química de oxidación y se liberan electrones, la reacción catódica involucra un proceso químico de reducción con

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La electroquímica es un área de la química que estudia la transformación entre la energía eléctrica y la energía química. Dicho de otra forma, las reacciones químicas que se dan en la interfase de un conductor eléctrico (llamado electrodo) y un conductor iónico (el electrolito) pudiendo ser una disolución y en algunos casos especiales, un sólido.

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participación de los electrones liberados en el ánodo y que viajan por conductores electrónicos que unen el cátodo con el ánodo.

La capacidad de determinadas compuestos para aceptar y donar electrones hace que puedan participar en las reacciones denominadas de oxidación-reducción. Esta transferencia se produce entre un conjunto de especies químicas, uno oxidante y uno reductor (una forma reducida y una forma oxidada respectivamente). El reductor es aquella especie química que tiende a ceder electrones de su estructura química al medio, quedando con una carga positiva mayor a la que tenía. El oxidante es la especie que tiende a captar esos electrones, quedando con carga positiva menor a la que tenía.

Figura N° 9: Reacciones de reducción y oxidación

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En el cátodo el cobre iónico (Cu+2) es reducido a cobre metálico (Cu0) por los electrones suplidos por la corriente y que torna de polaridad negativa a dicho electrodo. En el electrodo positivo o ánodo se descompone agua generándose oxigeno gaseoso que burbujea en la superficie del ánodo y además ácido sulfúrico producto de una reacción de oxidación.

Cuando una especie química reductora cede electrones al medio se convierte en una especie oxidada. Cuando una especie capta electrones del medio se convierte en una especie reducida forma un par redox con su precursor reducido.

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Ahí encontrarás este mapa conceptual, el cual, te permitirá comprender de mejor manera las reacciones redox

1.4.1

Reacciones REDOX en electroobtención

En el proceso de electroobtención se dan reacciones REDOX no espontáneas, pues requieren de energía externa para que ocurran en la dirección deseada. Por ejemplo, la semireacción que caracteriza la depositación del cobre disuelto en un electrolito conductor sobre el cátodo de acero o sobre la lámina inicial de cobre es:

Cu+2 (en solución) + 2e

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Te invitamos a que ingreses al siguiente Link: http://cmapspublic.ihmc.us/rid=1K3W9M11C-9P7SM-1VHN/Reacciones%20redox.cmap

Cu0

Como contraparte, para mantener un equilibrio de cargas eléctricas, se origina la siguiente semireacción de oxidación, sobre el ánodo de plomo:

24 H2O (liquido)

½ O2 (gas) +

2H+

+ 2e

El agua H2O se oxida, liberando dos electrones. Esta liberación de dos electrones requiere que el agua se descomponga en sus elementos fundamentales: hidrógeno y oxígeno. Si se suman ambas semireacciones se tiene la reacción redox de depositación de cobre y de descomposición del agua.

Figura N° 10: Reacciones de reducción y oxidación en la electroobtención

Por lo anterior es que en la electroobtención se debe entregar energía externa para lograr la depositación del cobre sobre el cátodo de acero o sobre la lámina inicial de cobre. La energía que debe entregarse es justamente la necesaria para superar las resistencias eléctricas de los contactos, electrodos, solución electrolítica y potencial negativo que impide la espontaneidad de la reacción, dentro de las cuales destacan:     

Potencial de reacción: Sobrepotencial catódico: Sobrepotencial anódico: Potencial por resistencia óhmica de electrolito: Potencial por resistencia de contactos:

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En la figura N° 10 podemos apreciar la reacción REDOX que sucede en este proceso de electroobtención y los valores de los potenciales para llevarla a cabo:

0.92 [V] 0.05 [V] 0.65 [V] 0.20 [V] 0.15 [V]

Potencial total a aplicar en un proceso de electroobtención es de 1.90 [V] aproximadamente.

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No proveer externamente de esta energía mínima implica la disolución del cobre electrodepositado, dado que el cobre tiende a mantenerse disuelto en un ambiente acuoso acidulado y de potenciales Eh relativamente altos.

