El Cobre, aliado
imprescindible de la electrotecnia
El cobre,
cuyo símbolo es Cu, es el elemento químico de número atómico 29 de la Tabla
periódica. Se trata de un metal de color
rojizo anaranjado de brillo metálico. Es ampliamente conocido y aplicado
en energía eléctrica. Seguramente
conocemos poco de este metal y su producción a pesar de estar en contacto con
el permanentemente.
El cobre es uno de los escasos metales, que pueden estar
presentes en un entorno natural de forma nativa o, lo que es lo mismo, sin
estar combinado con otros elementos. Por ello fue uno de los primeros en ser
utilizado por el ser humano. Los otros metales nativos son el oro, el platino,
la plata y el hierro. Es actualmente el tercer metal más utilizado del mundo.
Únicamente el hierro y el aluminio están presentes en más aplicaciones. Se dice
que es “buen conductor” porque ofrece
poca resistencia al paso de la electricidad.
Sin dudas,
el mejor conductor es la plata, pero su
alto costo hace que no resulte el más utilizado en equipos eléctricos. Por esa
razón, hoy el 60% del cobre que se extrae a través de la minería se destina a
ese uso.
El cobre
puede ser utilizado en varias aleaciones con otros metales con las que se
consiguen nuevos productos con distintas propiedades. Los tipos mas corrientes
de estas aleaciones son los siguientes:
El cobre
combina conductividad, seguridad, resistencia a la corrosión, a la tracción y
alta ductilidad: esto hace que se lo pueda producir en diámetros tan pequeños
que otros metales no soportarían sin romperse. Además, tiene la ventaja de
poder soldarse con facilidad.
Extrayendo cobre de sus minerales
Hoy en día
el metal se obtiene generalmente de minas a cielo abierto, sobre todo a partir
de minerales sulfurados y de minerales oxidados, una vez que son sometidos a un
tratamiento oportuno.
A modo de
ejemplo, se indica, las minas subterráneas (“El Teniente” – Chile), como en
operaciones a “cielo abierto” (“Chuquicamata”-Chile) a partir de minerales
“Sulfurados” (Calcopirita, Calcosina, Covelina, etc.) cómo también de sus sales y óxidos
(Malaquita, Azurita, Brochantita,
Antlerita, Atacamita, Crisocola, etc.).
El método utilizado
para extraer cobre de sus minerales depende de la naturaleza del mineral.
Minerales de sulfuro como calcopirita (CuFeS2) se convierten en cobre por un
método diferente al de los minerales de silicato, carbonato o sulfato. La
calcopirita y minerales de sulfuro similares son los minerales de cobre más
comunes. Los minerales típicamente contienen bajos porcentajes de cobre y deben
concentrarse antes de refinarlos (por ejemplo, mediante flotación por espuma).
El proceso
El mineral
concentrado se calienta fuertemente con dióxido de silicio (sílice) y aire u
oxígeno en un horno o una serie de hornos. Los iones de cobre en la calcopirita se reducen a sulfuro de
cobre (que se reduce aún más a cobre
metálico en la etapa final). El hierro de la calcopirita termina convertido en
una escoria de silicato de hierro que se elimina. La mayor parte del azufre de
la calcopirita se convierte en gas de dióxido de azufre. Se utiliza para
producir ácido sulfúrico mediante el proceso de contacto.
Una ecuación
general para esta serie de pasos es:
2CuFeS2 + 2SiO2 + 4O2
→ Cu2S + 2FeSiO3 + 3SO2
El sulfuro
de cobre producido se convierte en cobre
con una última ráfaga de aire.
Cu2S + O2 → 2Cu + SO2
El producto
final de esto se llama cobre blíster, una forma porosa y frágil de cobre, con
una pureza del 98 al 99,5%.
Extracción de cobre de otros minerales
El cobre se
puede extraer de minerales sin sulfuro mediante un proceso diferente que
involucra tres etapas separadas:
Reacción del
mineral (durante bastante tiempo y a gran escala) con un ácido como el ácido
sulfúrico diluido para producir una solución de sulfato de cobre muy diluida.
Concentración
de la solución de sulfato de cobre por extracción con solvente. La solución muy diluida
se pone en contacto con una cantidad relativamente pequeña de un disolvente
orgánico que contiene algo que se unirá a los iones de cobre de modo que se eliminen de la solución
diluida. El disolvente no debe mezclarse con el agua.
Los iones de
cobre se eliminan nuevamente del solvente orgánico por reacción con ácido
sulfúrico fresco, produciendo una solución de sulfato de cobre mucho más
concentrada que antes.
Electrólisis
de la nueva solución.
Los iones de
cobre se depositan como cobre en el cátodo. Los ánodos para este proceso eran
tradicionalmente aleaciones a base de plomo, pero los métodos más nuevos
utilizan titanio o acero inoxidable. El cátodo es una tira de cobre muy puro
sobre la que se colocan las nuevas placas de cobre, o acero inoxidable del que
hay que quitarlo más tarde.
