El documento describe la producción de aluminio. El proceso principal es la electrólisis del óxido de aluminio fundido en una mezcla de criolita y óxido de aluminio a 950°C, desarrollado por Hall y Héroult en 1886. Este proceso consume mucha energía y genera subproductos contaminantes como lodo rojo, fluoruro de hidrógeno, óxidos de carbono y fluorocarbonos.

1. ALUMINIO
GENERALIDADES- PRODUCCION
Profesora: MAZZINI, Nora
CEPEDA NELSON

2. ALUMINIO
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Introducción
En el grupo 13 encontramos por vez primera elementos con más de un estado
de oxidación. El aluminio tiene el estado de oxidación +3, ya sea que sus
enlaces sean iónicos o covalentes.
En virtud de que el aluminio es un metal con un gran potencial de reducción
estándar negativo, es de esperar que sea muy reactivo. Así es, en efecto.
Entonces, ¿por qué se puede usar el aluminio como metal ordinario en vez de
quedar confinado al laboratorio de química como el sodio? La respuesta nos la
da su reacción con el oxígeno gaseoso. Cualquier superficie expuesta de
aluminio metálico reacciona rápidamente con el oxígeno para formar óxido de
aluminio. En estas condiciones, una capa impermeable de óxido, de entre 10- 4
y 10- 6 mm de espesor, protege las capas de átomos de aluminio subyacentes.
Esto sucede porque el ion oxígeno tiene un radio iónico (124 pm) similar al
radio metálico del átomo de aluminio (143 pm). En consecuencia, el empaque
superficial prácticamente no cambia porque los pequeños iones aluminio (68
pm) encajan en los intersticios de la estructura del óxido superficial.
El especial atractivo del aluminio como metal de construcción es su baja
densidad superior únicamente a la del magnesio si no tomamos en cuenta a los
metales alcalinos muy reactivos. Por ejemplo, compárese la densidad del
aluminio con la del hierro o la del oro.
El aluminio es buen conductor del calor, propiedad que explica su uso en los
utensilios de cocina. Sin embargo, este metal no es tan bueno como el cobre
para conducir el calor. A fin de distribuir el calor de manera más uniforme a
partir del elemento eléctrico (o la flama de gas), el fondo de las cacerolas de
más alto precio se recubre con cobre. El aluminio también es excepcional como
conductor de la electricidad; de ahí su importante función en las líneas de
energía eléctrica y en el cableado doméstico.
El problema principal que plantea el uso de cableado de aluminio está en las
conexiones. Si el aluminio se une a un metal electroquímicamente disímil,
como el cobre, por ejemplo, se establece una celda electroquímica en
condiciones de humedad. Esto causa oxidación (corrosión) del aluminio. Ésta
es la razón por la que hoy en día no se recomienda el uso de aluminio en el
cableado doméstico.
Producción del aluminio
El descubrimiento de un método electrolítico por el químico francés Henri
Sainte- Claire Deville y el menguante costo de la electricidad, hizo que el precio
del aluminio metálico cayese de manera espectacular a finales del siglo XIX.
Sin embargo, la producción del metal en gran escala exigía un método capaz
de utilizar una mena de bajo costo y fácilmente disponible. Dos jóvenes
químicos, uno en Francia, Paul Héroult, y uno en Estados Unidos, Charles Hall,
encontraron esta ruta de manera independiente en 1886. Por tanto, el proceso
se conoce como proceso Hall-Héroult. De hecho, era la hermana de Charles,
Julia, quien tenía una formación química más sólida y quien llevaba las notas
pormenorizadas de los experimentos.
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El aluminio es el metal más abundante en la corteza terrestre, principalmente
en forma de arcillas. Hasta la fecha no se dispone de una ruta económica para
extraer aluminio de la arcilla. Sin embargo, en los ambientes cálidos y húmedos
los iones más solubles son lixiviados de la estructura de la arcilla para dejar el
mineral bauxita (óxido de aluminio hidratado impuro). Por tanto, los países que
producen bauxita son principalmente los cercanos al ecuador, entre los cuales
la fuente más grande es Australia, seguida de Guinea, Brasil, Jamaica y
Surinam.
La primera etapa del proceso de extracción es la purificación de la bauxita.
Esto se consigue mediante la digestión (calentamiento y reacción) del mineral
triturado con solución de hidróxido de sodio caliente para dar el ion aluminato
soluble:
Los materiales insolubles, en especial el óxido de hierro (III), se eliminan por
filtración en forma de "lodo rojo". El ion hierro (III) y el ion aluminio tienen
numerosas similitudes entre sí, pero difieren en el hecho de que el aluminio es
anfótero y reacciona con el ion hidróxido, en tanto que el óxido de hierro(III) no
reacciona con el mismo ion. Al enfriarse la solución, el equilibrio se desplaza a
la izquierda y se precipita el trihidrato de óxido de aluminio, en tanto que las
impurezas solubles quedan en solución:
El hidrato se calienta fuertemente en un horno rotatorio (similar al que se utiliza
en la producción de cemento) para obtener óxido de aluminio anhidro:
Con sus elevadas cargas iónicas, el óxido de aluminio tiene una energía
reticular muy grande y por tanto un alto punto de fusión (2040°C). Para
electrolizar el óxido de aluminio, sin embargo, era necesario encontrar un
compuesto de aluminio con un punto de fusión mucho más bajo. Hall y Héroult
anunciaron simultáneamente el descubrimiento de este compuesto de aluminio
de más bajo punto de fusión, el mineral criolita, cuyo nombre químico es
hexafluoroaluminato de sodio. Hay pocos depósitos naturales de este mineral;
Groenlandia tiene el más grande de ellos. Debido a su escasez casi toda la
criolita se fabrica.