1.4.2

LEYES DE FARADAY

Las leyes fundamentales que gobiernan las reacciones electroquímicas fueron formuladas por Michael Faraday. Estas leyes señalan lo siguiente:  

La cantidad disuelta o depositada de una sustancia es proporcional a la cantidad de corriente circulada. Las cantidades de diferentes sustancias disueltas o depositadas por la misma cantidad de corriente eléctrica son proporcionales a sus pesos químicos equivalentes.

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Figura N° 11: Reacciones parásitas en el proceso de electroobtención del cobre

De estas leyes se desprende la siguiente relación matemática:

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w

= Peso del metal depositado o disuelto, expresado en gramos (g)

I

= Intensidad de corriente eléctrica aplicada, expresada en amperes, (A)

t

= Tiempo durante el cual se aplicó I, en segundos (s)

PM

= Peso molecular del metal o sustancia que se está depositando o disolviendo, en (gramos/mol).

n

= Estado de valencia del metal depositado o disuelto, adimensional.

k

= Es una constante de proporcionalidad.

La constante k de proporcionalidad se determina mediante un ensayo experimental. Se calcula el tiempo requerido para depositar 1 equivalente de cualquier metal, mientras se ha pasado 1 ampere de corriente. El resultado es de 26 horas, 48 minutos y 13.5 segundos. Como el tiempo se expresa en segundos, el resultado es 96.493,5 segundos.

Luego, reemplazando en la ecuación de la ley de Faraday, para: T

= 96.493,5 segundos.

I

= 1 ampere.

w

= PM / n = 1

Resulta:

Manual participante: Proceso de Electroobtención

Dónde:

Luego se define como constante de Faraday a F = 96.493,5 (ampere * segundo/ equivalente). En general el valor de F se redondea a F = 96.500.

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Como 1 coulomb = 1 ampere * 1 segundo, F también se puede escribir como:

F = 96.500 (coulomb / segundo)

La ecuación anterior supone un cien por ciento de eficiencia en el uso de la corriente. Sin embargo, en la práctica no sucede esta situación ideal. Siempre existe un cierto porcentaje de electrones que se ocupa en la depositación de alguna otra especie, en la descomposición del agua o en la depositación del mismo cobre que se ha redisuelto desde el cátodo.

Ahora te invitamos a desarrollar la Actividad 1

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Luego, la expresión para la Ley de Faraday puede escribirse como:

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Actividad 1: “Conceptos de la electroquímica”

Las siguientes actividades se relacionan con el proceso de electoobtención, las cuales se trabajarán en 4 secciones: 1) materiales y conductividad; 2) Campo magnético; 3) Corriente alterna y continúa 4) nociones de electroquímica.

Para qué sirve 

Observar los efectos de la conductividad de un circuito al cambiar los materiales de sus elementos conductores.

Actividad N° 1: “Materiales y conductividad” Materiales 

Un computador con conexión Internet



Proyector (datashow) para el Instructor.



Material audiovisual: “Materiales y conductividad”, disponible http://phet.colorado.edu/es/simulation/conductivity

en:

Manos a la obra 

Se dividirá el curso en grupos de 3 personas y se les explicará a los participantes que trabajarán identificando la fuerza impulsora en un circuito y deberán experimentar para luego explicar la diferencia en el comportamiento en la conducción entre metales, plásticos y fotoconductores en términos de la diferencia en la estructura de los niveles de energía. Las respuestas de este cuestionario serán entregadas al instructor para ser evaluadas.



OJO, Hay controles que no son obvios: Por ejemplo se puede escribir el valor del voltaje de la batería o usar flechas para cambiarlo.