Purificación de cobre
Los
minerales explotados mundialmente poseen tenores muy bajos en metal por lo que
deben ser sometidos a varios procesos de concentración sucesivos antes de pasar
a la etapa final de Refinación.
Cuando el
cobre se fabrica a partir de minerales de sulfuro mediante el primer método
anterior, es impuro. El cobre se trata
primero para eliminar el azufre restante y luego se vierte en ánodos para su
refinado mediante electrólisis.
El tenor
promedio de los minerales de cobre explotados mundialmente oscila entre el 2,0
y el 10%. (Cuando el tenor se expresa en %
equivale a decir que un 1% de cobre equivale a 1 kg. de Cu por cada 100
kg de roca explotada).
Refinación electrolítica
La
purificación utiliza un electrolito de solución de sulfato de cobre, ánodos de
cobre impuro y tiras de cobre de alta pureza para los cátodos. El diagrama
muestra una vista muy simplificada de una celda.
En el
cátodo, los iones de cobre se depositan
como cobre.
Cu2 +
(aq) + 2e− → Cu (s)
En el ánodo,
el cobre se disuelve como iones de cobre.
Cu (s) → Cu2 + (aq) + 2e−
Por cada ión
de cobre que se deposita en el cátodo, en principio otro se disuelve en el
ánodo. La concentración de la solución debe permanecer igual. Todo lo que
sucede es que hay una transferencia de cobre del ánodo al cátodo. El cátodo se
hace más grande a medida que se deposita más y más cobre puro; el ánodo
desaparece gradualmente.
¿Qué pasa
con las impurezas?
Cualquier
metal en el ánodo impuro que esté por debajo del cobre en la serie
electroquímica (serie de reactividad) no se disuelve como iones. Permanece como
un metal y cae al fondo de la celda (precipitado) como un "lodo de
ánodo" junto con cualquier material no reactivo sobrante del mineral. El
lodo del ánodo contendrá metales valiosos como plata y oro.
Que es el cobre recocido?
El recocido
consiste en calentar un metal, en este caso el cobre, hasta una determinada
temperatura para después dejar que se enfríe lentamente, habitualmente,
apagando el horno y dejando el metal en su interior para que su temperatura
disminuya de forma progresiva. Los objetivos del recocido son tanto eliminar
las tensiones internas producidas por tratamientos anteriores como aumentar la
plasticidad, la ductilidad y la tenacidad del material.
Datos del cobre
Los países
con mayor producción minera en 2020 fueron:
Chile: 5,7 millones de toneladas. ...
Perú: 2,2 millones de toneladas. ...
China: 1,7 millones de toneladas. ...
República Democrática del Congo: 1,3
millones de toneladas. ...
Estados Unidos: 1,2 millones de toneladas.
Algunas
empresas que procesan el cobre en el mundo son: Aurubis (Alemania), Codelco
(Chile), Xstrata (Anglo-Suiza), bhp billiton (Australia)
Cobre como conductor eléctrico
El Comité de
Conductores Aislados del Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos
(IEEE) ha determinado con precisión la capacidad de conducción de una amplia
gama de alambres y cables, en distintas condiciones de instalación, las cuales
han sido publicadas en la Norma IEEE 835-1994. Dicha norma es utilizada por
ingenieros, técnicos y diseñadores de sistemas en todo el mundo. Sus cuadros
muestran que la capacidad de conducción de los conductores de cobre es
aproximadamente 1.6 veces mayor que la de los conductores de aleación de
aluminio de la misma sección transversal, debido a la mayor conductividad
inherente al cobre.
Otra ventaja
del cobre para aplicaciones bajo tierra es su alta resistencia contra la
corrosión. Esta es la razón por la que
las líneas aéreas en zonas costeras, son a menudo construidas en cobre en vez
de aluminio. (El agua, la humedad, en contacto con el conductor hecho de
aleación de aluminio ocasiona una severa corrosión convirtiendo al aluminio en
un hidróxido y en gas de hidrógeno). Para cables subterráneos de alta y media
tensión, el cobre es el más pertinente; en este caso el mayor costo de este
material se debe a su aislamiento.
Son muchas
más las características excepcionales del cobre por lo que tiene un impacto positivo en la capacidad del
sistema eléctrico, también en la reducción de los costos de operación y en la
disminución de producción de gases de efecto invernadero. El cobre es 100%
reciclable, y no pierde sus propiedades químicas o físicas aunque el proceso se
repita. Las ventajas son claras: el ahorro de energía es muy importante, al
suponer un 85% menos de consumo reciclarlo que extraerlo.
Ing. Ricardo
Berizzo Ing.
Jorge A. Berizzo
Cátedra:
Movilidad Eléctrica Geólogo
U.T.N.Rosario