Éste es en sí mismo un proceso interesante, porque el punto de partida es
normalmente un material residual, el tetrafluoruro de silicio, que se produce en
la síntesis de fluoruro de hidrógeno. El tetrafluoruro de silicio gaseoso
reacciona con el agua para dar dióxido de silicio insoluble y una solución de
ácido hexafluorosilícico, un compuesto fluorado relativamente inocuo:
Los detalles de la química que se lleva a cabo en la celda electrolítica aún no
se conocen bien, pero la criolita actúa como electrólito. El óxido de aluminio se
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disuelve en la criolita fundida a alrededor de 950°C. El aluminio fundido se
produce en el cátodo, y el oxígeno que se forma en el ánodo oxida el carbono a
monóxido de carbono (y un poco de dióxido de carbono):
El proceso consume mucha energía, pues requiere corrientes de alrededor de
A a 6 V. De hecho, aproximadamente el 25 por ciento del costo del
aluminio metálico se debe al elevado consumo de energía. La producción de 1
kg de aluminio consume alrededor de 2 kg de óxido de aluminio, 0.6 kg de
carbono anódico, 0.1 kg de criolita y 16 Kw/h de electricidad.
La producción de aluminio genera cuatro productos secundarios que crean
importantes problemas de contaminación:
1. Lodo rojo, que se produce en la purificación de la bauxita y es fuertemente
básico.
2. Fluoruro de hidrógeno gaseoso, que se produce cuando la criolita reacciona
con los rastros de humedad del óxido de aluminio.
3. Óxidos de carbono, que se producen en el ánodo.
4. Fluorocarbonos, que se producen por reacción del flúor con el ánodo de
carbono.
Con el propósito de reducir el problema de la eliminación del lodo rojo, la
suspensión se vierte en tanques de sedimentación, de los cuales el
componente líquido, que es en su mayor parte solución de hidróxido de sodio,
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se extrae y se recicla o se neutraliza. El sólido, que es principalmente óxido de
hierro (III), se puede utilizar entonces como relleno de tierras o enviarse a las
fundidoras de hierro, donde se extrae el metal.
El problema de qué hacer con las emisiones de fluoruro de hidrógeno gaseoso
se ha resuelto en gran medida absorbiendo el fluoruro de hidrógeno en un
lecho de filtración de óxido de aluminio. El producto de este proceso es fluoruro
de aluminio:
Este fluoruro se puede agregar periódicamente al material fundido, con lo que
se consigue reciclar el fluoruro de hidrógeno. Una solución parcial al problema
de cómo deshacerse de los grandes volúmenes de óxidos de carbono que se
producen consiste en quemar el tóxico monóxido de carbono, un proceso que
genera el dióxido y suministra parte del calor que se requiere para la operación
de la planta de aluminio. Sin embargo, el método electrolítico produce
inevitablemente estos dos gases y, en tanto no se idee un proceso económico
alternativo, la producción de aluminio continuará aportando dióxido de carbono
a la atmósfera.
Por cada tonelada de aluminio se produce aproximadamente 1 kg de
tetrafluorometano, y alrededor de 0 .1 kg de hexafluoroetano. Estos
compuestos ocupan el segundo lugar, después de los clorofluorocarbonos
(CFC), como contribuyentes al efecto de invernadero. El problema de los
fluorocarbonos no se ha resuelto aún, y es objeto de considerable investigación
por parte de las compañías fabricantes de aluminio. Un adelanto ha sido la
adición de carbonato de litio a la mezcla fundida en la celda electrolítica. La
presencia del carbonato de litio baja el punto de fusión de la mezcla, lo que
resulta en una corriente más alta y por ende en mayor eficiencia. Al mismo
tiempo, la presencia de un compuesto reduce las emisiones de flúor de 25 a 50
por ciento, lo que disminuye la producción de fluorocarbonos.
Los principales productores de aluminio metálico y los proveedores de bauxita
no son los mismos. El productor más grande de aluminio metálico es Estados
Unidos. La gran demanda de energía del proceso de producción favorece a los
países que cuentan con fuentes de energía baratas. Así pues, Canadá y
Noruega, ninguno de los cuales es productor de bauxita ni un gran consumidor
de aluminio, se cuentan entre los cinco productores más importantes de
aluminio metálico.
Ambos países disponen de energía hidroeléctrica de bajo costo y puertos de
aguas profundas que facilitan la importación del mineral y la exportación de
aluminio metálico. La mayor parte del valor agregado al material proviene de
las etapas de procesamiento. No obstante que el mundo desarrollado depende
fuertemente de los países del tercer mundo para la obtención de la materia
prima, el tercer mundo recibe relativamente poco en términos de ingresos
derivados de la fase de explotación minera.
Alrededor del 25 por ciento de la producción de aluminio metálico se utiliza en
la industria de la construcción, con menores proporciones destinadas a la
fabricación de aeronaves, camiones y vagones de ferrocarril de pasajeros (18
por ciento), recipientes y embalaje (17 por ciento) y líneas de energía eléctrica
(14 por ciento).
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Debido a que la extracción del aluminio consume tanta energía y a que su
producción tiene tantas implicaciones de carácter ecológico, el reciclaje del
aluminio punto a concientizar en los fabricantes de este preciado metal.
Bibliografía
Química Inorgánica Descriptiva, Segunda Edición [Geoff Rayner Canham].
“Sector de la Industria del Aluminio y sus manufacturas”
http://www.argentinatradenet.gov.ar/sitio/estrategias/Aluminio%20y%20sus%20man
ufacturas.pdf
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