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Lo que hay que hacer

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Si se usa para una demostración en clases, debe ocupar una resolución de pantalla de 1024x768 de manera que la simulación ocupe toda la pantalla y se vea bien. Puede ser que: los participantes piensen que los electrones se producen por el voltaje. La simulación los ayudará a ver que los electrones están siempre en un circuito y que el voltaje hace que se muevan. Preguntas para entender la función del simulador. Se sugieren: 1. ¿Qué pasa al encender la luz cuando se tiene un metal como conductor? Solución:

2. ¿Qué pasa al usar el plástico como conductor? Solución:

3. ¿Qué sucede con los materiales fotoconductores? Solución:

Actividad N° 2: “Campo magnético” Lo que hay que hacer Los participantes a través de una simulación vía Internet podrán usar una barra de imán y bobinas para aprender sobre la ley de Faraday. Para esto deberán mover un imán cerca de una o dos bobinas para hacer que una ampolleta se encienda y observar las líneas de campo magnético. Un medidor muestra la dirección y la magnitud de la corriente.

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

Para qué sirve 

Ver efectos de un campo magnético sobre una ampolleta.

Materiales 

Computadores (con conexión Internet)



Proyector (datashow) para el Instructor.

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

Material audiovisual: “Campo magnético”, disponible http://phet.colorado.edu/es/simulation/faraday

en:

Manos a la obra Los participantes a través de una simulación vía Internet podrán usar una barra de imán y bobinas para aprender sobre la ley de Faraday. Para esto deberán mover un imán cerca de una o dos bobinas para hacer que una ampolleta se encienda y observar las líneas de campo magnético. Un medidor muestra la dirección y la magnitud de la corriente. Desarrollo Debes recordar que ley de inducción electromagnética o simplemente ley de Faraday, establece que el voltaje inducido en un circuito cerrado es directamente proporcional a la rapidez con que cambia en el tiempo el flujo magnético que atraviesa una superficie cualquiera, con el circuito como borde. El Instructor para ejemplificar puede demostrar lo anterior o pedirles a los participantes que experimenten y observen lo mencionado a través de la simulación siguiente: http://phet.colorado.edu/sims/faradays-law/faradays-law_es.html

Consejos para el uso de los controles de la plataforma: Deben asegurarse de probar todas las pestañas y aplicaciones de la simulación con anterioridad y seguir las instrucciones de la plataforma, para realizar la actividad exitosamente. El instructor podrá realizar una serie de ejercicios y a continuación se mencionan algunos como: 

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“Ley de Faraday”, disponible en: http://phet.colorado.edu/sims/faradayslaw/faradays-law_es.html

Pedir a los participantes muevan rápidamente la batería por debajo de la bobina y reportar que sucede. 4. ¿Qué sucede si no se mueve la batería por debajo de la bobina? Solución:

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5. ¿Qué pasa cuando cambiamos la polaridad en la batería? Solución: 6. ¿Qué pasa cuando conectamos la fuente alterna? ¿A qué se debe esto?

7. ¿Qué pasa cuando se enciende la llave de agua? Solución:

Actividad N° 3: “Corriente alterna y continua” Lo que hay que hacer El instructor dividirá el curso en grupos de 4 participantes que construirán circuitos en una plataforma interactiva, con condensadores, bobinas, resistencias y fuentes de tensión de CA y CC. Utilizarán instrumentos de laboratorio tales como voltímetros y amperímetros.

Para qué sirve 

Ver efectos sobre la ampolleta al ser alimentada con una batería (CC) y con una fuente de CA. (armar circuito formado por fuente - interruptor y ampolleta).

Materiales 

Computadores (con conexión Internet).



Proyector (datashow) para el Instructor.



Plataforma Interactiva: “Construcción de circuitos CA y CC”, disponible en: http://phet.colorado.edu/es/simulation/circuit-construction-kit-ac-virtual-lab

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Solución:

Manos a la obra El instructor partirá por explicar que en la siguiente actividad podrán observar la diferencia entre CA y CC construyendo dos simulaciones y realizará preguntas que determinan las diferencias entre ambas.

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Consejos para el uso de los controles de la plataforma:

Por ejemplo para construir un circuito eléctrico podrá hacer “click” en el botón derecho para explorar una variedad de situaciones como romper una unión, remover un componente o cambiar los valores. En relación a la plataforma de simulación, se debe: 

Añadir piezas.



Conectar partes con cables.



Borrar cables, partes o añadir partes. Note que no podrá añadir nada después que el circuito ha sido construido.



Usar el voltímetro y amperímetro. El amperímetro sin contacto es especialmente útil, pero el otro es realista.



La diferencia entre vista esquemática y realista.



Borrar una imagen para iniciar algo más.

Se podrá comenzar la actividad solicitando a los participantes que construyan un circuito de corriente CC y luego otro de CA y noten las diferencias observando en el gráfico de voltaje. Ahora se les solicitará a los participantes armar un circuito en el simulador interactivo que tenga: 12 Volt continuo y ampolleta con resistencia de 25 Ω. 8. ¿Qué pasa con el flujo de los electrones? Solución:

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Como la actividad se basa en la construcción de un circuito semejante a uno real, se deberá asegurar de probar todas las pestañas y aplicaciones de la simulación con anterioridad y seguir las instrucciones de la plataforma, para realizar la actividad exitosamente.

9. ¿Qué pasa si la batería se reemplaza por una fuente de voltaje de corriente alterna y que ocurre con el flujo de los electrones? Solución:

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10. ¿Al mantener el voltaje contaste y variar la frecuencia que pasa con el flujo de los electrones? Solución:

Solución:

Actividad N° 4: “Nociones de electroquímica” Lo que hay que hacer Los participantes observarán un video de un experimento de electroobtención de cobre, el cual podrán replicar en clases.

Para qué sirve 

Reconocer el fenómeno de electrodeposición.

Materiales 

Computadores (con conexión Internet)



Proyector (datashow) para el Instructor.



Recurso audiovisual: Experimento: “Experimentos DesCobre: Electrobtención”, disponible en: http://www.youtube.com/watch?v=oAeLpOTlGNs



Materiales para replicar experiencia: o

2 electrodos de cobre

o

Vaso precipitado de 1 litro

o

Tapa plástica para el vaso

o

Solución de sulfato de cobre en medio ácido súlfurico

o

Transformador de corriente continua (CC) de 3 Volt.

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11. ¿Qué sucede si el voltaje varía, aumenta o disminuye?

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     

El procedimiento para realizar el experimento es el siguiente: Se ponen los electrodos de cobre dentro de solución. Se conecta el transformador a la corriente. Se conectan los terminales de transformador a los electrodos poniendo atención cual es el positivo o ánodo y el negativo o cátodo. Se deja trabajar funcionar el aparato hasta que se hagan evidentes los cambios en los electrodos. Registrar observaciones.

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Manos a la obra

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UNIDAD DE APRENDIZAJE 2: Principales equipos de Electroobtención Generalidades del proceso de electroobtención de cobre

La electroobtención de cobre consiste en aplicar una corriente que circula de ánodo a cátodo a través de una solución de sulfato cúprico. El cobre se deposita sobre el cátodo y el agua se descompone sobre el ánodo, dando lugar a desprendimiento de oxígeno. Para obtener cátodos de excelente calidad, la solución procedente de la etapa de lixiviación es purificada y concentrada en cobre en la planta de extracción por solventes, para luego ser conducido a las celdas de electrodepositación de cobre. Los procesos a los que se somete la solución antes de entrar al proceso de electroobtención, se deben a que esta tiene una composición compleja, con numerosas impurezas, cuyas concentraciones varían de acuerdo a la fuente mineral utilizada y a los procesos hidrometalúrgicos a que es sometida antes de transformarse en el electrolito de electroobtención. En la nave de electroobtención, las celdas electrolíticas se encuentran conectadas al rectificador de corriente mediante un enclavamiento eléctrico serie y los electrodos unipolares, en un enclavamiento eléctrico paralelo. La tecnología actual contempla el uso de cátodos permanentes de acero inoxidable 316L y ánodos laminados de una aleación de plomo (Pb-Ca-Sn). El electrolito que ingresa a la nave de EW, proveniente de SX, presenta por lo general la siguiente composición química:     

Cobre: 40 – 48 g/L Ácido: 140 – 180 g/L Fe total: 0,5 – 1,5 g/L Cloruro: < 30 ppm Mn: 30 – 80 ppm

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2.

Además se adicionan aditivos para mejorar el depósito catódico (Guar), como también para disminuir la corrosión anódica (CoSO4*7H2O), los cuales se agregan en las siguientes concentraciones:

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 Guar: 100 – 300 (gr/ton Cu)  Sulfato de Cobalto: 100 – 200 (gr/ton Cu)

       

Densidad de corriente: 160 – 300 (A/m2) Flujo de electrolito a celda: 100 – 150 (L/min) Distribución de electrolito: convencional o fondo de celda / manifold Distancia cátodo – cátodo: 90 – 110 mm Ciclo de depósito: 6 – 7 días Temperatura: 40 – 48 ºC Ánodos Pb – Ca – Sn laminados: 6 mm de espesor Cátodos permanentes de acero inoxidable 316L: 3 – 3,3 mm de espesor

Referente a las instalaciones considerarse las siguientes:

y componentes de la nave de EW pueden

 Celdas  Circuito del Electrolito  Circuito Eléctrico  Electrodos  Grúas para el Transporte de Cátodos  Máquinas preparadoras de láminas iniciales ( plantas convencionales )  Equipo lavador de Cátodos  Máquina lavadora y despegadora de planchas (plantas con cátodos permanentes)

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Las condiciones de operación en una planta de EW que utiliza la tecnología de cátodos permanentes, son por lo general:

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2.1

Nave de electroobtención

Figura N° 12: Nave de electroobtención, Minera HMC. Primera Región

Figura N° 13: Nave de electroobtención, Minera Teck Quebrada Blanca. Primera región

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A continuación se presentan los principales equipos presentes en las naves de electroobtención. Las naves vienen en todas las formas y tamaños dependiendo de la ubicación de la mina, el presupuesto y las metas de procesamiento. Los siguientes son ejemplos de naves de electroobtención:

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2.2

Celda de electrólisis

La CELDA DE ELECTRÓLISIS representa la unidad básica industrial donde se desarrolla el proceso, los elementos activos lo conforman los electrodos, siendo el ánodo donde ocurre la oxidación y cátodo donde ocurre la reducción.

La asociación de varias celdas se denomina SECCIÓN y las secciones se agrupan en un CIRCUITO. El conjunto se denomina CASA ELECTROLÍTICA O NAVE ELECTROLÍTICA. La corriente entra al sistema por el borne positivo de modo que los ánodos son los que ingresan la corriente al sistema, esta corriente pasa a través de la solución y sale por los cátodos para así pasar a la celda vecina y así sucesivamente por todas ellas hasta cerrar el circuito con la última celda en su borne negativo. Desde el punto de vista eléctrico la celda de electrólisis queda definida por la corriente que circula (I) y por la tensión global a los bornes de los electrodos denominada tensión de celda (V).

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Los electrodos de una misma polaridad en general están conectados en paralelo a un mismo punto de tensión y las celdas en serie entre ellas.

Figura N° 14: Celda de electroobtención

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Como se indicó anteriormente, las celdas son las unidades básicas para la EW y debido a las características del proceso y sus limitaciones, se requiere disponer un alto número de ellas de acuerdo a la producción deseada (alrededor de 1,2 celdas por una tonelada de cátodos por día). Convencionalmente, las celdas se han construido de hormigón armado moldeado y revestidos interiormente con materiales plásticos. En los últimos años el empleo de las celdas poliméricas se generaliza como equipo estándar en las nuevas instalaciones.

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Figura N° 15: Celda de electroobtención vacía

Estas celdas son monolíticas y para una capacidad aproximada de 60 cátodos miden 6,5 x 1,15 x 1,4 metros y una capacidad de 6 m3. En una celda, ánodos y cátodos se ubican alternadamente con una separación de 2 a 4 cm aprox. Cada átomo tienen dos ánodos vecinos y el número de cátodos varía por celda de 30 a 70.

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Figura N° 16: Esquema de celda de electroobtención. Se indica la alimentación y descarga del flujo de la celda

Figura N° 17: Disposición de cátodos y ánodos en una celda

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